KR20220013814A - Prelithiation solution and method of manufacturing prelithiated anode using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a pre-lithiated solution and a method for manufacturing a pre-lithiated negative electrode using the same. According to a pre-lithiated solution and a method for manufacturing a pre-lithiated negative electrode using the same of the present invention, lithium ions can be uniformly inserted throughout a negative electrode in a solution phase through a simple process of immersing a negative electrode in a solution using a pre-lithiated solution having a sufficiently low oxidation-reduction potential compared to a negative electrode active material, and a high level of pre-lithiation can be achieved. The pre-lithiated negative electrode prepared by the above method has an ideal initial coulombic efficiency, and a lithium ion battery having a high energy density can be manufactured based thereon. In addition, the prepared negative electrode has the advantage of being suitable for mass production based on excellent stability even in a dry atmosphere.

Description

사전리튬화 용액 및 이를 이용한 사전리튬화된 음극의 제조방법{Prelithiation solution and method of manufacturing prelithiated anode using the same}Prelithiation solution and method of manufacturing prelithiated anode using the same

본 발명은 사전리튬화 용액 및 이를 이용한 사전리튬화된 음극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a prelithiated solution and a method for manufacturing a prelithiated anode using the same.

리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 셀의 전압과 셀 부피(또는 질량) 당 전기 화학 반응에 전달된 Li 이온의 수에 의해 결정된다. 실제 전지에서는 최초 사이클에서 음극 상에 고체-전해질 인터페이스(solid-electrolyte interphase, SEI)를 형성하는 전해질의 비가역적인 전기화학적 환원 반응이 발생하는데, 이는 사이클링 이전에 양극에 원래 로딩된 활성 리튬 이온을 소비하므로 배터리 작동의 쿨롱 효율을 낮추는 문제가 있다. The energy density of a lithium-ion battery is determined by the voltage of the cell and the number of Li ions delivered to the electrochemical reaction per cell volume (or mass). In a real cell, an irreversible electrochemical reduction reaction of the electrolyte that forms a solid-electrolyte interphase (SEI) on the negative electrode on the first cycle occurs in the first cycle, which consumes the active lithium ions originally loaded on the positive electrode prior to cycling. Therefore, there is a problem of lowering the coulombic efficiency of battery operation.

이렇게 줄어든 활성 리튬 이온에 의해 다음 사이클에서 배터리의 가용 에너지 밀도가 크게 제한된다. 리튬 이온 배터리의 음극으로 상용되는 그라파이트는 일반적으로 초기 쿨롱 효율의 약 90%를 나타내는 반면, 차세대 고용량 음극재인 실리콘 및 실리콘 및 산화물(SiOx)는 일반적으로 초기 80% 미만의 쿨롱 효율을 나타내어 상용화의 걸림돌이 되고 있는 실정이다.This reduced active lithium ion greatly limits the usable energy density of the battery in the next cycle. Graphite, which is commercially available as an anode for lithium-ion batteries, generally exhibits about 90% of the initial coulombic efficiency, while silicon and silicon and oxide (SiOx), which are next-generation high-capacity anode materials, generally exhibit a coulombic efficiency of less than 80% in the initial stage, which is an obstacle to commercialization. This is becoming a situation.

초기 높은 쿨롱 효율 및 에너지 밀도를 극대화를 달성하기 위하여 배터리 조립 이전에 사전리튬화를 통해 활성 리튬 이온의 손실을 여분의 리튬 이온으로 보상하는 시도가 이루어지고 있다. 그 시도의 일환으로 전극의 제조과정에서 고상의 리튬입자나 또는 리튬화합물을 희생 리튬 소스로 첨가하는 방법이 제시되었다. 그러나 나노 크기의 첨가제는 대규모로 합성하기 어렵고, 기존에 전극 제조에 사용되는 전형적인 용매와는 상이한 용매와 이에 따른 새로운 공정을 필요로 하며, 전극 내에 불순물 생성이 불가피하여 순 에너지 밀도를 저하시키는 문제가 있다.In order to maximize the initial high coulombic efficiency and energy density, attempts have been made to compensate the loss of active lithium ions with extra lithium ions through prelithiation prior to battery assembly. As part of the attempt, a method of adding solid lithium particles or a lithium compound as a sacrificial lithium source during the manufacturing process of the electrode has been proposed. However, nano-sized additives are difficult to synthesize on a large scale, require a solvent different from the typical solvent used for conventional electrode manufacturing, and a new process accordingly, and impurity generation in the electrode is unavoidable, thereby lowering the net energy density. have.

대안으로는 리튬 금속을 제조된 전극에 물리적으로 접촉하여 사전리튬화하는 것인데, 리튬 금속을 물리적으로 접촉하는 것을 리튬 도핑양을 정밀하게 제어하기 어려운 문제가 있다. 리튬금속을 음극으로 하는 임시의 셀을 만들어 전기화학적으로 전극을 사전리튬화할 수 있는 방법도 제시되었으나 이는 전지의 재조립 단계가 추가적으로 필요하여 상용화에 적합하지 않다.An alternative is to prelithiate the lithium metal by physically contacting the prepared electrode, but there is a problem in that it is difficult to precisely control the lithium doping amount in physically contacting the lithium metal. A method of electrochemically prelithiating the electrode by making a temporary cell using lithium metal as the negative electrode has also been proposed, but it is not suitable for commercialization because it requires an additional reassembly step of the battery.

Holtstiege, F., Barmann, P., Nolle, R., Winter, M. & Placke, T. Pre-lithiation strategies for rechargeable energy storage technologies: Concepts, promises and challenges. Batteries 4,4 (2018). Holtstiege, F., Barmann, P., Nolle, R., Winter, M. & Placke, T. Pre-lithiation strategies for rechargeable energy storage technologies: Concepts, promises and challenges. Batteries 4,4 (2018). Sun, Y. et al. High-capacity battery cathode prelithiation to offset initial lithium loss. Nat. Energy 1, 1-7 (2016). Sun, Y. et al. High-capacity battery cathode prelithiation to offset initial lithium loss. Nat. Energy 1, 1-7 (2016).

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 화학적인 방법으로 0.3 V 미만의 낮은 전압을 가지는 리튬 이온 배터리용 고용량 음극의 사전리튬화가 가능한 고환원성 사전리튬화 용액 및 이를 이용한 사전리튬화된 음극의 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is a high-reduction pre-lithiation solution capable of pre-lithiation of a high-capacity negative electrode for a lithium-ion battery having a low voltage of less than 0.3 V by a chemical method, and the preparation of a pre-lithiated negative electrode using the same to provide a way

본 발명의 일 측면은 리튬 이온 및 수소 이외의 치환기를 갖는 벤젠 고리를 적어도 하나 이상 함유하는 방향족 탄화수소 유도체의 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액을 제공한다.One aspect of the present invention provides a prelithiation solution comprising a complex of an aromatic hydrocarbon derivative containing at least one benzene ring having a substituent other than lithium ions and hydrogen.

본 발명의 다른 측면은 (a) 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극을 준비하는 단계; 및 (b) 상기 음극을 리튬 이온 및 수소 이외의 치환기를 갖는 벤젠 고리를 적어도 하나 이상 함유하는 방향족 탄화수소 유도체의 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액에 침지하여 사전리튬화된 음극을 제조하는 단계;를 포함하는 사전리튬화된 음극의 제조방법을 제공한다. Another aspect of the present invention comprises the steps of (a) preparing a negative electrode comprising a negative electrode active material layer formed on one or both surfaces of a current collector; and (b) immersing the negative electrode in a prelithiated solution containing a complex of an aromatic hydrocarbon derivative containing at least one benzene ring having a substituent other than lithium ions and hydrogen to prepare a prelithiated negative electrode; It provides a method for manufacturing a pre-lithiated negative electrode comprising.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 제조방법에 따라 제조된 사전리튬화된 음극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a prelithiated negative electrode manufactured according to the above manufacturing method.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 사전리튬화된 음극을 포함하는 리튬 이온 전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a lithium ion battery including the prelithiated negative electrode.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 사전리튬화된 음극을 포함하는 리튬 이온 커패시터를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a lithium ion capacitor including the prelithiated negative electrode.

본 발명에 따른 사전리튬화 용액 및 이를 이용한 사전리튬화된 음극의 제조방법은 음극 활물질에 비하여 충분히 낮은 산화환원전위를 갖는 사전리튬화 용액을 이용하여 음극을 용액에 침지하는 단순한 과정을 통해 용액상에서 화학적으로 리튬 이온을 음극 전체에 걸쳐 균일하게 삽입할 수 있으며, 높은 수준의 사전리튬화를 달성할 수 있다. 상기 방법으로 제조된 사전리튬화된 음극은 100%에 근접한 이상적인 초기 쿨롱 효율을 가지며, 이를 바탕으로 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 이온 전지를 제조할 수 있다. 또한, 제조된 음극은 건조 대기에서도 우수한 안정성을 바탕으로 대량 생산에 적용되기 적합한 장점을 가진다.The pre-lithiation solution and the method for manufacturing a pre-lithiated negative electrode using the same according to the present invention are prepared in a solution phase through a simple process of immersing the negative electrode in the solution using a pre-lithiation solution having a sufficiently low oxidation-reduction potential compared to the negative electrode active material. Chemically, lithium ions can be uniformly intercalated throughout the anode, and a high level of prelithiation can be achieved. The prelithiated negative electrode prepared by the above method has an ideal initial coulombic efficiency close to 100%, and a lithium ion battery having a high energy density can be manufactured based on this. In addition, the prepared negative electrode has the advantage of being suitable for mass production based on excellent stability even in a dry atmosphere.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 사전리튬화 용액 제조에 사용된 방향족 탄화수소 화합물의 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry) 분석 결과이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 사전리튬화 용액 제조에 사용된 방향족 탄화수소 화합물의 계산된 LUMO 에너지와 산화환원전위(E1/2)간의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라 사전리튬화 용액 제조에 사용된 방향족 탄화수소 화합물의 초기 쿨롱 효율과 산화환원전위(E1/2)간의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 사전리튬화된 SiOx 음극 및 순수 SiOx 전극의 첫 충-방전 사이클의 전압 프로파일이다.
도 1e는 사전리튬화 이후 SiOx 전극에 저장된 활성 리튬 이온의 양을 전기화학적으로 적정하여 나타낸 그래프이다.
도 2a는 4,4’-DMBP의 산화환원전위 및 온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 사전리튬화 온도를 달리하여 제조된 SiOx 음극의 초기 전압 프로파일이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따라 침전 시간을 달리하여 제조한 전극의 초기 쿨롱 효율 및 OCV(open circuit voltage) 측정 결과이며, 도 2d는 초기 전압 프로파일이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 순수 전극 및 사전리튬화 전극의 Li 1s 스펙트럼 XPS 분석 결과이며, 도 3b는 Si 2p 스펙트럼 분석결과이다.
도 3c는 DME, 4,4’-DMBP, Li-4,4’-DMBP(LAC), 로딩량을 Li:Si=3:1 및 1:1로 달리하여 SiOx 전극과 반응한 이후의 Li-4,4’-DMBP(LAC) 용액의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 3d는 4,4’-DMBP의 예상 진동 주파수를 DFT 계산을 통해 나타낸 4,4’-DMBP의 중성 및 라디칼 음이온 예상 FT-IR 스펙트럼이다.
도 3e는 상기 도 3c에서 사용한 리튬-방향족 탄화수소 유도체 복합체 용액의 사진이다.
도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따라 사전리튬화된 전극의 기공 크기 분포 히스토그램이다.
도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 SiOx 음극(pristine SiOx) 및 사전리튬화된 SiOx 음극(prelithiated SiOx)의 단면 SEM 이미지이고, 도 3h는 100 nm 크기의 Si 입자를 포함하는 순수 Si 음극 및 사전리튬화된 Si 음극의 단면 SEM 이미지이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC532)||bare SiOx 완전셀(NBFC) 및 NMC532||prelithiated SiOx 완전셀(NPFC)의 초기 전기화학적 사이클 전압 프로파일이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전리튬화된 SiOx 음극을 갖는 완전셀 및 기존의 그라파이트 음극을 포함하는 완전셀의 초기 사이클의 전압 프로파일이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 NBFC의 양극 및 음극 전압 프로파일이고, 도 4d는 NPFC의 양극 및 음극 전압 프로파일이다.
도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전리튬화된 SiOx 음극의 건조 대기 노출 시간에 따른 초기 쿨롱 효율, OCV 및 전극 프로파일을 측정한 결과이다.
도 4f는 본 발명에 따른 사전리튬화된 음극의 제조방법의 롤투롤 공정을 설명하는 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 사전리튬화된 음극의 OCV를 측정한 결과이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 나프탈렌 (Naphthalene) 유도체를 포함하는 사전리튬화 용액으로 사전리튬화된 음극의 전압 프로파일 및 쿨롱효율을 측정한 결과이다.
1A is a cyclic voltammetry analysis result of an aromatic hydrocarbon compound used to prepare a prelithiation solution according to an embodiment of the present invention.
1B is a graph showing the correlation between the calculated LUMO energy and the redox potential (E 1/2 ) of an aromatic hydrocarbon compound used for preparing a prelithiation solution according to an embodiment of the present invention.
1C is a graph showing the correlation between the initial Coulombic efficiency and the redox potential (E 1/2 ) of the aromatic hydrocarbon compound used for preparing the prelithiation solution according to an embodiment of the present invention.
1D is a voltage profile of the first charge-discharge cycle of a prelithiated SiOx cathode and a pure SiOx electrode prepared according to an embodiment of the present invention.
1E is a graph showing the electrochemical titration of the amount of active lithium ions stored in the SiOx electrode after prelithiation.
Figure 2a is a graph showing the relationship between the redox potential and temperature of 4,4'-DMBP.
2B is an initial voltage profile of an SiOx anode manufactured by changing a prelithiation temperature according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2c is an initial coulombic efficiency and open circuit voltage (OCV) measurement result of an electrode manufactured by varying the settling time according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2d is an initial voltage profile.
3a is a Li 1s spectrum XPS analysis result of a pure electrode and a prelithiated electrode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3b is a Si 2p spectrum analysis result.
3c shows Li- after reacting with the SiOx electrode by varying the loading amount of DME, 4,4'-DMBP, Li-4,4'-DMBP (LAC), and Li:Si=3:1 and 1:1. FT-IR spectrum of 4,4'-DMBP (LAC) solution.
3d is an expected FT-IR spectrum of neutral and radical anions of 4,4'-DMBP showing the expected vibration frequency of 4,4'-DMBP through DFT calculation.
3e is a photograph of the lithium-aromatic hydrocarbon derivative complex solution used in FIG. 3c.
3F is a pore size distribution histogram of a prelithiated electrode according to an embodiment of the present invention.
3G is a cross-sectional SEM image of a pure SiOx cathode (pristine SiOx) and a prelithiated SiOx cathode (prelithiated SiOx) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3H is a pure Si cathode including Si particles having a size of 100 nm. and a cross-sectional SEM image of the prelithiated Si cathode.
4A is an initial electrochemical cycle voltage profile of LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NMC532)||bare SiOx full cell (NBFC) and NMC532||prelithiated SiOx full cell (NPFC) according to an embodiment of the present invention. .
4B is a voltage profile of an initial cycle of a full cell having a prelithiated SiOx cathode and a full cell including a conventional graphite anode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4c is anode and cathode voltage profiles of an NBFC according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4d is anode and cathode voltage profiles of an NPFC.
4E is a result of measuring the initial coulombic efficiency, OCV, and electrode profile according to the dry air exposure time of the prelithiated SiOx anode according to an embodiment of the present invention.
Figure 4f is a view for explaining the roll-to-roll process of the manufacturing method of the pre-lithiated negative electrode according to the present invention.
5 is a result of measuring the OCV of the pre-lithiated anode according to an embodiment of the present invention.
6 is a result of measuring the voltage profile and Coulombic efficiency of the anode prelithiated with a prelithiated solution containing a naphthalene derivative according to an embodiment of the present invention.

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

본 발명의 일 측면은 리튬 이온 및 수소 이외의 치환기를 갖는 벤젠 고리를 적어도 하나 이상 함유하는 방향족 탄화수소 유도체의 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액을 제공한다.One aspect of the present invention provides a prelithiation solution comprising a complex of an aromatic hydrocarbon derivative containing at least one benzene ring having a substituent other than lithium ions and hydrogen.

화학적 사전리튬화는 다른 사전리튬화 방법과는 달리 특유의 반응 균일성을 가지며 공정이 단순하여 대량 양산 공정에 적용이 유리하다. 기존에 화학적 사전리튬화는 리튬을 포함하는 환원성 화합물을 이용하여 초기 쿨롱 효율을 향상시키거나, 보호막을 형성함으로써, 전처리 동안 SEI를 형성하여 쿨롱 효율을 일부 향상시키는것이 가능했지만, 충분히 높은 환원력을 (충분히 낮은 산화환원전위를) 갖지 못해 이상적인 활성 리튬 함량을 달성하지 못하였다. 특히 낮은 산화환원전위를 갖는 실리콘계 전극(Si/SiOx)은 화학적 리튬화로 100%의 쿨롬효율 달성에 성공한 바가 없다. 하지만, 본 발명에 따른 사전리튬화 용액은 전자주개 치환기로 분자를 개질하여 0.25 V 이하의 낮은 산화환원전위를 가지며, 사전리튬화를 위한 충분한 환원력을 가짐을 확인하였다. 본 발명에 따른 사전리튬화 용액은 실리콘계 전극에도 성공적인 화학적 사전리튬화가 가능하였으며, 전극 전체에 걸쳐 균일하게 리튬을 삽입할 수 있었다. Unlike other prelithiation methods, chemical prelithiation has a unique reaction uniformity and a simple process, so it is advantageous to apply to mass production processes. Conventionally, in chemical prelithiation, it was possible to improve the initial coulombic efficiency by using a reducing compound containing lithium or to form a protective film, thereby forming SEI during pretreatment to partially improve the coulombic efficiency. It did not have a sufficiently low redox potential) to achieve the ideal active lithium content. In particular, silicon-based electrodes (Si/SiOx) having a low redox potential have not succeeded in achieving 100% coulombic efficiency by chemical lithiation. However, it was confirmed that the pre-lithiation solution according to the present invention has a low redox potential of 0.25 V or less by modifying the molecule with an electron donor substituent, and has sufficient reducing power for pre-lithiation. The prelithiation solution according to the present invention enabled successful chemical prelithiation even in a silicon-based electrode, and lithium was uniformly inserted throughout the electrode.

보다 상세하게, 치환기가 결합된 벤젠 고리를 포함하지 않는 방향족 탄화수소(나프탈렌, 안트라센, 페난트렌, 테트라센, 아줄렌, 플루오란텐, 페닐안트라센, 다이페닐안트라센, 페릴렌, 파이렌, 트라이페닐렌, 바이안트릴, 바이페닐, 터페닐, 쿼터페닐, 스틸벤 등)와 리튬 이온의 복합체는 실리콘계 음극(~0.25 V)에 비하여 높은 환원 전위(0.33 V vs Li/Li+ 이상)를 가지기 때문에 실리콘계 음극에 화학적인 리튬 삽입이 불가능하고 SEI만을 형성하여 실리콘계 음극의 사전리튬화에 부적합한 면이 있었다. 따라서, 음극의 이상적인 화학적 리튬화를 위해서는 사전리튬화 용액의 전기화학적 전위를 음극의 전위보다 낮게 조정하는 것이 필요하다. 따라서 본 발명에 따른 사전리튬화 용액은 방향족 탄화수소의 벤젠 고리에 결합되는 치환기를 적절히 변경한 방향족 탄화수소 유도체와 리튬 이온의 복합체를 적용함으로써, 산화환원전위를 낮추고, 이를 통해 리튬 이온을 음극, 특히 실리콘계 음극에 리튬을 화학적으로 삽입시킬 수 있다. 상기 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액을 통해 사전리튬화 반응을 거친 실리콘 계 음극은 전기화학적 가역성이 향상되며, 실리콘계 음극의 고질적인 문제로 지적되는 고체-전해질 인터페이스(SEI) 형성과 부피 팽창을 완화시킬 수 있다. More specifically, aromatic hydrocarbons (naphthalene, anthracene, phenanthrene, tetracene, azulene, fluoranthene, phenylanthracene, diphenylanthracene, perylene, pyrene, triphenylene) that do not include a benzene ring to which a substituent is bonded. , bianthryl, biphenyl, terphenyl, quaterphenyl, stilbene, etc.) and lithium ion complexes have a higher reduction potential (0.33 V vs Li/Li+ or more) than silicon-based anodes (~0.25 V). There was an aspect that chemical lithium insertion was impossible and only SEI was formed, making it unsuitable for prelithiation of silicon-based anodes. Therefore, for ideal chemical lithiation of the negative electrode, it is necessary to adjust the electrochemical potential of the pre-lithiation solution to be lower than the potential of the negative electrode. Therefore, the pre-lithiation solution according to the present invention lowers the oxidation-reduction potential by applying a complex of an aromatic hydrocarbon derivative and lithium ions having appropriately changed substituents bonded to the benzene ring of the aromatic hydrocarbon, thereby reducing the lithium ions to the negative electrode, especially silicon-based. Lithium can be chemically inserted into the negative electrode. The silicon-based negative electrode that has undergone the pre-lithiation reaction through the pre-lithiation solution containing the complex has improved electrochemical reversibility, and the solid-electrolyte interface (SEI) formation and volume expansion, which are pointed out as chronic problems of the silicon-based negative electrode, are alleviated. can do it

상기 방향족 탄화수소 유도체는 상기 치환기를 제외한 탄소수가 10 내지 22의 다환 방향족 화합물일 수 있다. 탄소수 10 미만의 방향족 탄화수소는 환원전위가 Li보다 낮아 Li이온과 방향족 탄화수소 유도체의 복합체 용액의 형성이 불가능하며, 탄소수 22 초과의 경우 산화환원전위가 높아 충분한 환원력을 갖지 못하는 문제가 있어 바람직하지 않다.The aromatic hydrocarbon derivative may be a polycyclic aromatic compound having 10 to 22 carbon atoms excluding the substituent. Aromatic hydrocarbons having less than 10 carbon atoms have a lower reduction potential than Li, making it impossible to form a complex solution of Li ions and aromatic hydrocarbon derivatives.

구체적으로, 상기 방향족 탄화수소 유도체는 나프탈렌 유도체, 안트라센 유도체, 페난트렌 유도체, 테트라센 유도체, 아줄렌 유도체, 플루오란텐 유도체, 페닐안트라센 유도체, 페릴렌 유도체, 파이렌 유도체, 트라이페닐렌 유도체, 바이페닐 유도체, 터페닐 유도체 및 스틸벤 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 나프탈렌 유도체 및 바이페닐 유도체 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.Specifically, the aromatic hydrocarbon derivatives include naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, azulene derivatives, fluoranthene derivatives, phenylanthracene derivatives, perylene derivatives, pyrene derivatives, triphenylene derivatives, biphenyl It may be at least one member selected from the group consisting of derivatives, terphenyl derivatives and stilbene derivatives, and preferably at least one member selected from naphthalene derivatives and biphenyl derivatives.

상기 방향족 탄화수소 유도체는 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 및 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드 중에서 선택된 1종 이상의 치환기를 함유할 수 있으며, 바람직하게는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 치환기로 함유할 수 있다.The aromatic hydrocarbon derivative may contain one or more substituents selected from alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, and alkyl halides having 1 to 6 carbon atoms, preferably having 1 carbon atom. to 4 alkyl as a substituent.

상기 방향족 탄화수소 유도체의 치환기는 상기 방향족 탄화수소 본래 분자와 동일한 구조인 경우를 포함할 수 있다. 예를 들어, 안트라센 유도체의 경우 안트릴기를 치환기로 포함할 수 있으며, 바이페닐 유도체의 경우 바이페닐을 치환기로 포함할 수 있다.The substituent of the aromatic hydrocarbon derivative may have the same structure as the original molecule of the aromatic hydrocarbon. For example, the anthracene derivative may include an anthryl group as a substituent, and the biphenyl derivative may include biphenyl as a substituent.

상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1 및 화학식 2 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The aromatic hydrocarbon derivative may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of Chemical Formulas 1 and 2.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, R1 및 R2은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고, a 및 b는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고, a가 2 이상일 경우 2 이상의 R1은 서로 동일하거나 상이하고, b가 2 이상일 경우 2 이상의 R2는 서로 동일하거나 상이하고,In Formula 1, R 1 and R 2 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or an alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms, a and b are each independently an integer of 0 to 5, at least one is not 0, when a is 2 or more, two or more R 1 are the same or different from each other, and when b is 2 or more, two or more R 2 are the same or different from each other,

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 2에서 R3 및 R4은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고, c 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고, c가 2 이상일 경우 2 이상의 R3는 서로 동일하거나 상이하고, d가 2 이상일 경우 2 이상의 R4는 서로 동일하거나 상이하다.In Formula 2, R 3 and R 4 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms, c and d are each other It is independently an integer of 0 to 5, at least one is not 0, when c is 2 or more, two or more R 3 are the same or different from each other, and when d is 2 or more, two or more R 4 are the same or different from each other.

상기 조건을 만족하는 사전리튬화 용액은 전극의 표면에 보호층을 형성하며, 형성된 보호층은 건조 대기에서도 사전리튬화된 전극의 안정성을 부여하기 때문에, 제조 공정상 유리한 장점이 있다. The pre-lithiated solution satisfying the above conditions forms a protective layer on the surface of the electrode, and the formed protective layer provides stability to the pre-lithiated electrode even in a dry atmosphere, so there is an advantage in the manufacturing process.

바람직한 구현예에 따르면, 상기 화학식 1에서, R1 및 R2은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, a 및 b는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고, a가 2 이상일 경우 2 이상의 R1은 서로 동일하거나 상이하고, b가 2 이상일 경우 2 이상의 R2는 서로 동일하거나 상이하다. 또한, 상기 화학식 2에서 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, c 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고, c가 2 이상일 경우 2 이상의 R3은 서로 동일하거나 상이하고, d가 2 이상일 경우 2 이상의 R4는 서로 동일하거나 상이하다.According to a preferred embodiment, in Formula 1, R 1 and R 2 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 4 carbon atoms, a and b are each independently an integer of 0 to 2, at least one of which is 0 No, when a is 2 or more, two or more R 1 are the same as or different from each other, and when b is 2 or more, two or more R 2 are the same or different from each other. In addition, in Formula 2, R 3 and R 4 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 4 carbon atoms, c and d are each independently an integer of 0 to 2, at least one is not 0, and c is 2 When d is 2 or more, two or more R 3 are the same as or different from each other, and when d is 2 or more, two or more R 4 are the same or different from each other.

상기 조건에서 리튬 이온 및 방향족 탄화수소 유도체의 복합체는 실리콘계 음극에 비하여 충분히 낮은 산화환원전위를 가져 실리콘계 음극의 화학적 사전리튬화에 적용할 수 있으며, 순수 실리콘계 음극에 비하여 초기 쿨롱 효율이 향상된다. Under the above conditions, the composite of lithium ions and aromatic hydrocarbon derivatives has a sufficiently low oxidation-reduction potential compared to a silicon-based anode, so it can be applied to chemical prelithiation of a silicon-based anode, and the initial Coulombic efficiency is improved compared to a pure silicon-based anode.

바람직한 구현예에 따르면, 상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1-1 내지 1-3 및 2-1 내지 2-3 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.According to a preferred embodiment, the aromatic hydrocarbon derivative may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of the following Chemical Formulas 1-1 to 1-3 and 2-1 to 2-3.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure pat00003
Figure pat00003

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure pat00004
Figure pat00004

[화학식 1-3][Formula 1-3]

Figure pat00005
Figure pat00005

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure pat00006
Figure pat00006

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure pat00007
Figure pat00007

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 화학식으로 표시되는 방향족 탄화수소 유도체를 포함하는 사전리튬화 용액은 0.2 V이하의 산화환원전위를 보여, 실리콘계 음극의 화학적 사전리튬화를 위한 충분한 환원력을 가질 뿐만 아니라, 초기 쿨롱 효율이 100%를 상회할 수 있었다. 즉, 순수 SiOx 음극의 비가역적인 리튬 손실을 성공적으로 보상하여 충전용량과 방전용량이 거의 동일한 값을 가진다.The pre-lithiation solution containing the aromatic hydrocarbon derivative represented by the above formula shows an oxidation-reduction potential of 0.2 V or less, and not only has sufficient reducing power for chemical pre-lithiation of a silicon-based anode, but also has an initial coulombic efficiency of more than 100% Could. That is, by successfully compensating for the irreversible lithium loss of the pure SiOx negative electrode, the charge capacity and the discharge capacity have almost the same value.

상기 사전리튬화 용액의 용매는 고리형 에테르 및 선형 에테르로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 선형 에테르일 수 있다. 상기 고리형 에테르는 디옥솔란, 메틸디옥솔란, 디메틸디옥솔란, 비닐디옥솔란, 메톡시디옥솔란, 에틸메틸디옥솔란, 옥세인, 디옥세인, 트리옥세인, 테트라히드로퓨란, 메틸테트라히드로퓨란, 디메틸테트라히드로퓨란, 디메톡시테트라히드로퓨란, 에톡시테트라히드로퓨란, 디히드로피란, 테트라히드로피란, 헥사메틸렌 옥사이드, 퓨란, 디히드로퓨란, 디메톡시벤젠 및 디메틸옥세탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 선형 에테르는 디메틸에테르, 디에틸에테르, 에틸메틸에테르, 에틸프로필에테르, 디프로필에테르, 디이소프로필에테르, 디부틸에테르, 디이소부틸에테르, 에틸터트부틸에테르, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디메톡시프로판, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 이소프로필메틸에테르, 디에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜터트부틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디에틸렌글리콜 디비닐에테르 및 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent of the prelithiation solution may be at least one selected from the group consisting of cyclic ethers and linear ethers, and may preferably be linear ethers. The cyclic ether is dioxolane, methyldioxolane, dimethyldioxolane, vinyldioxolane, methoxydioxolane, ethylmethyldioxolane, oxane, dioxane, trioxane, tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, dimethyl At least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, dimethoxytetrahydrofuran, ethoxytetrahydrofuran, dihydropyran, tetrahydropyran, hexamethylene oxide, furan, dihydrofuran, dimethoxybenzene and dimethyloxetane The linear ether may be dimethyl ether, diethyl ether, ethyl methyl ether, ethyl propyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, diisobutyl ether, ethyl tertbutyl ether, dimethoxymethane, tri Methoxymethane, dimethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol ethyl methyl ether, diethylene glycol isopropyl methyl ether, diethylene glycol butyl methyl ether, diethylene glycol diethyl ether , from the group consisting of diethylene glycol tertbutyl ethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol ethyl methyl ether, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether and triethylene glycol divinyl ether. It may be one or more selected, but is not limited thereto.

상기 사전리튬화 용액 내 상기 복합체의 농도는 0.01 내지 5 M일 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 2 M, 보다 바람직하게는 0.2 내지 1 M일 수 있다.The concentration of the complex in the prelithiation solution may be 0.01 to 5 M, preferably 0.1 to 2 M, more preferably 0.2 to 1 M.

상기 복합체의 산화환원전위는 0.25 V 미만일 수 있다. 상기 범위 미만의 산화환원 전위를 가질 경우, Si/SiOx 음극에 비하여 낮은 산화환원전위를 가지므로 충분한 환원력을 가지며, 사전리튬화에 적합하게 사용될 수 있다.The oxidation-reduction potential of the complex may be less than 0.25 V. When it has a redox potential less than the above range, since it has a lower redox potential than a Si/SiOx anode, it has sufficient reducing power and can be suitably used for prelithiation.

본 발명의 다른 측면은 (a) 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극을 준비하는 단계; 및 (b) 상기 음극을 리튬 이온 및 수소 이외의 치환기를 갖는 벤젠 고리를 적어도 하나 이상 함유하는 방향족 탄화수소 유도체의 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액에 침지하여 사전리튬화된 음극을 제조하는 단계;를 포함하는 사전리튬화된 음극의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 사전리튬화된 음극의 제조방법은 음극을 사전리튬화 용액에 침지하여 사전리튬화된 음극을 제조하므로 공정이 단순하며, 제조된 사전리튬화된 음극은 전극 표면에 보호층이 형성되어 건조 대기에서도 장시간 안정하므로, 사전리튬화를 위해 까다로운 조건을 충족해야하는 기존의 방법과는 달리 리튬 이온 전지의 대량 생산에 적용될 수 있다.Another aspect of the present invention comprises the steps of (a) preparing a negative electrode comprising a negative electrode active material layer formed on one or both surfaces of a current collector; and (b) immersing the negative electrode in a prelithiated solution containing a complex of an aromatic hydrocarbon derivative containing at least one benzene ring having a substituent other than lithium ions and hydrogen to prepare a prelithiated negative electrode; It provides a method for manufacturing a pre-lithiated negative electrode comprising. The manufacturing method of the pre-lithiated negative electrode of the present invention is simple because the pre-lithiated negative electrode is manufactured by immersing the negative electrode in the pre-lithiated solution, and the prepared pre-lithiated negative electrode has a protective layer formed on the electrode surface. Since it is stable for a long time even in dry air, it can be applied to mass production of lithium ion batteries, unlike the existing method that has to meet stringent conditions for prelithiation.

바람직하게는, 상기 복합체의 산화환원전위는 상기 음극 활물질의 산화환원전위보다 낮을 수 있는데, 충분한 환원력을 바탕으로 전지 조립 후 전해질 분해와 원치 않는 SEI 형성 반응을 억제하고 음극 내 활성 리튬이 삽입되는 사전리튬화 반응이 촉진될 수 있으며, 음극 내 균일하게 리튬 이온이 삽입될 수 있기 때문이다.Preferably, the oxidation-reduction potential of the composite may be lower than the oxidation-reduction potential of the negative electrode active material. Based on sufficient reducing power, electrolyte decomposition and unwanted SEI formation reaction after battery assembly are suppressed, and active lithium in the negative electrode is inserted prior to insertion. This is because the lithiation reaction can be promoted and lithium ions can be uniformly inserted into the negative electrode.

상기 방향족 탄화수소 유도체는 탄소수 10 내지 22의 다환 방향족 화합물일 수 있다.The aromatic hydrocarbon derivative may be a polycyclic aromatic compound having 10 to 22 carbon atoms.

상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1 및 화학식 2 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The aromatic hydrocarbon derivative may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of Chemical Formulas 1 and 2.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 화학식 1에서, R1 및 R2은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고, a 및 b는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고, a가 2 이상일 경우 2 이상의 R1은 서로 동일하거나 상이하고, b가 2 이상일 경우 2 이상의 R2는 서로 동일하거나 상이하고,In Formula 1, R 1 and R 2 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or an alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms, a and b are each independently an integer of 0 to 5, at least one is not 0, when a is 2 or more, two or more R 1 are the same or different from each other, and when b is 2 or more, two or more R 2 are the same or different from each other,

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 화학식 2에서 R3 및 R4은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고, c 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고, c가 2 이상일 경우 2 이상의 R3는 서로 동일하거나 상이하고, d가 2 이상일 경우 2 이상의 R4는 서로 동일하거나 상이하다.In Formula 2, R 3 and R 4 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms, c and d are each other It is independently an integer of 0 to 5, at least one is not 0, when c is 2 or more, two or more R 3 are the same or different from each other, and when d is 2 or more, two or more R 4 are the same or different from each other.

상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1-1 내지 1-3 및 2-1 내지 2-3 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The aromatic hydrocarbon derivative may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of Formulas 1-1 to 1-3 and 2-1 to 2-3.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure pat00011
Figure pat00011

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure pat00012
Figure pat00012

[화학식 1-3][Formula 1-3]

Figure pat00013
Figure pat00013

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure pat00014
Figure pat00014

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure pat00015
Figure pat00015

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure pat00016
Figure pat00016

상기 복합체의 산화환원전위는 0.25 V 미만일 수 있다.The oxidation-reduction potential of the complex may be less than 0.25 V.

상기 리튬 이온 및 방향족 탄화수소 유도체의 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액에 관한 설명은 사전리튬화 용액 부분에서 상술한 바와 동일하므로 생략한다.The description of the pre-lithiation solution including the complex of lithium ions and aromatic hydrocarbon derivatives is the same as described above in the pre-lithiation solution, and thus will be omitted.

상기 음극 활물질은 흑연, 하드카본, 활성탄소, 탄소나노튜브, 비정질탄소, 실리콘, 실리콘 산화물(SiOx), 실리사이드, 실리콘 합금, 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드, Ge, Sn, Sb, Al, Ag, Au 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 탄소, 실리콘 및 실리콘 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 실리콘 합금은 Fe, Co, Ni, Ca, Mg, Cu, Al, Ti 및 Mn 중 선택되는 1종 이상의 금속 원소과 실리콘 원소의 합금일 수 있다.The negative active material is graphite, hard carbon, activated carbon, carbon nanotubes, amorphous carbon, silicon, silicon oxide (SiOx), silicide, silicon alloy, silicon carbide, silicon nitride, Ge, Sn, Sb, Al, Ag, Au And TiO 2 It may be at least one selected from the group consisting of, preferably at least one selected from the group consisting of carbon, silicon, and silicon oxide. The silicon alloy may be an alloy of at least one metal element selected from Fe, Co, Ni, Ca, Mg, Cu, Al, Ti, and Mn and a silicon element.

상기 음극 활물질은 음극의 첨가제 또는 지지체의 기능을 수행할 수도 있다.The negative active material may serve as an additive or a support for the negative electrode.

상기 (b) 단계의 침지는 -10 내지 80 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 10 내지 50 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. -10 내지 80 ℃의 온도 범위에서 상기 복합체의 산화환원전위는 전형적으로 감소하며, 향상된 환원력은 초기 쿨롱 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 -10 ℃ 미만의 온도에서 수행될 경우, 산화환원전위가 지나치게 높아져 사전리튬화 반응이 일어나지 않을 수 있으며, 80 ℃ 초과의 온도에서 수행될 경우, 리튬 금속의 침전이 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. The immersion in step (b) may be performed at a temperature of -10 to 80 °C. Preferably it may be carried out at a temperature of 10 to 50 ℃. In the temperature range of -10 to 80 °C, the redox potential of the complex is typically reduced, and the improved reducing power can improve the initial Coulombic efficiency. When it is carried out at a temperature of less than -10 ℃, the oxidation-reduction potential is too high, so that the prelithiation reaction may not occur, and when it is carried out at a temperature of more than 80 ℃, it is not preferable because precipitation of lithium metal may occur. .

상기 (b) 단계의 침지는 0.01 내지 1440 분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1 분 내지 600 분, 보다 바람직하게는 5 내지 240 분 동안 수행될 수 있다. 침지 후 5 분까지 제조되는 음극의 초기 쿨롱 효율이 급격하게 증가되며, 30 분이 도과한 시점부터 서서히 그 증가 속도가 감소하여, 120 분이 도과하면 초기 쿨롱 효율은 더 이상 향상되지 않고 유지되는 경향을 보인다. 또한, 셀의 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)은 초기 쿨롱 효율과는 반대의 경향을 보인다. 따라서, 상기 침지 시간이 0.01 분 미만일 경우, 사전리튬화에 의한 음극 성능 향상의 효과를 기대하기 어렵고, 1440 분이 초과할 경우, 더 이상의 초기 쿨롱 효율 향상이나 OCV 감소 등의 효과를 기대하지 못하므로 적절한 범위에서 상한을 정한다.The immersion in step (b) may be performed for 0.01 to 1440 minutes, preferably 1 minute to 600 minutes, more preferably 5 to 240 minutes. The initial Coulombic efficiency of the anode manufactured up to 5 minutes after immersion increases rapidly, and the rate of increase gradually decreases from the time point when 30 minutes elapse, and when 120 minutes elapse, the initial Coulombic efficiency does not improve and is maintained . In addition, the open circuit voltage (OCV) of the cell shows a tendency opposite to the initial coulombic efficiency. Therefore, if the immersion time is less than 0.01 minutes, it is difficult to expect the effect of improving the negative electrode performance by prelithiation, and if it exceeds 1440 minutes, no further effects such as improvement of initial Coulombic efficiency or reduction of OCV can be expected. Set an upper limit in the range.

상기 (b) 단계에서 상기 사전리튬화 용액에 침지되는 상기 음극 활물질은, 상기 음극활물질 및 상기 리튬 이온 및 방향족 탄화수소 유도체의 복합체가 1:0.1 내지 1:10의 몰비를 가질 수 있으며, 바람직하게는 1:1 내지 1:5의 몰비, 보다 바람직하게는 1:2 내지 1:3의 몰비를 가질 수 있다. 상기 1:0.1 내지 1:10의 몰비에서 제조되는 음극이 온전히 사전리튬화될 수 있었으며, 1:1 내지 1:5의 몰비에서 가장 이상적인 초기 쿨롱 효율을 달성할 수 있었다.In the negative active material immersed in the prelithiation solution in step (b), the negative active material and the composite of the lithium ion and the aromatic hydrocarbon derivative may have a molar ratio of 1:0.1 to 1:10, preferably It may have a molar ratio of 1:1 to 1:5, more preferably a molar ratio of 1:2 to 1:3. The negative electrode prepared at the molar ratio of 1:0.1 to 1:10 could be completely prelithiated, and the most ideal initial Coulombic efficiency could be achieved at a molar ratio of 1:1 to 1:5.

상기 (b) 단계는 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 의해 연속적으로 수행되는 되는 것일 수 있다. 도 4f는 상기 롤투롤 공정을 설명하는 도면이다. 보다 상세하게는 상기 롤투롤 공정은 롤투롤 설비에 의해 수행되며, 상기 롤투롤 설비는 언와인더와 리와인더를 포함한다. 상기 언와인더는 상기 음극을 연속적으로 풀어주는 부분을 의미하며, 리와인더는 공정을 마친 후 공급되는 음극을 연속적으로 감아주는 부분을 의미한다. 상기 언와인더 및 리와인더는 상기 리튬 이온 전지용 음극에 소정의 장력을 부여한다. 상기 음극은 상기 언와인더 및 리와인더에 의해 연속적으로 공급되며, 공급된 음극은 상기 사전리튬화 용액을 수용하는 사전리튬화 용액 수용부를 통과하며, 상기 수용부에 수용된 사전리튬화 용액에 침지되어 사전리튬화가 진행되는 것이다. 사전리튬화 용액 수용부를 통과한 음극은 리와인더가 감는다. 상기 사전리튬화 용액에 침지되는 시간은 롤투롤 공정의 속도를 조절하거나, 롤의 개수 및 위치 등을 변경하여 조절할 수 있다. 상기 사전리튬화가 진행된 음극은 세척을 위하여 추가적인 용액 수용부를 통과할 수 있고 잔류 용액 제거를 위해 건조장치를 통과 할 수 있다. 본 발명의 제조방법에서 사용되는 사전리튬화 용액은 음극의 표면에 보호층을 형성하여 건조 대기 상에서도 장시간 안정성을 유지할 수 있기 때문에, 대량 생산이 가능한 롤투롤 공정에 적용할 수 있는 장점을 가진다.The step (b) may be continuously performed by a roll-to-roll process. 4F is a view for explaining the roll-to-roll process. In more detail, the roll-to-roll process is performed by a roll-to-roll facility, and the roll-to-roll facility includes an unwinder and a rewinder. The unwinder refers to a portion that continuously unwinds the negative electrode, and the rewinder refers to a portion that continuously winds the negative electrode supplied after the process is completed. The unwinder and the rewinder apply a predetermined tension to the negative electrode for a lithium ion battery. The negative electrode is continuously supplied by the unwinder and the rewinder, and the supplied negative electrode passes through a pre-lithiation solution receiving part accommodating the pre-lithiation solution, and is immersed in the pre-lithiation solution accommodated in the receiving part to pre-lithiate it. Lithium is in progress. The negative electrode that has passed through the pre-lithiation solution receiver is wound by a rewinder. The time immersed in the pre-lithiation solution can be adjusted by adjusting the speed of the roll-to-roll process or by changing the number and position of the rolls. The pre-lithiated negative electrode may pass through an additional solution receiving unit for cleaning and may pass through a drying device to remove residual solution. The prelithiation solution used in the manufacturing method of the present invention forms a protective layer on the surface of the negative electrode to maintain stability for a long time even in a dry atmosphere, so it has the advantage of being applicable to a roll-to-roll process capable of mass production.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 제조방법에 따라 제조된 사전리튬화된 음극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a prelithiated negative electrode manufactured according to the above manufacturing method.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 사전리튬화된 음극을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a lithium secondary battery including the pre-lithiated negative electrode.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 사전리튬화된 음극을 포함하는 리튬 이온 커패시터를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a lithium ion capacitor including the prelithiated negative electrode.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention. However, these examples are for explaining the present invention in more detail, the scope of the present invention is not limited thereby, and it is common in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It will be obvious to those with knowledge.

실시예Example

전기화학적 분석electrochemical analysis

SiOx(Hansol chemical, Korea), 카본블랙(Super-P, Timcal, Switzerland), 바인더(AST-9005, Aekyung chemical Co.,Ltd.Korea)를 5:3:2의 중량비로 원심분리기(THINKY corporation, Japan)로 혼합하여 전극 수용성 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 Cu 호일 집전체에 캐스팅한 후 80 ℃에서 1 시간 동안 건조하였고, 롤-프레스 이후 직경 11.3 mm(면적 1.003 cm2)가 되도록 잘라 120 ℃ 진공 오븐에서 하룻밤 동안 건조하였다. 각 전극에 로딩된 활물질의 양은 0.6±0.05 mg/cm2가 되도록 하였다. 100 nm 크기의 실리콘 음극은 100 nm Si, 카본블랙(Super P), 바인더를 70:18:12의 중량비로 구성되었다. CR2032 코인셀은 아르곤 분위기의 글러브 박스에서 PP/PE/PP 분리막으로, 1 M LiPF6을 에틸렌카보네이트(EC) 및 디에틸카보네이트(DEC)(1:1 v/v)에 혼합하여 전해질로 사용하여 제조하였다.SiOx (Hansol chemical, Korea), carbon black (Super-P, Timcal, Switzerland), and binder (AST-9005, Aekyung chemical Co., Ltd. Korea) were mixed in a centrifuge (THINKY corporation, Japan) to prepare an electrode-soluble slurry. After casting the slurry on a Cu foil current collector, it was dried at 80° C. for 1 hour, and after roll-pressing, it was cut to a diameter of 11.3 mm (area 1.003 cm 2 ) and dried in a vacuum oven at 120° C. overnight. The amount of active material loaded on each electrode was 0.6±0.05 mg/cm 2 . The 100 nm size silicon anode was composed of 100 nm Si, carbon black (Super P), and a binder in a weight ratio of 70:18:12. The CR2032 coin cell is a PP/PE/PP separator in an argon atmosphere glove box, and 1 M LiPF 6 is mixed with ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (1:1 v/v) as an electrolyte. prepared.

이하 전기화학적 분석은 WBCS-3000 배터리 사이클러(Wonatech Co.Ltd., Korea) 및 VMP3 potentio/galvanostat(Bio-logic Scientific Instruments, France)를 이용하여 수행되었다. 모든 전기화학적 분석은 30 ℃의 온도에서 수행되었다.The following electrochemical analysis was performed using a WBCS-3000 battery cycler (Wonatech Co. Ltd., Korea) and a VMP3 potentio/galvanostat (Bio-logic Scientific Instruments, France). All electrochemical analyzes were performed at a temperature of 30 °C.

반쪽셀 실험에서 코인셀은 일정한 전류(30 mV vs Li), 일정한 전압으로 전류밀도가 일정 전류 밀도의 10%로 감소할 때까지 방전하였으며, 1.2 V로 재충전하였다. 첫 사이클, 두 번째 사이클 및 이어지는 사이클에서 전류밀도는 각각 300 mA/g, 600 mA/g 및 1500 mA/g의 단계로 진행되었다.In the half-cell experiment, the coin cell was discharged with a constant current (30 mV vs Li) and a constant voltage until the current density decreased to 10% of the constant current density, and then recharged to 1.2 V. In the first cycle, the second cycle, and the subsequent cycle, the current densities proceeded in steps of 300 mA/g, 600 mA/g and 1500 mA/g, respectively.

완전셀 실험에서 양극은 Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 (NCM111) 또는 Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2 (NCM523) (Wellcos Corporation, Korea), Super P 및 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidene fluoride, PvdF) 바인더를 84:8:8의 중량비로 N-methyl-2-pyrrolidone(NMP) 용매에 혼합한 슬러리를 탄소가 코팅된 알루미늄 호일에 캐스팅하여 제조되었다. 양극 및 음극의 직경은 각각 11.3 mm 및 12 mm로 하였다. 완전셀은 N/P비율(실제 음극대 양극의 용량비)이 1.2가 되도록 설계되었다. 코인셀은 Whatman GFD 분리막을 추가한 것을 제외하고는 상기 반쪽셀을 제조한 방법과 동일하게 제조하였다.In the full-cell experiment, the positive electrode is Li(Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 )O 2 (NCM111) or Li(Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 )O 2 (NCM523) (Wellcos Corporation, Korea), Super P And polyvinylidene fluoride (polyvinylidene fluoride, PvdF) binder in a weight ratio of 84:8:8 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent mixed in a slurry was prepared by casting carbon-coated aluminum foil. The diameters of the positive and negative electrodes were 11.3 mm and 12 mm, respectively. The complete cell is designed so that the N/P ratio (actual cathode to anode capacity ratio) is 1.2. The coin cell was manufactured in the same manner as in the preparation of the half cell, except that a Whatman GFD separator was added.

각 방향족 탄화수소(또는 방향족 탄화수소 유도체) 화합물에 대한 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)는 50 mV/s의 주사속도로 지정된 온도에서 구리 호일(작업 전극), 리튬 금속(상대 전극) 및 0.5 M LiPF6 DME 용액에 0.2 M 산화환원활성 탄화수소를 전해질로 사용하여 측정하였다.Cyclic voltammetry for each aromatic hydrocarbon (or aromatic hydrocarbon derivative) compound was performed using copper foil (working electrode), lithium metal (counter electrode) and 0.5 M LiPF at a specified temperature with a scan rate of 50 mV/s. 6 DME solution was measured using 0.2 M redox-active hydrocarbon as an electrolyte.

사전리튬화 용액의 제조Preparation of prelithiation solution

리튬 금속 슬라이스를 각기 다른 방향족 탄화수소(또는 방향족 탄화수소 유도체) 화합물을 0.5 M 포함하는 디메톡시에탄 용액에 용해하고 30 ℃의 온도 및 아르곤 분위기의 글러브 박스에서 1 시간 동안 교반하여 리튬-방향족 탄화수소(또는 방향족 탄화수소 유도체) 화합물 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액을 제조하였다. 충분한 리튬의 공급을 위해 리튬:방향족 탄화수소(또는 방향족 탄화수소 유도체) 화합물의 몰비는 4:1로 고정하였다. 상기 사용된 방향족 탄화수소(또는 방향족 탄화수소 유도체) 화합물의 종류는 다음과 같다.A lithium metal slice was dissolved in a dimethoxyethane solution containing 0.5 M of different aromatic hydrocarbon (or aromatic hydrocarbon derivative) compounds and stirred for 1 hour in a glove box at a temperature of 30 ° C and argon atmosphere to form a lithium-aromatic hydrocarbon (or aromatic hydrocarbon) A prelithiated solution containing the hydrocarbon derivative) compound complex was prepared. In order to supply sufficient lithium, the molar ratio of lithium:aromatic hydrocarbon (or aromatic hydrocarbon derivative) compound was fixed at 4:1. The aromatic hydrocarbon (or aromatic hydrocarbon derivative) compound used above is as follows.

나프탈렌(Naphthalene, NP), 바이페닐(biphenyl, BP), 3,3’-디메틸바이페닐(3,3’-dimethylbiphenyl, 3,3’-DMBP), 2-메틸바이페닐(2-methylbiphenyl, 2-MBP), 4,4’-디메틸바이페닐(4,4’-dimethylbiphenyl, 4,4’-DMBP), 3,3’4,4’-테트라메틸바이페닐(3,3’,4,4’-tetramethylbiphenyl, 3,3’,4,4’-TMBP), Naphthalene (NP), biphenyl (BP), 3,3'-dimethylbiphenyl (3,3'-dimethylbiphenyl, 3,3'-DMBP), 2-methylbiphenyl (2-methylbiphenyl, 2 -MBP), 4,4'-dimethylbiphenyl (4,4'-dimethylbiphenyl, 4,4'-DMBP), 3,3'4,4'-tetramethylbiphenyl (3,3',4,4 '-tetramethylbiphenyl, 3,3',4,4'-TMBP),

사전리튬화된 실리콘 음극의 제조Preparation of prelithiated silicon anode

상기 제조한 사전리튬화 용액에 SiOx 음극을 각각 조절된 시간 및 온도로 침지하였다. 이후 1 M LiPF6 EC/DEC(1:1 v/v) 전해질로 세정하여 사전리튬화 용액 및 음극의 추가 반응을 ??칭(quenching)하여 사전리튬화된 음극을 제조하였다. 사전리튬화 용액의 리튬-방향족 탄화수소(또는 방향족 탄화수소 유도체) 복합체과 SiOx의 몰비는 6:1로 고정하였다.The SiOx negative electrode was immersed in the prepared pre-lithiation solution for a controlled time and temperature, respectively. After washing with 1 M LiPF 6 EC/DEC (1:1 v/v) electrolyte, the prelithiated solution and the additional reaction of the negative electrode were quenched to prepare a prelithiated negative electrode. The molar ratio of the lithium-aromatic hydrocarbon (or aromatic hydrocarbon derivative) complex and SiOx in the prelithiation solution was fixed at 6:1.

실험예 1. 사전리튬화 분석Experimental Example 1. Pre-lithiation analysis

도 1a는 상기 실시예에 따라 사전 리튬화 용액 제조에 사용된 나프탈렌, 바이페닐, 메틸치환된 바이페닐의 사이클릭 볼타메트리 분석 결과이다. 상기 도 1a에 나타난 바와 같이, 상기 사전리튬화 용액에 사용된 방향족 탄화수소 화합물의 순환전압전류분석을 통해 작용기가 치환된 바이페닐 유도체들이 바이페닐에 비하여 산화환원전위가 낮음을 확인할 수 있었다. 또한 나프탈렌은 산화환원전위가 0.37 V로 SiOx를 리튬화하기 부적합함을 확인할 수 있었다. 1A is a cyclic voltammetry analysis result of naphthalene, biphenyl, and methyl-substituted biphenyl used to prepare a pre-lithiated solution according to the above example. As shown in FIG. 1A , it was confirmed through cyclic voltammetry of the aromatic hydrocarbon compound used in the prelithiation solution that the functional group-substituted biphenyl derivatives had lower oxidation-reduction potentials compared to biphenyl. In addition, it was confirmed that naphthalene has an oxidation-reduction potential of 0.37 V, which is not suitable for lithiation of SiOx.

또한, 산화환원전위의 변화의 정도는 치환기의 위치에 따라 달라짐을 확인할 수 있었다. 오르쏘 위치의 하나의 메틸기가 치환된 경우(E1/2=131 mV, 2-MBP)는 메타 위치에 2개의 메틸기가 치환된 경우(E1/2=294 mV, 3,3’-DMBP) 또는 파라 위치에 2개의 메틸기가 치환된 경우(E1/2=186 mV for 4,4’-DMBP)에 비하여 더욱 큰 전위 변화가 있음을 확인할 수 있었다. 메타 및 파라 위치에 4개의 메틸기가 치환된 경우(3,3’,4,4’-TMBP)의 산화환원전위는 129 mV로 감소하였으며, 2-MBP의 경우와 유사하였다. In addition, it was confirmed that the degree of change in the redox potential varies depending on the position of the substituent. When one methyl group at the ortho position is substituted (E 1/2 =131 mV, 2-MBP), when two methyl groups are substituted at the meta position (E 1/2 =294 mV, 3,3'-DMBP) ) or when two methyl groups were substituted at the para position (E 1/2 =186 mV for 4,4'-DMBP), it was confirmed that there was a larger potential change. When four methyl groups were substituted at meta and para positions (3,3',4,4'-TMBP), the redox potential was reduced to 129 mV, similar to that of 2-MBP.

오르쏘 위치에 2개의 메틸기가 치환된(2,2’-DMBP)의 경우 0 V vs Li/Li+ 이하의 환원 전위를 가짐을 확인하였고, 리튬 금속이 2,2’-DMBP 사전리튬화 용액에서 안정화됨을 알 수 있었다.In the case of two methyl groups substituted at the ortho position (2,2'-DMBP), it was confirmed that it had a reduction potential of 0 V vs Li/Li + or less, and lithium metal 2,2'-DMBP prelithiated solution was found to be stable.

상기 환원 전위의 감소는 화학 작용기 치환에 따른 결과에 따른 경계 분자 궤도(frontier molecular orbital) 에너지 레벨의 증가와 연관된다. The reduction in the reduction potential is associated with an increase in frontier molecular orbital energy level as a result of chemical functional group substitution.

도 1b는 계산된 LUMO 에너지와 산화환원전위(redox potential, E1/2) 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 상기 도 1b에 나타난 바와 같이, 작용기가 치환된 바이페닐 유도체들의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨은 밀도함수 이론 계산(density functional theory calculation, DFT calculation) 결과는 실험적으로 관찰된 산화환원전위의 기울기 -1.01 V eV-1로 선형적으로 일치하였다. 2,2’-DMBP의 -0.11 eV의 LUMO 에너지를 이용하여, -0.25 V vs Li/Li+ 의 산화환원전위를 외삽법을 기반으로 계산하였고, 이는 이러한 복합체가 리튬 금속에 비하여 덜 안정적임을 의미하였다.Figure 1b is a graph showing the correlation between the calculated LUMO energy and redox potential (redox potential, E 1/2 ). As shown in FIG. 1b, the LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) energy level of the functional group-substituted biphenyl derivatives is the density functional theory calculation (DFT calculation) result of the experimentally observed slope of the redox potential. -1.01 V eV -1 was a linear agreement. Using the LUMO energy of -0.11 eV of 2,2'-DMBP, the redox potential of -0.25 V vs Li/Li + was calculated based on extrapolation, which means that this complex is less stable than that of lithium metal. did

도 1c는 상기 실시예에 따라 제조된 전극의 산화환원전위와 초기 쿨롱 효율의 상관관계를 분석한 결과이다. 작용기가 치환된 바이페닐 유도체인 4,4’-DMBP, 2-MBP 및 3,3’,4,4’-TMBP의 환원 전위는 0.2 V 이하였으며, 각각 100%를 초과하는 107%, 124% 및 118%의 초기 쿨롱 효율을 달성하였다. 반면, 높은 환원 전위를 갖는 다른 전극은 향상이 제한적이었다. 작용기가 치환된 바이페닐 유도체의 초기 쿨롱 효율은 E1/2의 감소에 비례하였으며, 이는 사전리튬화 정도를 리튬-방향족 탄화수소 화합물 복합체의 분자식에 따라 변화시킬 수 있음을 증명하였다. 또한 도 1d에 나타낸 바와 같이, 0.19 V의 E1/2를 갖는 4,4’-DMBP는 방전용량이 충전용량과 동일한 1483 mAh/g을 보여 사전리튬화된 SiOx 음극의 초기 방전 동안 생겨나는 비가역적인 리튬 손실을 성공적으로 보상하였음을 확인할 수 있었다. 도 1d는 4,4’-DMBP에 의해 사전리튬화된 SiOx 음극 및 순수 SiOx 전극의 첫 충-방전 사이클의 전압 프로파일이다. 1C is a result of analyzing the correlation between the oxidation-reduction potential and the initial Coulombic efficiency of the electrode manufactured according to the above embodiment. The reduction potentials of 4,4'-DMBP, 2-MBP, and 3,3',4,4'-TMBP, which are biphenyl derivatives substituted with functional groups, were 0.2 V or less, and 107% and 124% exceeding 100%, respectively. and an initial coulombic efficiency of 118%. On the other hand, other electrodes with high reduction potential had limited improvement. The initial coulombic efficiency of the functional group-substituted biphenyl derivative was proportional to the decrease in E 1/2 , which proved that the degree of prelithiation could be changed according to the molecular formula of the lithium-aromatic hydrocarbon compound complex. Also, as shown in FIG. 1d , 4,4'-DMBP with E 1/2 of 0.19 V showed 1483 mAh/g with the same discharge capacity as the charge capacity, and irreversible generated during the initial discharge of the prelithiated SiOx negative electrode. It was confirmed that the lithium loss was successfully compensated for. 1D is a voltage profile of the first charge-discharge cycle of a SiOx cathode and a pure SiOx electrode prelithiated with 4,4'-DMBP.

SiOx의 사전리튬화 이후 활성 리튬 함량을 결정하기 위하여, 탈리튬화(delithiation) 용량을 사전리튬화-SiOx||Li 전지를 직접 충전하여 측정하였다(도 1e). 도 1e는 사전리튬화 이후 SiOx 전극에 저장된 활성 리튬 이온의 양을 전기화학적으로 적정하여 나타낸 그래프이다. 상기 도 1e에서 나타난 바와 같이, 4,4’-DMBP, 2-MBP, and 3,3’,4,4’-TMBP 사전리튬화 용액에 침지된 전극의 충전 용량은 각각 312 mAh g-1, 518 mAh g-1 및 560 mAh g-1로 SiOx의 가역적인 용량의 21~37%에 해당하였다. 반면, NP-, BP- 및 3,3’-DMBP-사전리튬화된 전극은 리튬을 SiOx에 추가할 환원성이 부족하여 매우 작은 충전 용량을 가졌다. 그러므로, 도 1c에서 나타난 NP, BP 및 3,3’-DMBP 사전리튬화 용액 처리에 따른 초기 쿨롱 효율의 향상은 SiOx의 표면에 SEI 층이 형성되어 원치 않는 부반응을 억제하였기 때문인 것을 알 수 있었다. 따라서, 상기 결과로부터 SiOx가 활성 리튬을 수용하도록 하여 이상적인 쿨롱 효율을 달성하기 위해선, 부족한 환원력을 가진 리튬-방향족 탄화수소 화합물 복합체에 의해 SEI의 예비 형성과는 대조적으로, 작용기가 치환된 방향족 탄화수소 화합물을 포함하는 리튬-방향족 탄화수소 유도체 복합체가 필수적이라는 사실을 확인할 수 있었다. To determine the active lithium content after prelithiation of SiOx, the delithiation capacity was measured by directly charging a prelithiation-SiOx||Li cell (Fig. 1e). 1E is a graph showing the electrochemical titration of the amount of active lithium ions stored in the SiOx electrode after prelithiation. As shown in FIG. 1e, the charging capacity of the electrodes immersed in the 4,4'-DMBP, 2-MBP, and 3,3',4,4'-TMBP prelithiation solution was 312 mAh g -1 , respectively. 518 mAh g -1 and 560 mAh g -1 corresponded to 21-37% of the reversible capacity of SiOx. On the other hand, the NP-, BP- and 3,3'-DMBP-prelithiated electrodes had very small charge capacity due to lack of reducibility to add lithium to SiOx. Therefore, it can be seen that the improvement of the initial Coulombic efficiency according to the NP, BP, and 3,3'-DMBP prelithiation solution treatment shown in FIG. 1c is due to the formation of an SEI layer on the surface of SiOx to suppress unwanted side reactions. Therefore, from the above results, in order to achieve an ideal Coulombic efficiency by allowing SiOx to accept active lithium, in contrast to the preformation of SEI by a lithium-aromatic hydrocarbon compound complex with insufficient reducing power, an aromatic hydrocarbon compound substituted with a functional group was used. It was confirmed that the lithium-aromatic hydrocarbon derivative complex including the essential is essential.

실험예 2. 사전리튬화 온도 및 시간의 조절Experimental Example 2. Control of prelithiation temperature and time

4,4’-DMBP 사전리튬화 용액을 이용하여 사전리튬화 반응의 온도 및 시간을 조절하여 사전리튬화 전극을 제조하였다.A pre-lithiated electrode was prepared by controlling the temperature and time of the pre-lithiation reaction using the 4,4'-DMBP pre-lithiation solution.

먼저 사이클릭 볼타메트리를 수행하여 4,4’-DMBP 사전리튬화 용액의 온도계수(temperature coefficient, α=dE1/2/dT)를 측정하였으며, 온도 변화를 통해 열역학적으로 4,4’-DMBP 사전리튬화 용액의 환원력을 조절하였다. 도 2a는 4,4’-DMBP의 산화환원전위 및 온도의 관계를 나타낸 그래프이다. 상기 도 2a에 나타낸 바와 같이, 4,4’-DMBP 사전리튬화 용액의 E1/2는 온도가 10 ℃에서 50 ℃로 증가함에 따라 -2.6 mV/K의 기울기로 231 mV부터 129 mV까지 선형적으로 변화하였다. 계산된 산화환원 반응의 엔트로피 및 엔탈피는 각각 -248.9 J mol-1K-1 및 -92.5 KJ mol-1이었다. 따라서, 사전리튬화 용액은 이론적으로 E1/2 값이 0 V(vs Li/Li+)에 도달하는 95.7 ℃ 이하의 온도에서는 리튬 금속이 침전되지 않는다. 30 ℃부터 50 ℃로 온도 상승에 의해 환원력이 향상됨에 따라 사전리튬화된 SiOx의 초기 쿨롱 효율은 103%에서 142%로 향상된 것을 도 2b에서 확인할 수 있다. 도 2b는 사전리튬화 시간을 달리하여 제조된 SiOx 음극의 초기 전압 프로파일이다.First, cyclic voltammetry was performed to measure the temperature coefficient (α=dE 1/2 /dT) of the 4,4'-DMBP prelithiation solution, and thermodynamically 4,4'- The reducing power of the DMBP prelithiation solution was adjusted. Figure 2a is a graph showing the relationship between the redox potential and temperature of 4,4'-DMBP. As shown in Fig. 2a, E 1/2 of the 4,4'-DMBP prelithiated solution is linear from 231 mV to 129 mV with a slope of -2.6 mV/K as the temperature increases from 10 °C to 50 °C. changed negatively. The calculated entropy and enthalpy of the redox reaction were -248.9 J mol -1 K -1 and -92.5 KJ mol -1 , respectively. Therefore, the prelithiation solution theoretically does not precipitate lithium metal at a temperature below 95.7 °C where the E 1/2 value reaches 0 V (vs Li/Li + ). It can be seen from FIG. 2b that the initial coulombic efficiency of prelithiated SiOx improved from 103% to 142% as the reducing power was improved by increasing the temperature from 30°C to 50°C. 2B is an initial voltage profile of an SiOx anode manufactured by varying the prelithiation time.

도 2c 및 도 2d는 사전리튬화 시간에 따른 초기 쿨롱 효율, 개방회로전압 및 전압 프로파일을 측정한 결과이다. 침전 시간 역시 SiOx 전극의 사전리튬화 정도에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 수 분 내의 리튬화 반응은 SiOx 전극의 초기 쿨롱 효율을 현저하게 향상시켰다. 5 분의 침전 시간 이후, 초기 쿨롱 효율은 57%에서 91%로 상승하였으며, 이 값은 상용 음극과 유사한 수준이다. 30 분 이후 초기 쿨롱 효율은 100 %에 도달하였으며, 사전리튬화의 반응 속도는 줄어들었고, 최종적으로 2 시간 경과 후 거의 평형 상태에 도달하였다.2c and 2d are results of measuring the initial coulombic efficiency, open circuit voltage, and voltage profile according to the prelithiation time. It was confirmed that the precipitation time also had a significant effect on the degree of prelithiation of the SiOx electrode. The lithiation reaction within a few minutes significantly improved the initial coulombic efficiency of the SiOx electrode. After a precipitation time of 5 minutes, the initial coulombic efficiency increased from 57% to 91%, which is similar to that of a commercial anode. After 30 minutes, the initial coulombic efficiency reached 100%, the reaction rate of prelithiation decreased, and finally reached an equilibrium state after 2 hours.

상기 결과로부터 사전리튬화 온도 및 시간의 조정을 통해, 사전리튬화 정도의 정교한 조절이 가능하며, 이는 산업 스케일의 적용을 쉽게 실현할 수 있다는 점을 확인하였다.From the above results, it was confirmed that by adjusting the prelithiation temperature and time, it is possible to precisely control the degree of prelithiation, which can easily realize industrial scale application.

SiOx||Li 셀의 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)은 사이클링 이전의 사전리튬화 정도를 예측하기 위하여 셀 조립이 완료된 즉시 측정하였으며, 도 2c에 그 결과를 나타내었다. OCV는 10 시간의 사전리튬화 반응 시간 변화에 따라 20 mV만의 차이를 보였으며, 이는 용액 기반의 사전리튬화 동안 SiOx에 리튬이 균일하게 수용되는 것을 의미한다. The open circuit voltage (OCV) of the SiOx||Li cell was measured immediately after cell assembly was completed to predict the degree of prelithiation before cycling, and the results are shown in FIG. 2C. The OCV showed a difference of only 20 mV according to the change of the prelithiation reaction time of 10 hours, which means that lithium was uniformly accommodated in SiOx during solution-based prelithiation.

실험예 3. 사전리튬화 반응 중 SiOx 전극의 화학적 변화 및 미세구조의 변화Experimental Example 3. Chemical change and microstructure change of SiOx electrode during prelithiation reaction

화학적 변화 분석chemical change analysis

사전리튬화 반응 중 SiOx의 화학적 변화를 확인하기 위하여 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 실시하였다. 도 3a는 순수 전극 및 사전리튬화 전극의 Li 1s 스펙트럼 XPS 분석 결과이다. 상기 도 3a에서 사전리튬화 전극은 56 eV에서 명확한 피크를 보이는데, 이는 LiySiOx/LizSi에 존재하는 Li 도펀트 및 형성된 SEI 층의 Li에 의한 것이다. C 1s 스펙트럼 역시 C-O 및 O-C=O를 포함하는 SEI 성분을 검출하며 부분적으로 전극에 사전리튬화된 카본블랙이 관측된다. 도 3b의 Si 2p 스펙트럼에서, 순수 SiOx는 Si 및 SiOx에 각각 대응되는 99.5 eV 및 103 eV 피크를 갖는 것을 확인할 수 있다. 사전리튬화 이후 추가적인 피크가 98.5 eV 및 101.8 eV에서 관찰되는데 이는 각각 사전리튬화된 Si 및 SiOx에 의한 피크이다.In order to confirm the chemical change of SiOx during the prelithiation reaction, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis was performed. 3a is a Li 1s spectrum XPS analysis result of a pure electrode and a prelithiated electrode. 3a, the prelithiated electrode shows a clear peak at 56 eV, which is due to the Li dopant present in Li y SiO x /Li z Si and Li in the formed SEI layer. The C 1s spectrum also detects SEI components including CO and OC=O, and partially prelithiated carbon black is observed in the electrode. In the Si 2p spectrum of FIG. 3b , it can be seen that pure SiOx has 99.5 eV and 103 eV peaks corresponding to Si and SiOx, respectively. Additional peaks after prelithiation are observed at 98.5 eV and 101.8 eV, which are peaks for prelithiated Si and SiOx, respectively.

또한, SiOx 음극을 침지하기 전후의 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체 용액의 화학적 상태를 분석하였다. 실온에서 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체 용액에 존재하는 주된 화학종은 매작용기가 치환된 바이페닐 유도체 라디칼 이온이며, 사전리튬화가 진행되는 동안 Li+-[4,4’-DMBP]- 복합체는 리튬이온의 전자가 SiOx 전극으로 이동하고, 중성의 4,4’-DMBP로 재산화될 것으로 예상되었다. 이러한 가설을 증명하기 위하여 4,4’-DMBP 용액, Li+-[4,4’-DMBP]- 복합체 용액 및 SiOx 전극을 침지한 이후의 복합체 용액의 FT-IR 스펙트럼을 비교하였다(도 3c). 도 3c는 DME, 4,4’-DMBP, Li-4,4’-DMBP(LAC), 로딩량을 Li:Si=3:1 a 및 1:1로 달리하여 SiOx 전극과 반응한 이후의 Li-4,4’-DMBP(LAC+SiOx) 용액의 FT-IR 스펙트럼이다. 상기 FT-IR 스펙트럼으로부터, 4,4’-DMBP는 먼저 환원된 후 리튬 금속과 SiOx 전극이 성공적으로 반응하였을 때, 재산화되는 것이 명확하게 관측되었다(4,4’-DMBP의 특징적인 피크인 806 및 1502 cm-1가 리튬을 투입한 이후 사라졌으며, SiOx와의 반응 이후 다시 생성되었다.). 이러한 결과는 4,4’-DMBP의 가역적인 산화환원반응을 입증하며, 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체의 사전리튬화 반응 재사용 가능성을 의미한다.In addition, the chemical state of the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound complex solution before and after immersion of the SiOx negative electrode was analyzed. The main chemical species present in the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound complex solution at room temperature is a biphenyl derivative radical ion substituted with each functional group, and during prelithiation, Li + -[4,4' - DMBP] -complex is lithium It was expected that the electrons of the ions migrate to the SiOx electrode and reoxidize to neutral 4,4'-DMBP. In order to prove this hypothesis, the FT-IR spectra of the 4,4'-DMBP solution, the Li + -[4,4'-DMBP] -composite solution, and the composite solution after immersion of the SiOx electrode were compared (Fig. 3c). . Figure 3c shows DME, 4,4'-DMBP, Li-4,4'-DMBP (LAC), Li after reacting with SiOx electrode by varying the loading amount of Li:Si=3:1 a and 1:1 FT-IR spectrum of -4,4'-DMBP (LAC+SiOx) solution. From the FT-IR spectrum, it was clearly observed that 4,4'-DMBP was first reduced and then reoxidized when lithium metal and SiOx electrode successfully reacted (the characteristic peak of 4,4'-DMBP) 806 and 1502 cm -1 disappeared after lithium was added, and were regenerated after reaction with SiOx). These results prove the reversible redox reaction of 4,4'-DMBP, and indicate the possibility of reuse of the pre-lithiation reaction of the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound complex.

도 3d는 4,4’-DMBP의 예상 진동 주파수를 DFT 계산을 통해 나타낸 4,4’-DMBP의 중성 및 라디칼 음이온 예상 FT-IR 스펙트럼이다. 806 및 1502 cm-1 피크는 각각 4,4’-DMBP에서 평면 외 C-H 굽힘 및 벤젠 고리 C-C의 신장을 나타낸다. 737, 758 및 1580 cm-1의 새로운 피크는 각각 평면 내 C-C 굽힘, 평면 외 C-C 굽힘 및 벤젠 고리의 C-C 신장을 나타내며, 계산된 Li-4,4’-DMBP 복합체 라디칼 음이온의 진동 주파수와 일치하였다. 상기 DFT 계산에 따른 결과는 4,4’-DMBP가 복합체의 형성 및 이어지는 사전리튬화에서 페닐의 가역적인 형성이 가능함을 입증한다.3d is an expected FT-IR spectrum of neutral and radical anions of 4,4'-DMBP showing the expected vibration frequency of 4,4'-DMBP through DFT calculation. The 806 and 1502 cm −1 peaks indicate out-of-plane CH bending and elongation of the benzene ring CC at 4,4′-DMBP, respectively. The new peaks at 737, 758 and 1580 cm −1 indicate in-plane CC bending, out-of-plane CC bending and CC elongation of the benzene ring, respectively, consistent with the calculated vibrational frequencies of the Li-4,4′-DMBP complex radical anion. . The results according to the above DFT calculations demonstrate that 4,4'-DMBP is capable of complex formation and reversible formation of phenyl in the subsequent prelithiation.

리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체를 1/3 몰 당량으로 SiOx와 반응 시켰을 경우, Li-4,4’-DMBP 복합체 용액 및 4,4’-DMBP 용액의 특징이 혼합되어 관찰되었으며, 이는 중성 및 음이온 형태의 4,4’-DMBP가 존재하는 것을 의미하였다. 이와 반대로 동일한 몰 당량으로 반응시켰을 경우, 스펙트럼은 4,4’-DMBP 용액과 동일하였으며, 사전리튬화가 완전히 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체를 완전히 산화시켰음을 의미한다. 이 경우 사전리튬화된 SiOx 음극의 초기 쿨롱 효율이 부분적으로 향상되었는데, 이는 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체가 이상적인 초기 쿨롱 효율을 달성하기에는 불충분하였기 때문이다. 초기 쿨롱 효율과 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체:SiOx 몰비가 선형적인 비례 관계를 가지므로 2.5 몰 당량의 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 복합체가 전극에 가장 이상적임을 확인할 수 있었다. 또한 도 3e에서 나타난 바와 같이, 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 용액이 동일한 당량의 SiOx보다 많이 반응할 경우, 파란색을 거쳐 초록색으로 색변화가 일어남을 확인할 수 있었다. When the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound complex was reacted with SiOx at 1/3 molar equivalent, the characteristics of the Li-4,4'-DMBP complex solution and the 4,4'-DMBP solution were mixed, and it was observed that neutral and anion It meant that 4,4'-DMBP in the form was present. Conversely, when reacted with the same molar equivalent, the spectrum was the same as that of the 4,4'-DMBP solution, meaning that prelithiation completely oxidized the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound complex. In this case, the initial coulombic efficiency of the prelithiated SiOx negative electrode was partially improved, because the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound composite was insufficient to achieve the ideal initial coulombic efficiency. Since the initial coulombic efficiency and the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound complex:SiOx molar ratio have a linear proportional relationship, it was confirmed that the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound complex having 2.5 molar equivalents was most ideal for the electrode. Also, as shown in FIG. 3e , when the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound solution reacted more than the same equivalent of SiOx, it was confirmed that the color change from blue to green occurred.

미세구조 변화 분석Analysis of microstructural changes

도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 SiOx 음극 및 사전리튬화된 SiOx 음극의 단면 SEM 이미지이고, 도 3h는 100 nm 크기의 Si 입자를 포함하는 순수 Si 음극 및 사전리튬화된 Si 음극의 단면 SEM 이미지이다. SiOx의 화학적 리튬화에 따른 결과로 활성 입자의 부피가 팽창하였고, 원래 존재하던 기공을 채운다는 사실을 도 3g의 SEM 이미지에서 확인할 수 있었다. SiOx 나노플레이크의 독특한 특징이 인접한 다른 입자와 합쳐지며 사라졌으며, 지정 관측한 면적에서 20.1%의 면적을 차지하던 기공은 사전리튬화 이후 11.1%로 급격하게 감소하였다. 도 3f의 히스토그램에서 나타난 바와 같이, 주로 적은 수의 작은 기공이 감소하였다. 또한 도 3h에서 확인할 수 있는 바와 같이, 100 nm 크기의 Si 입자를 포함하는 전극에서 역시 전극 전체 입자의 균일한 팽창에 의해 기공의 축소가 관찰되었으며, 이와 동시에 전극의 두께는 사전리튬화에 의해 7.85 증가한 것을 확인할 수 있었다.3G is a cross-sectional SEM image of a pure SiOx anode and a prelithiated SiOx anode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3H is a pure Si cathode and a prelithiated Si anode including Si particles having a size of 100 nm. This is a cross-sectional SEM image. As a result of the chemical lithiation of SiOx, it was confirmed from the SEM image of FIG. 3g that the volume of the active particles expanded and filled the original pores. The unique characteristics of SiOx nanoflakes disappeared as they merged with other adjacent particles, and the pores, which accounted for 20.1% of the designated observed area, rapidly decreased to 11.1% after prelithiation. As shown in the histogram of Fig. 3f, mainly a small number of small pores decreased. Also, as can be seen in FIG. 3h , in the electrode including 100 nm-sized Si particles, pore shrinkage was also observed due to uniform expansion of the entire electrode particle, and at the same time, the thickness of the electrode was 7.85 due to prelithiation. increase could be observed.

물리적/기계적 방법에 비하여 용액 기반의 사전리튬화가 갖는 이점은 공간적으로 균일한 반응이 일어난다는 점이다. 100 nm 크기의 실리콘 입자는 공간적으로 균일한 리튬화가 일어나 사전리튬화 이후 동일한 부피 팽창을 보였다. 리튬-방향족 탄화수소 유도체 화합물 용액의 침투가 효과적으로 일어나는지 여부를 확인하기 위해 넓은 면적 용량(2.46 mAh cm-2)을 갖는 두꺼운 SiOx 전극의 사전리튬화를 진행하였는데, 초기 쿨롱 효율의 104%를 달성하였다. 동일한 조건에서 얇은 전극은 초기 쿨롱 효율의 108%을 보였는데, 이는 본 발명의 방법은 사전리튬화 작업이 배터리 내부 압력문제를 완화시킬 수 있다는 점을 의미한다.The advantage of solution-based prelithiation over physical/mechanical methods is that a spatially uniform reaction occurs. Silicon particles with a size of 100 nm exhibited the same volume expansion after prelithiation due to spatially uniform lithiation. In order to check whether the penetration of the lithium-aromatic hydrocarbon derivative compound solution occurs effectively, prelithiation of a thick SiOx electrode with a large areal capacity (2.46 mAh cm -2 ) was performed, and 104% of the initial Coulombic efficiency was achieved. Under the same conditions, the thin electrode showed 108% of the initial coulombic efficiency, which means that the prelithiation operation of the present invention can alleviate the pressure problem inside the battery.

실험예 4. 리튬 이온 배터리 생산 적용 가능성 실험Experimental Example 4. Lithium-ion battery production applicability experiment

완전셀 테스트full cell test

SiOx 음극의 초기 쿨롱 효율이 향상됨에 따라 사전리튬화된 음극을 포함하는 완전셀의 에너지 밀도가 향상되었다.As the initial coulombic efficiency of the SiOx anode improved, the energy density of the full cell including the prelithiated anode was improved.

도 4a는 LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 (이하, NMC532)||bare SiOx 완전셀 (이하, NBFC) 및 NMC532||prelithiated SiOx 완전셀 (이하, NPFC)의 초기 전기화학적 사이클 전압 프로파일이다. 상기 도 4a에서 나타난 바와 같이, NPFC의 충전 프로파일은 NBFC에 비하여 높은 전압 및 낮은 용량을 보였다. NPFC의 방전 프로파일은 NBFC에 비하여 현저한 에너지 밀도 향상을 보였는데, 사전리튬화에 따라 존재하는 잉여 활성 리튬에 의해 가역적인 용량이 증가하였기 때문이다. NBFC가 75.6 mAh g-1 방전 용량과 4.2-2.0 V 사이클에서 37.8%의 초기 쿨롱 효율을 보인 반면, NPFC는 163 mAh g-1 및 86.4% 초기 효율을 보였다. 또한 상기 도 4a에서 NPFC 및 NBFC의 에너지 밀도는 각각 504.1 및 233.6 Wh kg-1였고, 사전리튬화된 음극은 완전셀의 에너지밀도를 116% 향상시킨 것을 확인할 수 있었다.4A is an initial electrochemical cycle voltage profile of LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (hereinafter, NMC532)||bare SiOx full cell (hereinafter, NBFC) and NMC532||prelithiated SiOx full cell (hereinafter, NPFC). As shown in FIG. 4a, the charging profile of the NPFC showed a higher voltage and lower capacity than the NBFC. The discharge profile of NPFC showed a significant energy density improvement compared to that of NBFC, because the reversible capacity was increased by the excess active lithium present following prelithiation. NBFC of 75.6 mAh g -1 In the discharge capacity and 4.2-2.0 V cycle, the initial coulombic efficiency was 37.8%, whereas the NPFC showed 163 mAh g-1 and 86.4% initial efficiency. In addition, in FIG. 4a, the energy densities of NPFC and NBFC were 504.1 and 233.6 Wh kg-1, respectively, and it was confirmed that the pre-lithiated anode improved the energy density of the full cell by 116%.

도 4b는 사전리튬화된 SiOx 음극을 갖는 완전셀 및 기존의 그라파이트 음극을 포함하는 완전셀의 초기 사이클의 전압 프로파일이다. 상기 도 4b에서 나타난 바와 같이, 사전리튬화된 SiOx 음극을 포함하는 완전셀은 기존의 그라파이트 음극을 포함하는 완전셀에 비하여 98.2 Wh kg-1 향상된 에너지 밀도를 가짐을 확인할 수 있었다. 4B is a voltage profile of the initial cycle of a full cell with a prelithiated SiOx cathode and a full cell with a conventional graphite anode. As shown in FIG. 4b, it was confirmed that the full cell including the pre-lithiated SiOx negative electrode had an improved energy density of 98.2 Wh kg -1 compared to the conventional full cell including the graphite negative electrode.

또한, 리튬 금속을 기준 전극으로 갖는 3전극 셀을 사용하여, NBFC 및 NPFC의 양극 및 음극 각각의 전압 프로파일을 측정하였다. 도 4c는 NBFC의 양극 및 음극 전압 프로파일이고, 도 4d는 NPFC의 양극 및 음극 전압 프로파일이다. 상기 도 4c 및 4d에서 나타난 바와 같이, NBFC의 충전 시, SiOx 음극은 0.5 V에서 처음으로 SEI를 형성하는 전기화학적 반응이 일어나고, 이는 셀 전압(양극 및 음극의 전압 차)의 하락으로 이어졌다. 충전의 마지막 단계에서 NBFC SiOx 음극의 전압은 0.14 V 였으며, NPFC의 0.08 V에 비하여 높은 전압을 가졌다. 따라서, 4.2 V의 셀 전압에 의해 NBFC는 양극의 전압이 4.34 V이었던 반면, NPFC는 4.26 V를 보였다. NPFC의 높은 양극 전압은 NMC532의 탈리튬화를 유발하고, 높은 충전 전압에 의해 NMC532의 과충전을 유발한다. 방전 과정에서 NBFC의 셀 전압은 SiOx의 낮은 쿨롱 효율에 의해 빠르게 감소하였다. 셀 전압이 컷-오프 전압인 2.0 V에 도달했을 때, 음극 전압은 1.83 V였으며, 양극 전압은 3.83 V였다. 이 결과는 양극이 여전히 3.6 V까지 추가 리튬화가 가능하기 때문에, 음극이 NBFC의 추가 방전을 제한한다는 것을 의미한다. 이와 대조적으로 NPFC의 음극 전위는 0.55 V 미만으로 유지되었으므로, 양극의 용량은 전부 사용될 수 있었다. 따라서, 상기 결과로부터 사전리튬화를 통해 고용량화된 음극은 리튬 이온 배터리의 높은 에너지 밀도 달성을 위해 필수적임을 확인할 수 있었다.In addition, voltage profiles of the positive and negative electrodes of NBFC and NPFC were measured using a three-electrode cell having lithium metal as a reference electrode. Fig. 4c is anode and cathode voltage profile of NBFC, and Fig. 4d is anode and cathode voltage profile of NPFC. As shown in FIGS. 4c and 4d , during charging of the NBFC, the SiOx cathode first undergoes an electrochemical reaction to form an SEI at 0.5 V, which leads to a drop in the cell voltage (voltage difference between the anode and the cathode). At the last stage of charging, the voltage of the NBFC SiOx cathode was 0.14 V, which was higher than that of the NPFC, 0.08 V. Therefore, with a cell voltage of 4.2 V, NBFC showed a positive voltage of 4.34 V, while NPFC showed 4.26 V. The high anode voltage of NPFC causes delithiation of NMC532, and the high charging voltage causes overcharge of NMC532. During the discharge process, the cell voltage of NBFC was rapidly decreased due to the low coulombic efficiency of SiOx. When the cell voltage reached the cut-off voltage of 2.0 V, the cathode voltage was 1.83 V and the anode voltage was 3.83 V. This result means that the negative electrode limits further discharge of the NBFC, as the positive electrode is still capable of further lithiation up to 3.6 V. In contrast, since the cathode potential of the NPFC was kept below 0.55 V, the full capacity of the anode could be used. Therefore, it could be confirmed from the above results that a high-capacity negative electrode through prelithiation is essential for achieving high energy density of a lithium-ion battery.

건조 대기 안정성 평가Dry Air Stability Assessment

본 발명에 따라 사전리튬화된 음극은 건조 공기 분위기에서 적정한 안정성을 보였다. 기존의 화학적 사전리튬화는 서전리튬화된 음극이 높은 반응성을 가져 불안정한 문제가 있었다. The anode prelithiated according to the present invention showed adequate stability in a dry air atmosphere. Conventional chemical prelithiation had a problem of instability due to the high reactivity of the anode lithiated with suppository.

도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전리튬화된 SiOx 음극의 건조 대기 노출 시간에 따른 초기 쿨롱 효율, OCV 및 전극 프로파일을 측정한 결과이다.4E is a result of measuring the initial coulombic efficiency, OCV, and electrode profile according to the dry air exposure time of the prelithiated SiOx anode according to an embodiment of the present invention.

건조 대기 안정성 평가는 이슬점 -86.6 ℃의 건조실에서 진행되었다. SiOx 음극은 먼저 30 ℃에서 90 분 동안 사전리튬화한 후, 3 분 동안 진공 건조하였다. 건조 대기에 5, 15, 30 및 60 분 동안 노출시킨 후, 사전리튬화된 음극은 아르곤 분위기의 글러브 박스에서 전해질로 세척하였다.Dry air stability evaluation was conducted in a drying room with a dew point of -86.6 °C. The SiOx anode was first prelithiated at 30° C. for 90 minutes, and then vacuum dried for 3 minutes. After exposure to dry atmosphere for 5, 15, 30 and 60 minutes, the prelithiated negative electrode was washed with electrolyte in a glove box under argon atmosphere.

상기 도 4e에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 사전리튬화된 음극은 건조 대기에 1 시간 동안 노출된 이후에도 초기 쿨롱 효율이 100%에 근접하였으며, 과전압은 매우 미세하게 증가하였다. 이러한 건조 대기에서의 우수한 안정성은 사전리튬화된 음극의 표면에 보호층이 형성되었기 때문이다. 이러한 우수한 건조 대기 안정성을 바탕으로 본 발명의 용액 기반 사전리튬화 방법은 도 4f에 도시된 연속적인 롤-투-롤 공정에 용이하게 적용할 수 있으며, 이는 높은 에너지의 리튬 이온 배터리의 대량 생산이 가능하다.As shown in FIG. 4E, the initial coulombic efficiency of the prelithiated negative electrode according to the present invention was close to 100% even after exposure to dry air for 1 hour, and the overvoltage increased very slightly. This excellent stability in a dry atmosphere is due to the formation of a protective layer on the surface of the prelithiated negative electrode. Based on such excellent dry air stability, the solution-based prelithiation method of the present invention can be easily applied to the continuous roll-to-roll process shown in FIG. It is possible.

실험예 5. 다른 방향족 탄화수소 유도체 적용Experimental Example 5. Application of other aromatic hydrocarbon derivatives

바이페닐 이외의 방향족 탄화수소 적용 가능 여부를 확인하기 위하여, 리튬 이온 및 나프탈렌 유도체의 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액을 이용하여 상기 실시예와 동일하게 사전리튬화된 SiOx 음극을 제조하였다. 사용된 나프탈렌 유도체의 종류는 다음과 같다.In order to confirm the applicability of aromatic hydrocarbons other than biphenyl, a prelithiated SiOx negative electrode was prepared in the same manner as in the above example using a prelithiated solution containing a complex of lithium ions and a naphthalene derivative. The types of naphthalene derivatives used are as follows.

2-메틸나프탈렌(2-methylnaphthanlene, 2-MNP), 1,2-디메틸나프탈렌(1,2-dimethylnaphthalene, 1,2-DMNP), 1,4,6,7-테트라메틸나프탈렌(1,4,6,7-tetramethylnaphthalene, 1,4,6,7-TMNP)2-methylnaphthalene (2-methylnaphthanlene, 2-MNP), 1,2-dimethylnaphthalene (1,2-DMNP), 1,4,6,7-tetramethylnaphthalene (1,4, 6,7-tetramethylnaphthalene, 1,4,6,7-TMNP)

또한, 상기 제조한 음극의 쿨롱 효휼 및 OCV를 측정하였다. 도 5는 OCV를 측정한 결과이고 , 도 6은 쿨롱 효율을 측정한 결과이다.In addition, the coulombic efficacy and OCV of the prepared negative electrode were measured. 5 is a result of measuring OCV, and FIG. 6 is a result of measuring Coulombic efficiency.

상기 도 5에 나타난 바와 같이, 사전리튬화하지 않은 순수 SiO 전극(Pristine SiO)에 비하여 사전리튬화한 SiO 전극의 OCV는 현저하게 감소하였으며, 리튬-나프탈렌 복합체(Prelithiated with NP)를 아용한 경우에 비하여 리튬-나프탈렌 유도체 복합체 사전리튬화 용액을 이용하여 사전리튬화한 음극(Prelithiated with 2-MNP, Prelithiated with 1,2-DMNP, Prelithiated with 1,4,6,7-TMNP)의 경우 OCV가 더욱 감소하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 5, the OCV of the pre-lithiated SiO electrode was significantly reduced compared to that of the non-pre-lithiated pure SiO electrode (Pristine SiO), and when a lithium-naphthalene composite (Prelithiated with NP) was used, On the other hand, in the case of the negative electrode (Prelithiated with 2-MNP, Prelithiated with 1,2-DMNP, Prelithiated with 1,4,6,7-TMNP) using the lithium-naphthalene derivative complex prelithiation solution, the OCV is higher. decrease could be observed.

또한, 상기 도 6에 나타난 바와 같이, 나프탈렌 유도체를 사용한 경우 역시 상기 실험예 1 내지 2의 바이페닐 유도체의 경우와 유사한 경향을 보임을 확인할 수 있었다. 리튬-나프탈렌 복합체 사전리튬화 용액을 이용하여 사전리튬화한 음극은 84%의 쿨롱효율을 가졌던 반면, 리튬-나프탈렌 유도체 복합체 사전리튬화 용액을 이용하여 사전리튬화한 음극의 경우, 쿨롱효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 리튬 이온과 1,4,6,7-TMNP 복합체 및 리튬 이온과 1,2-DMNP 복합체의 경우 쿨롱효율이 100%를 초과하는 등 쿨롱효율이 크게 상승하는 것을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in FIG. 6, it was confirmed that the case of using the naphthalene derivative also showed a similar tendency to the case of the biphenyl derivative of Experimental Examples 1 and 2. The negative electrode pre-lithiated using the lithium-naphthalene complex pre-lithiation solution had a coulombic efficiency of 84%, whereas the negative electrode pre-lithiated using the lithium-naphthalene derivative complex pre-lithiation solution had an improved Coulombic efficiency. was able to confirm that In particular, in the case of the lithium ion and 1,4,6,7-TMNP complex and the lithium ion and 1,2-DMNP complex, it was confirmed that the coulombic efficiency was significantly increased, such as exceeding 100%.

따라서, 본 발명에 따른 사전리튬화 용액 및 이를 이용한 사전리튬화된 음극의 제조방법은 음극 활물질에 비하여 충분히 낮은 산화환원전위를 갖는 사전리튬화 용액을 이용하여 음극을 용액에 침지하는 단순한 과정을 통해 용액상에서 화학적으로 리튬 이온을 음극 전체에 걸쳐 균일하게 삽입할 수 있으며, 높은 수준의 사전리튬화를 달성할 수 있다. 상기 방법으로 제조된 사전리튬화된 음극은 이상적인 초기 쿨롱 효율을 가지며, 이를 바탕으로 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 이온 전지를 제조할 수 있다. 또한, 제조된 음극은 건조 대기에서도 우수한 안정성을 바탕으로 대량 생산에 적용되기 적합한 장점을 가진다.Therefore, the pre-lithiation solution and the method for manufacturing the pre-lithiated negative electrode using the same according to the present invention are through a simple process of immersing the negative electrode in the solution using the pre-lithiated solution having a sufficiently low oxidation-reduction potential compared to the negative electrode active material. Lithium ions can be uniformly intercalated throughout the negative electrode chemically in the solution phase, and a high level of prelithiation can be achieved. The pre-lithiated negative electrode prepared by the above method has an ideal initial coulombic efficiency, and a lithium ion battery having a high energy density can be manufactured based on this. In addition, the prepared negative electrode has an advantage suitable for mass production based on excellent stability even in a dry atmosphere.

전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described Examples and Comparative Examples are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited thereto. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to practice the present invention with various modifications therefrom, so the technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

Claims (23)

(a)리튬 이온 및 수소 이외의 치환기를 갖는 벤젠 고리를 적어도 하나 이상 함유하는 방향족 탄화수소 유도체의 복합체; 및
(b) 디옥솔란, 메틸디옥솔란, 디메틸디옥솔란, 비닐디옥솔란, 메톡시디옥솔란, 에틸메틸디옥솔란, 옥세인, 디옥세인, 트리옥세인, 테트라히드로퓨란, 메틸테트라히드로퓨란, 디메틸테트라히드로퓨란, 디메톡시테트라히드로퓨란, 에톡시테트라히드로퓨란, 디히드로피란, 테트라히드로피란, 헥사메틸렌 옥사이드, 퓨란, 디히드로퓨란, 디메톡시벤젠 및 디메틸옥세탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 고리형 에테르 용매, 또는 디메틸에테르, 디에틸에테르, 에틸메틸에테르, 에틸프로필에테르, 디프로필에테르, 디이소프로필에테르, 디부틸에테르, 디이소부틸에테르, 에틸터트부틸에테르, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 디메톡시프로판, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 이소프로필메틸에테르, 디에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜터트부틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 에틸렌글리콜 디비닐에테르, 디에틸렌글리콜 디비닐에테르 및 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 선형 에테르 용매;를 포함하는 사전리튬화 용액.
(a) a complex of an aromatic hydrocarbon derivative containing at least one benzene ring having a substituent other than lithium ion and hydrogen; and
(b) dioxolane, methyldioxolane, dimethyldioxolane, vinyldioxolane, methoxydioxolane, ethylmethyldioxolane, oxane, dioxane, trioxane, tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, dimethyltetrahydro At least one cyclic type selected from the group consisting of furan, dimethoxytetrahydrofuran, ethoxytetrahydrofuran, dihydropyran, tetrahydropyran, hexamethylene oxide, furan, dihydrofuran, dimethoxybenzene and dimethyloxetane Ether solvent or dimethyl ether, diethyl ether, ethyl methyl ether, ethyl propyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, diisobutyl ether, ethyl tertbutyl ether, dimethoxymethane, trimethoxymethane , dimethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol ethyl methyl ether, diethylene glycol isopropyl methyl ether, diethylene glycol butyl methyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene 1 selected from the group consisting of glycol tertbutyl ethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol ethyl methyl ether, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether and triethylene glycol divinyl ether A prelithiation solution comprising at least one linear etheric solvent.
제1항에 있어서,
상기 방향족 탄화수소 유도체는 상기 치환기를 제외한 탄소수가 10 내지 22의 다환 방향족 화합물인 사전리튬화 용액.
The method of claim 1,
The aromatic hydrocarbon derivative is a pre-lithiated solution of a polycyclic aromatic compound having 10 to 22 carbon atoms excluding the substituent.
제1항에 있어서,
상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1 및 화학식 2 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 사전리튬화 용액:
[화학식 1]
Figure pat00017

상기 화학식 1에서, R1 및 R2은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고,
a 및 b는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
a가 2 이상일 경우 2 이상의 R1은 서로 동일하거나 상이하고,
b가 2 이상일 경우 2 이상의 R2는 서로 동일하거나 상이하고,
[화학식 2]
Figure pat00018

상기 화학식 2에서 R3 및 R4은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고,
c 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
c가 2 이상일 경우 2 이상의 R3는 서로 동일하거나 상이하고,
d가 2 이상일 경우 2 이상의 R4는 서로 동일하거나 상이하다.
According to claim 1,
The aromatic hydrocarbon derivative is a prelithiation solution of at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of the following Chemical Formulas 1 and 2:
[Formula 1]
Figure pat00017

In Formula 1, R 1 and R 2 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or an alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms,
a and b are each independently an integer of 0 to 5, at least one of which is not 0,
When a is 2 or more, two or more R 1 are the same as or different from each other,
When b is 2 or more, two or more R 2 are the same as or different from each other,
[Formula 2]
Figure pat00018

In Formula 2, R 3 and R 4 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or an alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms,
c and d are each independently an integer of 0 to 5, at least one of which is not 0,
When c is 2 or more, two or more R 3 are the same as or different from each other,
When d is 2 or more, 2 or more R 4 are the same as or different from each other.
제3항에 있어서,
상기 화학식 1에서, R1 및 R2은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 4의 알킬이고,
a 및 b는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
a가 2 이상일 경우 2 이상의 R1은 서로 동일하거나 상이하고,
b가 2 이상일 경우 2 이상의 R2는 서로 동일하거나 상이하고,
상기 화학식 2에서 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 4의 알킬이고,
c 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
c가 2 이상일 경우 2 이상의 R3은 서로 동일하거나 상이하고,
d가 2 이상일 경우 2 이상의 R4는 서로 동일하거나 상이한 사전리튬화 용액.
4. The method of claim 3,
In Formula 1, R 1 and R 2 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 4 carbon atoms,
a and b are each independently an integer of 0 to 2, at least one of which is not 0,
When a is 2 or more, two or more R 1 are the same as or different from each other,
When b is 2 or more, two or more R 2 are the same as or different from each other,
In Formula 2, R 3 and R 4 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 4 carbon atoms,
c and d are each independently an integer of 0 to 2, at least one of which is not 0,
When c is 2 or more, 2 or more R 3 are the same as or different from each other,
When d is 2 or more, two or more R 4 are the same or different from each other in a prelithiated solution.
제1항에 있어서,
상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1-1 내지 1-3 및 2-1 내지 2-3 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 사전리튬화 용액:
[화학식 1-1]
Figure pat00019

[화학식 1-2]
Figure pat00020

[화학식 1-3]
Figure pat00021

[화학식 2-1]
Figure pat00022

[화학식 2-2]
Figure pat00023

[화학식 2-3]
Figure pat00024

The method of claim 1,
The aromatic hydrocarbon derivative is a prelithiated solution of at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of the following Chemical Formulas 1-1 to 1-3 and 2-1 to 2-3:
[Formula 1-1]
Figure pat00019

[Formula 1-2]
Figure pat00020

[Formula 1-3]
Figure pat00021

[Formula 2-1]
Figure pat00022

[Formula 2-2]
Figure pat00023

[Formula 2-3]
Figure pat00024

제1항에 있어서,
상기 사전리튬화 용액 내 상기 복합체의 농도는 0.01 내지 5 M인 사전리튬화 용액.
According to claim 1,
The concentration of the complex in the pre-lithiation solution is 0.01 to 5 M pre-lithiation solution.
제1항에 있어서,
상기 복합체의 산화환원전위는 0.25 V 미만인 사전리튬화 용액.
According to claim 1,
The redox potential of the complex is less than 0.25 V prelithiated solution.
(a) 집전체의 일측 또는 양측 표면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극을 준비하는 단계; 및
(b) 상기 음극을 리튬 이온 및 수소 이외의 치환기를 갖는 벤젠 고리를 적어도 하나 이상 함유하는 방향족 탄화수소 유도체의 복합체를 포함하는 사전리튬화 용액에 침지하여 사전리튬화된 음극을 제조하는 단계;를 포함하는 사전리튬화된 음극의 제조방법.
(a) preparing a negative electrode comprising a negative electrode active material layer formed on one or both surfaces of the current collector; and
(b) preparing a prelithiated negative electrode by immersing the negative electrode in a prelithiated solution containing a complex of an aromatic hydrocarbon derivative containing at least one benzene ring having a substituent other than lithium ions and hydrogen; A method for manufacturing a pre-lithiated negative electrode.
제8항에 있어서,
상기 복합체의 산화환원전위는 상기 음극 활물질의 산화환원전위보다 낮은 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The oxidation-reduction potential of the composite is lower than the oxidation-reduction potential of the negative electrode active material.
제8항에 있어서,
상기 방향족 탄화수소 유도체는 상기 치환기를 제외한 탄소수가 10 내지 22의 다환 방향족 화합물인 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the aromatic hydrocarbon derivative is a polycyclic aromatic compound having 10 to 22 carbon atoms excluding the substituent.
제8항에 있어서,
상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1 및 화학식 2 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 사전리튬화된 음극의 제조방법:
[화학식 1]
Figure pat00025

상기 화학식 1에서, R1 및 R2은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고,
a 및 b는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
a가 2 이상일 경우 2 이상의 R1은 서로 동일하거나 상이하고,
b가 2 이상일 경우 2 이상의 R2는 서로 동일하거나 상이하고,
[화학식 2]
Figure pat00026

상기 화학식 2에서 R3 및 R4은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 6의 알킬, 탄소수 6 내지 20의 아릴, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬할라이드이고,
c 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
c가 2 이상일 경우 2 이상의 R3는 서로 동일하거나 상이하고,
d가 2 이상일 경우 2 이상의 R4는 서로 동일하거나 상이하다.
9. The method of claim 8,
The aromatic hydrocarbon derivative is at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of the following Chemical Formulas 1 and 2:
[Formula 1]
Figure pat00025

In Formula 1, R 1 and R 2 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or an alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms,
a and b are each independently an integer of 0 to 5, at least one of which is not 0,
When a is 2 or more, two or more R 1 are the same as or different from each other,
When b is 2 or more, two or more R 2 are the same as or different from each other,
[Formula 2]
Figure pat00026

In Formula 2, R 3 and R 4 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 6 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, alkoxy having 1 to 10 carbon atoms, or an alkyl halide having 1 to 6 carbon atoms,
c and d are each independently an integer of 0 to 5, at least one of which is not 0,
When c is 2 or more, two or more R 3 are the same as or different from each other,
When d is 2 or more, 2 or more R 4 are the same as or different from each other.
제11항에 있어서,
상기 화학식 1에서, R1 및 R2은 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 4의 알킬이고,
a 및 b는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
a가 2 이상일 경우 2 이상의 R1은 서로 동일하거나 상이하고,
b가 2 이상일 경우 2 이상의 R2는 서로 동일하거나 상이하고,
상기 화학식 2에서 R3 및 R4는 서로 같거나 상이하며 탄소수 1 내지 4의 알킬이고,
c 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, 적어도 어느 하나는 0이 아니고,
c가 2 이상일 경우 2 이상의 R3은 서로 동일하거나 상이하고,
d가 2 이상일 경우 2 이상의 R4는 서로 동일하거나 상이한 사전리튬화된 음극의 제조방법.
12. The method of claim 11,
In Formula 1, R 1 and R 2 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 4 carbon atoms,
a and b are each independently an integer of 0 to 2, at least one of which is not 0,
When a is 2 or more, two or more R 1 are the same as or different from each other,
When b is 2 or more, two or more R 2 are the same as or different from each other,
In Formula 2, R 3 and R 4 are the same as or different from each other and are alkyl having 1 to 4 carbon atoms,
c and d are each independently an integer of 0 to 2, at least one of which is not 0,
When c is 2 or more, 2 or more R 3 are the same as or different from each other,
When d is 2 or more, R 4 or more is the same as or different from each other.
제8항에 있어서,
상기 방향족 탄화수소 유도체는 하기 화학식 1-1 내지 1-3 및 2-1 내지 2-3 중 어느 하나로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 사전리튬화 음극의 제조방법:
[화학식 1-1]
Figure pat00027

[화학식 1-2]
Figure pat00028

[화학식 1-3]
Figure pat00029

[화학식 2-1]
Figure pat00030

[화학식 2-2]
Figure pat00031

[화학식 2-3]
Figure pat00032
9. The method of claim 8,
The aromatic hydrocarbon derivative is at least one selected from the group consisting of compounds represented by any one of the following Chemical Formulas 1-1 to 1-3 and 2-1 to 2-3 Method for preparing a prelithiated negative electrode:
[Formula 1-1]
Figure pat00027

[Formula 1-2]
Figure pat00028

[Formula 1-3]
Figure pat00029

[Formula 2-1]
Figure pat00030

[Formula 2-2]
Figure pat00031

[Formula 2-3]
Figure pat00032
제8항에 있어서,
상기 복합체의 산화환원전위는 0.25 V 미만인 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The oxidation-reduction potential of the composite is less than 0.25 V method of manufacturing a pre-lithiated negative electrode.
제8항에 있어서,
상기 음극 활물질은 흑연, 하드카본, 활성탄소, 탄소나노튜브, 비정질탄소, 실리콘, 실리콘 산화물(SiOx), 실리사이드, 실리콘 합금, 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드, Ge, Sn, Sb, Al, Ag, Au 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The negative active material is graphite, hard carbon, activated carbon, carbon nanotubes, amorphous carbon, silicon, silicon oxide (SiOx), silicide, silicon alloy, silicon carbide, silicon nitride, Ge, Sn, Sb, Al, Ag, Au And TiO 2 A method of manufacturing at least one prelithiated negative electrode selected from the group consisting of.
제15항에 있어서,
상기 음극 활물질은 음극의 첨가제 또는 지지체의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 사전리튬화된 음극의 제조방법.
16. The method of claim 15,
The negative electrode active material is a method of manufacturing a pre-lithiated negative electrode, characterized in that performing the function of an additive or support of the negative electrode.
제8항에 있어서,
상기 (b) 단계의 침지는 -10 내지 80 ℃의 온도에서 수행되는 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The immersion in step (b) is a method for producing a pre-lithiated negative electrode is performed at a temperature of -10 to 80 ℃.
제8항에 있어서,
상기 (b) 단계의 침지는 0.01 내지 1440 분 동안 수행되는 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The immersion in step (b) is a method of manufacturing a pre-lithiated negative electrode is performed for 0.01 to 1440 minutes.
제8항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 상기 사전리튬화 용액에 침지되는 상기 음극 활물질 비율은, 상기 음극활물질 대비 상기 복합체가 1:0.1 내지 1:10의 몰비를 갖는 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The ratio of the negative electrode active material immersed in the prelithiation solution in step (b) is, the composite to the negative electrode active material has a molar ratio of 1:0.1 to 1:10. Method of manufacturing a pre-lithiated negative electrode.
제8항에 있어서,
상기 (b) 단계는 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 의해 연속적으로 수행되는 되는 것인 사전리튬화된 음극의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The step (b) is a method of manufacturing a pre-lithiated negative electrode that is performed continuously by a roll-to-roll process.
제8항 내지 제20항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 사전리튬화된 음극.
21. A prelithiated negative electrode manufactured according to the method of any one of claims 8 to 20.
제21항의 사전리튬화된 음극을 포함하는 리튬이차전지.
A lithium secondary battery comprising the pre-lithiated negative electrode of claim 21.
제21항의 사전리튬화된 음극을 포함하는 리튬 이온 커패시터.A lithium ion capacitor comprising the prelithiated negative electrode of claim 21 .
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