KR20220030275A - 규소 산소 화합물, 그 제조 방법, 및 그 관련 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩과 장치 - Google Patents

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Abstract

본원은 규소 산소 화합물, 그 제조 방법, 및 그 관련 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩과 장치를 개시한다. 상기 규소 산소 화합물의 화학식은 SiOx이고, 0<x<2이며; 상기 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하며, 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이고, 유황원소와 망간원소의 질량비는 1.5~10.0이다.

Description

규소 산소 화합물, 그 제조 방법, 및 그 관련 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩과 장치
본원은 2019년 7월 29일에 제출된 "규소 산소 화합물 및 이차 전지"라는 발명의 명칭의 중국 특허 출원 제201910688461.5호의 우선권을 주장하며, 그 모든 내용은 본문에 원용된다.
본원은 에너지 저장 장치 기술 분야에 속한 것으로, 특히 규소 산소 화합물, 그 제조 방법, 및 그 관련 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩과 장치에 관한 것이다.
환경 보호 문제가 날로 중요시됨에 따라 친환경적인 이차 전지가 전기 자동차에 점차적으로 적용되고 있다. 소비형 전자제품에 사용되는 이차 전지와 달리, 동력형 이차 전지는 에너지 밀도와 수명에 대한 요구사항이 더 높다. 전통적인 탄소 재료에 비해, 규소 기반 재료는 부극 활성 재료로서 매우 높은 이론적 그램당 용량을 가지고 있는 바 흑연계 부극 활성 재료의 몇 배에 달하며, 따라서 업계에서는 규소 기반 재료를 사용하여 이차 전지의 에너지 밀도를 향상할 것을 기대하고 있다.
하지만 규소 기반 재료는 사이클 과정에서 크게 팽창하여 이차 전지의 사이클 성능이 저하된다. 이를 기반으로 사이클 수명이 높은 규소 기반 재료를 제공할 필요가 있다.
본원의 제1 양태는 규소 산소 화합물을 제공하는 바, 그 화학식은 SiOx이고, 0<x<2이며; 상기 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하며, 상기 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이고, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 1.5~10.0이다.
놀랍게도, 본원에 따른 규소 산소 화합물이 유황원소와 망간원소를 모두 포함하고, 또한 유황원소의 함량이 20ppm~600ppm이고, 유황원소와 망간원소의 질량비가 1.5~10.0이면, 규소 산소 화합물의 용량 발휘 및 사이클 수명이 크게 향상되어 해당 규소 산소 화합물을 사용한 이차 전지의 최초 쿨롱 효율 및 사이클 성능이 크게 향상된다.
상술한 임의의 실시형태에서, 상기 유황원소의 함량은 50ppm~200ppm일 수 있다. 규소 산소 화합물의 유황원소의 함량이 상술한 범위 내에 있으면, 규소 산소 화합물의 최초 쿨롱 효율과 사이클 수명을 더욱 향상할 수 있으며, 동시에 높은 그램당 용량을 보장하여, 해당 규소 산소 화합물을 사용한 이차 전지의 최초 쿨롱 효율, 사이클 성능 및 에너지 밀도를 더욱 향상할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 상기 망간원소의 함량은 5ppm~300ppm일 수 있고, 예를 들어 10ppm~90ppm일 수 있다. 규소 산소 화합물 중 망간원소의 함량이 상술한 범위 내에 있으면, 규소 산소 화합물의 높은 그램당 용량을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 규소 산소 화합물이 긴 사이클 수명을 갖도록 하여, 이차 전지의 에너지 밀도 및 사이클 성능을 더욱 향상할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 2.0~7.0일 수 있다. 유황원소와 망간원소의 질량비가 상술한 범위 내에 있으면, 규소 산소 화합물의 용량 발휘 및 사이클 수명을 더욱 향상시킬 수 있어, 이차 전지의 용량 성능 및 사이클 성능을 더욱 향상할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 선택적으로, 상기 규소 산소 화합물의 X선 회절 분석 그래피에서, 회절각 2θ가 26°~30°인 위치에서 제1 회절 피크를 가지고 또한 상기 제1 회절 피크의 반치폭이 0.8°~3.2°이며; 회절각 2θ가 46°~50°인 위치에서 제2 회절 피크를 가지고 또한 상기 제2 회절 피크의 반치폭이 1.0°~4.2°이며; 회절각 2θ가 54°~58°인 위치에서 제3 회절 피크를 가지고 또한 상기 제3 회절 피크의 반치폭이 0.8°~4.5°이다. 상기 규소 산소 화합물 재료가 상술한 세 개의 회절 피크를 가지고 또한 반치폭이 상술한 범위 내에 있으면, 해당 규소 산소 화합물 재료는 높은 용량 성능 및 최초 쿨롱 효율을 가지며, 또한 높은 구조적 안정성을 가지므로, 이차 전지의 에너지 밀도, 최초 쿨롱 효율 및 사이클 성능을 더욱 향상할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 20MPa 압력 하에서 상기 규소 산소 화합물의 분말 부피 저항률은
Figure pct00001
이하일 수 있고, 예를 들어
Figure pct00002
이하일 수 있다. 상기 규소 산소 화합물의 분말 부피 저항률이 상술한 범위 내에 있으면, 이차 전지의 사이클 수명을 더욱 향상할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 상기 규소 산소 화합물의 평균 입경 Dv50은 2μm~15μm일 수 있고, 예를 들어 3μm~12μm일 수 있다. 규소 산소 화합물의 Dv50이 적절한 범위에 있으면, 이차 전지가 높은 사이클 성능 및 동력학적 성능을 동시에 겸비할 수 있으며, 전지의 에너지 밀도를 향상하는 데 유리하다.
상술한 임의의 실시형태에서, 상기 규소 산소 화합물의 비표면적은 1m2/g~7m2/g일 수 있고, 예를 들어 2m2/g~6m2/g일 수 있다. 규소 산소 화합물의 비표면적이 적절한 범위 내에 있으면, 이차 전지의 사이클 성능 및 동력학적 성능을 더욱 향상할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 5톤(49KN에 상당함) 압력 하에서 측정한 상기 규소 산소 화합물의 압밀도는 1.2g/cm3~1.7g/cm3일 수 있고, 예를 들어 1.3g/cm3~1.6g/cm3일 수 있다. 규소 산소 화합물의 압밀도가 상술한 범위 내에 있으면, 이차 전지는 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 상기 규소 산소 화합물의 외면은 피복층을 가지고, 상기 피복층은 폴리머, 탄소 재료, 금속 재료 및 금속 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있다. 상기 규소 산소 화합물의 표면에 피복층이 있으면, 이차 전지의 사이클 성능을 더욱 향상할 수 있다.
본원의 제2 양태는 규소 산소 화합물의 제조 방법을 제공하는 바, 상기 제조 방법은,
일산화 규소 분말과 금속 규소 분말 중 한 종류 또는 여러 종류, 이산화 규소 분말, 유황 소스 및 선택적으로 첨가되는 망간 소스를 포함하는 원재료를 공급하고, 상압 또는 감압 하의 불활성 분위기 하에서 상기 원재료를 가열하여 기체를 생성시키는 단계; 및
상압 또는 감압 하의 불활성 분위기 하에서 가스를 냉각시키고, 가스를 퇴적시켜, 규소 산소 화합물을 획득하는 단계를 포함하고,
여기서, 상기 규소 산소 화합물의 화학식은 SiOx이고, 0<x<2이며; 상기 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하며, 상기 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이고, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 1.5~10.0이다.
본원의 제조 방법에 의해 획득되는 상기 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하며, 유황원소의 함량이 20ppm~600ppm이고, 유황원소와 망간원소의 질량비가 1.5~10.0이므로, 규소 산소 화합물의 용량 발휘 및 사이클 수명을 현저히 향상하여, 규소 산소 화합물을 사용하는 이차 전지의 최초 쿨롱 효율 및 사이클 성능을 모두 크게 향상한다.
상술한 임의의 실시형태에서, 상기 퇴적의 온도는 800℃~1000℃일 수 있다. 적절한 퇴적 온도를 사용함으로써, 획득되는 규소 산소 화합물이 적절한 결정 구조를 얻을 수 있어, 규소 산소 화합물이 높은 최초 쿨롱 효율 및 사이클 성능을 가질 수 있으므로, 전지의 최초 쿨롱 효율 및 사이클 성능을 향상할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 가스를 퇴적 후, 또한, 획득된 퇴적물에 대해 파쇄 처리를 수행하는 단계를 포함한다. 파쇄 처리를 통해, 산화 규소 화합물이 원하는 입경 분포 및 비표면적을 얻을 수 있으므로, 전지의 상응한 성능을 개선할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 획득된 퇴적물에 대해 파쇄 처리를 수행한 다음에, 입자상 물질에 대해 표면 피복을 수행하는 단계를 더 포함한다. 피복을 수행하는 단계를 통해 획득된 규소 산소 화합물의 외면에 피복층을 형성함으로써, 이차 전지의 사이클 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
본원의 제3 양태는 이차 전지를 제공하는 바, 상기 이차 전지는 본원의 제1 양태의 규소 산소 화합물 또는 본원의 제2 양태의 제조 방법에 의해 획득되는 규소 산소 화합물을 포함한다.
본원의 이차 전지는 본원의 규소 산소 화합물을 사용하기 때문에, 높은 최초 쿨롱 효율 및 사이클 성능을 가질 수 있다.
본원의 제4 양태는 본원의 제3 양태의 이차 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본원의 제5 양태는 본원의 제4 양태의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본원의 제6 양태는 본원의 제3 양태의 이차 전지, 본원의 제4 양태의 전지 모듈 또는 본원의 제5 양태의 전지 팩 중 적어도 한 종류를 포함하는 장치를 제공한다.
본원의 전지 모듈, 전지 팩 및 장치는 본원의 이차 전지를 포함하므로, 적어도 상기 이차 전지와 동일하거나 유사한 기술적 효과를 갖는다.
이하에서는 본원의 실시예의 기술적 수단을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 필요한 도면에 대해 간단히 설명한다. 당업자라면 이러한 도면을 기반으로 창조적 작업 없이 다른 도면을 얻을 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예의 규소 산소 화합물의 X선 회절(XRD)도이다.
도 2는 이차 전지의 일 실시형태의 개략도이다.
도 3은 도 2의 분해도이다.
도 4는 전지 모듈의 일 실시형태의 개략도이다.
도 5는 전지 팩의 일 실시형태의 개략도이다.
도 6은 도 5의 분해도이다.
도 7은 이차 전지를 전원으로 사용하는 장치의 일 실시형태의 개략도이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결 수단 및 유익한 기술적 효과를 보다 명확하게 하기 위해 이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본원을 상세히 설명한다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 단지 본원을 설명하기 위한 것일 뿐, 본원을 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
간단하게 하기 위해, 본 명세서에서는 단지 일부 수치 범위만을 명확하게 개시하고 있다. 하지만 임의의 하한은 임의의 상한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있고, 임의의 하한은 다른 하한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있으며, 마찬가지로 임의의 상한은 다른 상한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있다. 또한, 비록 명확하게 기재되어 있지는 않지만, 범위의 끝점 사이의 각 점 또는 단일 수치는 모두 그 범위 내에 포함된다. 따라서, 각 점 또는 단일 수치는 자체의 하한 또는 상한으로서, 임의의 다른 점 또는 단일 수치와 조합하거나 혹은 다른 하한 또는 상한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있다.
본 명세서의 설명에서, 별도의 설명이 없는 한, "이상" 및 "이하"는 대상이 되는 숫자를 포함하고, "한 종류 또는 여러 종류" 중의 "여러 종류"의 의미는 두 종류 또는 두 종류 이상을 의미한다.
본원의 상술한 발명의 내용은 본원에서 개시된 모든 실시형태나 모든 구현형태를 설명하려는 것이 아니다. 아래 설명은 예시적인 실시형태를 보다 구체적으로 예시하여 설명한다. 본 명세서의 여러 곳에서, 여러 가지 조합으로 사용할 수 있는 일련의 실시예를 통해 지침을 제공한다. 각 실시예에서 열거하는 것은 대표적인 그룹일 뿐, 포괄적인 것으로 해석되어서는 안된다.
규소 산소 화합물
본원의 제1 양태는 규소 산소 화합물을 제공한다. 상기 규소 산소 화합물의 화학식은 SiOx이고, 0<x<2이며; 상기 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하며, 여기서 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이고, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 1.5~10.0이다.
본 명세서에서, ppm(parts per million)는 규소 산소 화합물 중 유황원소 또는 망간원소의 질량이, 규소 산소 화합물의 질량에서 차지하는 백만분율이다.
본원의 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하고, 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이며, 유황원소와 망간원소의 질량비는 1.5~10.0이다. 비록 그 원리를 잘 설명할 수는 없지만, 연구에 따르면, 상술한 특정 범위 내의 황소원소와 망간원소를 함유하면, 규소 산소 화합물은 활성 이온(예를 들어, 리튬 이온 이차 전지의 리튬 이온)의 삽입/탈리 과정 중 활성 이온 및 전자의 전도 성능을 향상할 수 있고, 또한 부극 분극 현상을 감소할 수 있고, 사이클 과정 중 부극 임피던스의 증가를 억제할 수 있으며, 유황원소와 리튬 이온의 반응에 의해 생성되는 리튬 유황 화합물은 입자 내부에서 완충작용을 발휘하여 입자의 팽창 및 파열을 완화시켜, 규소 산소 화합물의 용량 발휘 및 사이클 과정에서의 용량 유지율을 향상하는 데 유리하다는 것을 추정할 수 있다. 이에 의해, 이차 전지의 최초 쿨롱 효율과 사이클 성능을 크게 향상할 수 있다.
따라서, 본원의 규소 산소 화합물을 사용하면 이차 전지는 높은 사이클 성능, 최초 쿨롱 효율 및 에너지 밀도를 동시에 겸비할 수 있다.
선택적으로, 상기 규소 산소 화합물의 화학식 SiOx에서, 0.6≤x≤1.5이다. 예를 들어, 0.9≤x≤1.2이다.
규소 산소 화합물이 x가 2 이하, 예를 들어 1.5 이하, 더 예를 들어 1.2 이하인 것을 충족하면, 규소 산소 화합물은 더 높은 용량 성능과 높은 최초 쿨롱 효율을 가질 수 있다. 규소 산소 화합물이 x가 0을 초과, 예를 들어 0.6 이상, 더 예를 들어 0.9 이상인 것을 충족하면, 규소 산소 화합물의 부피 팽창 효과를 더욱 감소할 수 있어, 규소 산소 화합물이 높은 용량 발휘 및 긴 사이클 수명을 갖도록 보장할 수 있다.
본원의 규소 산소 화합물에서, 상기 유황원소의 함량은 ≤600ppm, ≤550ppm, ≤500ppm, ≤450ppm, ≤400ppm, ≤350ppm, ≤300ppm, ≤280ppm, ≤260ppm, ≤220ppm, ≤200ppm, ≤180ppm, ≤160ppm 또는 ≤150ppm일 수 있다. 상기 유황원소의 함량은 ≥20ppm, ≥30ppm, ≥40ppm, ≥50ppm, ≥70ppm, ≥80ppm, ≥90ppm, ≥100ppm, ≥120ppm, ≥130ppm일 수 있다. 선택적으로, 상기 유황원소의 함량은 50ppm~200ppm이다.
유황원소의 함량이 선택적으로 600ppm 이하, 예를 들어 200ppm 이하이면, 규소 산소 화합물이 높은 그램 용량 및 최초 쿨롱 효율을 갖도록 보장할 수 있다. 유황원소의 함량이 선택적으로 20ppm 이상, 예를 들어 50ppm 이상이면, 규소 산소 화합물이 긴 사이클 수명을 갖도록 할 수 있다.
본원의 규소 산소 화합물에 있어서, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 ≤10.0, ≤9.5, ≤9.0, ≤8.5, ≤8.0, ≤7.5 또는 ≤7.0일 수 있다. 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 ≥1.5, ≥2.0, ≥2.5, ≥3.0, ≥3.5, ≥4.0, ≥4.5, ≥5.0, ≥5.5 또는 ≥6.0일 수 있다. 선택적으로, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 2.0~7.0이다.
유황원소와 망간원소의 질량비가 상술한 범위 내에 있는 경우, 규소 산소 화합물의 용량 성능 및 사이클 수명을 더욱 향상하기에, 이차 전지의 용량 성능 및 사이클 성능을 더욱 향상한다. 비록 그 원리를 잘 설명할 수는 없지만, 연구에 따르면, 유황원소와 망간원소의 질량비가 상술한 범위 내에 있으면 유황원소와 망간원소의 시너지 효과를 더 잘 발휘할 수 있다는 것을 추정할 수 있다. 따라서, 규소 산소 화합물의 용량 발휘 및 사이클 수명을 더욱 향상할 수 있다.
본원의 규소 산소 화합물에 있어서, 선택적으로, 상기 망간원소의 함량은 5ppm~300ppm이다. 예를 들어, 상기 망간원소의 함량은 ≤300ppm, ≤280ppm, ≤260ppm, ≤200ppm, ≤150ppm, ≤120ppm, ≤90ppm, ≤80ppm, ≤70ppm, ≤65ppm 또는 ≤60ppm일 수 있다. 상기 망간원소의 함량은 ≥5ppm, ≥10ppm, ≥12ppm, ≥15ppm, ≥20ppm, ≥25ppm, ≥30ppm, ≥35ppm, ≥40ppm, ≥45ppm, ≥50ppm 또는 ≥55ppm일 수 있다. 더 선택적으로, 상기 망간원소의 함량은 10ppm~90ppm이다.
망간원소의 함량이 선택적으로 300ppm 이하이면, 규소 산소 화합물이 높은 그램당 용량을 갖도록 보장할 수 있다. 망간원소의 함량이 선택적으로 5ppm 이상이면, 규소 산소 화합물이 긴 사이클 수명을 갖도록 하는 데 유리하다.
일부 실시형태에서, 선택적으로, 도 1을 참조하면, 상기 규소 산소 화합물은 X선 회절 분석에서, 회절각 2θ가 26°~30°인 위치에서 제1 회절 피크를 가지고 또한 상기 제1 회절 피크의 반치폭이 0.8°~3.2°이며; 회절각 2θ가 46°~50°인 위치에서 제2 회절 피크를 가지고 또한 상기 제2 회절 피크의 반치폭이 1.0°~4.2°이며; 회절각 2θ가 54°~58°인 위치에서 제3 회절 피크를 가지고 또한 상기 제3 회절 피크의 반치폭이 0.8°~4.5°이다.
여기서 반치폭(full width at half maxima, FWHM로 약칭)은 반치전폭이라고도 칭하며, 피크 높이의 절반에서의 피크 폭을 가리킨다.
상기 규소 산소 화합물 재료는 상술한 세 개의 회절 피크를 가지고 또한 반치폭이 상술한 범위내에 있음은, 규소 산소 화합물 재료가 비교적 양호한 미결정 사이즈 및 적절한 결정성을 가지고 있음을 나타내며, 이로 인해 규소 산소 화합물 재료가 높은 용량 성능 및 최초 쿨롱 효율을 가지도록 하며, 규소 산소 화합물 재료가 충방전 사이클 과정에서 비교적 높은 구조 안정성을 유지하여 쉽게 파손되지 않도록 하며, 나아가 전지의 사이클 수명을 향상한다.
일부 실시형태에서, 선택적으로, 20MPa 압력 하에서 상기 규소 산소 화합물의 분말 부피 저항률은
Figure pct00003
이하이고, 예를 들어
Figure pct00004
이하이다. 상기 규소 산소 화합물의 분말 부피 저항률이 상술한 범위 내에 있으면, 입자 내부의 전자 이동에 대한 장애를 감소할 수 있으며, 규소 산소 화합물의 동력학적 성능을 개선하는 데 유리하며, 부극 분극 현상을 감소함으로써, 이차 전지의 사이클 수명을 향상할 수 있다. 유황원소와 망간원소의 함량을 조정하여 분말 부피 저항률을 조정할 수 있으며, 규소 산소 화합물에 대한 표면 처리를 통해 분말 부피 저항률을 더욱 감소할 수 있다.
일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 규소 산소 화합물의 외면은 피복층을 가지고, 상기 피복층은 폴리머, 탄소 재료, 금속 재료 및 금속 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있다. 예를 들어, 피복층은 폴리머 피복층, 탄소 피복층 및 금속 화합물 피복층 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함한다.
선택적으로, 상기 폴리머는 폴리 닐렌, 폴리 아세틸렌, 폴리 스틸렌, 폴리 아크릴로 니트릴, 폴리 염화 비닐 및 폴리 에틸렌에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이다.
선택적으로, 상기 탄소 재료는 흑연, 메조카본 마이크로 비드(MCMB), 탄화 수소계 화합물 열분해 탄소, 하드 카본 및 소프트 카본 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함한다. 그 중 흑연은 천연 흑연 및 인조 흑연 중 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
선택적으로, 상기 금속 화합물은 Ti5Si3, Al2O3, TiO2 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있다.
상기 피복층은 규소 산소 화합물의 부피 팽창 효과를 더욱 완화시켜 재료의 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 동시에, 피복층은 규소 산소 화합물을 보호하는 역할을 발휘하며, 재료 표면에서의 전해액의 부반응을 억제하고, 재료 표면이 전해액에 의해 침식되지 않도록 보호함으로써, 규소 산소 화합물의 높은 용량 발휘를 보장하고, 전지의 사이클 수명을 더욱 향상한다.
일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 규소 산소 화합물의 평균 입경 Dv50은 2μm≤Dv50≤15μm이고, 예를 들어, 3μm≤Dv50≤12μm이다.
규소 산소 화합물의 Dv50이 선택적으로 2μm 이상, 예를 들어 3μm 이상이면, 부극 성막에서의 활성 이온의 소모를 감소하고 부극에서의 전해액 부반응을 감소하기에, 이차 전지의 비가역적 용량을 감소하고, 이차 전지의 사이클 성능을 향상한다. 또한, 규소 산소 화합물의 Dv50이 선택적으로 2μm 이상, 예를 들어 3μm 이상이면, 부극 시트 중 접착제의 첨가량을 감소할 수 있어 이차 전지의 에너지 밀도를 향상하는 데 유리하다.
규소 산소 화합물의 Dv50이 선택적으로 15μm 이하, 예를 들어 12μm 이하이면, 활성 이온과 전자의 재료 입자 중의 이동 경로를 짧게 하고, 이온과 전자의 이동 속도를 높임으로써, 이차 전지의 동력학적 성능을 향상할 수 있으며; 또한 충방전 과정에서 규소 산소 화합물이 파손되는 것을 방지하는 데 유리하기에, 이차 전지의 사이클 성능을 향상할 수 있다.
일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 규소 산소 화합물의 비표면적은 1m2/g~7m2/g이고, 예를 들어 2m2/g~6m2/g이다.
규소 산소 화합물의 비표면적이 선택적으로 1m2/g 이상, 예를 들어 2m2/g 이상이면, 재료 입자의 표면이 많은 활성 부위를 갖도록 보장할 수 있고, 규소 산소 화합물의 전기 화학적 성능을 효과적으로 향상할 수 있으며, 동력학적 성능에 대한 이차 전지의 요구를 충족할 수 있다. 규소 산소 화합물의 비표면적이 선택적으로 7m2/g 이하, 예를 들어 6m2/g 이하이면, 부극에서의 전해액의 부반응을 감소하는데 유리하고, 또한 부극 성막에서의 활성 이온의 소모를 감소할 수 있으므로, 이차 전지의 비가역적 용량을 감소하고, 이차 전지의 사이클 성능을 향상할 수 있다.
일부 실시형태에서, 선택적으로, 5톤(49KN에 상당함) 압력 하에서의 상기 규소 산소 화합물의 압밀도는 1.2g/cm3~1.7g/cm3, 예를 들어 1.3g/cm3~1.6g/cm3이다. 규소 산소 화합물의 압밀도가 상술한 범위 내에 있으면, 이차 전지는 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다.
본원에서, 본원의 규소 산소 화합물 중 유황원소 및 망간원소의 함량은 본 분야에서 주지된 기기 및 방법에 의해 측정할 수 있다. 예를 들어 EPA-3052-1996 "규산염의 마이크로파 산식 분해법"을 참조하여 규소 산소 화합물을 분해한 후, EPA 6010D-2014 "유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법"에 따라, 미국 서모피셔사이언티픽사(Thermo Fisher Scientific)사의 ICAP-7000형 유도 결합 플라즈마 방출 분광기(ICP-OES)를 사용하여 유황원소와 망간원소의 함량을 측정할 수 있다. 구체적인 측정 방법은 다음과 같다. 질산 10mL와 불산 10mL를 사용하여, 규소 산소 화합물 샘플 0.5g을 마이크로파에 의해 분해하고, 분해한 후, 50mL 용량의 메스 플라스크에 넣어 용량을 확정한 후, ICAP-7000형 ICP-OES를 사용하여 유황원소와 망간원소의 함량을 측정한다.
본원에서, 본원의 규소 산소 화합물의 X선 회절 스펙트럼은 본 분야에서 주지된 기기 및 방법에 의해 측정할 수 있다. 예를 들면 X선 분말 회절계를 사용하여, JIS K0131-1996 X선 회절 분석 규칙에 따라 X선 회절 스펙트럼을 측정한다. 또한 예를 들어 독일 Bruker AxS사의 Bruker D8 Discover형 X선 회절계를 사용하는 바, CuKα선을 방사원으로 하고, 방사선 파장이
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이고, 주사 2θ 각도 범위가 10°~90°이며, 주사 속도가 4°/min이다.
본원에서, 20MPa 압력 하에서의 규소 산소 화합물의 분말 부피 저항률은 본 분야에서 주지된 의미이며, 본 분야에서 주지된 측정 방법을 통해 측정할 수 있다. 일례로서, 4-탐침법을 이용하여, 20MPa 압력 하에서의 본원의 규소 산소 화합물의 분말 부피 저항률을 측정하는 바, 측정 방법은 다음을 포함한다. 본원의 규소 산소 화합물 분말을 시료대에 투입하고, 프레스 기기를 통해 분말에 20Mpa 압력을 인가하며, 압력이 안정된 후, 저항률 측정기(예를 들어 ST2722)를 통해 20MPa 압력 하에서의 규소 산소 화합물 분말의 부피 저항률을 판독한다.
본원에서, 규소 산소 화합물의 평균 입경 Dv50은 본 분야에서 주지된 의미이며, 본 분야에서 주지된 기기 및 방법으로 측정할 수 있다. 예를 들어 GB/T 19077-2016 입도 분포 레이저 회절법을 참조할 수 있으며, 영국 말번사의 Mastersizer 2000E형 레이저 입도 분석기와 같은 레이저 입도 분석기를 이용하여 쉽게 측정할 수 있다.
본원에서, 규소 산소 화합물의 비표면적은 본 분야에서 주지된 의미이며, 본 분야에서 주지된 기기 및 방법으로 측정할 수 있고, 예를 들어 GB/T 19587-2017 가스 흡착 BET법을 참조하여 고체 물질의 비표면적을 측정할 수 있으며, 질소 가스 흡착 비표면적 분석 측정 방법에 의해 측정할 수 있으며, BET(Brunauer Emmett Teller)을 이용하여 계산할 수 있다. 질소 가스 흡착 비표면적 분석 측정은 미국 Micromeritics사의 Tri StarII 3020형 비표면적 및 공극 분석기를 통해 수행할 수 있다.
본원에서, 규소 산소 화합물의 압밀도는 본 분야에서 주지된 기기 및 방법으로 측정할 수 있으며, 예를 들어 GB/T 24533-2009 표준을 참조하여, 예를 들어 UTM 7305형 전자 압력 측정기와 같은 전자 압력 측정기를 통해 수행할 수 있다. 샘플 1g 정도를 정확하게 계량하여, 바닥 면적이 1.327cm2인 금형 중에 넣고, 가압 장치를 이용하여 샘플에 5톤(49KN에 상당함)의 압력을 인가하며, 이 압력 하에서 30초간 유지한 후 압력을 해제하며, 이어서 샘플의 높이를 측정하면, 공식 ρ=m/(1.327Хh)을 통해 재료의 압밀도를 얻을 수 있다. 식에서 ρ는 재료의 압밀도를 나타내고, m은 샘플의 질량을 나타내며, h는 샘플에 5톤의 압력을 인가하고 이 압력 하에서 30초간 유지한 후 압력을 해제시킨 다음의 높이를 나타낸다.
본원은 또한 규소 산소 화합물의 제조 방법을 제공하는 바, 다음의 단계를 포함한다.
S10에 있어서, 원재료를 공급하고, 상압 또는 감압 하의 불활성 분위기 하에서 원재료를 가열하여 가스를 생성시킨다.
S20에 있어서, 상압 또는 감압 하의 불활성 분위기 하에서 가스를 냉각시켜, 가스를 퇴적시킴으로써, 본원의 제1 양태의 규소 산소 화합물을 획득한다.
선택적으로, 상기 원재료는 일산화 규소 분말과 금속 규소 분말 중의 한 종류 또는 여러 종류, 이산화 규소 분말과 유황 소스 및 선택적으로 첨가되는 망간 소스를 포함한다.
선택적으로, 상기 유황원소는 상술한 원재료 중의 유황 소스로부터 유래될 수 있다.
선택적으로, 상기 망간원소는 일산화 규소 분말 및/또는 금속 규소 분말로부터 유래될 수 있고, 또한 상술한 원재료 중의 망간 소스로부터 유래될 수도 있다.
유황 소스의 종류 및 첨가량을 조정하는 것을 통해, 본원의 규소 산소 화합물 중 유황원소의 함량을 제어할 수 있으며, 상이한 망간원소 함량의 일산화 규소 분말 또는 금속 규소 분말을 선택하는 방법 및 망간 소스의 종류와 첨가량을 조정하는 방법 중 한 종류 또는 여러 종류의 수단을 통해, 본원의 규소 산소 화합물 중 망간원소의 함량을 제어할 수 있으며, 여기서 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이고, 유황원소와 망간원소의 질량비는 1.5~10.0이다.
선택적으로, 유황 소스는 고유황 코크스, 유황 단체, 금속 황화물, 황산염 및 다황화물에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
선택적으로, 망간 소스는 금속 망간, 망간 합금, 망간 화합물에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있으며; 여기서, 망간 화합물은 망간 산화물, 망간 황화물, 망간 탄산염, 망간 수산화물, 망간 초산염, 망간 옥살산염, 망간 질산염 및 망간 황산염에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
상술한 제조 방법에 있어서, 단계 S10에서, 상기 불활성 분위기는 질소 가스 분위기, 아르곤 가스 분위기, 헬륨 가스 분위기 등일 수 있다. 불활성 분위기의 압력은 상압 또는 감압이다, 선택적으로, 상기 불활성 분위기의 절대압은 10Pa~1kPa이고, 예를 들어 20Pa~50Pa이다. 가열 온도는 1100℃~1600℃일 수 있다.
상술한 가열 온도 범위 내에서 온도를 높이면, 최종적으로 얻어지는 규소 산소 화합물 중 유황원소와 망간원소의 함량을 상응하게 증가할 수 있다.
상술한 불활성 분위기의 압력 범위 내에서 압력을 낮추면 즉 진공도를 높이면, 최종적으로 얻어지는 규소 산소 화합물 중 유황원소와 망간원소의 함량을 상응하게 증가할 수 있다.
상술한 제조 방법에 있어서, 단계 S20에서, 상기 불활성 분위기는 질소 가스 분위기, 아르곤 가스 분위기, 헬륨 가스 분위기 등일 수 있다. 불활성 분위기의 압력은 상압 또는 감압이다. 선택적으로, 상기 불활성 분위기의 절대압은 10Pa~1kPa이고, 예를 들어 20Pa~50Pa이다.
상술한 제조 방법에 있어서, 단계 S20에서, 퇴적 온도 등의 조정을 통해, 본원의 규소 산소 화합물이 적절한 결정 구조를 가지도록 할 수 있다. 선택적으로, 상기 퇴적 온도는 800℃~1000℃이고, 예를 들어 950℃이다. 이는 규소 산소 화합물이 양호한 미결정 사이즈 및 적절한 결정성을 가지는데 유리하기에, 규소 산소 화합물이 높은 최초 쿨롱 효율 및 사이클 성능을 갖도록 한다. 온도가 800°C보다 낮으면, 재료의 결정성이 너무 낮아, 재료의 최초 쿨롱 효율에 영향을 줄 수 있다. 온도가 1000°C보다 높으면, 재료의 미결정 사이즈가 너무 커, 재료의 사이클 성능에 영향을 줄 수 있다.
상술한 제조 방법에서, 또한 단계 S20 다음에, 획득되는 퇴적물에 대해 파쇄 처리를 수행하여, 상술한 입경 분포 및 비표면적을 갖는 규소 산소 화합물을 획득하는 단계 S30을 더 선택적으로 포함할 수 있다.
단계 S30에서, 본 분야에서 주지된 임의의 방법과 설비를 이용하여 퇴적물에 대해 파쇄 처리를 수행할 수 있으며, 예를 들어 연마기를 이용할 수 있으며, 또한 예를 들어 퇴적물을 유성형 볼밀에 넣어 일정 시간 동안 연마하여 본원의 규소 산소 화합물을 얻을 수 있다.
상기 제조 방법에서, 또한 단계 S30 다음에, 단계 S30에서 획득되는 입자상 물질에 대해 표면 피복을 수행하는 단계 S40을 더 선택적으로 포함할 수 있다.
단계 S40에서, 화학 기상 퇴적법을 이용하여 입자상 물질의 표면을 피복하여 피복층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 입자상 물질이 들어 있는 반응로에 탄화수소계 화합물 가스를 도입하여, 불활성 분위기 하에서 열처리를 수행하여, 탄화수소계 화합물을 탄화시켜, 입자상 물질 표면을 덮는 피복층을 형성하여, 표면에 탄소 피복층을 가지는 규소 산소 화합물을 얻는다.
액상 피복법을 이용하여 입자성 물질 표면을 피복하여 피복층을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 폴리머를 일정한 용매 중에 용해시키고, 규소 산소 화합물 입자와 충분히 교반하여 균일하게 혼합한 후, 용매를 증발시켜 제거하여, 폴리머가 규소 산소 화합물 입자 표면에 균일하게 덮도록 한다.
이차 전지
본원의 제2 양태는 본원의 제1 양태의 규소 산소 화합물을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
구체적으로, 상기 이차 전지는 정극 시트, 부극 시트, 세퍼레이터 및 전해질을 포함하고, 상기 부극 시트는 부극 집전체, 및 부극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 또한 부극 활성 재료를 포함하는 부극 필름층을 포함하며, 상기 부극 활성 재료는 본원의 제1 양태의 규소 산소 화합물을 포함한다.
본원의 이차 전지에 있어서, 상기 부극 집전체는 양호한 전도성 및 기계적 강도를 갖는 재질 예를 들어 동박을 사용할 수 있다.
본원의 이차 전지에 있어서, 또한 상기 부극 활성 재료는 흑연, 메조카본 마이크로 비드(MCMB로 약칭), 하드 카본 및 소프트 카본 중 한 종류 또는 여러 종류를 더 포함하며, 예를 들어 흑연을 포함한다. 상기 흑연은 인조 흑연 및 천연 흑연에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
본원의 이차 전지에 있어서, 또한 상기 부극 필름층은 도전제, 접착제 및 증점제를 선택적으로 더 포함할 수 있는 바, 이들의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 당업자는 실제 수요에 따라 선택할 수 있다.
선택적으로, 부극 필름층에 사용되는 도전제는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노튜브, 그래핀 및 카본 나노 섬유 중 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다. 접착제는 폴리 아크릴산(PAA), 폴리 아크릴산 나트륨(PAAS), 폴리 비닐 알코올(PVA), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 카르복시 메틸 셀룰로오스 나트륨(CMC), 알긴산 나트륨(SA), 폴리 메타 크릴산(PMAA), 카르복시 메틸 키토산(CMCS)에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다. 증점제는 카복시 메틸 셀룰로오스 나트륨(CMC-Na)을 선택할 수 있다.
본 분야의 통상적인 방법에 따라 부극 시트를 제조할 수 있다. 예를 들어 부극 활성 재료와 선택적인 도전제, 접착제 및 증점제를 용매 중에 분산시켜 균일한 부극 슬러리를 형성하는 바, 여기서 용매는 탈이온수일 수 있다. 이어서 부극 슬러리를 부극 집전체에 코팅하고, 건조, 냉간 압연 등 공정을 거쳐 부극 시트를 획득한다.
본원의 이차 전지에서, 상기 정극 시트는 정극 집전체와, 정극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 또한 정극 활성 재료를 포함하는 정극 필름층을 포함한다.
본원의 이차 전지에서, 상기 정극 집전체는 양호한 전도성 및 기계적 강도를 갖는 재질 예를 들어 알루미늄박을 사용할 수 있다.
본원의 이차 전지에서, 상기 정극 활성 재료의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않는 바, 활성 이온을 가역적으로 삽입 탈리할 수 있는 재료를 사용할 수 있으며, 당업자는 실제 수요에 따라 선택할 수 있다. 선택적으로, 상기 정극 활성 재료는 리튬 전이 금속 산화물 및 그 개질 재료로부터 선택될 수 있으며, 상기 개질 재료는 리튬 전이 금속 산화물에 대한 피복 개질 및/또는 도핑 개질일 수 있다. 선택적으로, 상기 리튬 전이 금속 산화물은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
본원의 이차 전지에서, 상기 정극 필름층은 접착제 및/또는 도전제를 더 포함할 수 있으며, 접착제와 도전제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 당업자는 실제 수요에 따라 선택할 수 있다. 선택적으로, 정극 필름층에 사용되는 접착제는 폴리 불화 비닐리덴(PVDF) 및 폴리 테트라플루오로 에틸렌(PTFE) 중 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다. 도전제는 흑연, 초전도 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 도트, 카본 나노 튜브, 그래핀 및 카본 나노 섬유 중 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
본 분야의 통상적인 방법에 따라 상술한 정극 시트를 제조할 수 있다. 예를 들어 정극 활성 재료와 선택적인 도전제 및 접착제를 용매(예를 들어 N-메틸 피롤리돈, NMP로 약칭) 중에 분산시켜 균일한 정극 슬러리를 형성하고, 이어서 정극 슬러리를 정극 집전체에 코팅하고, 건조, 냉간 압연 등 공정을 거쳐 정극 시트를 획득한다.
본원의 이차 전지에서, 전해질의 종류는 특별히 제한되지 않으며 수요에 따라 선택할 수 있다. 상기 전해질은 고체 전해질 및 액체 전해질(즉 전해액)에서 선택되는 적어도 한 종류일 수 있다. 상기 전해질이 전해액인 경우, 상기 전해액은 전해질염과 용매를 포함한다.
선택적으로, 상기 전해질염은 LiPF6(헥사플루오로 인산리튬), LiBF4(테트라플루오로 붕산 리튬), LiClO4(과염소산 리튬), LiAsF6(헥사플루오로 히드산리튬), LiFSI(디플루오로 설포닐 이미드 리튬), LiTFSI(비스(트리플루오로 메탄 설포닐)이미드 리튬), LiTFS(트리플루오로 메탄 설폰산 리튬), LiDFOB(디플루오로 옥살산 붕산 리튬), LiBOB(디옥살산 붕산 리튬), LiPO2F2(디플루오로 인산 리튬), LiDFOP(디플루오로 디옥살산 인산 리튬) 및 LiTFOP(테트라플루오로 옥살산 인산 리튬)에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
선택적으로, 상기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸 프로필 카보네이트(MPC), 에틸 프로필 카보네이트(EPC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC), 메틸 포르메이트(MF), 메틸 아세테이트(MA), 에틸 아세테이트(EA), 프로필 아세테이트(PA), 메틸 프로피오네이트(MP), 에틸 프로피오네이트(EP), 프로필렌 프로피오네이트(PP), 메틸 부티레이트(MB), 에틸 부티레이트(EB), 1,4-부티로 락톤(GBL), 설포란(SF), 디메틸 설폰(MSM), 메틸 에틸 설폰(EMS), 디에틸 설폰(ESE) 중 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
상기 전해액에는 첨가제가 선택적으로 더 포함될 수 있으며, 첨가제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 수요에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면 첨가제는 부극 성막용 첨가제를 포함할 수도 있고, 정극 성막용 첨가제를 포함할 수도 있으며, 전지의 일부 성능을 개선할 수 있는 첨가제를 포함할 수도 있는 바, 예를 들어 전지의 과충전 성능을 개선하는 첨가제, 전지의 고온 성능을 개선하는 첨가제, 전지의 저온 성능을 개선하는 첨가제 등을 포함할 수 있다.
본원의 이차 전지에서, 상기 세퍼레이터는 정극 시트와 부극 시트 사이에 위치하여 격리 역할을 발휘한다. 세퍼레이터의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 임의의 주지된 양호한 화학적 안정성과 기계적 안정성을 갖는 다공성 구조의 세퍼레이터를 선택할 수 있으며, 예를 들어 유리 섬유, 부직포, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌 및 폴리 불화 비닐리덴 중 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다. 세퍼레이터는 단층 필름일 수도 있고 다층 복합 필름일 수도 있다. 세퍼레이터가 다층 복합 필름일 경우, 각 층의 재료는 동일하거나 상이할 수 있다.
본 분야에서 주지된 방법을 이용하여 이차 전지를 제조할 수 있다. 일례로서, 정극 시트, 세퍼레이터, 부극 시트를 순차적으로 권취(또는 적층)하여, 세퍼레이터가 정극 시트와 부극 시트 사이에 위치하여 격리 역할을 발휘하도록 하여, 코어를 획득하고, 코어를 외포장에 배치하고, 전해액을 주입하고 밀봉하여, 이차 전지를 획득한다.
본원은 이차 전지의 형상에 대해 특별히 제한하지 않으며, 원통형, 사각형 또는 기타 임의의 모양일 수 있다. 도 2는 일례로서 사각형 구조의 이차 전지(5)를 도시한다.
일부 실시예에서, 이차 전지는 외포장을 포함할 수 있다. 외포장은 정극 시트, 부극 시트 및 전해질을 밀봉하는 데 사용된다.
일부 실시예에서, 도 3을 참조하면, 외포장은 케이스(51) 및 커버 플레이트(53)를 포함할 수 있다. 여기서 케이스(51)는 바닥판 및 바닥판에 연결된 측판을 포함할 수 있으며, 바닥판과 측판에 의해 둘러싸여 수용실이 형성된다. 케이스(51)는 수용실과 연통되는 개구를 구비하고, 커버 플레이트(53)는 수용실을 밀봉하도록, 상기 개구를 커버한다.
정극 시트, 부극 시트 및 세퍼레이터는 권취 공정 또는 적층 공정을 거쳐 전극 어셈블리(52)를 형성할 수 있다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용실 내에 밀봉된다. 전해질은 전해액을 사용할 수 있다. 전해액은 전극 어셈블리(52) 내에 침윤된다. 이차 전지(5)에 포함된 전극 어셈블리(52)의 개수는 하나 또는 여러 개일 수 있으며, 수요에 따라 조정할 수 있다.
일부 실시예에서, 이차 전지의 외포장은 경질 쉘일 수 있으며, 예를 들어 경질 플라스틱 쉘, 알루미늄 쉘 및 스틸 쉘 등이다. 이차 전지의 외포장은 소프트 팩일 수 있으며, 예를 들어 봉투형 소프트 팩일 수 있다. 소프트 팩의 재질은 플라스틱일 수 있으며, 예를 들어 폴리 프로필렌(PP), 폴리 부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 및 폴리 부틸렌 숙시네이트(PBS) 등 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 이차 전지는 조립되어 전지 모듈을 형성할 수 있으며, 전지 모듈에 포함된 이차 전지의 개수는 여러 개일 수 있으며, 구체적인 개수는 전지 모듈의 용도 및 용량에 따라 조정할 수 있다.
도 4는 일례로서의 전지 모듈(4)을 도시한다. 도 4를 참조하면, 전지 모듈(4)에서 복수의 이차 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향에 따라 순차적으로 배열될 수 있다. 물론 다른 임의의 방식으로 배열될 수도 있다. 또한, 패스너로 복수의 이차 전지(5)를 고정할 수도 있다.
선택적으로, 전지 모듈(4)은 수용 공간을 갖는 하우징을 더 포함할 수 있고, 복수의 이차 전지(5)는 상기 수용 공간 내에 수용된다.
일부 실시예에서, 상술한 전지 모듈은 조립되어 전지 팩을 형성할 수 있으며, 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 개수는 전지 팩의 용도 및 용량에 따라 조정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 일례로서의 전지 팩(1)을 도시한다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 전지 팩(1)에는 전지 박스 및 전지 박스 내에 배치된 복수의 전지 모듈(4)이 포함될 수 있다. 전지 박스는 상부 박스바디(2) 및 하부 박스바디(3)를 포함하고, 상부 박스바디(2)는 하부 박스바디(3)를 덮도록 배치되어, 전지 모듈(4)를 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성한다. 복수의 전지 모듈(4)은 임의의 방식으로 전지 박스 내에 배열될 수 있다.
장치
본원은 또한 장치를 제공하는 바, 상기 장치는 본원의 상기 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩 중 적어도 한 종류를 포함한다. 상기 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩은 상기 장치의 전원으로서 사용될 수 있으며, 상기 장치의 에너지 저장 유닛으로 사용될 수 있다. 상기 장치는 모바일 기기(예를 들어 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등), 전기 자동차(예를 들어 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 기차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 장치는 사용 요구 사항에 따라, 이차 전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 선택할 수 있다.
도 7은 일례로서의 장치를 도시한다. 상기 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이다. 이차 전지의 고전력 및 고에너지 밀도에 대한 상기 장치의 수요를 충족시키기 위해, 전지 팩 또는 전지 모듈을 사용할 수 있다.
다른 일례로서의 장치는 휴대폰, 태블릿, 노트북 등일 수 있다. 상기 장치는 일반적으로 경량화 및 박형화를 요구하며, 이차 전지를 전원으로 사용할 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본원의 개시 내용을 보다 구체적으로 설명하는 것으로, 본원의 개시 범위 내에서 각종 수정과 변경이 가능한 것은 당업자에게 자명하기에 이들 실시예는 단지 설명적 용도로만 사용한다. 별도의 설명이 없는 한, 아래의 실시예에서 언급된 모든 부, 백분율, 비율은 모두 중량 기준이며, 실시예에서 사용하는 모든 시약은 시판용 또는 통상적인 방법에 따라 합성된 것으로서, 추가 처리 없이 직접 사용할 수 있으며, 실시예에서 사용하는 기기는 모두 시판되는 것이다.
실시예 1
규소 산소 화합물의 제조
1) 금속 규소 1(규소원소 함량≥99.7%, 망간원소 함량이 100ppm, 알루미늄원소 함량≤1000ppm, 철원소 함량≤1000ppm, 칼슘원소 함량≤100ppm) 43.18g, 금속 규소 2(규소원소 함량≥98.5%, 망간원소 함량이 1000ppm, 알루미늄원소 함량≤5000ppm, 철원소 함량≤5000ppm, 칼슘원소 함량≤3000ppm) 6.82g, 이산화 규소 분말 50g 및 2.5wt% 유황원소를 함유하는 고유황 코크스 분말 1.21g을 혼합하여 원재료 혼합물을 획득하고, 여기서 혼합물 중 유황원소의 함량은 299ppm이고, 혼합물 중 망간원소의 함량은 110ppm이다. 원재료에서, 유황원소는 고유황 코크스에서 유래되고, 망간원소는 금속 규소 1 및 금속 규소 2에서 유래되며, 망간 소스는 첨가되지 않는다.
2) 절대압 30Pa인 헬륨 가스 분위기 하에서, 1300℃ 온도에서 원료를 가열하여, SiOx 가스를 생성하는 바, 가스 중에는 30ppm 함량의 유황원소와 20ppm 함량의 망간원소가 함유된다.
3) 절대압이 30Pa인 헬륨 가스 분위기 하에서, 950℃ 온도에서 가스를 냉각시켜, 가스를 퇴적시키고, 퇴적물에 대해 파쇄 처리를 수행하여 본원의 규소 산소 화합물을 획득한다.
부극 시트의 제조
상술한 제조된 규소 산소 화합물, 도전제인 Super-P(전도성 카본 블랙), 접착제인 PAA(폴리 아크릴산)를 85:5:10 질량비로 적정량의 탈이온수 중에서 충분히 교반하고 혼합하여, 균일한 부극 슬러리를 형성하며; 부극 슬러리를 부극 집전체인 동박 표면에 코팅하고, 건조, 냉간 압연을 거친 후, 부극 시트를 획득한다.
대극전극
금속 리튬 시트를 사용한다.
세퍼레이터
폴리 에틸렌(PE) 필름을 사용한다.
전해액의 제조
에틸렌 카보네이트(EC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 1:1:1 체적비로 혼합하고, LiPF6을 상술한 용액 중에서 균일하게 용해시켜 전해액을 획득하고, 플루오로 에틸렌 카보네이트(FEC)를 첨가하는 바, 여기서, LiPF6의 농도가 1mol/L이고, 전해액 중 FEC의 질량비가 6%이다.
버튼형 전지의 제조
상술한 부극 시트, 세퍼레이터, 금속 리튬 시트 대극전극을 순차적으로 적층하고, 상술한 전해액을 첨가하여 버튼형 전지를 획득한다.
실시예 2~22 및 비교예 1~4
실시예 1과의 상이점은, 규소 산소 화합물의 제조 과정에서의 관련 파라미터를 조정하여, 상응하는 규소 산소 화합물을 얻는다는 점이며, 구체적으로 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같다. 표 2에서, S/Mn은 규소 산소 화합물 중 유황원소와 망간원소의 질량비를 나타낸다.
버튼형 전지의 용량 성능 및 사이클 성능 측정
25℃의 상압 환경 하에서, 버튼형 전지를 0.1C 배율로 0.005V까지 정전류 방전시킨 후, 다시 0.04C로 0.005V까지 정전류 방전시키고, 그 후 5분간 방치하며, 이때의 방전 용량을 기록하면 그 것이 제1회 리튬 삽입 용량이며; 다시 0.1C 배율로 1.5V까지 정전류 충전한 후, 5분간 방치하면 이 것이 하나의 사이클 충방전 과정이며, 이때의 충전 용량을 기록하면 그 것이 제1회 리튬 탈리 용량이다. 상술한 방법에 따라 버튼형 전지에 대해 30회 사이클 충방전 측정을 수행하고, 매번의 리튬 탈리 용량을 기록한다.
버튼형 전지 최초 쿨롱 효율(%)=제1회 리튬 탈리 용량/제1회 리튬 삽입 용량×100%
버튼형 전지 사이클 용량 유지율(%)=제30회 리튬 탈리 용량/제1회 리튬 탈리 용량×100%
실시예 1~22 및 비교예 1~4의 측정 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다.
[표 1]
Figure pct00006
표 1에서, "/"은 해당 물질이 첨가되지 않음을 나타낸다.
[표 2]
Figure pct00007
표 2의 데이터로부터 알 수 있다시피, 실시예 1~22는 모두, 규소 산소 화합물이 유황원소와 망간원소를 동시에 포함하고, 유황원소의 함량이 20ppm~600ppm이며, 유황원소와 망간원소의 질량비가 1.5~10.0인 것을 충족하며, 전지의 최초 쿨롱 효율 및 사이클 용량 유지율이 모두 현저히 향상되었다.
비교예 1에서, 유황원소의 함량이 너무 높은 바, 전지의 더욱 많은 활성 리튬 이온이 소모되기에, (유황원소와 리튬이온의 반응에 의해 리튬 유황 화합물이 생성), 각 실시예에 비해, 전지의 최초 효율 및 사이클 성능이 크게 떨어졌다. 비교예 2에서, 유황원소의 함량이 너무 낮은 바, 유황원소 및/또는 그 반응 생성물이 입자 내부에서 효과적인 완충 작용을 발휘할 수 없기에, 충방전 과정에서 입자가 쉽게 파열되어, 버튼형 전지의 최초 쿨롱 효율과 사이클 성능이 떨어졌다.
비교예 3과 비교예 4에서, 유황원소와 망간원소의 질량비가 너무 낮거나 너무 높은 바, 유황원소와 망간원소가 양호한 시너지 효과를 얻을 수 없어, 재료의 최초 효율 및 사이클 성능이 떨어졌다.
상술한 설명은 단지 본원의 특정 실시형태에 불과하며, 보호범위는 이에 한정되지 않고, 본 기술 분야에 대해 익숙한 당업자라면 본원에 개시된 기술 범위 내에서 다양한 균등한 수정 또는 대체를 쉽게 생각할 수 있으며, 이러한 수정 또는 대체는 모두 본원의 보호범위 내에 포함된다. 따라서 본원의 보호 범위는 첨부된 특허청구범위를 기준으로 해야 한다.

Claims (18)

  1. 규소 산소 화합물에 있어서,
    상기 규소 산소 화합물의 화학식은 SiOx이고, 0<x<2이며;
    상기 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하며, 상기 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이고, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 1.5~10.0인, 규소 산소 화합물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유황원소의 함량은 50ppm~200ppm인, 규소 산소 화합물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 망간원소의 함량은 5ppm~300ppm이고, 선택적으로 10ppm~90ppm인, 규소 산소 화합물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 2.0~7.0인, 규소 산소 화합물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 산소 화합물의 X선 회절 분석 그래피에서,
    회절각 2θ가 26°~30°인 위치에서 제1 회절 피크를 가지고 또한 상기 제1 회절 피크의 반치폭이 0.8°~3.2°이며;,
    회절각 2θ가 46°~50°인 위치에서 제2 회절 피크를 가지고 또한 상기 제2 회절 피크의 반치폭이 1.0°~4.2°이며;
    회절각 2θ가 54°~58°인 위치에서 제3 회절 피크를 가지고 또한 상기 제3 회절 피크의 반치폭이 0.8°~4.5°인, 규소 산소 화합물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    20MPa 압력 하에서 상기 규소 산소 화합물의 분말 부피 저항률은
    Figure pct00008
    이하이고, 선택적으로
    Figure pct00009
    이하인, 규소 산소 화합물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 산소 화합물의 평균 입경 Dv50은 2μm~15μm이고, 선택적으로 3μm~12μm인, 규소 산소 화합물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 산소 화합물의 비표면적은 1m2/g~7m2/g이고, 선택적으로 2m2/g~6m2/g인, 규소 산소 화합물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    5톤(49KN에 상당함) 압력 하에서 측정한 상기 규소 산소 화합물의 압밀도는 1.2g/cm3~1.7g/cm3이고, 선택적으로 1.3g/cm3~1.6g/cm3인, 규소 산소 화합물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 규소 산소 화합물의 외면은 피복층을 가지고, 상기 피복층은 폴리머, 탄소 재료, 금속 재료 및 금속 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하는, 규소 산소 화합물.
  11. 규소 산소 화합물의 제조 방법에 있어서,
    일산화 규소 분말과 금속 규소 분말 중 한 종류 또는 여러 종류, 이산화 규소 분말, 유황 소스 및 선택적으로 첨가되는 망간 소스를 포함하는 원재료를 공급하고, 상압 또는 감압 하의 불활성 분위기 하에서 상기 원재료를 가열하여 기체를 생성시키는 단계; 및
    상압 또는 감압 하의 불활성 분위기 하에서 가스를 냉각시키고, 가스를 퇴적시켜, 규소 산소 화합물을 획득하는 단계를 포함하고,
    여기서, 상기 규소 산소 화합물의 화학식은 SiOx이고, 0<x<2이며; 상기 규소 산소 화합물은 유황원소와 망간원소를 모두 포함하며, 상기 유황원소의 함량은 20ppm~600ppm이고, 상기 유황원소와 상기 망간원소의 질량비는 1.5~10.0인, 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 퇴적의 온도는 800℃~1000℃인, 제조 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    가스를 퇴적 후, 또한,
    획득된 퇴적물에 대해 파쇄 처리를 수행하는 단계를 포함하는, 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    획득된 퇴적물에 대해 파쇄 처리를 수행한 후, 또한,
    입자상 물질에 대해 표면 피복을 수행하는 단계를 포함하는, 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 규소 산소 화합물; 또는
    제11항 내지 제14항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 획득되는 규소 산소 화합물을 포함하는, 이차 전지.
  16. 제15항의 이차 전지를 포함하는, 전지 모듈.
  17. 제16항의 전지 모듈을 포함하는, 전지 팩.
  18. 제15항의 이차 전지, 제16항의 전지 모듈 또는 제17항의 전지 팩 중 적어도 한 종류를 포함하는, 장치.
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