KR20220052629A - Manufacturing method of pitch coated silicon/carbon composites as anode material of secondary battery - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a silicon/carbon composite material coated with pitch for a composite negative electrode material for a secondary battery. The present invention includes the steps of: manufacturing a mixed solution; forming a silicon/sucrose composite; and manufacturing a silicone/sucrose/pitch composite material. The present invention can solve environmental problems through efficient waste treatment.

Description

이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법{Manufacturing method of pitch coated silicon/carbon composites as anode material of secondary battery}Manufacturing method of pitch coated silicon/carbon composites as anode material of secondary battery

본 발명은 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries exhibiting high energy density and operating potential, long cycle life, and low self-discharge rate. Batteries have been commercialized and widely used.

리튬 이차 전지는 일반적으로 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 분리막 및 전해질로 구성되며 리튬 이온의 삽입-탈리(intercalation-decalation)에 의해 충전 및 방전이 이루어지는 이차 전지이다. 리튬 이차 전지는 에너지 밀도(energy density)가 높고, 기전력이 크며 고용량을 발휘할 수 있는 장점을 가지므로 다양한 분야에 적용되고 있다.A lithium secondary battery is generally composed of a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, a separator, and an electrolyte, and is a secondary battery that is charged and discharged by intercalation-decalation of lithium ions. Lithium secondary batteries have advantages of high energy density, high electromotive force, and high capacity, and thus are being applied to various fields.

한편, 리튬 이차 전지의 양극을 구성하는 양극 활물질로서는 LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4 또는 LiCrO2와 같은 금속 산화물이 이용되고 있으며, 음극을 구성하는 음극 활물질로서는 금속 리튬(metal lithium), 흑연(graphite) 또는 활성탄(activated carbon) 등의 탄소계 물질(carbon based meterial), 또는 산화실리콘(SiOx) 등의 물질이 사용되고 있다. 상기 음극 활물질 중에서도 초기에는 금속 리튬이 주로 사용되었으나 충전 및 방전 사이클이 진행됨에 따라 금속 리튬 표면에 리튬 원자가 성장하여 분리막을 손상시켜 전지를 파손시키는 현상이 발생하여 최근에는 탄소계 물질이 주로 사용되고 있다. 그러나, 탄소계 물질의 경우 이론 용량이 약 400 mAh/g에 불과하여 용량이 작다는 단점을 지니고 있다.On the other hand, a metal oxide such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 or LiCrO 2 is used as a positive active material constituting the positive electrode of a lithium secondary battery, and as a negative active material constituting the negative electrode, metal lithium, graphite A carbon-based material such as (graphite) or activated carbon, or a material such as silicon oxide (SiOx) is used. Among the anode active materials, metallic lithium was mainly used in the beginning, but as the charging and discharging cycle proceeds, lithium atoms grow on the metallic lithium surface to damage the separator and damage the battery. Recently, carbon-based materials are mainly used. However, the carbon-based material has a disadvantage in that the theoretical capacity is only about 400 mAh/g and thus the capacity is small.

따라서, 음극 활물질로서 높은 이론 용량(4,200 mAh/g)을 가지는 실리콘(silicon, Si)을 이용하여 상기 탄소계 물질을 대체하려는 다양한 연구가 진행되어 왔다. 실리콘에 리튬이 삽입되는 경우의 반응식은 다음과 같다:Accordingly, various studies have been conducted to replace the carbon-based material by using silicon (Si) having a high theoretical capacity (4,200 mAh/g) as an anode active material. The reaction equation when lithium is inserted into silicon is:

[반응식 1][Scheme 1]

22Li + 5Si = Li22Si5 22Li + 5Si = Li 22 Si 5

그러나, 대부분의 실리콘 음극 물질은 리튬 삽입에 의하여 최대 300%까지 실리콘 부피가 팽창하며 이로 인해 음극이 파괴되어 높은 사이클 특성을 나타내지 못한다는 단점이 있다. 또한, 실리콘의 경우, 사이클이 지속됨에 따라 상기 리튬 삽입에 의하여 부피 팽창이 일어나고, 분쇄(pulverization), 도전재(conducting agents) 및 집전체(current collector)와의 접촉 누손(contact losses), 및 불안정한 고체-전해액 인터페이스(solid-electrolyte-interphase, SEI) 형성과 같은 퇴화 거동(fading mechanism)을 나타낼 수 있다.However, most silicon anode materials have a disadvantage that silicon volume expands by up to 300% due to lithium insertion, which destroys the anode and thus does not exhibit high cycle characteristics. In addition, in the case of silicon, volume expansion occurs due to the lithium insertion as the cycle continues, pulverization, contact losses with conducting agents and current collectors, and unstable solids - May exhibit fading mechanisms such as solid-electrolyte-interphase (SEI) formation.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 나노와이어(nanowire), 나노튜브(nanotube), 나노입자(nanoparticle), 다공성 구조(porous structures) 및 탄소계 물질과의 복합체 형성과 같은, 구조가 제어된 실리콘 나노 구조체를 이용하는 연구가 보고되어 있다. 일례로, 탄소가 코팅된 실리콘 나노 구조체가 연구되었지만, 이를 음극 활물질로 사용한 리튬 이차 전지는 충방전 사이클이 반복됨에 따라 음극 활물질이 지닌 용량이 유지되지 못하는 단점이 있었다. 또한, 다공성 탄소-실리콘 복합체의 합성에 대한 연구가 진행되었지만, 복잡한 구조체의 형태 제어 기술과, 높은 공정 단가 등의 문제로 복합체의 합성 기술의 한계를 드러내고 있다.Therefore, in order to solve this problem, the structure-controlled silicon, such as nanowires, nanotubes, nanoparticles, porous structures, and complex formation with carbon-based materials Studies using nanostructures have been reported. For example, although carbon-coated silicon nanostructures have been studied, a lithium secondary battery using the same as an anode active material has a disadvantage in that the capacity of the anode active material cannot be maintained as the charge/discharge cycle is repeated. In addition, although research on the synthesis of the porous carbon-silicon composite has been conducted, the limitations of the composite synthesis technology are exposed due to problems such as a technology for controlling the shape of a complex structure and a high process cost.

따라서, 저가의 비용으로 비교적 쉽고 대량 생산이 가능하면서, 상기 종래의 실리콘 사용으로 인한 문제점을 해결할 수 있는, 실리콘 함유 복합체 및 이의 제조 방법의 개발이 여전히 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is still a demand for development of a silicon-containing composite and a method for manufacturing the same, which can be produced in a relatively easy and mass-produced manner at a low cost, and can solve the problems caused by the use of the conventional silicon.

한편, 폐플스틱 발생량이 지속적으로 증가하고 환경문제의 심각성이 대두됨에 따라 폐기물의 효율적 처리를 통한 환경문제 해결 및 경제적 부가가치 창출을 통한 재활용 산업 활성화가 요구되고 있다. 저가의 석유계 잔사유와 폐플라스틱을 이용한 피치 제조 기술의 전극 소재 활용은 환경문제 해결 뿐 아니라 전지의 수명특성 및 출력을 향상시킬 수 있는 핵심 기술이다. Meanwhile, as the amount of waste plastics generated continues to increase and the seriousness of environmental problems emerges, it is required to solve environmental problems through efficient waste disposal and to activate the recycling industry through economic value added creation. The use of electrode materials in pitch manufacturing technology using low-cost petroleum residues and waste plastics is a key technology that can improve battery life characteristics and output as well as solve environmental problems.

한국등록특허공보 제 10-1670353호Korean Patent Publication No. 10-1670353

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 음극의 문제점을 해결하기 위해 사이클 안정성이 우수하고, 고용량이며 물리적 특성이 우수한 이차전지 복합 음극소재를 제조하기 위하여 예의 노력한 결과, 실리콘과 수크로스를 수열합성하는 경우 분산과 성장이 잘 된 복합소재를 제조할 수 있으며, 또한 상기 복합소재를 석유계 잔사유(PFO)와 폐플라스틱(PET)을 이용하여 제조된 리치로 코팅하여 음극소재를 제조하는 경우 고용량이며 50 사이클 이후에는 5 사이클 대비 약 85% 이상의 용량 유지율을 나타낼 수 있음을 확인한 후, 본 발명은 완성하기에 이르렀다. Accordingly, the present invention is a result of diligent efforts to produce a composite anode material for secondary batteries with excellent cycle stability, high capacity and excellent physical properties in order to solve the problems of the conventional anode as described above, dispersing when hydrothermal synthesis of silicon and sucrose Composite material with good overgrowth can be manufactured, and when the anode material is manufactured by coating the composite material with a rich material manufactured using petroleum residue (PFO) and plastic waste (PET), it has a high capacity and has 50 cycles. After confirming that the capacity retention rate of about 85% or more compared to 5 cycles can be exhibited, the present invention has been completed.

본 발명은 the present invention

(A) 나노 실리콘, 하드 카본 및 제1용매가 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;(A) preparing a mixed solution in which nano silicon, hard carbon, and a first solvent are mixed;

(B) 상기 혼합용액을 160 내지 210 ℃에서 6 내지 10시간 동안 수열합성하여 구형의 실리콘/수크로스 복합체를 형성하는 단계; 및(B) hydrothermal synthesis of the mixed solution at 160 to 210° C. for 6 to 10 hours to form a spherical silicone/sucrose composite; and

(C) 상기 구형의 실리콘/수크로스 복합체, 피치 및 제2용매를 혼합하여 실리콘/수크로스/피치 복합소재를 제조하는 단계를 포함하는 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. (C) Pitch-coated silicon/carbon composite material for secondary battery composite anode material comprising the step of mixing the spherical silicon/sucrose composite, pitch, and a second solvent to prepare a silicon/sucrose/pitch composite material An object of the present invention is to provide a method for manufacturing

본 발명은 또한 집전체, 상기 집전체 상에 배치된 본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재를 포함하는 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a negative electrode comprising a current collector, a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite negative electrode material according to the present invention disposed on the current collector.

본 발명은 또한 양극; 본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재를 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이의 이온 이동 경로를 제공하는 전해질;을 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention also relates to an anode; A negative electrode comprising a pitch-coated silicon/carbon composite material for secondary battery composite negative electrode material according to the present invention; and an electrolyte providing an ion movement path between the positive electrode and the negative electrode.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법은 석유계 잔사유(PFO)와 폐플라스틱(PET)으로부터 유래된 피치(pitch)를 사용함으로써 폐기물의 효율적 처리를 통한 환경문제의 해결이 가능할 뿐만 아니라 재활용 산업을 활성화시킬 수 있다는 장점이 있다. The method for producing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material according to the present invention uses a pitch derived from petroleum residue (PFO) and waste plastic (PET) to efficiently treat waste It has the advantage of being able to solve environmental problems and revitalize the recycling industry.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재를 이용하여 제조된 이차전지는 용량이며 50 사이클 이후에는 5 사이클 대비 약 85% 이상의 용량 유지율을 나타낼 수 있는 장점이 있다. A secondary battery manufactured using a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material according to the present invention has a capacity, and after 50 cycles, it has the advantage of exhibiting a capacity retention rate of about 85% or more compared to 5 cycles.

도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 이차전지 복합 음극소재의 제조방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예를 따르는 이차전지 복합 음극소재의 EDS 분석 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시 예를 따르는 이차전지 복합 음극소재의 SEM 분석 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예를 따르는 이차전지 복합 음극소재의 충방전 효능의 분석 결과이다.
1 illustrates a method for manufacturing a composite anode material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is an EDS analysis result of a composite anode material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 shows the results of SEM analysis of the composite negative electrode material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
4 is an analysis result of the charging and discharging efficacy of the secondary battery composite negative electrode material according to an embodiment of the present invention.

아하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다.Aha, a method for producing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite negative electrode material according to a specific embodiment of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example of the invention, thereby not limiting the scope of the invention, it is apparent to those skilled in the art that various modifications to the embodiment are possible within the scope of the invention.

본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.Throughout this specification, unless otherwise specified, "including" or "containing" refers to including any component (or component) without particular limitation, and excludes the addition of other components (or components). cannot be construed as

제1구현예에 따르면, 본 발명은 According to a first embodiment, the present invention

(A) 나노 실리콘, 하드 카본 및 제1용매가 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;(A) preparing a mixed solution in which nano silicon, hard carbon, and a first solvent are mixed;

(B) 상기 혼합용액을 160 내지 210 ℃에서 6 내지 10시간 동안 수열합성하여 구형의 실리콘/수크로스 복합체를 형성하는 단계; 및(B) hydrothermal synthesis of the mixed solution at 160 to 210° C. for 6 to 10 hours to form a spherical silicone/sucrose composite; and

(C) 상기 구형의 실리콘/수크로스 복합체, 피치 및 제2용매를 혼합하여 실리콘/수크로스/피치 복합소재를 제조하는 단계를 포함하는 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법을 제공하고자 한다. 본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법을 도 1에 나타내었다. (C) Pitch-coated silicon/carbon composite material for secondary battery composite anode material comprising the step of mixing the spherical silicon/sucrose composite, pitch, and a second solvent to prepare a silicon/sucrose/pitch composite material To provide a manufacturing method of A method of manufacturing a composite anode material for a secondary battery according to the present invention is shown in FIG. 1 .

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 제조방법은 상기 단계 (A) 이전에:In the manufacturing method of the secondary battery composite negative electrode material according to the present invention, the manufacturing method is before the step (A):

(a-1) 실리카 전구체 및 알코올계 용매를 혼합하고 교반하여 실리카 전구체 용액을 제조하는 단계, (a-1) mixing and stirring the silica precursor and an alcohol-based solvent to prepare a silica precursor solution;

(a-2) 상기 실리카 전구체 용액에 암모니아수를 첨가한 후, 50 내지 100 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 가열하여 실리카를 형성하는 단계, 및 (a-2) after adding aqueous ammonia to the silica precursor solution, heating at 50 to 100° C. for 12 to 24 hours to form silica, and

(a-3) 상기 실리카 및 금속환원제를 불활성 분위기에서 600 내지 800 ℃에서 열처리하여 나노 실리콘을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 실리카 전구체는 테트라에틸 오르쏘실리케이트 (tetraethylorthosilicate, TEOS), 테트라메톡시실란 (tetramethoxysilane, TMOS) 또는 실리콘 테트라클로라이드 (sililcon tetrachloride)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 알코올계 용매는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로판올 (iso-propanol) 또는 부탄올(buthanol)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 교반은 0 내지 100 ℃의 온도에서 200 내지 1600 rpm의 속도로 수행될 수 있다. 상기 나노 실리콘의 크기는 5 nm 내지 100 nm일 수 있다. 상기 금속환원제는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr) 또는 바륨(Ba)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. (a-3) may further include the step of heat-treating the silica and the metal reducing agent at 600 to 800 ℃ in an inert atmosphere to form nano silicon. The silica precursor may be tetraethyl orthosilicate (TEOS), tetramethoxysilane (TMOS), or silicon tetrachloride, but is not limited thereto. The alcohol-based solvent may be methanol, ethanol, iso-propanol, or butanol, but is not limited thereto. The stirring may be performed at a temperature of 0 to 100 ℃ at a speed of 200 to 1600 rpm. The size of the nano silicon may be 5 nm to 100 nm. The metal reducing agent may be titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium (Mg), calcium (Ca), beryllium (Be), strontium (Sr), or barium (Ba), but is not limited thereto.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 하드 카본은 수크로오스(sucrose), 페놀 수지(phenol resin), 퓨란 수지(furan resin), 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리이미드(polyimide), 에폭시 수지(epoxy resin), 셀룰로오스(cellulose), 스티렌(styrene), 구연산, 스티아르산, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 전분, 글루코오스, 젤라틴 및 당류로부터 선택되는 적어도 하나의 탄소질 물질이 탄화되어 형성된 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the manufacturing method of the secondary battery composite negative electrode material according to the present invention, the hard carbon is sucrose, phenol resin, furan resin, furfuryl alcohol, polyacrylonitrile (polyacrylonitrile), polyimide, epoxy resin, cellulose, styrene, citric acid, stearic acid, polyvinylidene fluoride, carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, At least one selected from polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), starch, glucose, gelatin and saccharides It may include a carbonaceous material formed by carbonization, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 제1용매는 증류수일 수 있다. In the method for manufacturing a composite anode material for a secondary battery according to the present invention, the first solvent may be distilled water.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 피치는 석유계 잔사유(PFO)와 폐플라스틱(PET)을 혼합한 후 300℃ 이상의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하여 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 피치의 경우 폐플라스틱을 이용함으로써 피치 수율이 증가하고, 고비표면적을 갖는 장점이 있다. In the method of manufacturing a secondary battery composite anode material according to the present invention, the pitch may be formed by mixing petroleum residue (PFO) and waste plastic (PET) and then heat-treating at a temperature of 300 ° C. or higher for 1 to 5 hours. there is. In the case of the pitch according to the present invention, the pitch yield is increased by using the waste plastic, and there is an advantage of having a high specific surface area.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 제조방법은 상기 단계 (B) 이후에 (b-1) 수열합성하여 형성된 실리콘/수크로스 복합체를 수세하고 진공 오븐에서 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. In the manufacturing method of the secondary battery composite negative electrode material according to the present invention, the manufacturing method includes the steps of washing the silicon/sucrose composite formed by hydrothermal synthesis (b-1) with water after the step (B) and drying in a vacuum oven may additionally include.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (C)는 In the manufacturing method of the secondary battery composite negative electrode material according to the present invention, the step (C)

(c-1) 실리콘/수크로스 복합체, 피치 및 제2용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;(c-1) preparing a mixed solution by mixing the silicon/sucrose composite, pitch, and a second solvent;

(c-2) 상기 혼합용액에 초음파를 인가하여 분산시키는 단계; 및(c-2) dispersing the mixed solution by applying ultrasonic waves; and

(c-3) 상기 혼합용액을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2용매는 헥산, 톨루엔 또는 테트로하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 실리콘/수크로스와 피치는 90:10 내지 80:20 중량부의 비율로 혼합될 수 있다. 실리콘의 혼합 비율이 높아질수록 용량을 증가하지만 충방전에 의한 부피 팽창 비율이 높아지고, 피치의 혼합 비율이 높아질수록 전도성 및 충방전에 의한 부피팽창을 억제할 수 있으나, 용량이 감소되므로, 상기 실리콘/수크로스와 상기 피치는 90:10 내지 80:20 중량부의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.(c-3) drying the mixed solution may be included. The second solvent may be hexane, toluene, or tetrahydrofuran (THF), but is not limited thereto. The silicon/sucrose and pitch may be mixed in a ratio of 90:10 to 80:20 parts by weight. As the mixing ratio of silicon increases, the capacity increases, but the volume expansion ratio due to charging and discharging increases. Sucrose and the pitch are preferably mixed in a ratio of 90:10 to 80:20 parts by weight.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 제조방법 (D) 상기 제조된 실리콘/수크로스/피치 복합소재를 800 내지 1000℃의 비활성 분위기에서 1 내지 3시간 동안 소성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. In the manufacturing method of the secondary battery composite anode material according to the present invention, the manufacturing method (D) sintering the prepared silicon/sucrose/pitch composite material in an inert atmosphere at 800 to 1000° C. for 1 to 3 hours. may additionally include.

본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘/수크로스/피치 복합소재는 50 내지 1,000nm 이하의 평균입경(D50)을 가지는 것을 특징으로 한다. In the method for manufacturing a secondary battery composite anode material according to the present invention, the silicon/sucrose/pitch composite material is characterized in that it has an average particle diameter (D50) of 50 to 1,000 nm or less.

제2구현예에 따르면, 본 발명은 또한According to a second embodiment, the present invention also

집전체, 및 상기 집전체 상에 배치된 본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재를 포함하는 음극을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide an anode comprising a current collector and a pitch-coated silicon/carbon composite material for a composite anode material for a secondary battery according to the present invention disposed on the current collector.

본 발명에 따른 실리콘/탄소 복합소재를 포함하는 음극에 있어서, 상기 음극은 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재, 바인더 및 용매, 필요에 따라 도전재 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 슬러리를 집전체에 도포 및 압연하는 단계에 의해 제조될 수 있다. 상기 바인더는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무 또는 다양한 공중합체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤 또는 물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the negative electrode comprising the silicon / carbon composite material according to the present invention, the negative electrode is a pitch-coated silicone / carbon composite material, a binder and a solvent, if necessary, the steps of preparing a slurry by mixing a conductive material and a dispersant; and applying and rolling the slurry to the current collector. The binder is vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride (polyvinylidenefluoride), polyacrylonitrile (polyacrylonitrile), polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate), polyvinyl Alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers, but is not limited thereto. The solvent may include, but is not limited to, N-methyl-2-pyrrolidone, acetone, or water.

제3구현예에 따르면, 본 발명은 According to a third embodiment, the present invention

양극; 본 발명에 따른 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재를 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이의 이온 이동 경로를 제공하는 전해질;을 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다. anode; A negative electrode comprising a pitch-coated silicon/carbon composite material for secondary battery composite negative electrode material according to the present invention; and an electrolyte providing an ion movement path between the positive electrode and the negative electrode.

본 발명에 따른 이차전지에 있어서, 상기 양극은 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 - 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 - 0.3임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 - 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the secondary battery according to the present invention, in the positive electrode, the positive active material is a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; lithium manganese oxides such as Formula Li 1+y Mn 2-y O 4 (where y is 0 - 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , and LiMnO 2 ; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-y MyO 2 (wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and y = 0.01 - 0.3); Formula LiMn 2-y M y O 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and y = 0.01 - 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn; LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 이차전지에 있어서, 상기 전해질은 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2 CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. In the secondary battery according to the present invention, the electrolyte is F - , Cl - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , ( from the group consisting of CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - Any one selected or a mixture of two or more thereof may be used.

이하 본 발명의 실시예를 따르는 이차전지 복합 음극소재의 제조방법에 대한 실시예 및 실험예를 설명한다. Hereinafter, examples and experimental examples for a method of manufacturing a composite negative electrode material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described.

<실시예><Example>

실시예 1. 실리콘/수크로스 복합소재의 제조Example 1. Preparation of silicon/sucrose composite material

실리콘과 수크로스 1.5 M을 증류수에 용해시켜 Hotplate Stirrier를 이용하여 50 ℃에서 500 rpm으로 1시간 교반시켰다. 혼합된 용액을 Hydrothermal Synthesis Reactor에 넣고 180 ℃ 6시간 열처리했다. 열처리된 소재를 필터링 후 120 ℃ 오븐에서 진공 건조하여 고체의 전구체를 제조하였다.Silicone and 1.5 M of sucrose were dissolved in distilled water and stirred at 50 °C at 500 rpm for 1 hour using a Hotplate Stirrier. The mixed solution was put into a Hydrothermal Synthesis Reactor and heat-treated at 180 °C for 6 hours. After filtering the heat-treated material, the solid precursor was prepared by vacuum drying in an oven at 120 °C.

실시예 2. 실리콘/탄소/피치 복합소재의 제조Example 2. Preparation of silicon/carbon/pitch composite material

상기 실시예 1에서 제조된 탄소 복합체에 피치를 코팅하기 위해 PET가 첨가된 석유계 피치를 테트로하이드로퓨란에 용해시켜 10분 동안 Ultrasonic cleaner를 이용하여 분산시켰다. 탄소 복합체를 첨가한 후 또 다시 Ultrasonic cleaner를 이용하여 30분 동안 균일하게 분산시킨 후 Hotplate Stirrer를 이용하여 200 rpm으로 24시간 교반시켰다. 혼합된 용액을 80 ℃ 오븐에서 증발시켜 고체의 혼합물 전구체를 제조하였다. 전구체는 Ar 분위기 하에서 800 ℃ 2시간 탄화 과정을 거쳐 실리콘/탄소/피치 복합소재를 완성하였다.In order to coat the pitch on the carbon composite prepared in Example 1, PET-added petroleum pitch was dissolved in tetrohydrofuran and dispersed using an ultrasonic cleaner for 10 minutes. After adding the carbon composite, it was uniformly dispersed for 30 minutes again using an ultrasonic cleaner, and then stirred at 200 rpm for 24 hours using a hotplate stirrer. The mixed solution was evaporated in an oven at 80° C. to prepare a solid mixture precursor. The precursor was carbonized at 800 °C for 2 hours in an Ar atmosphere to complete a silicon/carbon/pitch composite material.

실시예 3. 실리콘/탄소/피치 복합소재의 물성 확인Example 3. Confirmation of physical properties of silicon/carbon/pitch composite material

탄소 구체 내의 실리콘의 분산 정도를 확인하기 위하여 상기 실시예 2에서 제조된 실리콘/탄소/피치 복합소재의 EDS mapping 분석을 진행하였다. 그 결과 탄소 구체 내에서 실리콘이 고르게 분산되어 있음이 확인되었다 (도 2). EDS mapping analysis of the silicon/carbon/pitch composite material prepared in Example 2 was performed to confirm the degree of dispersion of silicon in the carbon sphere. As a result, it was confirmed that silicon was evenly dispersed in the carbon spheres (FIG. 2).

또한, 음극 소재의 피치 코팅에 따른 복합체의 표면 및 입도 특성을 확인하기 위하여 SEM 분석을 진행하였다. 그 결과 코팅되지 않은 소재에 비하여 코팅된 음극 소재는 입도 분포가 개선되었으며 수열합성이 완전하지 않은 입자들의 형태가 보완된 것으로 확인되었다 (도 3). In addition, SEM analysis was performed to confirm the surface and particle size characteristics of the composite according to the pitch coating of the negative electrode material. As a result, it was confirmed that the particle size distribution of the coated anode material was improved compared to the uncoated material, and the shape of the particles whose hydrothermal synthesis was not complete was supplemented (FIG. 3).

<실험예><Experimental example>

실험예 1. 본 발명에 따른 실리콘/탄소/피치 복합소재의 충방전 성능 분석Experimental Example 1. Analysis of charging and discharging performance of silicon/carbon/pitch composite material according to the present invention

상기 실시예 2에서 제조된 실리콘/탄소/피치 복합소재의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 Li metal을 상대전극으로 하여 코인셀을 제조하였다. 활물질로는 수크로스의 몰농도를 1.0 및 1.5M로 달리하고 실리콘/수크로스 중량:피치 중량의 비가 각각 9:1 내지 8:2이 되도록 제조된 복합 음극소재를 사용하였다. 전극은 활물질 : 도전재 (Super P) : 바인더 (PVdF)를 60 : 20 : 20의 중량비로 하여 증류수로 점도를 조절하면서 슬러리를 제조하고 24시간 건조시켰다. 코팅된 전극은 70%의 압연 과정을 거친 후 2시간 동안 진공 건조시키고, Ar 분위기의 글로브 박스 안에서 Li metal을 상대 전극으로 하여 코인 셀을 제조하고, 이차전지 복합 음극소재의 전지 성능을 평가하기 위해 사이클 충방전 시험을 진행하였다. In order to confirm the electrochemical properties of the silicon/carbon/pitch composite material prepared in Example 2, a coin cell was manufactured using Li metal as a counter electrode. As the active material, a composite anode material prepared such that the molar concentration of sucrose was varied to 1.0 and 1.5 M and the ratio of silicon/sucrose weight:pitch weight was 9:1 to 8:2, respectively, was used. For the electrode, a slurry was prepared while controlling the viscosity with distilled water by using an active material: a conductive material (Super P): a binder (PVdF) in a weight ratio of 60: 20: 20, and dried for 24 hours. The coated electrode was vacuum dried for 2 hours after passing through a 70% rolling process, and coin cells were manufactured using Li metal as a counter electrode in an Ar atmosphere glove box, and to evaluate the battery performance of a composite anode material for secondary batteries. A cycle charge/discharge test was performed.

그 결과, 피치로 코팅되지 않은 Si/C(1.0M), 피치로 코팅되지 않은 Si/C(1.5M), Si/C(1.0M) + Pitch 및 Si/C(1.5M) + Pitch의 초기 방전 용량은 각각 1512 mAh/g, 1423 mAh/g, 1410 mAh/g 및 1264 mAh/g인 것으로 나타났다. As a result, Si/C (1.0M) not coated with pitch, Si/C not coated with pitch (1.5M), Si/C (1.0M) + Pitch and Si/C (1.5M) + Initial of Pitch The discharge capacities were found to be 1512 mAh/g, 1423 mAh/g, 1410 mAh/g and 1264 mAh/g, respectively.

첫 번?? 사이클 이후 SEI층 형성으로 두 번째 사이클부터 안정된 충방전 용량을 가지므로 두 번째 사이클에서 방전 용량은 피치로 코팅되지 않은 Si/C(1.0M), 피치로 코팅되지 않은 Si/C(1.5M), Si/C(1.0M) + Pitch 및 Si/C(1.5M) + Pitch에서 각각 1023 mAh/g, 1021 mAh/g, 1058 mAh/g 및 951 mAh/g로 확인되었다. 한편, 50 사이클 이후에는 5 사이클 대비 Si/C(1.0M) + Pitch의 경우 85% 및 Si/C(1.0M) + Pitch의 경우 87% 이상의 용량 유지율을 나타내는 것으로 확인되었다 (도 4). 따라서, 본 발명에 따른 실리콘/탄소/피치 복합소재는 높은 용량 유지율 및 안정성이 현저히 증가시킬 수 있음이 입증되었다. first?? Since it has stable charge and discharge capacity from the second cycle due to the formation of the SEI layer after the cycle, the discharge capacity in the second cycle is Si/C uncoated with pitch (1.0M), Si/C not coated with pitch (1.5M), Si/C (1.0 M) + Pitch and Si/C (1.5 M) + Pitch were confirmed to be 1023 mAh/g, 1021 mAh/g, 1058 mAh/g, and 951 mAh/g, respectively. On the other hand, after 50 cycles, it was confirmed that the capacity retention rate of 85% or more for Si/C(1.0M) + Pitch and 87% or more for Si/C(1.0M) + Pitch compared to 5 cycles was exhibited (FIG. 4). Therefore, it has been demonstrated that the silicon/carbon/pitch composite material according to the present invention can significantly increase high capacity retention and stability.

실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.It looked at the examples mainly. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (7)

(A) 나노 실리콘, 하드 카본 및 제1용매가 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계;
(B) 상기 혼합용액을 160 내지 210 ℃에서 6 내지 10시간 동안 수열합성하여 구형의 실리콘/수크로스 복합체를 형성하는 단계; 및
(C) 상기 구형의 실리콘/수크로스 복합체, 피치 및 제2용매를 혼합하여 실리콘/수크로스/피치 복합소재를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 피치는 석유계 잔사유(PFO)와 폐플라스틱(PET)을 혼합한 후 300℃ 이상의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 것인, 이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법.
(A) preparing a mixed solution in which nano silicon, hard carbon, and a first solvent are mixed;
(B) hydrothermal synthesis of the mixed solution at 160 to 210° C. for 6 to 10 hours to form a spherical silicone/sucrose composite; and
(C) mixing the spherical silicon/sucrose composite, pitch, and a second solvent to prepare a silicon/sucrose/pitch composite material,
The pitch is a secondary battery composite anode material pitch coating, characterized in that formed by mixing petroleum residue (PFO) and waste plastic (PET) and then heat-treating at a temperature of 300 ° C. or higher for 1 to 5 hours A method of manufacturing a silicon/carbon composite material.
제1항에 있어서,
상기 제조방법은 상기 단계 (A) 이전에:
(a-1) 실리카 전구체 및 알코올계 용매를 혼합하고 교반하여 실리카 전구체 용액을 제조하는 단계,
(a-2) 상기 실리카 전구체 용액에 암모니아수를 첨가한 후, 50 내지 100 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 가열하여 실리카를 형성하는 단계, 및
(a-3) 상기 실리카 및 금속환원제를 불활성 분위기에서 600 내지 800 ℃에서 열처리하여 나노 실리콘을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는,
이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법.
According to claim 1,
The preparation method, before the step (A):
(a-1) mixing a silica precursor and an alcohol-based solvent and stirring to prepare a silica precursor solution;
(a-2) after adding aqueous ammonia to the silica precursor solution, heating at 50 to 100° C. for 12 to 24 hours to form silica, and
(a-3) heat-treating the silica and the metal reducing agent at 600 to 800° C. in an inert atmosphere to form nano silicon,
A method of manufacturing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material.
제1항에 있어서,
상기 제1용매는 증류수인 것을 특징으로 하는,
이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법.
According to claim 1,
The first solvent is characterized in that distilled water,
A method of manufacturing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material.
제1항에 있어서,
상기 단계 (C)는
(c-1) 실리콘/수크로스 복합체, 피치 및 제2용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;
(c-2) 상기 혼합용액에 초음파를 인가하여 분산 후 교반시키는 단계; 및
(c-3) 상기 혼합용액을 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법.
The method of claim 1,
The step (C) is
(c-1) preparing a mixed solution by mixing the silicon/sucrose composite, pitch, and a second solvent;
(c-2) applying ultrasonic waves to the mixed solution to disperse and then stir; and
(c-3) characterized in that it comprises the step of drying the mixed solution,
A method of manufacturing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material.
제1항에 있어서,
상기 제2용매는 헥산, 톨루엔, 퀴놀린 또는 테트로하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)인 것을 특징으로 하는,
이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법.
The method of claim 1,
The second solvent is characterized in that hexane, toluene, quinoline or tetrahydrofuran (THF),
A method of manufacturing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material.
제1항에 있어서,
상기 실리콘/수크로스와 피치는 90:10 내지 80:20 중량부의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는,
이차전지 복합 음극소재용 피치가 코팅된 실리콘/탄소 복합소재의 제조방법.
According to claim 1,
The silicon / sucrose and pitch are characterized in that they are mixed in a ratio of 90:10 to 80:20 parts by weight,
A method of manufacturing a pitch-coated silicon/carbon composite material for a secondary battery composite anode material.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 실리콘/탄소 복합소재를 포함하는 이차전지용 음극. A negative electrode for a secondary battery comprising a silicon/carbon composite material manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6.
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