KR20220169559A - Anode active material, method for preparing the same, and rechargeable lithium battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음극 활물질, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 리튬 함유 산화물 입자를 도입하여 높은 전류밀도 하에서도 안정적인 충/방전 거동이 가능한 음극 활물질, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery including the same, and specifically, a negative electrode active material capable of stable charge/discharge behavior even under high current density by introducing lithium-containing oxide particles, a manufacturing method thereof, and the same It relates to a lithium secondary battery comprising
리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery: LIB)는 높은 에너지 밀도를 가지고, 설계가 용이하여, 모바일 전자기기의 주요 전력 공급원으로 채택되어 사용되고 있으며, 향후 전기자동차 혹은 신재생 에너지의 전력저장장치 등으로 그 응용 범위가 더욱 넓어지고 있다. Lithium Ion Battery (LIB) has high energy density and is easy to design, so it is adopted and used as a major power supply source for mobile electronic devices. The range is getting wider.
새로운 응용 분야에 적용을 하기 위해서는 보다 높은 에너지 밀도, 장수명 등의 특성을 가지는 LIB 소재에 대한 연구가 지속적으로 요구되고 있다. In order to apply to new application fields, research on LIB materials having characteristics such as higher energy density and longer life is continuously required.
특히, 음극 소재의 경우 탄소를 비롯하여 실리콘, 주석, 게르마늄 등 여러 가지 물질에 대해 연구가 진행되어 왔다.In particular, in the case of cathode materials, research has been conducted on various materials such as carbon, silicon, tin, and germanium.
이 가운데 실리콘계 음극 소재는 현재 상용화된 흑연 음극 소재에 비하여 매우 높은 에너지 밀도를 가지고 있어서 많은 관심을 받아 왔다. Among them, silicon-based anode materials have received a lot of attention because they have a very high energy density compared to currently commercialized graphite anode materials.
그러나, 실리콘계 음극 소재는 실리콘 표면과 전해질의 부반응으로 인해 불안정한 SEI층이 형성되어 전기화학적 특성이 저하되거나, 충방전 시 발생하는 급격한 부피 팽창으로 인한 내부 응력으로 전극 물질의 분쇄가 일어나는 등의 치명적인 단점을 가지고 있다.However, the silicon-based negative electrode material has fatal disadvantages such as deterioration of electrochemical properties due to the formation of an unstable SEI layer due to side reactions between the silicon surface and the electrolyte, or crushing of the electrode material due to internal stress due to rapid volume expansion occurring during charging and discharging. has
이를 해결하기 위해 실리콘계 음극 소재의 다양한 표면 처리를 통해 표면에서의 가역성을 향상시키는 연구가 많이 진행되어 왔고, 특히 탄소 소재를 표면 코팅하거나 복합화하는 방법이 널리 연구되고 있다.In order to solve this problem, a lot of research has been conducted on improving reversibility on the surface through various surface treatments of silicon-based negative electrode materials, and in particular, methods of surface coating or compounding carbon materials have been widely studied.
한편, 탄소 소재를 활용한 다양한 표면 처리에는 복잡하고 고비용의 공정이 필요하였고, 탄소 소재를 활용한 표면 처리를 통해서 실리콘계 음극 소재의 일부 수명 특성은 개선되었지만, 실리콘계 음극 소재의 이온 전도도가 낮아져서 최근 수요가 커지고 있는 고속 충방전 LIB 구현을 위한 출력 특성 개선에는 한계가 있었다.On the other hand, various surface treatments using carbon materials required complex and expensive processes, and although some lifespan characteristics of silicon-based anode materials were improved through surface treatment using carbon materials, the ionic conductivity of silicon-based anode materials was lowered, resulting in recent demand. There was a limit to improving the output characteristics for the implementation of the high-speed charge-discharge LIB, which is increasing.
즉, 종래의 탄소 소재를 활용한 표면처리는 실리콘계 음극 소재의 낮은 이온 전도도를 개선하지 않은 상태로 탄소와의 복합화를 진행하였기 때문에 고속 충방전 LIB에 요구되는 출력 특성에 도달하기가 어려웠다.That is, since the conventional surface treatment using a carbon material proceeds with complexing with carbon without improving the low ionic conductivity of the silicon-based negative electrode material, it is difficult to reach the output characteristics required for a high-speed charge/discharge LIB.
따라서, 실리콘계 음극 소재의 부피 팽창을 억제하는 동시에 실리콘계 음극 소재의 낮은 이온 전도도를 개선하는 고용량 실리콘계 음극 활물질의 표면 처리에 관한 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is a demand for developing a technology for surface treatment of a high-capacity silicon-based negative electrode active material that suppresses the volume expansion of the silicon-based negative electrode material and at the same time improves the low ionic conductivity of the silicon-based negative electrode material.
이에 본 발명은 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고용량 및 고에너지 밀도를 가지면서도, 높은 전류밀도 하에서 안정적인 충/방전 거동이 가능한 고출력의 이차전지를 위한 음극 활물질을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an anode active material for a high-output secondary battery capable of stable charge/discharge behavior under high current density while having high capacity and high energy density.
또한, 고효율, 저비용으로 상기 음극 활물질을 제조 가능한 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, it is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of manufacturing the negative electrode active material at high efficiency and low cost.
이와 더불어, 상기 음극 활물질을 포함하는 전극 및 리튬 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide an electrode and a lithium secondary battery including the negative electrode active material.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the above-mentioned problem, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본원의 일 측면은, 리튬 함유 산화물 입자로 표면의 전체 또는 일부가 코팅된 실리콘 함유 입자를 포함하는 코어(core); 및One aspect of the present disclosure, a core including silicon-containing particles coated with all or part of the surface of lithium-containing oxide particles; and
상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell);을 포함하고,Including; a shell surrounding the core,
상기 리튬 함유 산화물이 하기 화학식 1로 표시되는,The lithium-containing oxide is represented by Formula 1 below,
음극 활물질을 제공한다.An anode active material is provided.
[화학식 1][Formula 1]
LixMyOz Li x M y O z
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
M은 Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe 및 Nb 중에서 선택되는 1종 이상이고,M is at least one selected from Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe, and Nb;
x>0, y>0 및 0<z≤(x+m·y)/2이고, 여기서 m은 M의 산화수이다.x>0, y>0 and 0<z≤(x+m·y)/2, where m is the oxidation number of M.
본원의 다른 측면은, 실리콘 함유 입자, 리튬 전구체, 금속 전구체, 비정질 탄소 및 결정질 탄소를 혼합하여 복합화하는 단계; 및Another aspect of the present application is a composite comprising mixing and combining silicon-containing particles, a lithium precursor, a metal precursor, amorphous carbon and crystalline carbon; and
열처리 단계;를 포함하고,Including; heat treatment step;
상기 금속은 Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe 및 Nb 중에서 선택되는 1종 이상인,The metal is at least one selected from Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe and Nb,
음극 활물질의 제조방법을 제공한다.A method for producing a negative electrode active material is provided.
본원의 또 다른 측면은, 상기 음극 활물질을 포함하는,Another aspect of the present application, including the negative electrode active material,
전극을 제공한다.electrodes are provided.
본원의 또 다른 측면은, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극;Another aspect of the present application is a negative electrode including the negative electrode active material;
상기 음극과 대항하여 위치하는 양극; 및an anode positioned opposite to the cathode; and
상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된 전해질;을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.It provides a lithium secondary battery comprising an electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode.
본 발명에 따른 음극 활물질은 고용량 및 고에너지 밀도를 가지면서도, 높은 전류밀도 하에서 안정적인 충/방전 거동이 가능한 고출력의 이차전지를 제공하는 효과가 있다. The negative electrode active material according to the present invention has an effect of providing a high-output secondary battery capable of stable charge/discharge behavior under high current density while having high capacity and high energy density.
또한, 음극 활물질을 고효율, 저비용으로 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, there is an effect of producing a negative electrode active material with high efficiency and low cost.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 코어-쉘 구조의 음극 활물질을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 음극 활물질의 XRD 및 라만 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 및 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 음극 활물질의 단면에 대한 에너지 분산형 분광(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) 분석 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 음극 활물질을 적용한 셀의 충방전 그래프이다.
도 6는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 음극 활물질을 적용한 셀의 임피던스 측정 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 음극 활물질을 적용한 셀의 전류밀도(c-rate) 변동에 따른 충전 과정에서의 정전류 용량 분율의 측정 결과이다.1 is a schematic diagram showing an anode active material having a core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
2 is an XRD and Raman spectrum of an anode active material according to Example 1 of the present invention.
3 is scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) pictures of the negative electrode active material according to Example 1 of the present invention.
4 is an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis picture of a cross section of an anode active material according to Example 1 of the present invention.
5 is a charge/discharge graph of a cell to which negative electrode active materials according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention are applied.
6 is an impedance measurement result of a cell to which an anode active material according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention is applied.
7 is a measurement result of a constant current capacity fraction in a charging process according to a change in current density (c-rate) of a cell to which an anode active material according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention is applied.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, since the configuration of the embodiments described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent all of the technical spirit of the present invention, various equivalents and modifications that can replace them at the time of the present application It should be understood that examples may exist.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise", "comprise" or "having" are intended to indicate that there is an embodied feature, number, step, component, or combination thereof, but one or more other features or It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof is not precluded.
본원의 일 측면에 따른 음극 활물질은 도 1에 나타낸 바와 같이, 리튬 함유 산화물 입자로 표면의 전체 또는 일부가 코팅된 실리콘 함유 입자를 포함하는 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 쉘을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1 , the negative electrode active material according to one aspect of the present disclosure may include a core including silicon-containing particles coated with lithium-containing oxide particles on all or part of a surface, and a shell surrounding the core.
상기 음극 활물질의 실리콘 함유 입자의 표면에 리튬 함유 산화물 입자가 코팅된 것으로 실리콘 함유 입자의 표면 전체를 완전히 감싸는 리튬 함유 산화물 입자의 막 형태의 코팅층은 아닐 수 있다.The lithium-containing oxide particles are coated on the surface of the silicon-containing particles of the negative active material, and may not be a coating layer in the form of a film of lithium-containing oxide particles completely covering the entire surface of the silicon-containing particles.
예를 들어, 상기 리튬 함유 산화물 입자는 상기 실리콘 함유 입자의 전체 표면의 100% 이하, 90% 이하, 80% 이하, 70%이하, 60% 이하, 50% 이하, 40% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 5% 이하를 코팅할 수 있고, 코팅 정도는 음극 활물질의 제조시 공정 조건을 변화시켜서 조절할 수 있다.For example, the lithium-containing oxide particles account for 100% or less, 90% or less, 80% or less, 70% or less, 60% or less, 50% or less, 40% or less, 20% or less of the total surface of the silicon-containing particles, 10% or less, 5% or less may be coated, and the degree of coating may be adjusted by changing process conditions during the preparation of the negative electrode active material.
또한, 상기 상기 리튬 함유 산화물이 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.In addition, the lithium-containing oxide may be represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
LixMyOzLi x M y Oz
상기 화학식 1에서,In Formula 1,
M은 Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe 및 Nb 중에서 선택되는 1종 이상이고,M is at least one selected from Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe, and Nb;
x>0, y>0 및 0<z≤(x+m·y)/2이고, 여기서 m은 M의 산화수이다.x>0, y>0 and 0<z≤(x+m·y)/2, where m is the oxidation number of M.
한편, 상기 리튬 함유 산화물 입자가 표면에 코팅된 실리콘 함유 입자는 제조 공정의 공정 조건 변경에 따라서 상기 코어 외에 상기 쉘에도 포함될 수 있다.On the other hand, the silicon-containing particles coated on the surface of the lithium-containing oxide particles may be included in the shell in addition to the core according to a change in process conditions of the manufacturing process.
실리콘 함유 입자의 표면에 코팅된 리튬 함유 산화물 입자는 레이트 특성(rate capability)이 우수한 물질로 전지의 고율 충방전 및 고속 충전 성능을 향상시킬 수 있다.The lithium-containing oxide particles coated on the surface of the silicon-containing particles are materials having excellent rate capability and can improve high-rate charge/discharge and high-speed charge performance of the battery.
일 구현예에 있어서, 상기 실리콘 함유 입자는 실리콘 입자, 실리콘 산화물 입자, 실리콘 탄화물 입자, 실리콘 합금 입자, 또는 이들의 조합일 수 있다.In one embodiment, the silicon-containing particles may be silicon particles, silicon oxide particles, silicon carbide particles, silicon alloy particles, or combinations thereof.
상기 실리콘 함유 입자는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.The silicon-containing particles may be represented by
[화학식 2][Formula 2]
SiOx (0≤x≤0.5)SiOx (0≤x≤0.5)
상기 화학식 2에서 x가 0.5를 초과하는 경우, 전지 용량과 효율에서 불리한 효과가 있을 수 있다. 즉, 리튬 이온이 산소와 반응하여 Li2O, Li-silicate (LixSiyOz)와 같은 비가역 생성물이 생성된다. 이로 인하여, 음극재와 반응한 리튬 이온이 전해질 혹은 양극재로 돌아가지 못하고 음극 내부에 갇히게 되어 용량을 발현하지 못하게 되고, 효율도 저하된다.In
또한, 예를 들어, 상기 실리콘 탄화물은 SiC일 수 있고, 상기 실리콘 합금은 예를 들어, Si-Z 합금 (상기 Z는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로부터 선택된 1종 이상의 원소이며, Si는 아님)일 수 있다.In addition, for example, the silicon carbide may be SiC, and the silicon alloy may be, for example, a Si—Z alloy (where Z is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a group 14 element, a transition metal, or a rare earth element) And one or more elements selected from combinations thereof, but not Si).
상기 실리콘 함유 입자의 평균 입경(D50)은 50~1,000nm일 수 있고, 바람직하게는 600~900nm일 수 있다.The average particle diameter (D50) of the silicon-containing particles may be 50 to 1,000 nm, preferably 600 to 900 nm.
상기 실리콘 함유 입자의 평균 입경이 1,000nm를 초과하는 경우, 높은 전지 용량을 얻을 수 있으나 전지 수명이 매우 짧아질 수 있고, 상기 실리콘 함유 입자의 평균 입경이 50nm 미만인 경우, 전지 용량 및 효율이 낮아지고 제조 경비가 높아질 수 있다.When the average particle diameter of the silicon-containing particles exceeds 1,000 nm, high battery capacity may be obtained, but battery life may be very short, and when the average particle diameter of the silicon-containing particles is less than 50 nm, battery capacity and efficiency are lowered Manufacturing costs may be high.
일 구현예에 있어서, 상기 리튬 함유 산화물 입자는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다.In one embodiment, the lithium-containing oxide particle may be represented by
[화학식 3][Formula 3]
LixTiyOz Li x Ti y O z
상기 화학식 3에서,In
x, y 및 z는 0.1≤x≤4, 1≤y≤5 및 2≤z≤12이다.x, y and z are 0.1≤x≤4, 1≤y≤5 and 2≤z≤12.
특히, 상기 리튬 함유 산화물 입자는 Li2TiO3, Li4Ti5O12 및 Li2Ti3O7로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다.In particular, the lithium-containing oxide particles are Li 2 TiO 3, Li 4 Ti 5 O 12 and It may be at least one selected from the group consisting of Li 2 Ti 3 O 7 , but is not limited thereto.
상기 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경(D50)은 10~500nm일 수 있고, 바람직하게는 20~30nm일 수 있다.The average particle diameter (D50) of the lithium-containing oxide particles may be 10 to 500 nm, preferably 20 to 30 nm.
상기 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경이 500nm를 초과하는 경우, 전지 용량이 저하되고, 상기 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경이 10nm 미만인 경우, 높은 전지 용량을 얻을 수 있으나, 전지 출력이 저하될 수 있다.When the average particle diameter of the lithium-containing oxide particles exceeds 500 nm, battery capacity decreases, and when the average particle diameter of the lithium-containing oxide particles is less than 10 nm, high battery capacity can be obtained, but battery output may decrease.
특히, 실리콘 함유 입자의 평균 입경이 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경의 2 내지 100배일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 20배일 수 있다. In particular, the average particle diameter of the silicon-containing particles may be 2 to 100 times the average particle diameter of the lithium-containing oxide particles, preferably 5 to 20 times.
상기 실리콘 함유 입자의 평균 입경이 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경이 100배를 초과하는 경우, 전지 용량이 저하되고, 상기 실리콘 함유 입자의 평균 입경은 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경이 2배 미만인 경우, 높은 전지 용량을 얻을 수 있으나, 전지 출력이 저하될 수 있다.When the average particle diameter of the silicon-containing particles exceeds 100 times that of the lithium-containing oxide particles, the battery capacity decreases, and the average particle diameter of the silicon-containing particles is less than twice that of the lithium-containing oxide particles. High battery capacity can be obtained, but battery output may be reduced.
일 구현예에 있어서, 상기 리튬 함유 산화물 입자는 상기 실리콘 함유 입자의 총 중량 대비 1~10 중량% 포함될 수 있고, 바람직하게는 2~5 중량% 포함될 수 있다.In one embodiment, the lithium-containing oxide particles may be included in an amount of 1 to 10% by weight, preferably 2 to 5% by weight, based on the total weight of the silicon-containing particles.
즉, 상기 실리콘 함유 입자의 중량과 상기 리튬 함유 산화물 입자의 중량의 비가 100: 1~10일 수 있다.That is, the ratio of the weight of the silicon-containing particles to the weight of the lithium-containing oxide particles may be 100: 1 to 10.
상기 리튬 함유 산화물 입자의 함량이 상기 실리콘 함유 입자의 총 중량 대비 10 중량%를 초과하는 경우, 전지 용량이 저하되고, 리튬 함유 산화물 입자의 함량이 상기 실리콘 함유 입자의 총 중량 대비 1 중량% 미만인 경우, 높은 전지 용량을 얻을 수 있으나, 전지 출력이 저하될 수 있다.When the content of the lithium-containing oxide particles exceeds 10% by weight relative to the total weight of the silicon-containing particles, the battery capacity is lowered, and the content of the lithium-containing oxide particles is less than 1% by weight relative to the total weight of the silicon-containing particles , high battery capacity can be obtained, but battery output may be reduced.
일 구현예에 있어서, 상기 음극 활물질의 XRD 분석을 통한 리튬 함유 산화물 피크 및 실리콘 함유 입자 피크의 높이의 비(상기 리튬 함유 산화물의 피크 높이/상기 실리콘 함유 입자 피크의 높이)는 0.01 내지 0.5일 수 있고, 바람직하게는 0.04 내지 0.14일 수 있다.In one embodiment, the ratio of the peak heights of the lithium-containing oxide and the silicon-containing particle (peak height of the lithium-containing oxide/peak height of the silicon-containing particle) through XRD analysis of the negative electrode active material may be 0.01 to 0.5. And, preferably, it may be 0.04 to 0.14.
예를 들어, 리튬티탄산화물(111) 피크 및 실리콘(111) 피크의 높이의 비는 0.01 내지 0.5일 수 있고, 바람직하게는 0.04 내지 0.14일 수 있다.For example, the ratio of the heights of the lithium titanium oxide (111) peak and the silicon (111) peak may be 0.01 to 0.5, preferably 0.04 to 0.14.
일 구현예에 있어서, 상기 코어는 비정질 탄소를 추가로 포함하고, 상기 쉘은 결정질 탄소를 포함할 수 있다.In one embodiment, the core may further include amorphous carbon, and the shell may include crystalline carbon.
특히, 상기 쉘은 대부분 결정질 탄소로 이루어질 수 있고, 상기 코어의 추가되는 탄소 성분은 대부분 비정질 탄소일 수 있다.In particular, the shell may be mostly composed of crystalline carbon, and the additional carbon component of the core may be mostly amorphous carbon.
또한, 상기 쉘은 소량의 비정질 탄소를 포함할 수 있고, 상기 코어는 소량의 결정질 탄소를 포함할 수 있다.In addition, the shell may include a small amount of amorphous carbon, and the core may include a small amount of crystalline carbon.
상기 코어에 소량의 결정질 탄소가 포함되는 경우, 상기 코어의 중심에서 멀어질 수록 흑연의 비중이 증가할 수 있다.When a small amount of crystalline carbon is included in the core, the specific gravity of graphite may increase as the distance from the center of the core increases.
일 구현예에 있어서, 상기 음극 활물질의 라만 분석을 통한 결정질 탄소 및 비정질 탄소의 함량비(결정질의 함량/비정질 탄소의 함량)은 0.1 내지 5일 수 있다.In one embodiment, the content ratio (crystalline content / amorphous carbon content) of crystalline carbon and amorphous carbon through Raman analysis of the negative electrode active material may be 0.1 to 5.
즉, 상기 음극 활물질의 라만 분석을 통한 비정질 탄소 해당 피크(Id)와 결정질 탄소 해당 피크(Ig)의 높이 비(Id/Ig)는 0.1 내지 5일 수 있고, 바람직하게는 1.05 내지 1.1일 수 있다.That is, the height ratio (I d /I g ) of the amorphous carbon corresponding peak (I d ) and crystalline carbon corresponding peak (I g ) through Raman analysis of the negative electrode active material may be 0.1 to 5, preferably 1.05 to 5 It may be 1.1.
상기 코어의 비정질 탄소는 리튬 함유 산화물 입자가 표면에 코팅된 실리콘 함유 입자들의 사이에 위치하면서 리튬 함유 산화물 입자가 표면에 코팅된 실리콘 함유 입자들을 둘러싸고 있을 수 있다. 즉, 비정질 탄소가 매트릭스가 되어 리튬 함유 산화물 입자가 표면에 코팅된 실리콘 함유 입자가 분산된 형태의 코어가 될 수 있다.The amorphous carbon of the core may surround silicon-containing particles coated with lithium-containing oxide particles while positioned between the silicon-containing particles coated with lithium-containing oxide particles. That is, the amorphous carbon may serve as a matrix, and the silicon-containing particles coated on the surface of the lithium-containing oxide particles may become a core in which silicon-containing particles are dispersed.
상기 쉘과 코어의 추가되는 탄소 성분은 충방전시 리튬 함유 산화물 입자가 표면에 코팅된 실리콘 함유 입자의 부피 팽창을 완화시키는 역할을 할 수 있다.The added carbon component of the shell and core may play a role of mitigating the volume expansion of silicon-containing particles coated with lithium-containing oxide particles on their surfaces during charging and discharging.
한편, 상기 음극 활물질의 코어는 공극이 형성될 수 있고, 상기 코어의 내부 기공은 전지의 초기 비가역 용량을 줄이고, Si의 부피 팽창 완화를 도울 수 있다.Meanwhile, pores may be formed in the core of the anode active material, and internal pores of the core may reduce initial irreversible capacity of the battery and help mitigate volume expansion of Si.
상기 코어 내에 형성된 공극의 부피는 0.01~0.25 cc/g일 수 있다. 상기 코어의 중심에서 멀어질 수록, 공극의 비중이 감소할 수 있다.The volume of the pores formed in the core may be 0.01 to 0.25 cc/g. As the distance from the center of the core increases, the specific gravity of the void may decrease.
본원의 다른 측면에 따른 음극 활물질의 제조방법은 실리콘 함유 입자. 리튬 전구체, 금속 전구체, 비정질 탄소 및 결정질 탄소를 혼합하여 복합화하는 단계 및 열처리 단계를 포함할 수 있다.A method for producing an anode active material according to another aspect of the present application is a silicon-containing particle. A step of mixing and compounding a lithium precursor, a metal precursor, amorphous carbon and crystalline carbon and a heat treatment step may be included.
상기 금속은 Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe 및 Nb 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The metal may be at least one selected from Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe, and Nb.
상기 복합화하는 단계에서 리튬 전구체와 금속 전구체의 분율은 형성하고자 하는 리튬 함유 산화물의 리튬 대 금속의 화학양론 비율에 맞춰 혼합할 수 있다.In the complexing step, the proportions of the lithium precursor and the metal precursor may be mixed according to the stoichiometric ratio of lithium to metal of the lithium-containing oxide to be formed.
상기 복합화하는 단계에서 코어-쉘 구조의 음극 활물질이 형성되는데, 복합화 단계 중에 쉘 층이 형성되는 동시에 리튬 전구체와 금속 전구체가 실리콘 함유 입자 상에 위치하게 된다.In the conjugation step, an anode active material having a core-shell structure is formed. During the conjugation step, a shell layer is formed and a lithium precursor and a metal precursor are positioned on the silicon-containing particle.
이후 상기 열처리 단계를 통해서, 실리콘 함유 입자 상에 위치하는 리튬 전구체와 금속 전구체가 반응하여 리튬 함유 산화물 입자를 형성하면서, 실리콘 함유 입자는 리튬 함유 산화물 입자로 코팅된다.Thereafter, through the heat treatment step, while the lithium precursor and the metal precursor located on the silicon-containing particle react to form lithium-containing oxide particles, the silicon-containing particles are coated with the lithium-containing oxide particles.
즉, 본원의 음극 활물질의 제조방법은 별도의 리튬 함유 산화물 입자 제조 및 리튬 함유 산화물 입자 코팅 단계를 필요로 하지 않고, 복합화 단계 및 열처리 단계를 통해서 실리콘 함유 입자가 리튬 함유 산화물 입자로 코팅된다.That is, the manufacturing method of the negative electrode active material of the present disclosure does not require separate steps of preparing lithium-containing oxide particles and coating the lithium-containing oxide particles, and silicon-containing particles are coated with lithium-containing oxide particles through a complexing step and a heat treatment step.
일 구현예에 있어서, 상기 리튬 전구체는 Li2CO3, LiOH, LiOH(모노 하이드레이트, monohydrate), 리튬 아세테이트(Li acetate), 리튬 이소프로폭사이드(Li isopropoxide), LiCl 및 Li2O로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 금속 전구체는 티타늄 이소프로폭사이드(Ti isopropoxide), 티타늄 테트라클로라이드(IV)(Ti tetrachloride(IV)), 티타늄 테트라클로라이드(III)(Ti tetrachloride(III), 티타늄 클로라이드(Ti chloride), 티타늄 아세테이트(Ti acetate) 및 TiO2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.In one embodiment, the lithium precursor is Li 2 CO 3, LiOH, LiOH (monohydrate, monohydrate), lithium acetate (Li acetate), lithium isopropoxide (Li isopropoxide), LiCl and It may be at least one selected from the group consisting of Li 2 O, and the metal precursor is titanium isopropoxide, titanium tetrachloride (IV), titanium tetrachloride (III) ( Ti tetrachloride (III), titanium chloride (Ti chloride), titanium acetate (Ti acetate) and TiO 2 It may be any one or more selected from the group consisting of.
또한, 상기 비정질 탄소는 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 타르, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 수크로오스(sucrose), 나프탈렌 수지, 폴리비닐알코올 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 폴리아미드 수지, 페놀 수지, 퓨란 수지, 셀룰로오스 수지, 스티렌 수지, 에폭시 수지 또는 염화 비닐 수지, 블록 공중합체, 폴리올 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고, 결정질 탄소는 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연, 그래핀, 카본블랙 및 플러렌로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.In addition, the amorphous carbon is coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, tar, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, sucrose, naphthalene resin, polyvinyl alcohol resin, furfuryl alcohol (furfuryl alcohol) resin, polyacrylonitrile resin, polyamide resin, phenol resin, furan resin, cellulose resin, styrene resin, epoxy resin or vinyl chloride resin, block copolymers, polyols and polyimide resins selected from the group consisting of Any one or more, and the crystalline carbon may be any one or more selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphene, carbon black, and fullerene.
천연흑연은 천연적으로 산출되는 흑연으로, 인상(flake) 흑연, 고결정질(high crystalline) 흑연, 비정질(microcrystalline or cryptocrystalline; amorphous) 흑연 등이 있다. 인조흑연은 인공적으로 합성된 흑연으로, 무정형 탄소를 고온으로 가열하여 만들어지며, 일차(primary) 혹은 전기흑연(electrographite), 이차(secondary) 흑연, 흑연섬유(graphite fiber) 등이 있다. Natural graphite is naturally occurring graphite, and includes flake graphite, high crystalline graphite, and microcrystalline or cryptocrystalline (amorphous) graphite. Artificial graphite is artificially synthesized graphite, which is made by heating amorphous carbon to a high temperature, and includes primary or electrographite, secondary graphite, graphite fiber, and the like.
팽창흑연 흑연의 층간에 산이나 알칼리 같은 화학품을 삽입(intercalation)하고 가열하여 분자 구조의 수직 층을 부풀린 것이다. 그래핀은 흑연의 단일층 또는 복수의 단일층을 포함한다. Expanded graphite Inflates vertical layers of molecular structure by intercalating chemicals such as acids or alkalis between graphite layers and heating them. Graphene includes a single layer or multiple monolayers of graphite.
카본블랙은 흑연보다 규칙성이 작은 결정성 물질로서, 카본 블랙을 약 3,000℃에서 장시간 가열하면 흑연으로 변할 수 있다. 플러렌은 60개 또는 그 이상의 탄소원자로 이루어진 다면체 다발모양의 화합물인 플러렌이 적어도 3중량% 포함된 탄소 혼합물이다. 상기 제1 탄소계 소재는 이러한 결정질 탄소를 1종 단독 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 천연흑연 또는 인조흑연이 사용될 수 있다. 상기 결정질 탄소는 구상, 판상, 섬유상, 튜브상 또는 분말 형태를 가질 수 있다.Carbon black is a crystalline material with a smaller regularity than graphite, and when carbon black is heated at about 3,000° C. for a long time, it can be changed into graphite. Fullerene is a carbon mixture containing at least 3% by weight of fullerene, which is a polyhedral bundle-shaped compound of 60 or more carbon atoms. As the first carbon-based material, one kind or a combination of two or more kinds of these crystalline carbons may be used. For example, natural graphite or artificial graphite may be used. The crystalline carbon may have a spherical, plate-like, fibrous, tubular or powdery form.
바람직하게는 상기 비정질 탄소로 피치를 사용할 수 있다. 피치는 연화점 100~250℃의 피치를 사용할 수 있고, 특히 QI(Quinolone Insoluble) 성분이 5 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 1 중량% 이하인 석유계 또는 석탄계 피치를 사용할 수 있다.Preferably, pitch may be used as the amorphous carbon. The pitch may use a pitch having a softening point of 100 to 250 ° C, and in particular, a petroleum or coal-based pitch having a QI (quinolone insoluble) component of 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less may be used.
한편, 결정질 탄소로는 바람직하게는 천연 흑연을 사용할 수 있다. 흑연의 순도는 고정탄소(Fixed Carbon) 함량이 99 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 99.95 중량% 이상의 고순도 품위를 사용할 수 있다. Meanwhile, as the crystalline carbon, natural graphite may be preferably used. As for the purity of the graphite, a high purity grade having a fixed carbon content of 99% by weight or more, more preferably 99.95% by weight or more can be used.
또한, 인편상 흑연은 실리콘과의 접촉을 통하여 전도성을 높여주는데 적합할 수 있다.In addition, flaky graphite may be suitable for enhancing conductivity through contact with silicon.
일 구현예에 있어서, 상기 복합화 단계는 물리적 방법에 의해서 수행될 수 있다.In one embodiment, the conjugation step may be performed by a physical method.
상기 물리적 방법은 밀링, 교반, 혼합 및 압축으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. The physical method may include at least one selected from the group consisting of milling, stirring, mixing, and compression.
예를 들어, 상기 복합화 단계는 볼 밀링에 의해 수행될 수 있다. 특히, 플래너터리 볼밀(planetary ball mill)은 조성물과 비접촉식 방식으로 자전 및 공전하는 혼합방식으로 혼합물을 효율적으로 혼합 및 분쇄할 수 있다. For example, the compounding step may be performed by ball milling. In particular, the planetary ball mill can efficiently mix and pulverize the mixture in a non-contact manner with the composition in a rotating and revolving mixing manner.
볼 밀링에 사용할 수 있는 볼은 예를 들어 지르코니아 볼 등 일 수 있으며, 볼의 종류에는 제한이 없고, 볼의 크기는 예를 들어 약 0.3에서 10 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.A ball that can be used for ball milling may be, for example, a zirconia ball, and the type of ball is not limited, and the size of the ball may be, for example, about 0.3 to 10 mm, but is not limited thereto.
한편, 상기 복합화 단계의 반응 시간은 1분 내지 24시간, 반응 온도는 40~250℃, 반응 분위기는 대기 또는 비활성분위기의 조건 하에서 수행될 수 있다.On the other hand, the reaction time of the complexation step is 1 minute to 24 hours, the reaction temperature is 40 ~ 250 ℃, the reaction atmosphere can be carried out under the conditions of the atmosphere or inert atmosphere.
또한, 상기 열처리 단계의 처리 온도는 700~1,100℃일 수 있다. In addition, the treatment temperature of the heat treatment step may be 700 ~ 1,100 ℃.
열처리 시간은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 10분 내지 5시간 범위에서 수행될 수 있다.The heat treatment time is not particularly limited, but may be performed in the range of 10 minutes to 5 hours, for example.
본원의 또 다른 측면에 따른 전극은 상기 음극 활물질을 포함할 수 있고, 리튬이차전지는 상기 음극 활물질을 포함하는 전극을 음극으로 하고, 상기 음극과 대항하여 위치하는 양극; 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된 전해질을 포함할 수 있다. An electrode according to another aspect of the present disclosure may include the negative active material, and a lithium secondary battery may include an electrode including the negative active material as a negative electrode and a positive electrode positioned opposite the negative electrode; and an electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode.
상기 음극은 상기 음극 활물질을 포함하고, 예를 들어, 상기 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전제를 용매 중에 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조한 후, 이를 일정한 형상으로 성형하거나, 동박(copper foil) 등의 집전체에 도포하는 방법으로 제조될 수 있다. The negative electrode includes the negative electrode active material. For example, after preparing a negative active material composition by mixing the negative electrode active material, a binder, and optionally a conductive agent in a solvent, the negative electrode active material composition is molded into a predetermined shape, or copper foil, etc. It can be manufactured by a method of applying to the current collector of.
상기 음극은 상술한 음극 활물질 외에 당해 기술분야에서 리튬 전지의 음극 활물질로서 통상적으로 사용되는 음극 활물질 재료를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 통상적으로 사용되는 음극 활물질 재료로는, 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. The anode may further include an anode active material commonly used as an anode active material of a lithium battery in the art in addition to the anode active material described above. Commonly used anode active materials may include, for example, at least one selected from the group consisting of lithium metal, metals alloyable with lithium, transition metal oxides, non-transition metal oxides, and carbon-based materials.
예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알 칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합 금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소 이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. For example, the metal alloyable with lithium is Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si—Y alloy (where Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a transition metal, A rare earth element or a combination thereof, but not Si), a Sn-Y alloy (wherein Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 to Group 16 element, a transition metal, a rare earth element, or a combination thereof, and Sn is not), etc. The element Y is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, It may be Se, Te, Po, or a combination thereof.
예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다. For example, the transition metal oxide may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, or lithium vanadium oxide.
예를 들어, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x≤2) 등일 수 있다. 상기 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연일 수 있으며, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 소성된 코크스 등일 수 있다. For example, the non-transition metal oxide may be SnO 2 , SiOx (0<x≤2), and the like. The carbon-based material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The crystalline carbon may be graphite such as amorphous, plate, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and the amorphous carbon may be soft carbon (low-temperature calcined carbon) or hard carbon carbon), mesophase pitch carbide, calcined coke, and the like.
상기 음극 활물질과 탄소계 재료를 함께 사용하는 경우, 실리콘계 활물질의 산화 반응을 억 제하게 되고 SEI막을 효과적으로 형성하여 안정된 피막을 형성하고 전기전도도의 향상을 가져와서 리튬의 충방전 특성을 더 향상시킬 수 있다. When the anode active material and the carbon-based material are used together, the oxidation reaction of the silicon-based active material is suppressed, an SEI film is effectively formed to form a stable film, and electrical conductivity is improved, thereby further improving the charge and discharge characteristics of lithium. there is.
통상적인 음극 활물질 재료는 상술한 음극 활물질과 혼합하여 블렌딩되거나, 상술한 음극 활물질의 표면에 코팅 되거나, 또는 기타 임의의 조합된 형태로 사용될 수 있다. Conventional anode active materials may be mixed and blended with the anode active material described above, coated on the surface of the anode active material, or used in any other combination.
상기 음극 활물질 조성물에 사용되는 바인더는, 음극 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력 하는 성분으로서, 음극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 예를 들어 음극 활 물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부, 1 내지 20 중량부, 또는 1 내지 15 중량부의 범위로 바인더를 첨가할 수 있다. The binder used in the negative electrode active material composition is a component that assists in the bonding of the negative electrode active material and the conductive agent and the bonding to the current collector, and is added in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material. For example, the binder may be added in an amount of 1 to 30 parts by weight, 1 to 20 parts by weight, or 1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material.
이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리벤지미다졸, 폴리이미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아닐린, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌술폰, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸 렌-프로필렌-디엔테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polybenzimidazole, polyimide, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropyl Cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyaniline, acrylonitrile butadiene styrene, phenol resin, epoxy resin, polyethylene terephthalate, polytetrafluoro Roethylene, polyphenylsulfide, polyamideimide, polyetherimide, polyethylenesulfone, polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polybutyleneterephthalate, ethylene-propylene-dienter polymer (EPDM), sulfonated EPDM , styrene butadiene rubber, fluororubber, various copolymers, and the like.
상기 음극은 상기 음극 활물질에 도전 통로를 제공하여 전기 전도성을 보다 향상시키기 위하여 선택적으로 도전제를 더욱 포함할 수 있다. The negative electrode may optionally further include a conductive agent in order to further improve electrical conductivity by providing a conductive passage to the negative electrode active material.
상기 도전제로는 일반적으로 리튬 전지에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 예로 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유(예. 기상성장 탄소섬유) 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 도전재의 함량은 적당하게 조절하여 사용 할 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 활물질 및 도전제의 중량비가 99:1 내지 90:10 범위로 첨가될 수 있다. As the conductive agent, anything generally used in a lithium battery may be used, and examples thereof include carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber (eg vapor grown carbon fiber); metal-based materials such as metal powders or metal fibers, such as copper, nickel, aluminum, and silver; A conductive material comprising a conductive polymer such as a polyphenylene derivative or a mixture thereof can be used. The content of the conductive material can be appropriately adjusted and used. For example, the weight ratio of the negative electrode active material and the conductive agent may be added in a range of 99:1 to 90:10.
상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매의 함량은 음극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부를 사용한다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다. N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, water, etc. may be used as the solvent. The amount of the solvent is 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material. When the content of the solvent is in the above range, the operation for forming the active material layer is easy.
또한, 상기 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 상기 집전체로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.In addition, the current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 μm. The current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has conductivity. For example, the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, copper or stainless steel A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like may be used.
또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용 될 수 있다. In addition, fine irregularities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and nonwoven fabrics.
제조된 음극 활물질 조성물을 집전체 위에 직접 코팅하여 음극 극판을 제조하거나, 별도의 지지체 상에 캐스팅 하고 상기 지지체로부터 박리시킨 음극 활물질 필름을 동박 집전체에 라미네이션하여 음극 극판을 얻을 수 있다. 상기 음극은 상기에서 열거한 형태에 한정되는 것은 아니고 상기 형태 이외의 형태일 수 있다. A negative electrode plate may be obtained by directly coating the prepared negative active material composition on a current collector to prepare a negative electrode plate, or by casting on a separate support and laminating a negative active material film peeled from the support to a copper foil current collector. The negative electrode is not limited to the forms listed above and may have forms other than the above forms.
상기 음극 활물질 조성물은 리튬 이차 전지의 전극 제조에 사용될 뿐만 아니라, 유연한(flexible) 전극 기판 위 에 인쇄되어 인쇄 전지(printable battery) 제조에도 사용될 수 있다. The negative active material composition may be used not only for manufacturing an electrode of a lithium secondary battery, but also for manufacturing a printable battery by being printed on a flexible electrode substrate.
이와 별도로, 양극을 제작하기 위하여 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매가 혼합된 양극 활물질 조성물이 준비된다. Separately, a cathode active material composition in which a cathode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent are mixed is prepared to manufacture a cathode.
상기 양극 활물질로는 리튬 함유 금속 산화물로서, 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 모두 사용할 수 있다. As the cathode active material, any lithium-containing metal oxide commonly used in the art may be used.
예를 들어, LiaA1-bBbD2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 및 0≤b≤0.5이다); LiaE1-bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiaNi1-b-cCobBcDα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1-b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다.For example, Li a A 1-b B b D 2 (wherein 0.90≤a≤1.8 and 0≤b≤0.5); Li a E 1-b B b O 2-c D c (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE 2-b B b O 4-c D c (wherein 0≤b≤0.5 and 0≤c≤0.05); Li a Ni 1-bc Co b B c D α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α F α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1-bc Mn b B c D α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α F α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni b E c G d O 2 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (wherein, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); A compound represented by any one of the chemical formulas of LiFePO 4 may be used.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or combinations thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or combinations thereof.
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, one having a coating layer on the surface of this compound may be used, or a mixture of the compound and a compound having a coating layer may be used. The coating layer may include a coating element compound of an oxide, a hydroxide, an oxyhydroxide of a coating element, an oxycarbonate of a coating element, or a hydroxycarbonate of a coating element. Compounds constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. As the coating element included in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or a mixture thereof may be used. In the process of forming the coating layer, any coating method may be used as long as the compound can be coated in a method (eg, spray coating, dipping method, etc.) that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using these elements. Since it is a content that can be well understood by those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted.
예를 들어, LiNiO2, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1-xMnxO2(0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFeO2, V2O5, TiS, MoS 등이 사용될 수 있다.For example, LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x=1, 2), LiNi 1-x Mn x O 2 (0<x<1), LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0 ≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS, MoS, and the like may be used.
양극 활물질 조성물에서 도전제, 바인더 및 용매는 상술한 음극 활물질 조성물의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다. 경우에 따라서는 상기 양극 활물질 조성물 및 음극 활물질 조성물에 가소제를 더 부가하여 전극판 내부에 기공을 형성하는 것도 가능하다. 상기 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다.In the cathode active material composition, the conductive agent, binder, and solvent may be the same as those of the anode active material composition described above. In some cases, it is also possible to form pores in the electrode plate by further adding a plasticizer to the positive active material composition and the negative active material composition. The content of the cathode active material, conductive agent, binder, and solvent is at a level commonly used in a lithium battery.
상기 양극 집전체는 3 내지 500 ㎛의 두께로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The cathode current collector has a thickness of 3 to 500 μm, and is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, Alternatively, aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used. The current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics are possible.
준비된 양극 활물질 조성물은 양극 집전체 상에 직접 코팅 및 건조되어 양극 극판을 제조할 수 있다. 다르게는, 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 상기 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션하여 양극 극판을 제조할 수 있다.The prepared cathode active material composition may be directly coated on a cathode current collector and dried to prepare a cathode electrode plate. Alternatively, a positive electrode plate may be manufactured by casting the positive active material composition on a separate support and then laminating a film obtained by peeling from the support on a positive current collector.
상기 양극과 음극은 세퍼레이터에 의해 분리될 수 있으며, 상기 세퍼레이터로는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 적합하다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 그 조합물중에서 선택된 재질로서, 부직포 또는 직포 형태이여도 무방하다. 상기 세퍼레이타는 기공 직경이 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛인 것을 사용한다.The positive electrode and the negative electrode may be separated by a separator, and any separator commonly used in a lithium battery may be used. In particular, those having low resistance to ion migration of the electrolyte and excellent ability to absorb the electrolyte are suitable. For example, it is a material selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), and combinations thereof, and may be in the form of non-woven fabric or woven fabric. The separator has a pore diameter of 0.01 to 10 μm and a thickness of generally 5 to 300 μm.
리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of a non-aqueous electrolyte and lithium. A non-aqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used as the non-aqueous electrolyte.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소란, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the nonaqueous electrolyte include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma-butyl Rolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, Methyl acetate, phosphoric acid triesters, trimethoxy methane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, An aprotic organic solvent such as methyl propionate or ethyl propionate may be used.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group or the like can be used.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitride, halide, sulfate, and the like of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , etc. may be used.
상기 리튬염은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 리튬클로로보레이트, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등의 물질을 하나 이상 사용할 수 있다.The lithium salt can be used as long as it is commonly used in lithium batteries, and is a material that is good for dissolving in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborate, lower aliphatic carbolic acid One or more materials such as lithium carbonate,
리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다.Lithium secondary batteries can be classified into lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, and lithium polymer batteries according to the type of separator and electrolyte used, and can be classified into cylindrical, prismatic, coin, pouch, etc. depending on the shape, Depending on the size, it can be divided into a bulk type and a thin film type.
이들 전지의 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.Methods for manufacturing these batteries are well known in the art, so detailed descriptions are omitted.
이하, 실시예 및 비교예를 이용하여 본원을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail using Examples and Comparative Examples, but the present application is not limited thereto.
[실시예 1] [Example 1]
35 중량부의 실리콘 (Si, D50: 807nm), 5 중량부의 탄산리튬 (Li2CO3) 및 이산화티타늄 (TiO2, D50: 21nm)의 혼합물, 20 중량부 피치(Pitch) 계 탄소 및 40 중량부의 인편상 흑연을 혼합하고, 복합화기(한솔케미칼 자체 제작)에 투입하여 10분간 복합화를 진행한 후, 아르곤(Ar) 가스 분위기, 900℃에서 3시간 동안 열처리하여, 음극 활물질을 제조하였다.35 parts by weight of silicon (Si, D 50 : 807 nm), 5 parts by weight of a mixture of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and titanium dioxide (TiO 2 , D 50 : 21 nm), 20 parts by weight of pitch-based carbon and 40 Part by weight of flaky graphite was mixed, put into a compounding machine (manufactured by Hansol Chemical), compounded for 10 minutes, and then heat treated in an argon (Ar) gas atmosphere at 900 ° C. for 3 hours to prepare an anode active material.
탄산리튬과 이산화티타늄의 분율은 형성하고자 하는 리튬 티타늄 산화물인 Li4Ti5O12 의 화학양론계수에 맞춰 혼합하였는데, 리튬의 휘발성에 따른 손실률을 감안하여 혼합되는 리튬 대 티타늄의 중량 비율은 4.5 대 5로 하였다.The proportions of lithium carbonate and titanium dioxide were mixed according to the stoichiometric coefficient of Li 4 Ti 5 O 12 , the lithium titanium oxide to be formed. Considering the loss rate due to the volatility of lithium, the weight ratio of lithium to titanium mixed was 4.5 5.
[실시예 2] [Example 2]
평균 입경(D50)이 107nm인 실리콘을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that silicon having an average particle diameter (D50) of 107 nm was used.
[실시예 3] [Example 3]
평균 입경(D50)이 1.06μm인 실리콘을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that silicon having an average particle diameter (D50) of 1.06 μm was used.
[실시예 4] [Example 4]
평균 입경(D50)이 100 nm인 이산화티타늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that titanium dioxide having an average particle diameter (D50) of 100 nm was used.
[실시예 5] [Example 5]
탄산리튬 및 이산화티타늄의 혼합물의 혼합량을 10 중량부로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mixing amount of the mixture of lithium carbonate and titanium dioxide was 10 parts by weight.
[비교예 1] [Comparative Example 1]
탄산리튬 및 이산화티타늄의 혼합물을 혼합하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mixture of lithium carbonate and titanium dioxide was not mixed.
[비교예 2] [Comparative Example 2]
탄산리튬 및 이산화티타늄의 혼합물 대신 평균 입경(D50)이 100nm인 L4T5O12 (SAT Nano Technology Material Co., Ltd.)를 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that L 4 T 5 O 12 (SAT Nano Technology Material Co., Ltd.) having an average particle diameter (D50) of 100 nm was mixed instead of a mixture of lithium carbonate and titanium dioxide. did
[비교예 3] [Comparative Example 3]
실리콘과 탄산리튬 및 이산화티타늄의 혼합물 대신 미리 용액 코팅법을 통해서 제조된 리튬티탄산화물(Li2TiO3)이 코팅된 실리콘을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 음극 활물질을 제조하였다.An anode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that silicon coated with lithium titanium oxide (Li 2 TiO 3 ) prepared by a solution coating method was used instead of a mixture of silicon, lithium carbonate, and titanium dioxide.
상기 용액 코팅법은 먼저 에탄올에 티타튬 알콕사이드를 1시간 동안 교반하여 분산시킨 후, 상기 용액에 실리콘 분말을 첨가하여 2시간 동안 교반하여 분산시켰다. 이후, 상기 용액에 수산화 리튬 분말을 첨가하고 1시간 동안 교반하여 분산시키고, 상기 혼합 용액을 40도 이상의 온도에서 용매열 합성을 통해 에탄올 용액을 건조한 후 건조된 분말을 회수하였다.In the solution coating method, titanium alkoxide was first stirred and dispersed in ethanol for 1 hour, and then silicon powder was added to the solution and then stirred and dispersed for 2 hours. Thereafter, lithium hydroxide powder was added to the solution and dispersed by stirring for 1 hour, and the mixed solution was dried through solvothermal synthesis at a temperature of 40 degrees or more to recover the dried powder.
[제조예][Production Example]
코인 하프 셀 제작Coin Half Cell Fabrication
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에 의해서 제조된 음극 활물질, 도전재(Super P) 및 바인더(SBR-CMC)을 93:3:4 중량비로 균일하게 혼합하여 음극 슬러리를 준비하였다.An anode slurry was prepared by uniformly mixing the anode active material, conductive material (Super P), and binder (SBR-CMC) prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 in a weight ratio of 93:3:4.
준비한 음극 슬러리를 두께가 20㎛인 구리 호일 집전체에 코팅하고, 코팅이 완료된 극판은 120℃에서 30분 동안 건조시킨 다음, 압연(pressing)하여 음극을 제조하였다. The prepared negative electrode slurry was coated on a copper foil current collector having a thickness of 20 μm, and the coated electrode plate was dried at 120° C. for 30 minutes, and then pressed to prepare a negative electrode.
상기 음극 및 대극(counter electrode)으로는 금속 리튬을 사용하고, 분리막으로 PE 분리막(separator)을 사용하고, 전해질로는 EC(에틸렌카보네이트):DEC(디에틸카보네이트):DMC(디메틸카보네이트) (3:5:2 부피비) 혼합 용매에 1.0M LiPF6이 용해된 것을 사용하여 CR2032 type의 코인 하프 셀을 제조하였다.Metal lithium is used as the anode and counter electrode, a PE separator is used as the separator, and EC (ethylene carbonate): DEC (diethyl carbonate): DMC (dimethyl carbonate) (3 :5:2 volume ratio) A CR2032 type coin half cell was prepared by using 1.0M LiPF6 dissolved in a mixed solvent.
코인 풀 셀 제작coin full cell fabrication
상기 코인 하프 셀에 사용된 음극을 사용하고, 양극은 다음과 같이 제조하였다. 양극 활물질로서 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 및 바인더로서 PVA-PAA를 1:1의 중량비로 혼합하여 양극 슬러리를 준비하고, 상기 양극 슬러리를 두께가 12㎛인 알루미늄 호일 집전체에 코팅하고, 코팅이 완료된 극판을 120℃에서 15분 동안 건조시킨 다음, 압연(pressing)하여 양극을 제조하였다.Using the negative electrode used in the coin half cell, the positive electrode was prepared as follows. A positive electrode slurry was prepared by mixing LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 as a positive electrode active material and PVA-PAA as a binder in a weight ratio of 1: 1, and the positive electrode slurry was coated on an aluminum foil current collector having a thickness of 12 μm, and the coating The completed electrode plate was dried at 120° C. for 15 minutes, and then pressed to prepare a positive electrode.
상기 양극 및 음극을 사용하고, 분리막으로 PE 분리막(separator)을 사용하고, 전해질로는 EC(에틸렌 카보네이트): DEC(디에틸카보네이트):DMC(디메틸카보네이트)(2:1:7 부피비) + FEC 20% 혼합 용매에 1.5M LiPF6이 용해된 것을 사용하여 CR2032 type의 코인 풀 셀을 제조하였다.The anode and cathode are used, a PE separator is used as the separator, and the electrolyte is EC (ethylene carbonate): DEC (diethyl carbonate): DMC (dimethyl carbonate) (2: 1: 7 volume ratio) + FEC A CR2032 type coin full cell was prepared by dissolving 1.5M LiPF6 in a 20% mixed solvent.
평가예 1: XRD, Raman 및 BET 분석Evaluation Example 1: XRD, Raman and BET analysis
실시예 1 에서 제조한 음극 활물질에 대하여 XRD(X-ray diffraction) 실험을 수행하고, 그 결과를 도 2a에 나타내었다. XRD는 Cu-Kα 선을 사용하여 측정하였다.An X-ray diffraction (XRD) experiment was performed on the anode active material prepared in Example 1, and the results are shown in FIG. 2A. XRD was measured using Cu-Kα radiation.
도 2a에 도시한 바와 같이 탄소에 해당하는 피크(26°부근)와 더불어 실리콘 (111)에 해당하는 피크(18°부근)과 Li4Ti5O12 (111)에 해당하는 피크(28°부근)이 측정되었고, 이를 통해서 Li4Ti5O12가 형성되었음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 2a, in addition to the peak corresponding to carbon (near 26°), the peak corresponding to silicon (111) (near 18°) and the peak corresponding to Li 4 Ti 5 O 12 (111) (near 28°) ) was measured, and through this, it was confirmed that Li 4 Ti 5 O 12 was formed.
또한, LabRam HR Evolution 라만 분광계(Horiba Jobin-Yvon, France)를 사용하여 실시예 1 에서 제조한 음극 활물질을 분석하여, 그 결과를 도 2b에 나타내었다. In addition, the negative electrode active material prepared in Example 1 was analyzed using a LabRam HR Evolution Raman spectrometer (Horiba Jobin-Yvon, France), and the results are shown in FIG. 2B.
라만 시스템은 514 nm의 여기 파장을 가지고 10 mW의 힘으로 작동하는 Ar+ ion 레이저를 사용하였다.The Raman system used an Ar+ ion laser operating at a power of 10 mW with an excitation wavelength of 514 nm.
도 2b에 도시한 바와 같이, 실리콘에 해당하는 피크(500 cm-1 부근)과 탄소의 D 밴드(1320 cm-1 부근) 및 G 밴드(1600 cm-1 부근)에 해당하는 피크를 각각 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 2B, peaks corresponding to silicon (near 500 cm -1 ) and carbon D band (near 1320 cm -1 ) and G bands (near 1600 cm -1 ) can be identified, respectively. there was.
실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1 내지 3에 의해서 제조된 음극 활물질의 XRD 및 라만 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Table 1 below shows XRD and Raman measurement results of the anode active materials prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3.
XRD 및 라만 분석을 통해서, 본원의 음극 활물질이 실리콘, 리튬티탄산화물 및 탄소를 포함함을 확인할 수 있었다.Through XRD and Raman analysis, it was confirmed that the anode active material of the present application includes silicon, lithium titanium oxide, and carbon.
또한, 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3의 음극 활물질의 공극 부피를 Micromeritics 사의 TriStar II 3020 장비로 측정하여, 하기 표 1에 나타내었다. In addition, the pore volume of the negative electrode active materials of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 was measured using a Micromeritics TriStar II 3020 instrument, and is shown in Table 1 below.
공극 부피는 액체질소 온도 (77K)에서 상대압력 변화에 따른 질소가스의 흡착량을 통해 측정되었다.The pore volume was measured through the amount of adsorption of nitrogen gas according to the relative pressure change at liquid nitrogen temperature (77K).
(nm)Silicon size (D 50 )
(nm)
(nm)LTO (Li 4 Ti 5 O 12 ) Size (D 50 )
(nm)
상기 표의 XRD 피크비는 Li4Ti5O12의 (111) 피크(~18°)와 Si의 (111) 피크(~28°)의 높이의 비이다.The XRD peak ratio in the above table is the ratio of the heights of the (111) peak (~18°) of Li 4 Ti 5 O 12 and the (111) peak (~28°) of Si.
상기 표의 Id/Ig 는 라만 측정에 있어서 탄소의 D 밴드와 G 밴드 피크의 높이의 비이다.I d /I g in the above table is the ratio of the peak heights of the D and G bands of carbon in Raman measurement.
평가예 2: SEM 및 TEM 분석Evaluation Example 2: SEM and TEM analysis
실시예 1에 의해서 제조된 음극 활물질의 단면에 대하여 전자주사현미경(SEM) 분석을 실시한 결과를 도 3a에 나타내었다.The results of scanning electron microscope (SEM) analysis on the cross section of the negative electrode active material prepared in Example 1 are shown in FIG. 3A.
Li4Ti5O12 입자가 표면에 코팅된 실리콘 입자를 포함하는 코어와 코어를 둘러싸고 있는 탄소계 쉘을 확인할 수 있었다.A core containing silicon particles coated on the surface of Li 4 Ti 5 O 12 particles and a carbon-based shell surrounding the core were identified.
또한, Li4Ti5O12 입자가 표면에 코팅된 실리콘 입자의 형상을 확인하기 위해서 투과전자 현미경(TEM) 분석을 실시한 결과를 도3b에 나타내었다.In addition, in order to confirm the shape of the silicon particles coated on the surface of the Li 4 Ti 5 O 12 particles, the results of transmission electron microscopy (TEM) analysis are shown in FIG. 3B.
실리콘 입자의 표면을 코팅하고 있는 Li4Ti5O12 입자를 확인할 수 있었다.Li 4 Ti 5 O 12 particles coating the surface of the silicon particles were confirmed.
즉, SEM 및 TEM 분석을 통해서, 본원의 음극 활물질이 코어-쉘 구조이고, 코어에 포함된 실리콘 입자의 표면에 부분적으로 리튬티탄산화물 입자가 코팅됨을 확인할 수 있었다.That is, through SEM and TEM analysis, it was confirmed that the negative electrode active material of the present application has a core-shell structure, and the surface of the silicon particles included in the core is partially coated with lithium titanium oxide particles.
평가예 3: FIB-EDS 분석Evaluation Example 3: FIB-EDS analysis
FIB(FEI사 제조 Nova200)에 의해 실시예 1에 의해서 제조된 음극 활물질를 샘플링하고, STEM-EDS(일본전자사 제조 JEOL-2200FS)를 이용하여, 가속 전압 200kV의 조건으로 EDS 분석을 행했다. The negative electrode active material prepared in Example 1 was sampled by FIB (Nova200 manufactured by FEI), and EDS analysis was performed using STEM-EDS (JEOL-2200FS manufactured by Nippon Electronics Co., Ltd.) under conditions of an acceleration voltage of 200 kV.
EDS 맵핑에 의해, 각 원소에 대해서 도 4에 나타낸 화상이 얻어졌다. 실리콘 입자의 위치를 나타내는 Si의 농도와 Li4Ti5O12 입자의 위치를 나타내는 Ti의 농도가 코어에 해당하는 영역에 높게 나타남을 확인할 수 있었다.By EDS mapping, images shown in Fig. 4 were obtained for each element. It was confirmed that the concentration of Si indicating the position of the silicon particle and the concentration of Ti indicating the position of the Li 4 Ti 5 O 12 particle were high in the region corresponding to the core.
또한, 탄소의 농도가 쉘에 해당하는 영역에서 높게 나타남을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that the concentration of carbon was high in the region corresponding to the shell.
즉, FIB 분석을 통해서 본원의 코어-쉘 구조의 음극 활물질의 코어 및 쉘의 성분을 구체적으로 확인할 수 있었다.That is, the components of the core and the shell of the negative electrode active material of the core-shell structure of the present application could be specifically confirmed through FIB analysis.
평가예 4: 전지 특성 평가Evaluation Example 4: Battery Characteristics Evaluation
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용하여 제조한 코인 하프 셀 및 코인 풀 셀에 대하여 전지 특성을 아래와 같이 평가하였다.The battery characteristics of the coin half cell and the coin full cell manufactured using the negative electrode active material prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated as follows.
수명 특성 및 고율 특성 평가를 위해서는 코인 풀 셀을 사용하였고, 이외의 전지 특성 평가에는 코인 하프 셀이 사용되었다.A coin full cell was used to evaluate lifespan characteristics and high rate characteristics, and a coin half cell was used to evaluate other battery characteristics.
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용하여 제조한 코인 하프 셀을 각각 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 0.01V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 0.01V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 충전이 완료된 셀을 10분간 휴지시킨 후, 방전시에 전압이 1.5V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하였다(2회 실시, 초기 formation). 상기 "C"는 셀의 방전속도로서, 셀의 총 용량을 총 방전시간으로 나누어 얻어진 값을 의미한다. The coin half-cells manufactured using the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to constant current until the voltage reached 0.01V (vs. Li) at a current of 0.1C rate at 25 ° C, respectively. After charging, constant voltage charging was performed until the current reached 0.05C while maintaining 0.01V. After resting the charged cell for 10 minutes, it was discharged with a constant current of 0.1C until the voltage reached 1.5V (vs. Li) during discharge (2 times, initial formation). The "C" is the discharge rate of the cell, which means a value obtained by dividing the total capacity of the cell by the total discharge time.
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용하여 제조한 코인 풀 셀을 각각 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.2V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.2V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 충전이 완료된 셀을 10분간 휴지시킨 후, 방전시에 전압이 2.7V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하였다(2회 실시, 초기 formation).Constant current until the voltage reaches 4.2V (vs. Li) at a current of 0.1C rate at 25 ° C. After charging, constant voltage charging was performed until the current reached 0.05C while maintaining 4.2V. After resting the charged cell for 10 minutes, it was discharged with a constant current of 0.1 C until the voltage reached 2.7V (vs. Li) during discharge (2 times, initial formation).
이후, 셀을 25℃에서 1.0C rate의 전류로 전압이 4.2V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.2V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 충전이 완료된 코인셀을 10분간 휴지시킨 후, 방전시에 전압이 2.7V(vs. Li)에 이를 때까지 1.0C의 정전류로 방전하는 사이클을 반복하였다(1~100번째 사이클).Thereafter, the cell was charged with a constant current at 25 ° C. at a current of 1.0C rate until the voltage reached 4.2V (vs. Li), and was charged with a constant voltage until the current reached 0.05C while maintaining 4.2V. After resting the charged coin cell for 10 minutes, a cycle of discharging at a constant current of 1.0 C was repeated until the voltage reached 2.7V (vs. Li) during discharge (
실시예 1및 비교예 1의 음극 활물질을 이용한 셀의 1번째 사이클의 충방전 그래프를 도 5에 나타내었다.5 shows a charge/discharge graph of the first cycle of a cell using the negative electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1.
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용한 셀의 측정된 초기 충전용량, 초기 방전용량, 초기 효율 및 수명 특성을 하기 표 2에 나타내었다.The measured initial charge capacity, initial discharge capacity, initial efficiency, and lifespan characteristics of the cells using the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 2 below.
초기 충전용량 및 초기 방전용량은 1번째 사이클에서의 충전 및 방전 용량이다. The initial charge capacity and the initial discharge capacity are the charge and discharge capacities in the first cycle.
초기효율 및 수명특성은 각각 하기 수학식 1 및 2로부터 계산되었다.Initial efficiency and lifetime characteristics were calculated from
<수학식 1><
초기효율[%]=[1번째 사이클에서의 방전용량 / 1번째 사이클에서의 충전용량]Х100Initial efficiency [%]=[Discharge capacity in the 1st cycle / Charge capacity in the 1st cycle]Х100
<수학식 2><
수명 특성[%]=[100번째 사이클의 방전용량 / 1번째 사이클의 방전용량]Х100Life characteristics [%]=[Discharge capacity at the 100th cycle / Discharge capacity at the 1st cycle]Х100
(mAh/g)initial charge capacity
(mAh/g)
(mAh/g)initial discharge capacity
(mAh/g)
(%)initial efficiency
(%)
(%@100th)life characteristics
(%@100th)
한편, 실시예 1 및 비교예 1에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용하여 제조한 코인 하프 셀을 상온(25℃에서 4.1 A 및 0.01V로 충전하고 0.01V 에서 컷-오프 하여, 5 내지 10 mV의 아주 작은 여기 진폭(excitation amplitude)과 1 MHz 내지 1 mHz의 주파수(frequency) 조건 하에 충방전 사이클 횟수(1, 2, 10 회)에 따른 임피던스 값을 측정하여 도 6에 나타내었다.On the other hand, the coin half cell prepared using the negative electrode active material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was charged at room temperature (25 ° C. at 4.1 A and 0.01V, cut-off at 0.01V, and 5 to 10 mV of Impedance values according to the number of charge/discharge cycles (1, 2, and 10 times) were measured under conditions of a very small excitation amplitude and a frequency of 1 MHz to 1 mHz, and are shown in FIG. 6 .
도6의 가로축의 Zre(Ω)은 실수 부분의 임피던스(real impedance)를 의미하고, 세로축의 Zim(Ω)은 허수 부분의 임피던스(imaginary impedance)를 의미한다.Z re (Ω) on the horizontal axis of FIG. 6 means real impedance, and Z im (Ω) on the vertical axis means impedance on the imaginary part.
1번째 충방전 사이클에서의 저항값(반원의 지름의 크기)을 측정하여 비교한 결과, 실시예 1의 저항값이 비교예의 1의 저항값에 비하여 작은 것을 확인할 수 있었다.As a result of measuring and comparing the resistance values (diameter size of the semicircle) in the first charge/discharge cycle, it was confirmed that the resistance value of Example 1 was smaller than that of Comparative Example 1.
또한, 사이클의 횟수가 늘어남에 따라서 실시예 1 및 비교예 1의 저항값이 모두 커졌지만, 비교예 1에 비해서 실시예 1의 저항값의 증가 폭이 작은 것을 확인할 수 있었다.In addition, as the number of cycles increased, both the resistance values of Example 1 and Comparative Example 1 increased, but it was confirmed that the increase in the resistance value of Example 1 was smaller than that of Comparative Example 1.
이를 통해서, Li4Ti5O12 입자의 형성에 의해서, 저항값을 낮출 수 있음을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that the resistance value could be lowered by the formation of Li 4 Ti 5 O 12 particles.
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 음극 활물질을 적용한 초기 formation 진행된 셀을 0.1C, 0.2C, 0.3C, 0.5C, 1.0C 및 2.0C rate의 정전류로 4.2V에 이를 때까지 충전하고, 4.2V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 충전이 완료된 셀을 10분간 휴지시킨 후, 방전시에 전압이 2.7V에 이를 때까지 0.1C, 0.2C, 0.3C, 0.5C, 1.0C 및 2.0C rate의 정전류로 방전하여 C rate의 변화에 따른 정전류/정전압 충전용량 분율의 변화를 측정하여 도 7에 나타내었다.In addition, the cells in which the initial formation was performed using the negative electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1 were charged until they reached 4.2V with a constant current of 0.1C, 0.2C, 0.3C, 0.5C, 1.0C, and 2.0C rates, and 4.2 While maintaining V, constant voltage charging was performed until the current reached 0.05C. After resting the charged cell for 10 minutes, discharge it with a constant current at rates of 0.1C, 0.2C, 0.3C, 0.5C, 1.0C, and 2.0C until the voltage reaches 2.7V to avoid changes in C rate. The change in the constant current/constant voltage charge capacity fraction was measured and shown in FIG. 7 .
비교예 1의 음극 활물질이 사용된 전지에 비하여 실시예 1의 음극 활물질이 사용된 전지가 충방전시 전류밀도(c-rate)가 증가함에 따라서 발현되는 용량 중 정전류 방전용량 분율이 큰 것을 확인할 수 있었다.Compared to the battery using the negative electrode active material of Comparative Example 1, it can be seen that the constant current discharge capacity fraction among the capacity developed as the current density (c-rate) increases during charging and discharging of the battery using the negative electrode active material of Example 1 is larger. there was.
즉, 실시예 1의 음극 활물질이 사용된 전지의 출력 특성이 비교예 1의 음극 활물질이 사용된 전지에 비하여 우수함을 확인할 수 있었다.That is, it was confirmed that the output characteristics of the battery using the negative active material of Example 1 were superior to those of the battery using the negative active material of Comparative Example 1.
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용한 셀의 측정된 출력 특성 및 내부 저항 특성을 하기 표 3에 나타내었다.Table 3 shows the measured output characteristics and internal resistance characteristics of the cells using the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3.
출력 특성은 하기 수학식 3으로부터 계산되었다.The output characteristics were calculated from
<수학식 3><
출력특성[%]=[2.0C의 속도로 방전시킬 의 방전용량/0.1C의 속도로 발정시킬 때의 방전용량] Х100Output characteristics [%] = [discharge capacity of when discharged at a rate of 2.0C/discharge capacity when heat is generated at a rate of 0.1C] Х100
(%@2.0 C)output characteristics
(%@2.0 C)
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 5에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용한 셀은 비교예 1 내지 3에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용한 셀에 비하여 특히 출력 특성 및 내부 저항에서 우수한 특성을 나타내었다.As shown in Table 3, the cells using the negative electrode active material prepared in Examples 1 to 5 showed excellent characteristics, especially in output characteristics and internal resistance, compared to the cells using the negative electrode active material prepared in Comparative Examples 1 to 3. was
즉, 실시예 1 내지 5에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용한 셀은 비교예 1 내지 3에 의해서 제조된 음극 활물질을 이용한 셀에 비하여 높은 출력 특성과 낮은 내부 저항 특성을 나타내었다.That is, the cells using the anode active materials prepared in Examples 1 to 5 exhibited higher output characteristics and lower internal resistance characteristics than the cells using the anode active materials prepared in Comparative Examples 1 to 3.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof are interpreted as being included in the scope of the present invention. It should be.
Claims (18)
상기 코어를 둘러싸는 쉘;을 포함하고,
상기 리튬 함유 산화물이 하기 화학식 1로 표시되는,
음극 활물질.
[화학식 1]
LixMyOz
상기 화학식 1에서,
M은 Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe 및 Nb 중에서 선택되는 1종 이상이고,
x>0, y>0 및 0<z≤(x+m·y)/2이고, 여기서 m은 M의 산화수이다.a core comprising silicon-containing particles whose surface is entirely or partially coated with lithium-containing oxide particles; and
Including; a shell surrounding the core,
The lithium-containing oxide is represented by Formula 1 below,
cathode active material.
[Formula 1]
Li x M y O z
In Formula 1,
M is at least one selected from Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe, and Nb;
x>0, y>0 and 0<z≤(x+m·y)/2, where m is the oxidation number of M.
상기 실리콘 함유 입자는 실리콘 입자, 실리콘 산화물 입자, 실리콘 탄화물 입자, 실리콘 합금 입자, 또는 이들의 조합인,
음극 활물질.According to claim 1,
The silicon-containing particles are silicon particles, silicon oxide particles, silicon carbide particles, silicon alloy particles, or a combination thereof,
cathode active material.
상기 실리콘 함유 입자의 평균 입경(D50)이 50~1,000nm 이고,
하기 화학식 2로 표시되는,
음극 활물질.
[화학식 2]
SiOx (0≤x≤0.5)According to claim 1,
The average particle diameter (D50) of the silicon-containing particles is 50 to 1,000 nm,
Represented by Formula 2 below,
cathode active material.
[Formula 2]
SiO x (0≤x≤0.5)
상기 리튬 함유 산화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 것을 특징으로 하는, 음극 활물질.
[화학식 3]
LixTiyOz
상기 화학식 3에서,
x, y 및 z는 0.1≤x≤4, 1≤y≤5 및 2≤z≤12이다.According to claim 1,
The negative electrode active material, characterized in that the lithium-containing oxide is represented by the following formula (3).
[Formula 3]
Li x Ti y O z
In Formula 3,
x, y and z are 0.1≤x≤4, 1≤y≤5 and 2≤z≤12.
상기 리튬 함유 산화물은 Li2TiO3, Li4Ti5O12 및 Li2Ti3O7로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인,
음극 활물질.According to claim 1,
The lithium-containing oxides are Li 2 TiO 3, Li 4 Ti 5 O 12 and At least one selected from the group consisting of Li 2 Ti 3 O 7
cathode active material.
상기 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경(D50)이 10~500nm인,
음극 활물질.According to claim 1,
The average particle diameter (D50) of the lithium-containing oxide particles is 10 to 500 nm,
cathode active material.
상기 실리콘 함유 입자의 평균 입경이 상기 리튬 함유 산화물 입자의 평균 입경의 2 내지 100배인,
음극 활물질.According to claim 1,
The average particle diameter of the silicon-containing particles is 2 to 100 times the average particle diameter of the lithium-containing oxide particles,
cathode active material.
상기 실리콘 함유 입자의 중량과 상기 리튬 함유 산화물 입자의 중량의 비가 100: 1~10인,
음극 활물질.According to claim 1,
The ratio of the weight of the silicon-containing particles to the weight of the lithium-containing oxide particles is 100: 1 to 10,
cathode active material.
XRD 분석을 통한 상기 리튬 함유 산화물의 피크 및 상기 실리콘 함유 입자 피크의 높이의 비(상기 리튬 함유 산화물의 피크 높이/상기 실리콘 함유 입자 피크의 높이)가 0.01 내지 0.5인,
음극 활물질.According to claim 1,
The ratio of the height of the peak of the lithium-containing oxide and the peak of the silicon-containing particle through XRD analysis (peak height of the lithium-containing oxide / height of the silicon-containing particle peak) is 0.01 to 0.5,
cathode active material.
라만 분석을 통한 상기 탄소의 비정질 탄소 해당 피크(Id)와 결정질 탄소 해당 피크(Ig)의 높이 비(Id/Ig)가 0.1 내지 5인,
음극 활물질.According to claim 1,
The height ratio (I d /I g ) of the amorphous carbon corresponding peak (I d ) and crystalline carbon corresponding peak (I g ) of the carbon through Raman analysis is 0.1 to 5,
cathode active material.
상기 코어는 비정질 탄소를 포함하고,
상기 쉘은 결정질 탄소를 포함하는,
음극 활물질.According to claim 1,
The core includes amorphous carbon,
The shell comprises crystalline carbon,
cathode active material.
열처리 단계;를 포함하고,
상기 금속은 Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe 및 Nb 중에서 선택되는 1종 이상인,
음극 활물질의 제조방법.silicon-containing particles. Mixing and complexing a lithium precursor, a metal precursor, amorphous carbon and crystalline carbon; and
Including; heat treatment step;
The metal is at least one selected from Si, Al, Ti, Mn, Ni, Cu, V, Zr, Mn, Co, Fe and Nb,
A method for producing an anode active material.
상기 리튬 전구체는 Li2CO3, LiOH, LiOH(모노 하이드레이트, monohydrate), 리튬 아세테이트(Li acetate), 리튬 이소프로폭사이드(Li isopropoxide), LiCl 및 Li2O로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 금속 전구체는 티타늄 이소프로폭사이드(Ti isopropoxide), 티타늄 테트라클로라이드(IV)(Ti tetrachloride(IV)), 티타늄 테트라클로라이드(III)(Ti tetrachloride(III), 티타늄 클로라이드(Ti chloride), 티타늄 아세테이트(Ti acetate) 및 TiO2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인,
음극 활물질의 제조방법.According to claim 12,
The lithium precursor is Li 2 CO 3 , LiOH, LiOH (monohydrate), lithium acetate (Li acetate), lithium isopropoxide (Li isopropoxide), LiCl and At least one selected from the group consisting of Li 2 O,
The metal precursor is titanium isopropoxide, titanium tetrachloride (IV), titanium tetrachloride (III) (Ti tetrachloride (III), titanium chloride (Ti chloride), titanium acetate (Ti acetate) and TiO 2 At least one selected from the group consisting of,
A method for producing an anode active material.
상기 비정질 탄소는 석탄계 피치, 메조페이스 피치(mesophase pitch), 석유계 피치, 타르, 석탄계 오일, 석유계 중질유, 유기 합성 피치, 수크로오스(sucrose), 나프탈렌 수지, 폴리비닐알코올 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 폴리아미드 수지, 페놀 수지, 퓨란 수지, 셀룰로오스 수지, 스티렌 수지, 에폭시 수지 또는 염화 비닐 수지, 블록 공중합체, 폴리올 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 결정질 탄소는 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연, 그래핀, 카본블랙 및 플러렌로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인,
음극 활물질의 제조방법.According to claim 12,
The amorphous carbon is coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, tar, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, organic synthetic pitch, sucrose, naphthalene resin, polyvinyl alcohol resin, furfuryl alcohol alcohol) resin, polyacrylonitrile resin, polyamide resin, phenol resin, furan resin, cellulose resin, styrene resin, epoxy resin or vinyl chloride resin, block copolymer, any one selected from the group consisting of polyol and polyimide resin more than
The crystalline carbon is at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphene, carbon black and fullerene,
A method for producing an anode active material.
상기 복합화 단계는 밀링, 교반, 혼합 및 압축으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상에 의해서 수행되는,
음극 활물질의 제조방법.According to claim 12,
The compounding step is performed by any one or more selected from the group consisting of milling, stirring, mixing, and compression.
A method for producing an anode active material.
상기 열처리 단계의 처리 온도는 700~1,100℃인,
음극 활물질의 제조방법.According to claim 12,
The treatment temperature of the heat treatment step is 700 ~ 1,100 ℃,
A method for producing an anode active material.
전극.Comprising the negative electrode active material of any one of claims 1 to 11,
electrode.
상기 음극과 대항하여 위치하는 양극; 및
상기 음극과 상기 양극 사이에 배치된 전해질;을 포함하는,
리튬 이차전지.A negative electrode comprising the negative electrode active material of any one of claims 1 to 11;
an anode positioned opposite to the cathode; and
Including, an electrolyte disposed between the cathode and the anode;
lithium secondary battery.
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KR1020210079783A KR102702002B1 (en) | 2021-06-21 | Anode active material, method for preparing the same, and rechargeable lithium battery comprising the same |
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CN116495722A (en) * | 2023-05-15 | 2023-07-28 | 河南中炭新材料科技有限公司 | Negative electrode material and preparation method and application thereof |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200073350A (en) | 2018-12-13 | 2020-06-24 | 삼성전자주식회사 | Negative active material, lithium secondary battery including the material, and method for manufacturing the material |
KR20210028054A (en) | 2019-08-29 | 2021-03-11 | 한양대학교 산학협력단 | Anode active material, method for preparing the same, and rechargeable lithium battery comprising the same |
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