KR20230025314A - Silicon-based negative electrode active material, negative electrode comprising same, and secondary battery comprising same - Google Patents

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KR20230025314A
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신선영
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Abstract

The present invention relates to a silicon-based negative electrode active material, a negative electrode including the same, and a secondary battery including the same, wherein the silicon-based negative electrode active material includes a core and a carbon layer disposed on the core, the core includes SiO_x (0 < x < 2) and metal atoms, the metal atoms include at least one selected from a group consisting of Mg, Li, Al and Ca, D_5/D_50 is 0.5 or more, and D_50 is 4 to 11 μm.

Description

실리콘계 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이를 포함하는 이차 전지{SILICON-BASED NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, NEGATIVE ELECTRODE COMPRISING SAME, AND SECONDARY BATTERY COMPRISING SAME}Silicon-based negative electrode active material, negative electrode including the same, and secondary battery including the same

본 출원은 2021년 8월 13일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0107512호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.This application claims the benefit of the filing date of Korean Patent Application No. 10-2021-0107512 filed with the Korean Intellectual Property Office on August 13, 2021, all of which are incorporated herein.

본 발명은 특정 입도 분포를 가지는 실리콘계 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon-based negative electrode active material having a specific particle size distribution, a negative electrode including the same, and a secondary battery including the same.

화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학 반응을 이용한 발전, 축전 분야이다.Due to the rapid increase in the use of fossil fuels, the demand for the use of alternative energy or clean energy is increasing, and as part of this, the most actively researched fields are power generation and storage using electrochemical reactions.

현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도, 즉 고용량의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.Currently, a secondary battery is a representative example of an electrochemical device using such electrochemical energy, and its use area is gradually expanding. Recently, as technology development and demand for portable devices such as portable computers, mobile phones, and cameras increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. A lot of research has been done on it, and it is also commercialized and widely used.

일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막으로 구성된다. 음극은 양극으로부터 나온 리튬 이온을 삽입하고 탈리시키는 음극 활물질을 포함하며, 상기 음극 활물질로는 방전 용량이 큰 실리콘계 활물질이 사용될 수 있다. In general, a secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator. The negative electrode includes a negative electrode active material for intercalating and deintercalating lithium ions from the positive electrode, and a silicon-based active material having a high discharge capacity may be used as the negative electrode active material.

다만, 실리콘계 활물질의 경우, 전지 구동 과정에서 지나친 부피 변화를 동반한다. 이에 따라, 전지의 수명이 저하되는 문제가 발생한다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 실리콘계 활물질의 사용 비율을 줄이거나, 높은 음극 접착력을 보일 수 있는 바인더를 사용하는 방법들이 사용되고 있으나, 실리콘계 활물질 자체의 개선이 아니므로, 문제 해결에 한계가 있다. 또한, 실리콘계 활물질을 다공성으로 만들어서 부피 팽창을 내부적으로 수용할 수 있게 하는 기술도 사용되고 있으나, 이는 음극의 무게 당 용량을 저하시키고, 전극 제조 후 압연 시, 입자가 파괴되어 효과가 감소하는 문제가 있다. However, in the case of a silicon-based active material, an excessive volume change is accompanied during a battery driving process. Accordingly, a problem in that the life of the battery is reduced occurs. Conventionally, in order to solve this problem, methods of reducing the use ratio of the silicon-based active material or using a binder capable of showing high negative electrode adhesion have been used, but there is a limit to solving the problem because it is not an improvement of the silicon-based active material itself. In addition, a technique of making the silicon-based active material porous to accommodate the volume expansion internally is also used, but this reduces the capacity per weight of the negative electrode and reduces the effect by destroying the particles during rolling after manufacturing the electrode. .

이에, 전지의 수명 특성을 효과적으로 개선시킬 수 있는 실리콘계 음극 활물질의 개발이 시급한 실정이다.Accordingly, there is an urgent need to develop a silicon-based negative electrode active material capable of effectively improving lifespan characteristics of a battery.

한국 등록특허공보 제10-1586816호Korean Registered Patent Publication No. 10-1586816

본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 전지의 용량, 효율 및/또는 수명 특성을 개선시킬 수 있는 실리콘계 음극 활물질, 이를 포함하는 음극 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.One problem to be solved by the present invention is to provide a silicon-based negative electrode active material capable of improving capacity, efficiency and/or lifespan characteristics of a battery, a negative electrode including the same, and a secondary battery including the same.

본 발명의 일 실시상태는 코어 및 상기 코어 상에 배치된 탄소층을 포함하고, 상기 코어는 SiOx(0<x<2) 및 금속 원자를 포함하고, 상기 금속 원자는 Mg, Li, Al 및 Ca로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하고, D5/D50이 0.5 이상이며, D50이 4 ㎛ 내지 11 ㎛인 실리콘계 음극 활물질을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention includes a core and a carbon layer disposed on the core, the core includes SiO x (0<x<2) and metal atoms, and the metal atoms include Mg, Li, Al and A silicon-based negative active material comprising at least one selected from the group consisting of Ca, D 5 /D 50 is 0.5 or more, and D 50 is 4 μm to 11 μm.

본 발명의 일 실시상태는 음극 활물질을 포함하며, 상기 음극 활물질은 상기 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention provides an anode including an anode active material, wherein the anode active material includes the silicon-based anode active material.

본 발명의 일 실시상태는 상기 음극을 포함하는 이차 전지를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a secondary battery including the negative electrode.

본 발명의 일 실시상태에 따른 실리콘계 음극 활물질은 D5/D50이 0.5 이상이며, D50이 4 ㎛ 내지 11 ㎛이므로, 전해액과의 과도한 부반응을 일으키지 않게 하면서, 충방전 시 리튬 이온의 삽입/탈리의 용이성이 있으며, 과도한 스웰링(swelling)을 일으키지 않으므로, 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다. 또한, 상기 실리콘계 음극 활물질은 금속 원자를 포함하며, 상기 금속 원자가 금속 실리케이트 등의 금속 화합물 형태로 존재하는 바, 전지의 초기 효율이 개선될 수 있다. Since the silicon-based negative electrode active material according to an exemplary embodiment of the present invention has a D 5 /D 50 of 0.5 or more and a D 50 of 4 μm to 11 μm, it is possible to prevent excessive side reactions with the electrolyte and insert/discharge lithium ions during charging and discharging. It is easily desorbed and does not cause excessive swelling, so the lifespan characteristics of the battery can be improved. In addition, the silicon-based negative electrode active material includes metal atoms, and since the metal atoms exist in the form of a metal compound such as metal silicate, initial efficiency of a battery may be improved.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid understanding of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her 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.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Terms used in this specification are only used to describe exemplary embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

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, 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.

본 명세서에서 D5 및 D50는 각각 입자의 입도 분포 곡선(입도 분포도의 그래프 곡선)에 있어서, 체적 누적량의 5% 및 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 Dmax와 Dmin은 각각 입자의 입도 분포 곡선에 있어서, 가장 큰 입경과 가장 작은 입경에 해당할 수 있다. 상기 D5, D50, Dmax 및 Dmin은 각각 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다. 상기 D5 및 D50의 측정은 Microtrac 장비(제조사: Microtrac 모델명: S3500)를 사용하여, 굴절률 1.97의 조건에서 물과 triton-X100 분산제를 사용하여 확인할 수 있다. In the present specification, D 5 and D 50 may be defined as particle diameters corresponding to 5% and 50% of the cumulative volume in the particle size distribution curve (graph curve of the particle size distribution), respectively. In addition, in the present specification, D max and D min may respectively correspond to the largest particle diameter and the smallest particle diameter in the particle size distribution curve of the particles. The D 5 , D 50 , D max and D min may each be measured using, for example, a laser diffraction method. The laser diffraction method is generally capable of measuring particle diameters of several millimeters in the submicron region, and can obtain results with high reproducibility and high resolution. The measurement of D 5 and D 50 can be confirmed using a Microtrac device (manufacturer: Microtrac model name: S3500), using water and a triton-X100 dispersant under conditions of a refractive index of 1.97.

본 명세서에서 BET 비표면적은, 측정 대상에 대하여 BET 측정 장비(BEL-SORP-MAX, Nippon Bell)를 이용하여, 130℃에서 2시간 동안 가스를 제거(degassing)하고, 77K에서 N2 흡착/탈착(absorption/desorption)을 진행하여 측정할 수 있다.In this specification, the BET specific surface area is measured by degassing at 130 ° C. for 2 hours using BET measuring equipment (BEL-SORP-MAX, Nippon Bell), and N 2 adsorption/desorption at 77K. It can be measured by proceeding with absorption/desorption.

본 명세서에서 음극 활물질 내의 금속 원소의 유무 및 원소의 함량은 ICP 분석을 통해 확인할 수 있으며, ICP 분석은 유도결합 플라즈마 발광 분석 분광기(Perkin-Elmer 7300사의 ICP-OES, AVIO 500)를 이용하여 수행할 수 있다.In the present specification, the presence or absence of metal elements and the content of the elements in the negative electrode active material can be confirmed through ICP analysis, and the ICP analysis can be performed using an inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP-OES, AVIO 500, manufactured by Perkin-Elmer 7300). can

<실리콘계 음극 활물질><Silicon-based negative electrode active material>

본 발명의 일 실시상태에 따른 실리콘계 음극 활물질은 코어 및 상기 코어 상에 배치된 탄소층을 포함하고, 상기 코어는 SiOx(0<x<2) 및 금속 원자를 포함하고, 상기 금속 원자는 Mg, Li, Al, 및 Ca로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하고, D5/D50이 0.5 이상이며, D50이 4 ㎛ 내지 11 ㎛인 것이 특징이다.A silicon-based negative electrode active material according to an exemplary embodiment of the present invention includes a core and a carbon layer disposed on the core, the core includes SiO x (0<x<2) and a metal atom, and the metal atom is Mg , Li, Al, and includes at least one selected from the group consisting of Ca, D 5 /D 50 is 0.5 or more, D 50 is characterized in that 4 ㎛ to 11 ㎛.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질은 코어를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the silicon-based negative active material includes a core.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 코어는 SiOx(0<x<2)를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the core includes SiO x (0<x<2).

상기 SiOx(0<x<2)는 상기 실리콘계 음극 활물질 내에서 매트릭스(matrix)에 해당한다. 상기 SiOx(0<x<2)는 Si 및 SiO2가 포함된 형태일 수 있으며, 상기 Si는 상(phase)을 이루고 있을 수도 있다. 즉, 상기 x는 상기 SiOx(0<x<2) 내에 포함된 Si에 대한 O의 개수비에 해당한다. 상기 실리콘계 음극 활물질이 상기 SiOx(0<x<2)를 포함하는 경우, 이차 전지의 방전 용량이 개선될 수 있다. The SiO x (0<x<2) corresponds to a matrix in the silicon-based negative active material. The SiO x (0<x<2) may include Si and SiO 2 , and the Si may form a phase. That is, the x corresponds to the number ratio of O to Si included in the SiO x (0<x<2). When the silicon-based negative active material includes the SiO x (0<x<2), the discharge capacity of the secondary battery may be improved.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 코어는 금속 원자를 포함할 수 있다. 상기 금속 원자는 상기 실리콘계 음극 활물질 내에서 금속 원자, 금속 실리케이트, 금속 실리사이드, 금속 산화물 중 적어도 하나의 형태로 존재할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the core may include a metal atom. The metal atom may exist in the form of at least one of a metal atom, a metal silicate, a metal silicide, and a metal oxide in the silicon-based negative electrode active material.

상기 금속 원자는 Mg, Li, Al 및 Ca로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘계 음극 활물질의 초기 효율이 개선될 수 있다. The metal atom may include at least one selected from the group consisting of Mg, Li, Al, and Ca. Accordingly, initial efficiency of the silicon-based negative electrode active material may be improved.

구체적으로, 상기 금속 원자는 Mg, Li 또는 Al를 포함할 수 있다. 본 발명의 실리콘계 음극 활물질은 비교적 작은 크기의 입자들이 제거된 형태인 것을 특징으로 하는데, 상기 금속 원자가 Mg, Li 또는 Al인 경우, 코어의 내부까지 균일하게 도핑이 될 수 있으므로, 상기 특징을 가지는 실리콘계 음극 활물질의 제조가 원활할 수 있다. 또한, 본 발명의 입도 분포를 가지는 실리콘계 음극 활물질에 있어서, 원자 번호가 낮은 금속 원자가 크기가 작아 내부까지 좀더 균일하게 도핑될 수 있기 때문에, 상기 금속 원자는 Mg 또는 Li인 것이 가장 바람직하다. Specifically, the metal atom may include Mg, Li or Al. The silicon-based negative electrode active material of the present invention is characterized in that relatively small-sized particles are removed. When the metal atom is Mg, Li, or Al, it can be uniformly doped to the inside of the core, so the silicon-based negative active material having the above characteristics Manufacturing of the negative electrode active material may be smooth. In addition, in the silicon-based negative electrode active material having a particle size distribution of the present invention, since metal atoms having a low atomic number are small in size and can be more uniformly doped to the inside, the metal atom is most preferably Mg or Li.

상기 금속 원자(Li, Mg 등)은 상기 실리콘계 입자에 도핑된 형태로 상기 실리콘계 입자의 표면 및/또는 내부에 분포될 수 있다. 상기 금속 원자는 실리콘계 입자의 표면 및/또는 내부에 분포되어, 실리콘계 입자의 부피 팽창/수축을 적절한 수준으로 제어할 수 있고, 활물질의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 금속 원자는 SiOx(0<x<2) 입자 내의 비가역상(예를 들면, SiO2)의 비율을 낮추어 활물질의 효율을 증가시키기 위한 측면에서 함유될 수 있다.The metal atoms (Li, Mg, etc.) may be distributed on the surface and/or inside the silicon-based particle in a doped form. The metal atoms may be distributed on the surface and/or inside of the silicon-based particle to control volume expansion/contraction of the silicon-based particle to an appropriate level and prevent damage to the active material. In addition, the metal atom may be contained in order to increase the efficiency of the active material by lowering the ratio of the irreversible phase (eg, SiO 2 ) in the SiO x (0<x<2) particle.

상기 금속 원자는 금속 실리케이트 형태로 존재할 수 있다. 상기 금속 실리케이트는 결정질 금속 실리케이트와 비정질 금속 실리케이트로 구분될 수 있다.The metal atom may exist in the form of a metal silicate. The metal silicate may be classified into crystalline metal silicate and amorphous metal silicate.

상기 금속 원자가 Li인 경우, Li은 상기 코어 내에서 Li2SiO3, Li4SiO4 및 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 리튬 실리케이트의 형태로 존재할 수 있다.When the metal atom is Li, Li may be present in the core in the form of at least one type of lithium silicate selected from the group consisting of Li 2 SiO 3 , Li 4 SiO 4 and Li 2 Si 2 O 5 .

상기 금속 원자가 Mg인 경우, Mg는 상기 코어 내에서 Mg2SiO4 및 MgSiO3 중 적어도 1종의 마그네슘 실리케이트의 형태로 존재할 수 있다.When the metal atom is Mg, Mg may exist in the form of at least one magnesium silicate selected from Mg 2 SiO 4 and MgSiO 3 in the core.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 원자는 상기 실리콘계 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 40 중량부로 포함될 수 있으며, 구체적으로 1 중량부 내지 25 중량부로 포함될 수 있고, 보다 구체적으로 2 중량부 내지 20 중량부 또는 2 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 금속 원자의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우, 금속 원자의 함량이 늘어남에 따라 초기 효율은 증가하나 방전 용량이 감소하는 문제점이 있으므로, 상기 범위를 만족하는 경우, 적절한 방전 용량 및 초기 효율을 구현할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal atom may be included in an amount of 0.1 part by weight to 40 parts by weight, specifically 1 part by weight to 25 parts by weight, based on a total of 100 parts by weight of the silicon-based negative active material. It may be included in 2 parts by weight to 20 parts by weight or 2 parts by weight to 10 parts by weight. When the content of metal atoms exceeds the above range, the initial efficiency increases as the content of metal atoms increases, but there is a problem in that the discharge capacity decreases. Therefore, when the above range is satisfied, appropriate discharge capacity and initial efficiency can be implemented. there is.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 원자는 상기 코어 총 100 중량부를 기준으로 1 중량부 내지 25 중량부로 포함될 수 있고, 보다 구체적으로 2 중량부 내지 20 중량부 또는 2 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 금속 원자의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우, 금속 원자의 함량이 늘어남에 따라 초기 효율은 증가하나 방전 용량이 감소하는 문제점이 있으므로, 상기 범위를 만족하는 경우, 적절한 방전 용량 및 초기 효율을 구현할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal atom may be included in an amount of 1 part by weight to 25 parts by weight based on a total of 100 parts by weight of the core, and more specifically, 2 parts by weight to 20 parts by weight or 2 parts by weight to 10 parts by weight. can be included When the content of metal atoms exceeds the above range, the initial efficiency increases as the content of metal atoms increases, but there is a problem in that the discharge capacity decreases. Therefore, when the above range is satisfied, appropriate discharge capacity and initial efficiency can be implemented. there is.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질은 탄소층을 포함할 수 있다. 상기 탄소층은 상기 코어 상에 배치되며, 상기 코어의 표면의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 즉 상기 탄소층은 상기 코어의 표면을 부분적으로 피복하고 있거나, 코어 표면 전체를 피복한 형태일 수 있다. 상기 탄소층에 의해 상기 실리콘계 음극 활물질에 도전성이 부여되고, 이차 전지의 초기 효율, 수명 특성 및 전지 용량 특성이 향상될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the silicon-based negative electrode active material may include a carbon layer. The carbon layer may be disposed on the core and cover at least a portion of a surface of the core. That is, the carbon layer may partially cover the surface of the core or cover the entire surface of the core. Conductivity is imparted to the silicon-based negative electrode active material by the carbon layer, and initial efficiency, lifespan characteristics, and battery capacity characteristics of a secondary battery may be improved.

상기 탄소층은 비정질 탄소 및 결정질 탄소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The carbon layer may include at least one of amorphous carbon and crystalline carbon.

상기 결정질 탄소는 상기 실리콘계 음극 활물질의 도전성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 결정질 탄소는 플로렌, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The crystalline carbon may further improve conductivity of the silicon-based negative electrode active material. The crystalline carbon may include at least one selected from the group consisting of florene, carbon nanotubes, and graphene.

상기 비정질 탄소는 상기 탄소층의 강도를 적절하게 유지시켜, 상기 실리콘계 복합 입자의 팽창을 억제시킬 수 있다. 상기 비정질 탄소는 타르, 피치 및 기타 유기물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 탄화물, 또는 탄화수소를 화학기상증착법의 소스로 이용하여 형성된 탄소계 물질일 수 있다. The amorphous carbon can properly maintain the strength of the carbon layer and suppress expansion of the silicon-based composite particles. The amorphous carbon may be a carbon-based material formed by using at least one carbide selected from the group consisting of tar, pitch, and other organic materials, or a hydrocarbon as a source of chemical vapor deposition.

상기 기타 유기물의 탄화물은 수크로오스, 글루코오스, 갈락토오스, 프록토오스, 락토오스, 마노스, 리보스, 알도헥소스 또는 케도헥소스의 탄화물 및 이들의 조합에서 선택되는 유기물의 탄화물일 수 있다.The other organic carbide may be an organic carbide selected from carbides of sucrose, glucose, galactose, fructose, lactose, mannose, ribose, aldohexose or ketohexose, and combinations thereof.

상기 탄화수소는 치환 또는 비치환된 지방족 또는 지환식 탄화수소, 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소일 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 지방족 또는 지환식 탄화수소의 지방족 또는 지환식 탄화수소는 메테린, 에테린, 에틸렌, 아세틸렌, 프로페인, 뷰태인, 뷰텐, 펜테인, 아이소뷰테인 또는 헥세인 등일 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소의 방향족 탄화수소는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠, 다이페닐메테인, 나프탈렌, 페놀, 크레졸, 나이트로벤젠, 클로로벤젠, 인덴, 쿠마론, 파이리딘, 안트라센 또는 페난트렌 등을 들 수 있다.The hydrocarbon may be a substituted or unsubstituted aliphatic or alicyclic hydrocarbon or a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon. The aliphatic or alicyclic hydrocarbon of the substituted or unsubstituted aliphatic or alicyclic hydrocarbon may be metherine, etherin, ethylene, acetylene, propane, butane, butene, pentane, isobutane or hexane. Aromatic hydrocarbons of the substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbons include benzene, toluene, xylene, styrene, ethylbenzene, diphenylmethane, naphthalene, phenol, cresol, nitrobenzene, chlorobenzene, indene, coumaron, pyridine, Anthracene, phenanthrene, etc. are mentioned.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소층은 상기 실리콘계 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 50 중량부, 0.1 중량부 내지 30 중량부 또는 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 더욱 구체적으로는 0.5 중량부 내지 15 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 음극 활물질의 용량과 효율 감소를 방지할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon layer may be included in an amount of 0.1 part by weight to 50 parts by weight, 0.1 part by weight to 30 parts by weight, or 0.1 part by weight to 20 parts by weight based on the total 100 parts by weight of the silicon-based negative electrode active material. More specifically, it may be included in 0.5 parts by weight to 15 parts by weight. When the above range is satisfied, reduction in capacity and efficiency of the negative electrode active material may be prevented.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소층의 두께는 1 nm 내지 500 nm일 수 있고, 구체적으로 5 nm 내지 300 nm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 실리콘계 음극 활물질의 도전성이 개선되어, 전지의 초기 효율 및 수명이 개선되는 효과가 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the carbon layer may be 1 nm to 500 nm, specifically 5 nm to 300 nm. When the above range is satisfied, the conductivity of the silicon-based negative active material is improved, and thus the initial efficiency and lifespan of the battery are improved.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50은 4㎛ 내지 11㎛일 수 있다. 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50이 4㎛ 미만인 경우, 입자 크기가 너무 작아, 소재의 비표면적이 커지므로, 전해액과의 부반응이 많이 발생하여 수명 퇴화가 극심하게 일어나는 문제가 있다. 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50이 11㎛ 초과인 경우, 입자의 크기가 너무 커서 충방전이 용이 하지 못하게 되므로, 충방전 시, 용량/효율 구현이 어려운 문제가 있다. 따라서, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50이 4㎛ 내지 11㎛인 경우, 충방전이 용이하여, 용량/효율 구현이 온전히 일어나고, 수명 특성이 안정적인 효과가 있다. 특히, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50은 4.2 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 4.5 ㎛ 내지 9 ㎛일 수 있으며, 더욱 구체적으로 5 ㎛ 내지 7 ㎛일 수 있다. 이 경우, 상술한 효과와 더불어, 전극 제작이 용이한 효과가 있을 수 있다. In one embodiment of the present invention, D 50 of the silicon-based negative electrode active material may be 4 μm to 11 μm. When the D 50 of the silicon-based negative active material is less than 4 μm, the particle size is too small and the specific surface area of the material increases, so there is a problem in that a lot of side reactions with the electrolyte occur and lifespan is severely deteriorated. When the D 50 of the silicon-based negative active material is greater than 11 μm, since the size of the particles is too large, charging and discharging are not easy, and thus, it is difficult to realize capacity/efficiency during charging and discharging. Therefore, when the D 50 of the silicon-based negative active material is 4 μm to 11 μm, charging and discharging are easy, capacity/efficiency is completely realized, and life characteristics are stable. In particular, D 50 of the silicon-based negative active material may be 4.2 μm to 10 μm, specifically 4.5 μm to 9 μm, and more specifically, 5 μm to 7 μm. In this case, in addition to the above-mentioned effects, there may be an effect of facilitating electrode production.

상기 실리콘계 음극 활물질의 D5/D50은 0.5 이상일 수 있으며, 구체적으로 0.6 이상일 수 있다. 상기 D5/D50이 0.5 미만인 경우, 음극 내에서 지나치게 작은 크기의 실리콘계 음극 활물질이 차지하는 부피가 증가하므로, 소재의 비표면적 증가에 따라 전해액과의 부반응이 증가하므로, 전지의 수명이 감소되는 문제가 있다. 따라서, 상기 D5/D50이 0.5 이상을 만족하게 하여, 전지의 수명 특성을 개선시킬 수 있다. 상기 실리콘계 음극 활물질의 D5/D50의 상한은 1일 수 있다.D 5 /D 50 of the silicon-based negative active material may be 0.5 or more, specifically 0.6 or more. When the D 5 /D 50 is less than 0.5, since the volume occupied by the silicon-based negative electrode active material of an excessively small size in the negative electrode increases, the side reaction with the electrolyte increases according to the increase in the specific surface area of the material, so the battery life is reduced. there is Accordingly, the lifespan characteristics of the battery may be improved by satisfying the D 5 /D 50 of 0.5 or more. An upper limit of D 5 /D 50 of the silicon-based negative active material may be 1.

이때, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50이 상기 범위를 만족한다 하더라도, D5/D50이 0.5 미만인 경우, 음극 내에 D50보다 훨씬 작은 크기의 활물질이 차지하는 부피가 증가하기 때문에, 전해액과의 부반응이 증가하여 전지 수명이 감소한다. 반대로, D5/D50이 0.5 이상을 만족하나, D50이 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 평균 입자 크기가 너무 작거나 커서 수명 및/또는 효율 구현이 어려운 문제점이 발생한다. 따라서, 본 발명과 같이, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50 및 D5/D50가 상기 범위를 만족하는 경우에 전지의 수명 및/또는 효율을 개선시킬 수 있다.At this time, even if D 50 of the silicon-based negative active material satisfies the above range, when D 5 /D 50 is less than 0.5, the volume occupied by the active material much smaller than D 50 in the negative electrode increases, so that a side reaction with the electrolyte solution occurs. increases and battery life decreases. Conversely, when D 5 /D 50 satisfies 0.5 or more, but D 50 does not satisfy the above range, the average particle size is too small or large, and life and/or efficiency are difficult to implement. Therefore, as in the present invention, when D 50 and D 5 /D 50 of the silicon-based negative active material satisfy the above ranges, life and/or efficiency of the battery may be improved.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D5은 2 ㎛ 내지 11 ㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 음극 내에서 지나치게 작은 입자 크기를 갖는 실리콘계 음극 활물질의 함량이 줄어들기 때문에 전해액과의 부반응을 줄여 전지의 수명 및 안정성을 개선시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, D 5 of the silicon-based negative active material may be 2 μm to 11 μm. When the above range is satisfied, since the content of the silicon-based negative electrode active material having an excessively small particle size in the negative electrode is reduced, the lifespan and stability of the battery can be improved by reducing side reactions with the electrolyte.

특히, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D5은 2.1 ㎛ 내지 9 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 2.5 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있고, 더욱 구체적으로, 3 ㎛ 내지 4.2 ㎛일 수 있다. In particular, D 5 of the silicon-based negative active material may be 2.1 μm to 9 μm, specifically 2.5 μm to 5 μm, and more specifically, 3 μm to 4.2 μm.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질의 BET 비표면적은 1 m2/g 이상 20 m2/g 이하일 수 있고, 1 m2/g 이상 15 m2/g 이하일 수 있고, 2 m2/g 초과 10 m2/g 미만일 수 있고, 2.5 m2/g 이상 8 m2/g 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the BET specific surface area of the silicon-based negative active material may be 1 m 2 /g or more and 20 m 2 /g or less, 1 m 2 /g or more and 15 m 2 /g or less, and 2 m 2 /g or more. 2 /g and less than 10 m 2 /g, and may be 2.5 m 2 /g or more and 8 m 2 /g or less.

상기 BET 비표면적의 상한은 20 m2/g, 18 m2/g, 15 m2/g, 10 m2/g, 8 m2/g, 5 m2/g 또는 4m2/g일 수 있고, 하한은 1 m2/g, 1.5 m2/g, 2 m2/g 또는 2.5 m2/g일 수 있다.The upper limit of the BET specific surface area may be 20 m 2 /g, 18 m 2 /g, 15 m 2 /g, 10 m 2 /g, 8 m 2 /g, 5 m 2 /g or 4m 2 /g, and , the lower limit may be 1 m 2 /g, 1.5 m 2 /g, 2 m 2 /g or 2.5 m 2 /g.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질의 Dmax은 35㎛ 이하일 수 있으며, 구체적으로 30 ㎛ 이하, 보다 구체적으로 25 ㎛ 이하 또는 20 ㎛ 이하 일 수 있다. 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 입자가 지나치게 커서, 전극이 잘 제조되지 않으며 압연 시, 전극이 불균일하게 제조되는 문제점이 있다.In one embodiment of the present invention, D max of the silicon-based negative active material may be 35 μm or less, specifically 30 μm or less, more specifically 25 μm or less or 20 μm or less. If the above range is not satisfied, the particles are too large, so the electrode is not well manufactured and there is a problem that the electrode is non-uniformly manufactured during rolling.

상기 실리콘계 음극 활물질의 Dmin은 1.3 ㎛ 이상일 수 있으며, 구체적으로 1.5 ㎛ 이상, 보다 구체적으로 1.7 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 소재의 비표면적이 지나치게 커지지 않으므로, 전해액과의 부반응을 줄일 수 있는 효과가 있다.D min of the silicon-based negative active material may be 1.3 μm or more, specifically 1.5 μm or more, and more specifically 1.7 μm or more. When the above range is satisfied, since the specific surface area of the material is not excessively increased, there is an effect of reducing side reactions with the electrolyte.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질은 예비 실리콘계 음극 활물질을 준비하는 단계; 상기 예비 실리콘계 음극 활물질의 입도를 조절하는 단계; 및 입도가 제어된 상기 예비 실리콘계 음극 활물질 상에 탄소층을 형성하는 단계를 통해 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the silicon-based negative electrode active material comprising the steps of preparing a preliminary silicon-based negative electrode active material; adjusting the particle size of the preliminary silicon-based negative electrode active material; and forming a carbon layer on the preliminary silicon-based negative electrode active material having a controlled particle size.

구체적으로, 상기 예비 실리콘계 음극 활물질을 준비하는 단계에서, 상기 예비 실리콘계 음극 활물질은 Si 분말, SiO2 분말 및 금속 분말을 혼합한 뒤 기화시키는 단계; 상기 기화된 혼합 기체를 고상으로 응결시키는 단계; 및 비활성 분위기에서 열처리하는 단계를 통하여 형성될 수 있다.Specifically, in the step of preparing the preliminary silicon-based negative electrode active material, the preliminary silicon-based negative electrode active material is vaporized after mixing Si powder, SiO 2 powder and metal powder; condensing the vaporized mixed gas into a solid phase; And it may be formed through the step of heat treatment in an inert atmosphere.

또는, 상기 예비 실리콘계 음극 활물질은 Si 분말 및 SiO2 분말을 진공에서 가열하여 기화시킨 후, 상기 기화된 혼합 기체를 증착시켜 실리콘계 입자를 형성하는 단계; 및 형성된 실리콘계 입자와 금속 분말을 혼합한 뒤 열처리하는 단계를 통하여 형성될 수 있다.Alternatively, the preliminary silicon-based negative electrode active material may include vaporizing Si powder and SiO 2 powder by heating in a vacuum, and then depositing the vaporized mixed gas to form silicon-based particles; And it may be formed through the step of heat-treating after mixing the formed silicon-based particles and metal powder.

상기 열처리하는 단계는 700 ℃ 내지 900 ℃에서 4시간 내지 6시간 수행될 수 있고, 구체적으로 800 ℃에서 5시간 수행될 수 있다. The heat treatment may be performed at 700 °C to 900 °C for 4 hours to 6 hours, and specifically, at 800 °C for 5 hours.

상기 금속 분말은 Mg 분말 또는 Li 분말일 수 있다.The metal powder may be Mg powder or Li powder.

상기 금속 분말로 Mg 분말을 사용하는 경우, 이를 기화시켜 음극 활물질을 제조할 수 있다.When Mg powder is used as the metal powder, an anode active material may be prepared by vaporizing it.

상기 금속 분말로 Li 분말을 사용하는 경우, 실리콘계 입자와 Li 분말을 혼합한 뒤 열처리하는 과정을 통하여 음극 활물질을 제조할 수 있다.In the case of using Li powder as the metal powder, the negative electrode active material may be prepared by mixing silicon-based particles and Li powder and then heat-treating.

상기 실리콘계 입자는 SiOx(x=1)일 수 있다.The silicon-based particle may be SiOx (x = 1).

상기 예비 실리콘계 음극 활물질 내에서, 상기 Mg 화합물 상은 전술한 Mg 실리케이트, Mg 실리사이드, Mg 산화물 등을 포함할 수 있다. In the preliminary silicon-based negative active material, the Mg compound phase may include the aforementioned Mg silicate, Mg silicide, Mg oxide, and the like.

상기 예비 실리콘계 음극 활물질 내에서, 상기 Li 화합물 상은 전술한 Li 실리케이트, Li 실리사이드, Li 산화물 등을 포함할 수 있다. In the preliminary silicon-based negative electrode active material, the Li compound phase may include the aforementioned Li silicate, Li silicide, Li oxide, and the like.

상기 예비 실리콘계 음극 활물질의 입도를 조절하는 단계에서는 볼밀(ball mill), 제트 밀(jet mill) 또는 기류 분급과 같은 방법을 통하여 입도를 조절할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 예비 실리콘계 음극 활물질의 입도를 볼밀을 이용하여 조절하는 경우, sus ball media 5개 내지 20개를 투입할 수 있고, 구체적으로 10개 내지 15개를 투입할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the step of adjusting the particle size of the preliminary silicon-based negative electrode active material, the particle size can be adjusted through a method such as a ball mill, a jet mill, or air flow classification, but is not limited thereto. For example, when the particle size of the preliminary silicon-based negative electrode active material is adjusted using a ball mill, 5 to 20 sus ball media may be added, and specifically 10 to 15 may be added, but is not limited thereto .

상기 입도를 조절하는 단계에서 예비 실리콘계 음극 활물질의 분쇄 시간은 2시간 내지 5시간일 수 있고, 구체적으로 2시간 내지 4시간일 수 있고, 더욱 구체적으로 3시간일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the step of adjusting the particle size, the grinding time of the preliminary silicon-based negative electrode active material may be 2 hours to 5 hours, specifically 2 hours to 4 hours, and more specifically 3 hours, but is not limited thereto.

상기 탄소층을 형성하는 단계에서는 탄화수소 가스를 사용하는 화학기상증착법(CVD)을 이용하거나, 탄소 소스(carbon source)가 되는 물질을 탄화시켜서 탄소층을 제조할 수 있다.In the step of forming the carbon layer, the carbon layer may be prepared by using chemical vapor deposition (CVD) using hydrocarbon gas or by carbonizing a material serving as a carbon source.

구체적으로, 예비 실리콘계 음극 활물질을 반응로에 투입 후 탄화수소 가스를 600 ℃ 내지 1200 ℃에서 화학기상증착(CVD)하여 형성할 수 있다. 상기 탄화수소 가스는 메탄, 에탄, 프로판 및 아세틸렌을 포함하는 군에서 선택된 적어도 1종의 탄화수소 가스일 수 있고, 900 ℃ 내지 1000 ℃에서 열처리할 수 있다.Specifically, after the preliminary silicon-based negative electrode active material is introduced into a reaction furnace, hydrocarbon gas may be formed by chemical vapor deposition (CVD) at 600 °C to 1200 °C. The hydrocarbon gas may be at least one type of hydrocarbon gas selected from the group consisting of methane, ethane, propane and acetylene, and heat treatment may be performed at 900 °C to 1000 °C.

<음극><cathode>

본 발명의 일 실시 상태에 따른 음극은 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 음극 활물질은 상술한 실리콘계 음극 활물질을 포함할 수 있다. An anode according to an exemplary embodiment of the present invention may include an anode active material, wherein the anode active material may include the above-described silicon-based anode active material.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질을 더 포함할 수 있다. 상기 탄소계 음극 활물질은 천연흑연, 인조흑연 등에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the negative active material may further include a carbon-based negative active material. The carbon-based negative electrode active material may be at least one selected from natural graphite and artificial graphite.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질 내에서 상기 실리콘계 음극 활물질 및 탄소계 음극 활물질의 중량비는 10:90 내지 90:10일 수 있고, 구체적으로 10:90 내지 50:50일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the weight ratio of the silicon-based negative active material and the carbon-based negative active material in the negative electrode active material may be 10:90 to 90:10, specifically 10:90 to 50:50.

구체적으로, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질층은 상기 음극 활물질을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 음극 활물질층은 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다. Specifically, the negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector. The negative active material layer may include the negative active material. Furthermore, the negative electrode active material layer may further include a binder and/or a conductive material.

상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 집전체로 사용할 수 있다. 상기 집전체의 두께는 6㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 상기 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.The anode current collector may be any material having conductivity without causing chemical change in the battery, and is not particularly limited. For example, as the current collector, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver may be used. Specifically, a transition metal that adsorbs carbon well, such as copper and nickel, can be used as the current collector. The current collector may have a thickness of 6 μm to 20 μm, but the thickness of the current collector is not limited thereto.

상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-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, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.The binder is polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, poly Vinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), alcohol It may include at least one selected from the group consisting of phononized EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, polyacrylic acid, and materials in which hydrogen is substituted with Li, Na, or Ca, and Various copolymers thereof may be included.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, farnes black, lamp black, and thermal black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; conductive tubes such as carbon nanotubes; metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

<이차 전지><Secondary Battery>

본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지는 상술한 일 실시상태에 따른 음극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 이차 전지는 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 상술한 음극과 동일하다. 상기 음극에 대해서는 상술하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.A secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention may include the anode according to the aforementioned exemplary embodiment. Specifically, the secondary battery may include a negative electrode, a positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode is the same as the negative electrode described above. Since the cathode has been described above, a detailed description thereof will be omitted.

상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성되며, 상기 양극활물질을 포함하는 양극 활물질층을 포함할 수 있다.The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector and including the positive electrode active material.

상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.In the positive electrode, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel. , those surface-treated with nickel, titanium, silver, etc. may be used. In addition, the cathode current collector may have a thickness of typically 3 to 500 μm, and adhesion of the cathode active material may be increased by forming fine irregularities on the surface of the current collector. For example, it may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.

상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+c1Mn2-c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 또는 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 양극은 Li-metal일 수도 있다.The cathode active material may be a commonly used cathode active material. Specifically, the cathode active material may include layered compounds such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or compounds substituted with one or more transition metals; lithium iron oxides such as LiFe 3 O 4 ; lithium manganese oxides such as Li 1+c1 Mn 2-c1 O 4 (0≤c1≤0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 ; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Formula LiNi 1-c2 M c2 O 2 (where M is at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, and Ga, and satisfies 0.01≤c2≤0.3) Ni site-type lithium nickel oxide; Formula LiMn 2-c3 M c3 O 2 (wherein M is at least one selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cr, Zn, and Ta, and satisfies 0.01≤c3≤0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (Here, M is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu and Zn.) Lithium manganese composite oxide represented by; or LiMn 2 O 4 in which Li in the formula is partially substituted with alkaline earth metal ions, but is not limited thereto. The anode may be Li-metal.

상기 양극 활물질층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer may include a positive electrode conductive material and a positive electrode binder together with the positive electrode active material described above.

이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. At this time, the positive electrode conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the configured battery, any material that does not cause chemical change and has electronic conductivity can be used without particular limitation. Specific examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one of them alone or a mixture of two or more may be used.

또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.In addition, the positive electrode binder serves to improve adhesion between particles of the positive electrode active material and adhesion between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose (CMC) ), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and the like may be used alone or in a mixture of two or more of them.

분리막으로는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해질 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.The separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ion movement. If it is normally used as a separator in a secondary battery, it can be used without particular limitation. it is desirable Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these A laminated structure of two or more layers of may be used. In addition, conventional porous non-woven fabrics, for example, non-woven fabrics made of high-melting glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, and the like may be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be selectively used in a single-layer or multi-layer structure.

상기 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.Examples of the electrolyte include, but are not limited to, organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, and molten inorganic electrolytes that can be used in manufacturing a lithium secondary battery.

구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.As the non-aqueous organic solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyllolactone, 1,2-dimethine Toxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxorane, formamide, dimethylformamide, dioxorane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid Triester, trimethoxy methane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, methyl propionate, propionic acid An aprotic organic solvent such as ethyl may be used.

특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해질을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are high-viscosity organic solvents and have a high dielectric constant, so they can be preferably used because they dissociate lithium salts well, and dimethyl carbonate and diethyl carbonate and When the same low-viscosity, low-dielectric constant linear carbonate is mixed and used in an appropriate ratio, an electrolyte having high electrical conductivity can be made and can be used more preferably.

상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 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)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.The metal salt may be a lithium salt, and the lithium salt is a material that is soluble in the non-aqueous electrolyte. For example, the anion of the lithium salt 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 - , (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 - At least one selected from the group consisting of may be used.

상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.In addition to the above electrolyte components, the electrolyte may include, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and triglycerides for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity decrease, and improving battery discharge capacity. Ethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imida One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol or aluminum trichloride may be further included.

본 발명의 또 다른 실시상태에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 고용량, 높은 율속 특성 및 사이틀 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a battery module including the secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided. Since the battery module and the battery pack include the secondary battery having high capacity, high rate and cycle characteristics, a medium or large-sized device selected from the group consisting of an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage system can be used as a power source for

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but the above embodiments are merely illustrative of the present description, and various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present description. It is obvious to those skilled in the art, Naturally, such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

<실시예 및 비교예><Examples and Comparative Examples>

실시예 1Example 1

Si 및 SiO2를 1:1 몰비로 혼합한 분말 94g과 Mg 6g을 반응로에서 혼합한 뒤, 1,400℃의 승화 온도로 진공 가열하였다. 이 후, 기화된 Si, SiO2, Mg 혼합 기체를 800℃의 냉각 온도를 가지는 진공 상태의 냉각 영역(cooling zone)에서 반응시켜 고상으로 응결시켰다. 이 후, 비활성 분위기, 800℃의 온도(추가 열처리 온도)에서 열처리를 진행하여 예비 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다. 이 후, 상기 예비 실리콘계 음극 활물질을 볼밀을 이용하여 sus ball media 15개를 투입한 후, 3시간 동안 분쇄하여 D50=6㎛ 크기로 제조하였다. 이 후, Ar 가스를 흘려 불활성 분위기를 유지하면서 CVD 장치의 핫 존(hot zone)에 상기 예비 실리콘계 음극 활물질을 위치시키고, 캐리어 가스로 Ar를 사용하여 상기 메탄을 900℃의 핫 존에 불어넣어 20분간 10-1 torr에서 반응시켜, 표면에 탄소층이 형성된 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.After mixing Si and SiO 2 in a 1:1 molar ratio of 94 g of powder and 6 g of Mg in a reaction furnace, the mixture was vacuum-heated to a sublimation temperature of 1,400°C. Thereafter, the vaporized Si, SiO 2 , and Mg mixed gas were reacted in a cooling zone in a vacuum state having a cooling temperature of 800° C. and condensed into a solid phase. Thereafter, heat treatment was performed in an inert atmosphere at a temperature of 800° C. (additional heat treatment temperature) to prepare a preliminary silicon-based negative electrode active material. Thereafter, 15 sus ball media were added to the preliminary silicon-based negative electrode active material using a ball mill, and then pulverized for 3 hours to prepare a size of D 50 =6 μm. Thereafter, while maintaining an inert atmosphere by flowing Ar gas, the preliminary silicon-based negative electrode active material is placed in a hot zone of a CVD apparatus, and methane is blown into the hot zone at 900 ° C. using Ar as a carrier gas to 20 The reaction was performed at 10 −1 torr per minute to prepare a silicon-based negative electrode active material having a carbon layer formed on the surface.

실시예 2Example 2

Sus ball media 10개를 투입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다. A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 10 Sus ball media were added.

실시예 3Example 3

실시예 1의 방법에서 Mg를 사용하지 않고, SiO 입자 94g을 합성한 후, Li 금속 분말(Li metal powder)을 6g 추가하고, 비활성 분위기, 800℃의 온도에서 열처리를 진행하여 예비 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다. 이 후, 상기 예비 실리콘계 음극 활물질을 볼밀을 이용하여 sus ball media 15개를 투입한 후, 3시간 동안 분쇄하여 D50=6㎛ 크기로 제조하였다. 이 후, Ar 가스를 흘려 불활성 분위기를 유지하면서 CVD 장치의 핫 존(hot zone)에 상기 예비 실리콘계 음극 활물질을 위치시키고, 캐리어 가스로 Ar를 사용하여 상기 메탄을 900℃의 핫 존에 불어넣어 20분간 10-1 torr에서 반응시켜, 표면에 탄소층이 형성된 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.In the method of Example 1, after synthesizing 94 g of SiO particles without using Mg, 6 g of Li metal powder was added, and heat treatment was performed at a temperature of 800 ° C in an inert atmosphere to obtain a preliminary silicon-based negative electrode active material. manufactured. Thereafter, 15 sus ball media were added to the preliminary silicon-based negative electrode active material using a ball mill, and then pulverized for 3 hours to prepare a size of D 50 =6 μm. Thereafter, while maintaining an inert atmosphere by flowing Ar gas, the preliminary silicon-based negative electrode active material is placed in a hot zone of a CVD apparatus, and methane is blown into the hot zone at 900 ° C. using Ar as a carrier gas to 20 The reaction was performed at 10 −1 torr per minute to prepare a silicon-based negative electrode active material having a carbon layer formed on the surface.

실시예 4Example 4

Sus ball media 10개를 투입한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 3, except that 10 Sus ball media were added.

비교예 1Comparative Example 1

분쇄 시간을 8시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the grinding time was modified to 8 hours.

비교예 2Comparative Example 2

분쇄 시간을 1시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the grinding time was modified to 1 hour.

비교예 3 Comparative Example 3

sus ball media를 30개 투입하고, 분쇄 시간을 8시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 30 sus ball media were added and the grinding time was modified to 8 hours.

비교예 4Comparative Example 4

sus ball media를 30개 투입하고, 분쇄 시간을 1시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 30 sus ball media were added and the grinding time was modified to 1 hour.

비교예 5Comparative Example 5

분쇄 시간을 8시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative active material was prepared in the same manner as in Example 3, except that the grinding time was changed to 8 hours.

비교예 6Comparative Example 6

분쇄 시간을 1시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative active material was prepared in the same manner as in Example 3, except that the grinding time was modified to 1 hour.

비교예 7Comparative Example 7

sus ball media를 30개 투입하고, 분쇄 시간을 8시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 3, except that 30 pieces of sus ball media were added and the grinding time was modified to 8 hours.

비교예 8Comparative Example 8

sus ball media를 30개 투입하고, 분쇄 시간을 1시간으로 수정한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 3, except that 30 sus ball media were added and the grinding time was modified to 1 hour.

비교예 9Comparative Example 9

Sus ball media를 30개 투입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 30 Sus ball media were added.

비교예 10Comparative Example 10

Sus ball media를 30개 투입한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 실리콘계 음극 활물질을 제조하였다. A silicon-based negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 3, except that 30 Sus ball media were added .

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 실리콘계 음극 활물질은 하기 표 1과 같다.The silicon-based negative electrode active materials prepared in Examples and Comparative Examples are shown in Table 1 below.

실리콘계 음극 활물질의 입도 분석Particle size analysis of silicon-based negative electrode active material 실리콘계 음극 활물질의 비표면적 (m2/g)Specific surface area of silicon-based negative electrode active material (m 2 /g) 실리콘계 음극 활물질의 코어 내 총 100 중량부를 기준으로 포함되는 금속 원자 중량부Parts by weight of metal atoms included based on 100 parts by weight in the core of the silicon-based negative electrode active material D5/D50 D5 / D50 D50(㎛)D 50 (μm) Dmax(㎛)D max (μm) Dmin(㎛)D min (μm) Mg 함량 (중량부)Mg content (parts by weight) Li 함량 (중량부)Li content (parts by weight) 실시예 1Example 1 0.50.5 66 1919 22 3.53.5 66 -- 실시예 2Example 2 0.60.6 66 1717 2.52.5 2.52.5 66 -- 실시예 3Example 3 0.50.5 66 1919 22 3.53.5 -- 66 실시예 4Example 4 0.60.6 66 1717 2.52.5 2.52.5 -- 66 비교예 1Comparative Example 1 0.50.5 33 2020 1One 5.05.0 66 -- 비교예 2Comparative Example 2 0.50.5 1212 4040 55 2.02.0 66 -- 비교예 3Comparative Example 3 0.30.3 33 2020 0.50.5 6.06.0 66 -- 비교예 4Comparative Example 4 0.30.3 1212 4040 2.52.5 2.52.5 66 -- 비교예 5Comparative Example 5 0.50.5 33 2020 1One 5.05.0 -- 66 비교예 6 Comparative Example 6 0.50.5 1212 4040 55 2.02.0 -- 66 비교예 7Comparative Example 7 0.30.3 33 2020 0.50.5 6.06.0 -- 66 비교예 8Comparative Example 8 0.30.3 1212 4040 2.52.5 2.52.5 -- 66 비교예 9Comparative Example 9 0.30.3 66 2020 0.50.5 4.04.0 66 -- 비교예 10Comparative Example 10 0.30.3 66 2020 0.50.5 4.04.0 -- 66

상기 실리콘계 음극 활물질의 입도 분석은 microtac 장비를 이용하여 PSD 측정 방법으로 분석하였다. The particle size analysis of the silicon-based negative electrode active material was analyzed by the PSD measurement method using a microtac device.

상기 비표면적은, BET 측정 장비(BEL-SORP-MAX, Nippon Bell)를 이용하여, 130℃에서 2시간 동안 가스를 제거(degassing)하고, 77K에서 N2 흡착/탈착(absorption/desorption)을 진행하여 측정하였다.The specific surface area was measured by degassing at 130° C. for 2 hours using BET measuring equipment (BEL-SORP-MAX, Nippon Bell), and adsorption/desorption of N 2 at 77K. was measured.

상기 금속 원자 함량은 유도결합 플라즈마 발광 분석 분광기(Perkin-Elmer 7300사의 ICP-OES, AVIO 500)를 이용한 ICP 분석을 통하여 확인하였다. The metal atom content was confirmed through ICP analysis using an inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP-OES, AVIO 500, manufactured by Perkin-Elmer 7300).

<실험예: 방전 용량, 초기 효율, 수명(용량 유지율) 특성 평가><Experimental Example: Evaluation of Discharge Capacity, Initial Efficiency, Life (Capacity Retention Rate) Characteristics>

실시예들 및 비교예들의 음극 활물질을 각각 이용하여 음극 및 전지를 제조하였다. A negative electrode and a battery were manufactured using the negative electrode active materials of Examples and Comparative Examples, respectively.

상기 음극 활물질, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 PAA (poly acrylic acid)를 80:10:10 중량비로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 이후, 상기 혼합물 5g에 증류수 7.8g을 투입한 뒤 교반하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 두께가 20㎛인 음극 집전체인 구리(Cu) 금속 박막에 도포, 건조하였다. 이때 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이어서, 압연(roll press)하고 130℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조하여 음극을 제조하였다.A mixture was prepared by mixing the anode active material, carbon black as a conductive material, and polyacrylic acid (PAA) as a binder in a weight ratio of 80:10:10. Thereafter, 7.8 g of distilled water was added to 5 g of the mixture and stirred to prepare an anode slurry. The anode slurry was applied to a copper (Cu) metal thin film as an anode current collector having a thickness of 20 μm and dried. At this time, the temperature of the circulated air was 60°C. Subsequently, a negative electrode was prepared by roll pressing and drying in a vacuum oven at 130° C. for 12 hours.

제조된 음극을 1.7671㎠의 원형으로 절단한 리튬(Li) 금속 박막을 양극으로 하였다. 상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 메틸에틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피비가 7:3인 혼합 용액에 0.5 중량부로 용해된 비닐렌 카보네이트를 용해시키고, 1M 농도의 LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여, 리튬 코인 하프 셀(coin half-cell)을 제조하였다.A lithium (Li) metal thin film obtained by cutting the prepared negative electrode into a circular shape of 1.7671 cm 2 was used as a positive electrode. A separator of porous polyethylene is interposed between the positive electrode and the negative electrode, and vinylene carbonate dissolved in 0.5 parts by weight is dissolved in a mixed solution having a mixed volume ratio of methyl ethyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) of 7: 3, and 1M A lithium coin half-cell was prepared by injecting an electrolyte solution in which a concentration of LiPF 6 was dissolved.

제조된 전지에 대해 충·방전을 수행하여, 방전 용량, 초기 효율, 용량 유지율을 평가하였고, 이를 하기 표 2에 기재하였다.The prepared battery was charged and discharged to evaluate discharge capacity, initial efficiency, and capacity retention rate, which are shown in Table 2 below.

1회 사이클과 2회 사이클은 0.1C로 충·방전하였고, 3회 사이클부터는 0.5C로 충·방전을 수행하였다. 300회 사이클은 충전(리튬이 음극에 들어있는 상태)상태에서 종료하였다.The first and second cycles were charged and discharged at 0.1C, and the third cycle was charged and discharged at 0.5C. The 300 cycles were terminated in the state of charge (with lithium in the negative electrode).

충전 조건: CC(정전류)/CV(정전압)(5mV/0.005C current cut-off) Charging conditions: CC (constant current)/CV (constant voltage) (5mV/0.005C current cut-off)

방전 조건: CC(정전류) 조건 1.5VDischarge condition: CC (constant current) condition 1.5V

1회 충방전 시의 결과를 통해, 방전 용량(mAh/g) 및 초기 효율(%)을 도출하였다. 구체적으로 초기 효율(%)은 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다.Through the results of one charge and discharge, discharge capacity (mAh / g) and initial efficiency (%) were derived. Specifically, the initial efficiency (%) was derived by the following calculation.

초기 효율(%) = (1회 방전 후 방전 용량 / 1회 충전 용량)×100Initial efficiency (%) = (discharge capacity after one discharge / one charge capacity) × 100

용량 유지율은 각각 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다. The capacity retention rates were derived by the following calculations, respectively.

용량 유지율(%) = (300회 방전 용량 / 1회 방전 용량)×100Capacity retention rate (%) = (300 discharge capacity / 1 discharge capacity) × 100

전지battery 방전 용량(mAh/g)Discharge capacity (mAh/g) 초기 효율(%)Initial Efficiency (%) 용량 유지율(%)Capacity retention rate (%) 실시예 1Example 1 14301430 8080 5050 실시예 2Example 2 14501450 8080 5252 실시예 3Example 3 13501350 8585 5050 실시예 4Example 4 13601360 8585 5252 비교예 1Comparative Example 1 14201420 7979 3535 비교예 2Comparative Example 2 13801380 7878 2525 비교예 3Comparative Example 3 13901390 7878 2525 비교예 4Comparative Example 4 13701370 7878 1515 비교예 5Comparative Example 5 13201320 8484 3535 비교예 6Comparative Example 6 13001300 8080 2525 비교예 7Comparative Example 7 13201320 8383 2525 비교예 8Comparative Example 8 13001300 8080 1515 비교예 9Comparative Example 9 14201420 7979 4545 비교예 10Comparative Example 10 13301330 8484 4242

본 발명에 따른 실리콘계 음극 활물질은 금속 원자를 포함하며, D5/D50이 0.5 이상이며, D50이 4 ㎛ 내지 11 ㎛인 것이 특징으로, 적절한 D50 및 D5/D50의 입도 분포를 가짐으로써, 전해액과의 부반응을 억제하고, 충방전이 용이하여 용량/효율 구현이 온전히 일어나고, 수명 특성이 안정적인 효과가 있다.The silicon-based negative electrode active material according to the present invention includes metal atoms, D 5 /D 50 is 0.5 or more, and D 50 is 4 μm to 11 μm, and the particle size distribution of D 50 and D 5 /D 50 is appropriate By having it, side reactions with the electrolyte are suppressed, charging and discharging are facilitated, capacity/efficiency implementation occurs completely, and life characteristics are stable.

상기 표 2에 있어서, 실시예 1 및 2는 Mg를 포함하는 음극 활물질로, D5/D50 값을 만족하지 못하거나, D50 값을 만족하지 못하는 비교예 1 내지 4 및 9에 비하여 방전 용량, 초기 효율 및 용량 유지율이 모두 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 3 및 4는 Li를 포함하는 음극 활물질로, 비교예 5 내지 8 및 10에 비하여 방전 용량, 초기 효율 및 용량 유지율이 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.In Table 2, Examples 1 and 2 are negative active materials containing Mg, and have a discharge capacity compared to Comparative Examples 1 to 4 and 9 that do not satisfy the D 5 /D 50 value or the D 50 value. , it can be confirmed that both the initial efficiency and the capacity retention rate are excellent. In addition, Examples 3 and 4 are negative electrode active materials containing Li, and it can be seen that they are superior in discharge capacity, initial efficiency, and capacity retention rate compared to Comparative Examples 5 to 8 and 10.

반면, 비교예 1 및 5는 본 발명의 D5/D50 범위를 만족하나 D50이 4 ㎛보다 작은 것으로, 전체적인 입자 크기가 너무 작아 소재의 비표면적이 커지고, 전해액과의 부반응이 많이 발생하여, 실시예보다 용량, 효율 및 수명이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, Comparative Examples 1 and 5 satisfy the D 5 /D 50 range of the present invention, but the D 50 is smaller than 4 μm, and the overall particle size is too small to increase the specific surface area of the material and cause a lot of side reactions with the electrolyte. , It was confirmed that the capacity, efficiency and lifespan were lowered than in the Example.

비교예 2 및 6은 본 발명의 D5/D50 범위를 만족하나 D50이 11 ㎛보다 큰 것으로, 전체적인 입자의 크기가 너무 커서 충방전이 용이 하지 못하게 되므로, 실시예보다 용량, 효율 및 수명이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.Comparative Examples 2 and 6 satisfy the D 5 /D 50 range of the present invention, but the D 50 is greater than 11 μm, and the overall particle size is too large to make charging and discharging difficult. This degradation was observed.

비교예 3, 4, 7 및 8은 본 발명의 D5/D50 및 D50 범위를 전부 만족하지 않는 것으로 실시예보다 용량, 효율 및 수명이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있었다.Comparative Examples 3, 4, 7, and 8 did not satisfy all of the D 5 /D 50 and D 50 ranges of the present invention, and it was confirmed that capacity, efficiency, and lifespan were significantly lowered than Examples.

비교예 9 및 10은 본 발명의 D50 범위를 만족하나, D5/D50가 0.5 미만인 것으로, 음극 내에 D50보다 훨씬 작은 크기의 음극 활물질이 차지하는 부피가 증가하기 때문에 전해액과의 부반응이 증가하게 되어 실시예보다 전지의 수명이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.Comparative Examples 9 and 10 satisfy the D 50 range of the present invention, but D 5 /D 50 is less than 0.5, and the volume occupied by the negative electrode active material much smaller than D 50 in the negative electrode increases, so the side reaction with the electrolyte increases. As a result, it was confirmed that the lifespan of the battery was reduced compared to the example.

따라서, 상기 음극 활물질의 D50 및 D5/D50의 범위를 조절함으로써 전해액과의 부반응을 줄여 전지의 수명, 효율 및 용량 유지율을 용이하게 개선시킬 수 있었다.Therefore, by adjusting the ranges of D 50 and D 5 /D 50 of the negative electrode active material, side reactions with the electrolyte were reduced, and life, efficiency, and capacity retention rate of the battery could be easily improved.

Claims (12)

코어 및 상기 코어 상에 배치된 탄소층을 포함하고,
상기 코어는 SiOx(0<x<2) 및 금속 원자를 포함하고,
상기 금속 원자는 Mg, Li, Al 및 Ca로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하고,
D5/D50이 0.5 이상이며, D50이 4 ㎛ 내지 11 ㎛인 실리콘계 음극 활물질.
Including a core and a carbon layer disposed on the core,
The core includes SiO x (0<x<2) and metal atoms,
The metal atom includes at least one selected from the group consisting of Mg, Li, Al and Ca,
A silicon-based negative electrode active material having D 5 /D 50 of 0.5 or more and D 50 of 4 μm to 11 μm.
청구항 1에 있어서,
상기 D5/D50는 0.6 이상인 것인 실리콘계 음극 활물질.
The method of claim 1,
The D 5 /D 50 is a silicon-based negative active material that is 0.6 or more.
청구항 1에 있어서,
상기 D50는 4.2 ㎛ 내지 10 ㎛인 것인 실리콘계 음극 활물질.
The method of claim 1,
The D 50 is a silicon-based negative electrode active material of 4.2 μm to 10 μm.
청구항 1에 있어서,
상기 D5은 2 ㎛ 내지 11 ㎛인 것인 음극 활물질.
The method of claim 1,
The D 5 is a negative electrode active material of 2 μm to 11 μm.
청구항 1에 있어서,
상기 실리콘계 음극 활물질의 Dmax는 35 ㎛ 이하인 것인 실리콘계 음극 활물질.
The method of claim 1,
D max of the silicon-based negative electrode active material is 35 ㎛ or less of the silicon-based negative active material.
청구항 1에 있어서,
상기 금속 원자는 상기 실리콘계 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 40 중량부로 포함되는 것인 실리콘계 음극 활물질.
The method of claim 1,
The metal atom is contained in 0.1 part by weight to 40 parts by weight based on a total of 100 parts by weight of the silicon-based negative electrode active material.
청구항 1에 있어서,
상기 금속 원자는 Mg 또는 Li를 포함하는 것인 실리콘계 음극 활물질.
The method of claim 1,
The metal atom is a silicon-based negative electrode active material containing Mg or Li.
청구항 1에 있어서,
상기 탄소층은 상기 실리콘계 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 50 중량부로 포함되는 것인 실리콘계 음극 활물질.
The method of claim 1,
The carbon layer is a silicon-based negative electrode active material that is included in 0.1 part by weight to 50 parts by weight based on the total 100 parts by weight of the silicon-based negative electrode active material.
청구항 1에 있어서,
BET 비표면적은 2 m2/g 초과 10 m2/g 미만인 것인 실리콘계 음극 활물질.
The method of claim 1,
A BET specific surface area of more than 2 m 2 /g and less than 10 m 2 /g, which is a silicon-based negative electrode active material.
음극 활물질을 포함하며,
상기 음극 활물질은 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 음극.
Contains an anode active material,
The negative electrode active material includes the silicon-based negative electrode active material according to any one of claims 1 to 9.
청구항 10에 있어서,
상기 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질을 더 포함하는 것인 음극.
The method of claim 10,
The negative electrode active material further comprises a carbon-based negative electrode active material.
청구항 10에 따른 음극을 포함하는 이차 전지.A secondary battery comprising the negative electrode according to claim 10 .
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