KR20230155637A - Surface carbon-coated silicon oxide-based anode active material and its manufacturing method - Google Patents

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이영석
하성민
고윤영
김대섭
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충남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 불활성분위기 하에 석유계 잔사유 증유분을 열처리하여 얻은 하기 조건 (1) 내지 (4)를 만족하는 탄소코팅 전구체로 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 입자의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 비정질 탄소코팅층을 탄화시키는 단계;를 포함하며, 하기 조건 (1) ~ (4)에서 각 탄화수소화합물의 함량은 상기 탄소코팅 전구체를1H-NMR 스펙트럼 분석한 결과, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 하기 조건 (1) 내지 (4)의 검출피크 범위에서의 각 피크 면적의 백분율로 도출된 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법을 제공할 수 있다.
(1) 검출피크 6.0 ppm 이상 7.2 ppm 미만에서 검출되는 단환 방향족 탄화수소화합물 함량이 30% 이하
(2) 검출피크 7.2 ppm 이상 7.8 ppm 미만에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물 함량이 10 내지 45%
(3) 검출피크 7.8 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물 함량이 3 내지 20%
(4) 검출피크 2.0 ppm 이상 6.0 ppm 미만에서 검출되는 지방족 탄화수소화합물 함량이 30 내지 60%
The present invention relates to a silicon oxide-based negative electrode active material with surface carbon coating and a method of manufacturing the same. According to an embodiment of the present invention, a carbon coating precursor satisfying the following conditions (1) to (4) obtained by heat treating petroleum residue distillate under an inert atmosphere is made of particles containing SiOx (0<x≤2). Depositing an amorphous carbon coating layer on the surface; and carbonizing the deposited amorphous carbon coating layer, wherein the content of each hydrocarbon compound under the following conditions (1) to (4) is determined by analyzing the 1 H-NMR spectrum of the carbon coating precursor, with a detection peak of 2.0 ppm. A method for producing a silicon oxide-based negative active material can be provided, which is derived as a percentage of each peak area in the detection peak range of the following conditions (1) to (4) compared to the total peak area below 9.0 ppm.
(1) The content of monocyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 6.0 ppm or more and less than 7.2 ppm is 30% or less.
(2) The content of dicyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.2 ppm or more and less than 7.8 ppm is 10 to 45%.
(3) The content of tricyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.8 ppm or more and less than 9.0 ppm is 3 to 20%.
(4) The content of aliphatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 2.0 ppm or more but less than 6.0 ppm is 30 to 60%.

Description

표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질 및 그 제조방법 {SURFACE CARBON-COATED SILICON OXIDE-BASED ANODE ACTIVE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD}Surface carbon-coated silicon oxide-based anode active material and method of manufacturing the same {SURFACE CARBON-COATED SILICON OXIDE-BASED ANODE ACTIVE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon oxide-based negative electrode active material with surface carbon coating and a method of manufacturing the same.

전세계적으로 대기오염과 온실효과와 같은 환경 문제를 해결하기 위하여 친환경적이고 지속 가능한 에너지원과 효율적인 에너지 저장 시스템 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 환경 문제를 대체할 친환경 에너지 저장 장치로서 리튬 이차전지가 주목받고 있다. 리튬 이차전지(LIBs)는 높은 에너지 밀도/작동 전압, 빠른 출력 특성 및 우수한 수명 등의 장점을 가지고 있다. In order to solve environmental problems such as air pollution and greenhouse effect around the world, much effort is being made to develop eco-friendly and sustainable energy sources and efficient energy storage systems. Lithium secondary batteries are attracting attention as an eco-friendly energy storage device to solve environmental problems. Lithium secondary batteries (LIBs) have advantages such as high energy density/operating voltage, fast output characteristics, and excellent lifespan.

그러나, 전기차 등에 요구되는 대규모 에너지 저장장치는 기존 흑연계 음극재(이론용량 ~372mAh/g) 보다 에너지 밀도가 향상된 전극 소재가 필요하다. 흑연계 음극재의 대안으로 단위 무게 및 단위 부피 당 고용량의 에너지를 저장할 수 있는 음극 소재로서 실리콘계 음극재(이론용량 4200 mAh/g)이 연구되고 있다. 그러나, 실리콘 음극재는 원료인 실리콘 분말을 제조하기 위해서 발생하는 높은 제조원가의 문제가 있으며, 실리콘계 음극재는 전지에 적용하는 경우 실리콘의 높은 부피팽창률에 의해 배터리 용량 유지율(capacity retention)이 급격하게 감소하게 되는 문제가 있다.However, large-scale energy storage devices required for electric vehicles, etc. require electrode materials with improved energy density than existing graphite-based anode materials (theoretical capacity ~372 mAh/g). As an alternative to graphite-based anode materials, silicon-based anode materials (theoretical capacity 4200 mAh/g) are being studied as anode materials that can store high capacity energy per unit weight and unit volume. However, silicon anode materials have the problem of high manufacturing costs incurred in manufacturing silicon powder, which is a raw material, and when silicon-based anode materials are applied to batteries, battery capacity retention decreases sharply due to the high volume expansion rate of silicon. there is a problem.

이러한 실리콘계 음극재에서 발생하는 문제를 개선하기 위하여 실리콘 나노 입자, 다공성 실리콘 등의 연구가 진행되고 있다. 최근에는 이러한 실리콘의 대체재로써 실리콘 산화물(SiOx, 0<x≤2)이 많이 연구되고 있다. 그러나, 실리콘 산화물도 여전히 충방전 시 높은 부피 팽창율(160%)의 문제와 낮은 전기전도도의 문제가 존재하며, 이는 리튬 이차전지의 사이클 안정성을 떨어트린다. In order to improve the problems occurring in these silicon-based anode materials, research on silicon nanoparticles, porous silicon, etc. is underway. Recently, silicon oxide (SiOx, 0<x≤2) has been widely studied as a substitute for silicon. However, silicon oxide still has the problem of high volume expansion rate (160%) and low electrical conductivity during charging and discharging, which reduces the cycle stability of lithium secondary batteries.

이를 해결하기 위하여 SiOx와 탄소를 결합하여 흑연과 유사한 블록 Graphite-Like Blocky SiOx@C, Microspheres SiOx@C 및 Composite nanorods와 coal/petroleum-based pitch 같은 탄소 전구체를 이용한 탄소 코팅을 통하여 부피 팽창 억제 및 배터리 용량 유지 개선을 위한 연구들이 진행되고 있다. To solve this problem, SiOx and carbon are combined to suppress volume expansion through carbon coating using carbon precursors such as graphite-like block Graphite-Like Blocky SiOx@C, Microspheres SiOx@C, and composite nanorods and coal/petroleum-based pitch. Research is underway to improve capacity maintenance.

한편, 석유계 잔사유는 대한민국에서 연간 100만 톤 이상 생산되고 있다. 열적, 구조적 특성이 다르고 친환경적인 업사이클링 가능성을 확인하기 위하여 석유계 잔사유 성분을 사용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 석유계 잔사유 성분 또는 그로부터 유래되는 성분은 저가 원료로서 실리콘 산화물계 음극활물질의 탄소코팅재로 사용된다면 자원의 재활용성을 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대된다.Meanwhile, more than 1 million tons of petroleum residues are produced annually in Korea. Much research is being conducted using petroleum residue components that have different thermal and structural properties and to confirm the possibility of eco-friendly upcycling. Petroleum residue components or components derived from them are low-cost raw materials, and if used as a carbon coating material for silicon oxide-based anode active materials, it is expected that the recyclability of resources can be further expanded.

한국 등록특허공보 제10-1345708호(공고일자: 2013년12월27일)Korean Patent Publication No. 10-1345708 (Publication date: December 27, 2013)

상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 종래 음극재 대비 용량이 우수하며, 사이클 안정성이 향상된 표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention seeks to provide a silicon oxide-based negative electrode active material with surface carbon coating that has superior capacity compared to conventional negative electrode materials and improved cycle stability, and a method for manufacturing the same.

본 발명은 석유계 잔사유 증유분을 이용하여 표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a silicon oxide-based negative electrode active material coated with surface carbon using refined petroleum residue and a method for manufacturing the same.

상술된 목적을 달성하기 위한 일 수단으로 본 발명의 일 실시예에 따르면 불활성분위기 하에 석유계 잔사유 증유분을 열처리하여 얻은 하기 조건 (1) 내지 (4)를 만족하는 탄소코팅 전구체로 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 입자의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 비정질 탄소코팅층을 탄화시키는 단계;를 포함하며, 하기 조건 (1) ~ (4)에서 각 탄화수소화합물의 함량은 상기 탄소코팅 전구체를1H-NMR 스펙트럼 분석한 결과, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 하기 조건 (1) 내지 (4)의 검출피크 범위에서의 각 피크 면적의 백분율로 도출된 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법을 제공할 수 있다.As a means to achieve the above-mentioned object, according to one embodiment of the present invention, SiOx (0 Depositing an amorphous carbon coating layer on the surface of particles containing <x≤2); and carbonizing the deposited amorphous carbon coating layer, wherein the content of each hydrocarbon compound under the following conditions (1) to (4) is determined by analyzing the 1 H-NMR spectrum of the carbon coating precursor, with a detection peak of 2.0 ppm. A method for producing a silicon oxide-based negative active material can be provided, which is derived as a percentage of each peak area in the detection peak range of the following conditions (1) to (4) compared to the total peak area below 9.0 ppm.

(1) 검출피크 6.0 ppm 이상 7.2 ppm 미만에서 검출되는 단환 방향족 탄화수소화합물 함량이 30% 이하;(1) The content of monocyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 6.0 ppm or more and less than 7.2 ppm is 30% or less;

(2) 검출피크 7.2 ppm 이상 7.8 ppm 미만에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물 함량이 10 내지 45%;(2) The content of dicyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.2 ppm or more and less than 7.8 ppm is 10 to 45%;

(3) 검출피크 7.8 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물 함량이 3 내지 20%;(3) The content of tricyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.8 ppm or more and less than 9.0 ppm is 3 to 20%;

(4) 검출피크 2.0 ppm 이상 6.0 ppm 미만에서 검출되는 지방족 탄화수소화합물 함량이 30 내지 60%;(4) The content of aliphatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 2.0 ppm or more and less than 6.0 ppm is 30 to 60%;

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 온도 범위는 100 내지 400 ℃인 것일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the temperature range for heat treating the refined petroleum residue may be 100 to 400 ° C.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상온에서부터 상기 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 온도 범위인 100 내지 400 ℃의 온도까지 3 내지 7 ℃/min의 승온속도로 가열하는 것을 포함할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, it may include heating at a temperature increase rate of 3 to 7 ° C./min from room temperature to a temperature of 100 to 400 ° C., which is the temperature range for heat treatment of the petroleum residue distillate.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 조건 (2)에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물 및 상기 조건 (3)에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물의 함량의 합이 20% 이상인 것일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the sum of the contents of the dicyclic aromatic hydrocarbon compound detected under condition (2) and the tricyclic aromatic hydrocarbon compound detected under condition (3) may be 20% or more.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 증착하는 단계는 물리적 기상 증착법(PVD)을 이용하여 증착하는 것을 포함할 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the deposition step may include deposition using physical vapor deposition (PVD).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 탄화시키는 단계는 상기 비정질 탄소코팅층을 증착하는 단계 이후 800 내지 1200 ℃까지 8 내지 12 ℃/min의 승온속도로 가열한 다음, 30 분 이상 열처리하는 것을 포함할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the carbonization step includes heating the amorphous carbon coating layer at a temperature increase rate of 8 to 12 °C/min to 800 to 1200 °C and then heat treating for more than 30 minutes. can do.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 석유계 잔사유 증유분은 석유계 잔사유를 피치 개질함으로써 얻은 생성물인 것일 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the refined petroleum residue may be a product obtained by pitch reforming petroleum residue.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 일 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따르면 상술한 제조방법에 따라 제조된 실리콘 산화물계 음극활물질을 제공할 수 있다. In addition, as another means to achieve the object of the present invention, according to an embodiment of the present invention, a silicon oxide-based negative electrode active material manufactured according to the above-described manufacturing method can be provided.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 일 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따르면 SiOx (0<x≤2)를 포함하는 입자 및 상기 입자의 표면 상에 마련된 비정질 탄소코팅층을 포함하는 실리콘 산화물계 음극활물질에 있어서, 514 nm 파장의 레이저를 이용한 라만 스펙트럼 분석에서 ID은 1300 cm-1 내지 1400 cm-1에서 나타나는 최대 피크 강도이며, IG는 1550 cm-1 내지 1650 cm-1에서 나타나는 최대 피크 강도라고 할 때, 피크 강도비 ID/IG 값이 0.9 내지 1.05인 것을 특징으로 하는, 실리콘 산화물계 음극활물질을 제공할 수 있다.In addition, as another means to achieve the object of the present invention, according to one embodiment of the present invention, silicon oxide comprising particles containing SiOx (0<x≤2) and an amorphous carbon coating layer provided on the surface of the particles For cathode active materials, in Raman spectrum analysis using a laser with a wavelength of 514 nm, I D is the maximum peak intensity that appears from 1300 cm -1 to 1400 cm -1 , and I G appears from 1550 cm -1 to 1650 cm -1 When referring to the maximum peak intensity, a silicon oxide-based negative electrode active material can be provided, characterized in that the peak intensity ratio I D /I G value is 0.9 to 1.05.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 산화물계 음극활물질은 Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS 원소 분석 시 at%로, C: 80% 이상, O: 5 내지 15%, 나머지 Si 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.In addition, the silicon oxide-based anode active material according to an embodiment of the present invention is at% when analyzed by surface XPS elements using an Al-Kα May contain unavoidable impurities.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 산화물계 음극활물질은 Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS C1s 세부 피크 분석 결과, 분할된 피크의 면적률 값이 하기 C(1) 내지 C(4)를 만족하는 것일 수 있다.In addition, as a result of surface XPS C 1s detailed peak analysis of the silicon oxide-based negative electrode active material according to an embodiment of the present invention using an Al-Kα ) may be satisfied.

C(1) : C=C결합 면적률 70 내지 85%;C(1): C=C bond area ratio 70 to 85%;

C(2) : C-C결합 면적률 5 내지 25%;C(2): C-C bond area ratio 5 to 25%;

C(3) : C-O결합 면적률 0% 초과 5% 이하;C(3): C-O bond area ratio exceeding 0% and 5% or less;

C(4) : O-C=O결합 면적률 0% 초과 5% 이하;C(4): O-C=O bond area ratio exceeding 0% and less than or equal to 5%;

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 비정질 탄소코팅층의 두께가 10 내지 30 nm일 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the thickness of the amorphous carbon coating layer may be 10 to 30 nm.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 SiOx (0<x≤2)를 포함하는 입자의 평균 입경이 1 내지 10 ㎛일 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the average particle diameter of the particles containing SiOx (0<x≤2) may be 1 to 10 ㎛.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 일 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따르면 전술한 음극활물질을 포함하는 음극을 제공할 수 있다.In addition, as another means for achieving the object of the present invention, according to an embodiment of the present invention, a negative electrode containing the above-described negative electrode active material can be provided.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 일 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따르면 전술한 음극을 포함하는 전지를 제공할 수 있다.In addition, as another means for achieving the object of the present invention, according to an embodiment of the present invention, a battery including the above-described negative electrode can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 석유계 잔사유 증유분을 물리적 기상 증착법(PVD)을 이용하여 실리콘 산화물계 음극활물질의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 형성한 표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a silicon oxide-based negative electrode active material coated with surface carbon is formed by forming an amorphous carbon coating layer on the surface of a silicon oxide-based negative electrode active material using a physical vapor deposition (PVD) method of petroleum residue distillate, and a surface carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material. Manufacturing methods can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 저가원료인 석유계 잔사유 증유분을 업사이클링할 수 있는 표면 탄소코팅된 실리콘계 산화물계 음극활물질 및 그 제조방법을 제공할 수 있으므로 경제성 및 친환경성이 우수하다. According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a silicon-based oxide-based negative electrode active material with surface carbon coating that can upcycle refined petroleum residue, which is a low-cost raw material, and a method for manufacturing the same, which is excellent in economic efficiency and eco-friendliness.

본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄소코팅된 실리콘계 산화물계 음극활물질은 용량이 우수하며, 사이클 안정성이 우수하다. The surface carbon-coated silicon-based oxide-based negative electrode active material according to an embodiment of the present invention has excellent capacity and excellent cycle stability.

도 1a 내지 도 1d는 200, 250, 300 fraction oil에 대한 1H-NMR 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 200, 250, 300 fraction oil에 대한 FT-IR 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx) 및 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)의 Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS 분석한 결과 도면이다.
도 3c 내지 도 3e는 각각 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)의 Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS C1s 세부 피크를 분석한 결과 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)의 라만 스펙트럼 분석 결과 도면이다.
도 4d 내지 도 4f는 각각 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)의 TEM 분석 결과 도면이다.
도 4g 내지 도 4i는 각각 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)의 EDS 분석 결과 도면이다.
도 5a는 탄소미코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx), 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)를 반쪽전지로 제조하여 율속특성을 평가한 그래프이다.
도 5b는 탄소미코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx), 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)를 반쪽전지로 제조하여 사이클 안정성을 평가한 그래프이다.
Figures 1a to 1d are diagrams showing the results of 1 H-NMR spectrum analysis for 200, 250, and 300 fraction oil.
Figure 2 is a diagram showing the results of FT-IR analysis for 200, 250, and 300 fraction oil.
Figures 3a and 3b are diagrams showing the results of surface XPS analysis using an Al-Kα
Figures 3c to 3e are diagrams showing the results of analyzing the detailed surface
Figures 4a to 4c are diagrams showing the results of Raman spectrum analysis of carbon-coated silicon oxide-based anode active materials (SiOx@C 200, 250, and 300), respectively.
Figures 4d to 4f are diagrams showing TEM analysis results of carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active materials (SiOx@C 200, 250, and 300), respectively.
Figures 4g to 4i show the EDS analysis results of carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx@C 200, 250, and 300), respectively.
Figure 5a is a graph evaluating the rate characteristics of carbon-uncoated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx) and carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx@C 200, 250, 300) manufactured as half cells.
Figure 5b is a graph evaluating the cycle stability of carbon-uncoated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx) and carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx@C 200, 250, 300) manufactured as half cells.

이하, 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 다만, 이는 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다. 또한, 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것도 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement it. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the implementation examples described herein. Additionally, it is not intended to limit the scope of protection limited by the scope of the patent claims.

또한, 본 발명의 설명에 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.In addition, if there is no other definition in the technical and scientific terms used in the description of the present invention, they have the meaning commonly understood by those skilled in the art in the technical field to which this invention pertains, and in the following description, the present invention Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the point are omitted.

본 발명을 특별한 정의가 없는 한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Unless there is a special definition for the present invention, the fact that a part "includes" a certain component does not mean that other components are excluded, but that it may further include other components, unless specifically stated to the contrary. Additionally, as used in the specification and the appended claims, the singular forms “a,” “an,” and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly dictates otherwise.

본 발명자들은 탄소 전구체인 피치나 고분자 산화물 등을 사용하여 실리콘 산화물계 음극재 표면에 비정질 탄소층을 형성하게 되면 형성된 비정질 탄소층이 실리콘 산화물계 음극재 표면 완충제 역할을 수행하여 부피 팽창을 억제한다는 점에 주목하였다. The present inventors found that when an amorphous carbon layer is formed on the surface of a silicon oxide-based anode material using pitch or polymer oxide, which are carbon precursors, the formed amorphous carbon layer acts as a buffer on the surface of the silicon oxide-based anode material and suppresses volume expansion. paid attention to.

탄소 전구체는 석탄계 피치, 석유계 피치, 수크로스(sucrose), PVC, PVA 등이 있다. 그 중에서도 특히 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH)로 구성된 혼합물인 열분해 잔사유 (PFO, pyrolzed fuel oil)는 석탄계 피치에 비하여 황과 같은 불순물이 적어 고부가 탄소재료에 적합한 원료로 알려져 있다. 또한, 열분해 잔사유를 구성하는 혼합물들은 열처리 온도에 따라 개별적으로 분리된다. 분리된 성분들은 단독 또는 각 성분 간 중합 및/또는 축합반응하여 다양한 구조의 화합물을 형성하며, 이로 인해 열분해 잔사유를 열처리하면 다양한 물리화학적 특성을 나타낼 수 있다. Carbon precursors include coal-based pitch, petroleum-based pitch, sucrose, PVC, and PVA. Among them, pyrolzed fuel oil (PFO), a mixture of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), is known to be a suitable raw material for high-value carbon materials because it contains fewer impurities such as sulfur than coal-based pitch. Additionally, the mixtures constituting the pyrolysis residual oil are individually separated depending on the heat treatment temperature. The separated components undergo polymerization and/or condensation reactions individually or between each component to form compounds of various structures. As a result, when the pyrolysis residual oil is heat treated, it can exhibit various physicochemical properties.

본 발명자들은 상기 열분해 잔사유 증유분의 특성에 주목하였다. 본 발명자들은 특정 조건으로 열분해 잔사유 증유분을 가열하여 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 입자의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 형성한 표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질을 개발하고자 하였으며, 기존 흑연 음극재 대비 용량이 우수하며 사이클 안정성이 향상된 실리콘 산화물계 음극활물질을 개발하고자 하였다. The present inventors paid attention to the characteristics of the pyrolysis residual oil distillate. The present inventors attempted to develop a surface carbon-coated silicon oxide-based anode active material in which an amorphous carbon coating layer was formed on the surface of particles containing SiOx (0<x≤2) by heating pyrolysis residual oil distillate under specific conditions. We sought to develop a silicon oxide-based anode active material with superior capacity and improved cycle stability compared to existing graphite anode materials.

이하, 본 발명의 각 구성에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, each configuration of the present invention will be described in more detail. However, this is only illustrative and the present invention is not limited to the specific embodiments described as examples.

본 발명의 일 실시예에 따르면 불활성분위기 하에 석유계 잔사유 증유분을 열처리하여 얻은 하기 조건 (1) 내지 (4)를 만족하는 탄소코팅 전구체로 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 입자의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 비정질 탄소코팅층을 탄화시키는 단계;를 포함하며, 하기 조건 (1) ~ (4)에서 각 탄화수소화합물의 함량은 상기 탄소코팅 전구체를 1H-NMR 스펙트럼 분석한 결과, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 하기 조건 (1) 내지 (4)의 검출피크 범위에서의 각 피크 면적의 백분율로 도출된 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a carbon coating precursor satisfying the following conditions (1) to (4) obtained by heat treating petroleum residue distillate under an inert atmosphere is made of particles containing SiOx (0<x≤2). Depositing an amorphous carbon coating layer on the surface; and carbonizing the deposited amorphous carbon coating layer, wherein the content of each hydrocarbon compound under the following conditions (1) to (4) is determined by analyzing the 1 H-NMR spectrum of the carbon coating precursor, with a detection peak of 2.0 ppm. A method for producing a silicon oxide-based negative active material can be provided, which is derived as a percentage of each peak area in the detection peak range of the following conditions (1) to (4) compared to the total peak area below 9.0 ppm.

(1) 검출피크 6.0 ppm 이상 7.2 ppm 미만에서 검출되는 단환 방향족 탄화수소화합물 함량이 30% 이하;(1) The content of monocyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 6.0 ppm or more and less than 7.2 ppm is 30% or less;

(2) 검출피크 7.2 ppm 이상 7.8 ppm 미만에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물 함량이 10 내지 45%;(2) The content of dicyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.2 ppm or more and less than 7.8 ppm is 10 to 45%;

(3) 검출피크 7.8 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물 함량이 3 내지 20%;(3) The content of tricyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.8 ppm or more and less than 9.0 ppm is 3 to 20%;

(4) 검출피크 2.0 ppm 이상 6.0 ppm 미만에서 검출되는 지방족 탄화수소화합물 함량이 30 내지 60%;(4) The content of aliphatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 2.0 ppm or more and less than 6.0 ppm is 30 to 60%;

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 석유계 잔사유 증유분은 석유계 잔사유를 피치 개질함으로써 얻은 생성물일 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the refined petroleum residue may be a product obtained by pitch reforming petroleum residue, but is not particularly limited.

상기 조건 (1) ~ (4)를 만족하는 탄소코팅 전구체는 방향족 탄화수소화합물 함량이 높고, 특히 2환, 3환 방향족 탄화수소화합물 함량이 높아 실리콘 산화물계 음극활물질의 표면에 비정질 탄소코팅층으로 코팅하게 되면 우수한 용량특성 및 사이클 안정성을 확보할 수 있는 미세구조와 두께의 비정질 탄소코팅층을 제공할 수 있다. The carbon coating precursor that satisfies the above conditions (1) to (4) has a high content of aromatic hydrocarbon compounds, especially high content of di- and tri-ring aromatic hydrocarbon compounds, so when the surface of the silicon oxide-based negative electrode active material is coated with an amorphous carbon coating layer, It is possible to provide an amorphous carbon coating layer with a fine structure and thickness that can secure excellent capacity characteristics and cycle stability.

상기 관점에서 바람직한 일 실시예에 따르면 상기 조건 (1)에서 검출되는 단환 방향족 탄화수소화합물의 함량은 30% 이하, 또는 25% 이하, 또는 20% 이하, 또는 10% 이하, 또는 5% 이하일 수 있다.According to a preferred embodiment from the above viewpoint, the content of monocyclic aromatic hydrocarbon compounds detected under condition (1) may be 30% or less, or 25% or less, or 20% or less, or 10% or less, or 5% or less.

상기 관점에서 바람직한 일 실시예에 따르면 상기 조건 (2)에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물의 함량은 10 내지 45%, 또는 15 내지 45%, 또는 20 내지 45%일 수 있다.According to a preferred embodiment from the above viewpoint, the content of the bicyclic aromatic hydrocarbon compound detected under condition (2) may be 10 to 45%, or 15 to 45%, or 20 to 45%.

상기 관점에서 바람직한 일 실시예에 따르면 상기 조건 (3)에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물의 함량은 3 내지 20%, 또는 5 내지 20%일 수 있다.According to a preferred embodiment from the above viewpoint, the content of the tricyclic aromatic hydrocarbon compound detected under condition (3) may be 3 to 20%, or 5 to 20%.

상기 관점에서 바람직한 일 실시예에 따르면 상기 조건 (4)에서 검출되는 지방족 탄화수소화합물의 함량은 30 내지 60%, 또는 30 내지 55%, 또는 35 내지 60%, 또는 35 내지 55%일 수 있다.According to a preferred embodiment from the above viewpoint, the content of aliphatic hydrocarbon compounds detected under condition (4) may be 30 to 60%, or 30 to 55%, or 35 to 60%, or 35 to 55%.

상기 관점에서 바람직한 일 실시예에 따르면 상기 조건 (2)에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물 및 상기 조건 (3)에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물의 함량의 합이 20% 이상, 또는 25% 이상, 또는 30% 이상, 또는 35% 이상일 수 있다. According to a preferred embodiment from the above viewpoint, the sum of the contents of the dicyclic aromatic hydrocarbon compound detected in condition (2) and the tricyclic aromatic hydrocarbon compound detected in condition (3) is 20% or more, or 25% or more, Or it may be 30% or more, or 35% or more.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 온도 범위는 100 내지 400 ℃일 수 있다. 상기 열처리 온도가 지나치게 낮으면 지방족 탄화수소화합물 함량이 높고, 방향족 탄화수소화합물 함량이 낮아 목적하는 미세구조 및 두께의 비정질 탄소코팅층을 형성할 수 없을 우려가 있다. 반면, 상기 열처리 온도가 지나치게 높으면 우수한 용량특성 및 사이클 안정성을 확보하기 유리한 2환 또는 3환 방향족 탄화수소화합물 함량이 줄어들고, 단환 방향족 탄화수소화합물 함량이 늘어날 우려가 있다. 상기의 관점에서 바람직하게는 상기 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 온도 범위는 100 내지 350 ℃, 또는 150 내지 400 ℃, 또는 150 내지 350 ℃, 또는 200 내지 400 ℃, 또는 200 내지 350 ℃일 수 있으며, 특히 바람직하게는 200 내지 300 ℃, 또는 200 내지 280 ℃, 또는 220 내지 300 ℃, 또는 220 내지 280 ℃일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the temperature range for heat treating the refined petroleum residue may be 100 to 400 ° C. If the heat treatment temperature is too low, the aliphatic hydrocarbon compound content is high and the aromatic hydrocarbon compound content is low, so there is a risk that an amorphous carbon coating layer with the desired microstructure and thickness cannot be formed. On the other hand, if the heat treatment temperature is too high, there is a risk that the content of 2- or 3-ring aromatic hydrocarbon compounds, which are advantageous for securing excellent capacity characteristics and cycle stability, will decrease, and the content of monocyclic aromatic hydrocarbon compounds will increase. In view of the above, the temperature range for heat treating the petroleum residue distillate is preferably 100 to 350 ℃, or 150 to 400 ℃, or 150 to 350 ℃, or 200 to 400 ℃, or 200 to 350 ℃. It may be particularly preferably 200 to 300°C, or 200 to 280°C, or 220 to 300°C, or 220 to 280°C.

본 발명의 일 실시예에 따르면 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 시간은 10분 이상인 것이 바람직하다. 석유계 잔사유 증유분을 가열하는 시간은 보다 바람직하게는 30분 내지 6시간일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 30분 내지 3시간일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the heat treatment time for the refined petroleum residue is preferably 10 minutes or more. The time for heating the refined petroleum residue may be more preferably 30 minutes to 6 hours, and even more preferably 30 minutes to 3 hours.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상온에서부터 상기 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 온도 범위인 100 내지 400 ℃의 온도까지 3 내지 7 ℃/min의 승온속도로 가열하는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, it may include heating at a temperature increase rate of 3 to 7 °C/min from room temperature to a temperature of 100 to 400 °C, which is the temperature range for heat treatment of the petroleum residue distillate.

본 발명의 일 실시예에 따르면 석유계 잔사유 증유분을 열처리하여 얻은 탄소코팅 전구체로 증착하는 단계는 물리적 기상 증착법(PVD, physical vapor deposition)을 이용하여 증착하는 것을 포함할 수 있다. 물리적 기상 증착법은 낮은 압력에서 기상 증착이 일어나기 때문에 재료 표면의 오염 가능성이 낮으며, 수분으로 인한 문제를 차단할 수 있다는 장점이 있다. According to one embodiment of the present invention, the step of depositing a carbon coating precursor obtained by heat treating petroleum residue distillate may include deposition using physical vapor deposition (PVD). The physical vapor deposition method has the advantage of lowering the possibility of contamination of the material surface because vapor deposition occurs at low pressure and preventing problems caused by moisture.

본 발명의 일 실시예에 따르면 석유계 잔사유 증유분을 가열하는 분위기는 불활성분위기로 조성될 수 있다. 불활성분위기를 조성하기 위한 불활성 기체는 예를 들면 질소, 헬륨, 네온 또는 아르곤 등이 사용될 수 있으며, 해당 기술분야에서 통용되는 불활성 기체라면 상기 종류에 한정되지 않고 모두 사용될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the atmosphere for heating the refined petroleum residue may be created as an inert atmosphere. Inert gases for creating an inert atmosphere may include, for example, nitrogen, helium, neon, or argon. Any inert gas commonly used in the relevant technical field may be used without being limited to the above types.

본 발명의 일 실시예에 따르면 비정질 탄소코팅층을 탄화시키는 단계는 상기 비정질 탄소코팅층을 증착하는 단계 이후 800 내지 1200 ℃까지 8 내지 12 ℃/min의 승온속도로 가열한 다음, 30 분 이상 열처리하는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the step of carbonizing the amorphous carbon coating layer includes heating the amorphous carbon coating layer at a temperature increase rate of 8 to 12 ° C./min to 800 to 1200 ° C. and then heat treating for more than 30 minutes. It can be included.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상술한 제조방법에 따라 제조된 실리콘 산화물계 음극활물질을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a silicon oxide-based negative electrode active material manufactured according to the above-described manufacturing method can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 SiOx (0<x≤2)를 포함하는 입자 및 상기 입자의 표면 상에 마련된 비정질 탄소코팅층을 포함하는 실리콘 산화물계 음극활물질에 있어서, 514 nm 파장의 레이저를 이용한 라만 스펙트럼 분석에서 ID은 1300 cm-1 내지 1400 cm-1에서 나타나는 최대 피크 강도이며, IG는 1550 cm-1 내지 1650 cm-1에서 나타나는 최대 피크 강도라고 할 때, 피크 강도비 ID/IG 값이 0.9 내지 1.05, 또는 0.9 내지 1.03인 것을 특징으로 하는, 실리콘 산화물계 음극활물질을 제공할 수 있다. 상술한 피크 강도비를 만족하면 목적하는 미세구조 및 두께의 비정질 탄소코팅층을 형성할 수 있으며, 상기 피크 강도비 범위를 만족하지 못하면 결정성이 높거나 얇은 탄소코팅층이 형성되어 리튬의 확산성이 저하되며, 이에 따라 초기 용량 및 효율이 열위할 우려가 있다.According to one embodiment of the present invention, in the silicon oxide-based anode active material including particles containing SiOx (0<x≤2) and an amorphous carbon coating layer provided on the surface of the particles, Raman using a laser with a wavelength of 514 nm In spectrum analysis, I D is the maximum peak intensity appearing from 1300 cm -1 to 1400 cm -1 , and I G is the maximum peak intensity appearing from 1550 cm -1 to 1650 cm -1 . The peak intensity ratio I D / I A silicon oxide-based negative electrode active material can be provided, characterized in that the G value is 0.9 to 1.05, or 0.9 to 1.03. If the above-mentioned peak intensity ratio is satisfied, an amorphous carbon coating layer with the desired microstructure and thickness can be formed. If the peak intensity ratio range is not satisfied, a highly crystalline or thin carbon coating layer is formed, thereby reducing the diffusivity of lithium. As a result, there is a risk that the initial capacity and efficiency may be inferior.

본 발명의 일 실시예에 따르면 Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS 원소 분석 시 at%로, C: 80% 이상, O: 5 내지 15%, 나머지 Si 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 실리콘 산화물계 음극활물질을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when analyzing surface XPS elements using an Al-Kα A negative electrode active material can be provided.

일 예에 따르면 상기 C 함량은 80 at% 이상, 또는 85 at% 이상일 수 있다.According to one example, the C content may be 80 at% or more, or 85 at% or more.

일 예에 따르면 상기 O 함량은 5 내지 15 at%, 또는 8 내지 15 at%일 수 있다.According to one example, the O content may be 5 to 15 at%, or 8 to 15 at%.

일 예에 따르면 상기 Si 함량은 2 at% 이하, 또는 1.5 at% 이하일 수 있고, 미포함될 수 있으나 이에 특별히 제한되지 않는다.According to one example, the Si content may be 2 at% or less, or 1.5 at% or less, and may not be included, but is not particularly limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따르면 Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS C1s 세부 피크 분석 결과, 분할된 피크의 면적률 값이 하기 C(1) 내지 C(4)를 만족하는 실리콘 산화물계 음극활물질을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, as a result of surface XPS C 1s detailed peak analysis using an Al-Kα Active materials can be provided.

C(1) : C=C결합 면적률 70 내지 85%;C(1): C=C bond area ratio 70 to 85%;

C(2) : C-C결합 면적률 5 내지 25%;C(2): C-C bond area ratio 5 to 25%;

C(3) : C-O결합 면적률 0% 초과 5% 이하;C(3): C-O bond area ratio exceeding 0% and 5% or less;

C(4) : O-C=O결합 면적률 0% 초과 5% 이하;C(4): O-C=O bond area ratio exceeding 0% and less than or equal to 5%;

상기 각 면적률은 전체 피크의 총 면적을 기준으로 분할된 각 결합 피크의 면적의 백분율로 도출한다.Each area ratio is derived as a percentage of the area of each combined peak divided based on the total area of all peaks.

상기 C(1) C=C결합 면적률은 바람직하게는 70 내지 80%일 수 있다.The C(1) C=C bond area ratio may preferably be 70 to 80%.

상기 C(2) C-C결합 면적률은 바람직하게는 8 내지 25%, 또는 10 내지 25%일 수 있다.The C(2) C-C bond area ratio may preferably be 8 to 25%, or 10 to 25%.

상기 C(3) C-0결합 면적률은 바람직하게는 0% 초과 4% 이하, 또는 0% 초과 3% 이하일 수 있다.The C(3) C-0 bond area ratio may preferably be more than 0% and 4% or less, or more than 0% and 3% or less.

상기 C(4) O-C=O결합 면적률은 바람직하게는 0% 초과 4% 이하일 수 있다.The C(4) O-C=O bond area ratio may preferably be greater than 0% and less than or equal to 4%.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 비정질 탄소코팅층의 두께가 10 내지 30 nm일 수 있다. 목적하는 사이클 안정성을 위해서는 비정질 탄소코팅층의 두께가 10 nm 이상인 것이 바람직하다. 그러나, 두께가 30 nm를 초과하는 경우 초기 용량 및 효율이 저하될 우려가 있다. According to one embodiment of the present invention, the thickness of the amorphous carbon coating layer may be 10 to 30 nm. For the desired cycle stability, it is preferable that the thickness of the amorphous carbon coating layer is 10 nm or more. However, if the thickness exceeds 30 nm, there is a risk that initial capacity and efficiency may decrease.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 SiOx (0<x≤2)를 포함하는 입자는 평균 입경이 1 내지 10㎛일 수 있다. 평균 입경이 1㎛ 미만이면 탄소코팅층을 형성하기 위한 석유계 잔사유 증유분의 양이 많이 필요하게 되어 공정 효율 상 바람직하지 않다. 평균 입경이 10㎛를 초과하게 되면 입자 간 밀도가 커져서 음극활물질 내 SiOx 함량이 줄어들어 초기 용량 및 효율이 저하될 우려가 있다. Particles containing SiOx (0<x≤2) according to an embodiment of the present invention may have an average particle diameter of 1 to 10㎛. If the average particle diameter is less than 1㎛, a large amount of petroleum residue distillate is required to form the carbon coating layer, which is not desirable in terms of process efficiency. If the average particle diameter exceeds 10㎛, the density between particles increases and the SiOx content in the negative electrode active material decreases, which may reduce initial capacity and efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따르면 전술한 음극활물질을 포함하는 실리콘 산화물계 음극을 제공할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a silicon oxide-based negative electrode containing the above-described negative electrode active material can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 전술한 음극을 포함하는 전지를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a battery including the above-described negative electrode can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 석유계 잔사유 증유분을 물리적 기상 증착법(PVD)을 이용하여 실리콘 산화물계 음극활물질의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 형성한 표면 탄소코팅된 실리콘 산화물계 음극활물질 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a silicon oxide-based negative electrode active material coated with surface carbon is formed by forming an amorphous carbon coating layer on the surface of a silicon oxide-based negative electrode active material using a physical vapor deposition (PVD) method of petroleum residue distillate, and a surface carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material. Manufacturing methods can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 저가원료인 석유계 잔사유 증유분을 업사이클링할 수 있는 표면 탄소코팅된 실리콘계 산화물계 음극활물질 및 그 제조방법을 제공할 수 있으므로 경제성 및 친환경성이 우수하다. According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a silicon-based oxide-based negative electrode active material with surface carbon coating that can upcycle refined petroleum residue, which is a low-cost raw material, and a method for manufacturing the same, which is excellent in economic efficiency and eco-friendliness.

본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄소코팅된 실리콘계 산화물계 음극활물질은 용량이 우수하며, 사이클 안정성이 우수하다. The surface carbon-coated silicon-based oxide-based negative electrode active material according to an embodiment of the present invention has excellent capacity and excellent cycle stability.

이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail below based on examples and comparative examples. However, the following Examples and Comparative Examples are only one example to explain the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following Examples and Comparative Examples.

{실시예}{Example}

제조예Manufacturing example

탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질Carbon-coated silicon oxide-based anode active material

PVD 방법으로, 질소분위기 하에 잔사유 증유분을 5 ℃/min의 승온속도로 증착온도 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃까지 가열한 다음, 상기 증착온도에서 1시간 유지 열처리하여 얻은 탄소코팅 전구체로 실리콘 산화물(SiOx)(0<x≤2)을 포함하는 입자의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 증착하였다. 상기 잔사유 증유분은 열분해 잔사유(PFO, pyrolysis fuel oil) (여천NCC)를 피치 개질 시 생성되는 잔사유 증유분을 사용하였다. 상기 탄소코팅 전구체는 증착온도 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃에 따라 각각 200 fraction oil, 250 fraction oil, 300 fraction oil으로 명명하였다. In the PVD method, the residual oil distillate is heated to a deposition temperature of 200 ℃, 250 ℃, and 300 ℃ at a temperature increase rate of 5 ℃/min under a nitrogen atmosphere, and then heat treated at the deposition temperature for 1 hour to obtain silicon as a carbon coating precursor. An amorphous carbon coating layer was deposited on the surface of particles containing oxide (SiOx) (0<x≤2). The residual oil distillate produced when pitch reforming pyrolysis fuel oil (PFO) (Yeocheon NCC) was used. The carbon coating precursor was named 200 fraction oil, 250 fraction oil, and 300 fraction oil according to the deposition temperature of 200 ℃, 250 ℃, and 300 ℃, respectively.

상기 비정질 탄소코팅층을 증착한 다음, 10 ℃/min의 승온속도로 가열하여 950 ℃에서 1 시간 유지 열처리하여 탄화시킴으로써 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질을 마련하였다. 준비된 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질 샘플은 증착온도 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃에 따라 각각 SiOx@C 200, SiOx@C 250, SiOx@C 300이라 명명하였다.After depositing the amorphous carbon coating layer, it was heated at a temperature increase rate of 10°C/min and carbonized by heat treatment at 950°C for 1 hour to prepare a carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material. The prepared carbon-coated silicon oxide-based anode active material samples were named SiOx@C 200, SiOx@C 250, and SiOx@C 300 according to the deposition temperatures of 200 ℃, 250 ℃, and 300 ℃, respectively.

반쪽전지의 제조Manufacturing of half cells

상기와 같이 제조된 음극활물질(SiOx@C 200, SiOx@C 250, SiOx@C 300), 도전재 super P, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)를 중량비 94:3:3으로 혼합한 혼합물을 n-메틸-2-피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP)에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. The anode active material (SiOx@C 200, SiOx@C 250, SiOx@C 300) prepared as above, the conductive material super P, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were used in a weight ratio of 94:3:3. The mixed mixture was dispersed in n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a negative electrode slurry.

상기 제조한 음극 슬러리를 알루미늄 호일 상에 코팅한 다음 진공 오븐에서 120 ℃로 건조하였다. 건조된 음극을 압연 및 절단한 다음, 상기 제조된 음극을 작동전극으로 하고, 리튬 금속을 상대전극으로 사용하여 2032 코인셀 타입의 반쪽 전지를 제조하였다. 분리막으로는 Celgard 2400을 사용하였으며, 전해액으로는 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)의 부피비가 1:1인 혼합용액에 LiPF6가 1.0M로 용해된 것을 사용하였다. The prepared cathode slurry was coated on aluminum foil and then dried at 120°C in a vacuum oven. After rolling and cutting the dried anode, a 2032 coin cell type half battery was manufactured using the prepared anode as a working electrode and lithium metal as a counter electrode. Celgard 2400 was used as a separator, and as an electrolyte, LiPF 6 dissolved at 1.0M in a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and ethylmethyl carbonate (EMC) at a volume ratio of 1:1 was used.

평가예 1 : 탄소코팅 전구체(200, 250, 300 fraction oil)의 구조 분석Evaluation Example 1: Structural analysis of carbon coating precursor (200, 250, 300 fraction oil)

증착온도에 따른 탄소코팅 전구체의 구조 분석을 위하여 chloroform-d와 tetramethylsilane (TMS)의 0.03 v/v% 혼합용액에 탄소코팅 전구체를 5 ~ 6 wt%만큼 희석하여 1H-NMR 분석(AVANCE III HD 400, Bruker Biospin, USA)을 실시하였다. 스펙트럼 해석은 Topspin 4.0.5 소프트웨어를 사용하였으며, 피크 위치를 토대로 한 적분 값, 면적을 활용하여 각 시료별 수소 유형에 대한 정량 분석을 실시하였다. 1H-NMR 분석의 신뢰성을 높이기 위하여 Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR) 분석을 이어서 실시하였다.To analyze the structure of the carbon coating precursor according to the deposition temperature, the carbon coating precursor was diluted by 5 to 6 wt% in a 0.03 v/v% mixed solution of chloroform-d and tetramethylsilane (TMS) and subjected to 1 H-NMR analysis (AVANCE III HD 400, Bruker Biospin, USA) was performed. Topspin 4.0.5 software was used to analyze the spectrum, and quantitative analysis of the type of hydrogen for each sample was performed using the integral value and area based on the peak position. 1 To increase the reliability of H-NMR analysis, Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR) analysis was subsequently performed.

1H-NMR 스펙트럼 분석을 통하여 탄소코팅 전구체 내 다환 방향족 탄화수소(PAHs)의 성분에 대한 피크를 도 1a에 나타내었다. 지방족 탄화수소화합물(R-CH2-R', R-CH3 등)은 2.0 ppm 이상 6.0 ppm 미만에서 확인되었다. 방향족 탄화수소화합물은 6.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서 확인되었으며, 단환 방향족 탄화수소화합물은 6.0 ppm 이상 7.2 ppm 미만에서, 2환 방향족 탄화수소화합물은 7.2 ppm 이상 7.8 ppm 미만에서, 3환 방향족 탄화수소화합물은 7.8 ppm 이상 9.0 pppm 미만에서 확인되었다. 1 Through H-NMR spectrum analysis, peaks for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the carbon coating precursor are shown in Figure 1a. Aliphatic hydrocarbon compounds (R-CH 2 -R', R-CH 3, etc.) were confirmed at levels above 2.0 ppm and below 6.0 ppm. Aromatic hydrocarbon compounds were found to be between 6.0 ppm and less than 9.0 ppm, monocyclic aromatic hydrocarbon compounds were found to be between 6.0 ppm and less than 7.2 ppm, dicyclic aromatic hydrocarbon compounds were found to be between 7.2 ppm and less than 7.8 ppm, and tricyclic aromatic hydrocarbon compounds were found to be above 7.8 ppm. It was confirmed to be less than 9.0 ppm.

이러한 피크의 구조 변화를 더욱 자세하게 확인하기 위하여 피크 위치를 토대로 한 적분 값, 면적을 활용하여 각 시료별 수소 유형에 대한 정량분석을 실시하였다. 구체적으로, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 2.0 ppm 이상 6.0 ppm 미만에서의 피크 면적의 백분율은 지방족 탄화수소화합물의 함량을 의미하며, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 6.0 ppm 이상 7.2 ppm 미만에서의 피크 면적의 백분율은 단환 방향족 탄화수소화합물의 함량을 의미하며, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 7.2 ppm 이상 7.8 ppm 미만에서의 피크 면적의 백분율은 2환 방향족 탄화수소화합물의 함량을 의미하며, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 7.8 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 피크 면적의 백분율은 3환 방향족 탄화수소화합물의 함량을 의미한다. In order to confirm the structural changes of these peaks in more detail, quantitative analysis of the hydrogen type for each sample was performed using the integrated value and area based on the peak position. Specifically, the percentage of the peak area at 2.0 ppm or more and less than 6.0 ppm compared to the total peak area at the detection peak 2.0 ppm or more and less than 9.0 ppm means the content of aliphatic hydrocarbon compounds, and the total peak area at the detection peak 2.0 ppm or more and less than 9.0 ppm. The percentage of the peak area at 6.0 ppm or more and less than 7.2 ppm compared to the peak area means the content of monocyclic aromatic hydrocarbon compounds, and the peak area at 7.2 ppm or more and less than 7.8 ppm compared to the total peak area at 2.0 ppm or more and less than 9.0 ppm of the detection peak. The percentage refers to the content of dicyclic aromatic hydrocarbon compounds, and the percentage of the peak area at 7.8 ppm to less than 9.0 ppm compared to the total peak area at detection peaks from 2.0 ppm to less than 9.0 ppm refers to the content of tricyclic aromatic hydrocarbon compounds. do.

상기 정량분석의 결과를 도 1b 내지 도 1d에 나타내었다. 도 1c를 참조하면 단환 방향족 화합물의 경우, 200 fraction oil 20.52%, 250 fraction oil 4.43%, 300 fraction oil 21.37%로 온도가 증가할수록 감소하다 증가하는 것을 확인하였다. 2환, 3환의 다환 방향족 화합물의 경우, 200 fraction oil에서 각각 21.36%, 6.3%, 250 fraction oil에서 각각 38.26%, 16.42%, 300 fraction oil에서 각각 27.34%, 11.07%로 온도가 증가할수록 2환, 3환 방향족 화합물의 함량이 증가하다 다시 줄어드는 것을 확인하였다. 도 1c 및 도 1d를 참조하면 전체 방향족 화합물 함량은 200 fraction oil에 비하여 250 fraction oil과 300 fraction oil에서 많은 것을 알 수 있었다. 또한, 250 fraction oil, 300 fraction oil에서 전체 방향족 화합물의 함량은 유사하지만 2환 및 3환 방향족 함량이 250 fraction oil에서 가장 많이 검출된 것을 확인할 수 있었다. The results of the quantitative analysis are shown in Figures 1B to 1D. Referring to Figure 1c, in the case of monocyclic aromatic compounds, it was confirmed that the content decreased and then increased as the temperature increased, to 20.52% for 200 fraction oil, 4.43% for 250 fraction oil, and 21.37% for 300 fraction oil. In the case of 2- and 3-ring polycyclic aromatic compounds, as temperature increases, 2 rings increase by 21.36% and 6.3%, respectively, in 200 fraction oil, 38.26% and 16.42%, respectively, in 250 fraction oil, and 27.34% and 11.07%, respectively, in 300 fraction oil. , it was confirmed that the content of tricyclic aromatic compounds increased and then decreased again. Referring to Figures 1c and 1d, the total aromatic compound content was found to be higher in 250 fraction oil and 300 fraction oil than in 200 fraction oil. In addition, it was confirmed that the content of total aromatic compounds was similar in 250 fraction oil and 300 fraction oil, but the highest content of di- and tri-ring aromatics was detected in 250 fraction oil.

200, 250, 300 fraction oil의 FT-IR 분석 결과를 도 2에 나타내었다. 분석 결과, 3050 cm-1 (aromatic C-H stretch), 1599 cm-1 (aromatic C=C stretch), 2958 cm-1 (aliphatic C-H stretch), 1453 cm-1 (aliphatic C-H stretch) 피크를 확인할 수 있었다. 상기 도 2 결과를 참조하면 1H-NMR 분석을 통한 구조 분석과 유사한 결과를 확인할 수 있었다. The results of FT-IR analysis of 200, 250, and 300 fraction oils are shown in Figure 2. As a result of the analysis, peaks at 3050 cm -1 (aromatic CH stretch), 1599 cm -1 (aromatic C=C stretch), 2958 cm -1 (aliphatic CH stretch), and 1453 cm -1 (aliphatic CH stretch) were confirmed. Referring to the results in FIG. 2, similar results to the structural analysis through 1 H-NMR analysis were confirmed.

평가예 2: 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)의 구조 분석 Evaluation Example 2: Structural analysis of carbon-coated silicon oxide-based anode active material (SiOx@C 200, 250, 300)

탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(C@SiOx 200, 250, 300)의 탄소코팅층의 화학적 결합을 조사하기 위하여 Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS(X-ray Photoelectron Spectrometer, K-ALPHA+, Thermo VG Scientific, USA), Raman(LabRAM HR-800, Horiba, Japan) 분석을 실시하였다. 약 103.8 eV, 154.6 eV, 284.2 eV 및 532.5 eV의 결합 에너지에서의 피크는 각각 Si 1s, Si 2s, C 1s 및 O 1s 피크를 의미한다. 탄소코팅이 없는 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx) 표면에서는 Si 1s Si 2s, O 1s 피크가 관측되지만, 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300) 표면에서는 Si 1s, Si 2s 피크는 사라지고, C 1s 피크를 확인할 수 있었다. 그 결과를 도 3a에 나타내었다. 상기 도 3a 결과를 참조하면 XPS 분석은 10nm 깊이까지 표면 화학 특성을 분석할 수 있기 때문에 탄소 코팅이 10nm 이상의 두께로 잘 형성되었을 것으로 사료된다. To investigate the chemical bonding of the carbon coating layer of carbon-coated silicon oxide-based anode active material (C@SiOx 200, 250, 300), surface Scientific, USA) and Raman (LabRAM HR-800, Horiba, Japan) analysis were performed. The peaks at binding energies of approximately 103.8 eV, 154.6 eV, 284.2 eV and 532.5 eV refer to Si 1s, Si 2s, C 1s and O 1s peaks, respectively. Si 1s Si 2s and O 1s peaks are observed on the surface of silicon oxide-based anode active material (SiOx) without carbon coating, but Si 1s and Si 2s peaks are observed on the surface of carbon-coated silicon oxide-based anode active material (SiOx@C 200, 250, 300). The peak disappeared, and the C 1s peak could be confirmed. The results are shown in Figure 3a. Referring to the results of FIG. 3a, since XPS analysis can analyze surface chemical characteristics up to a depth of 10 nm, it is believed that the carbon coating was well formed to a thickness of 10 nm or more.

도 3b 및 하기 표 1에는 탄소코팅이 없는 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx) 및 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300) 들의 원자 함량을 나타내었다. 그 결과, SiOx@C 250의 경우 탄소 함량이 가장 높고 산소 및 실리콘 함량이 낮은 것을 확인 할 수 있었다. Figure 3b and Table 1 below show the atomic contents of silicon oxide-based negative electrode active material without carbon coating (SiOx) and carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx@C 200, 250, 300). As a result, it was confirmed that SiOx@C 250 had the highest carbon content and the lowest oxygen and silicon contents.

원소조성 [at%]Elemental composition [at%] CC OO SiSi SiOxSiOx 0.560.56 63.5663.56 35.8835.88 SiOx@C 200SiOx@C 200 86.8086.80 12.2712.27 0.930.93 SiOx@C 250SiOx@C 250 89.0989.09 10.0310.03 0.880.88 SiOx@C 300SiOx@C 300 88.0088.00 10.8310.83 1.171.17

도 3c, 3d, 3e 및 하기 표 2에는 4개의 피크로 분할된 샘플들의 XPS C1s 세부 스펙트럼 분석 결과를 나타내었으며, 상기 C1s 세부 스펙트럼 분석 결과로부터 C=C 결합(284.8 eV), C-C 결합(285.8 eV), C-O 결합(286.6 eV) 및 O-C-O 결합(288.8 eV) 피크를 확인하였다. 상기 도 3c, 3d, 3e 및 표 2를 참조하면 잔사유 증유분 열처리 온도가 증가함에 따라 C=C 결합의 면적률은 감소하다가 증가하였으며, C-C 결합의 면적률은 증가하다 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 표 2에서의 각 피크의 면적률은 전체 피크의 총 면적을 기준으로 분할된 각 결합 피크의 면적의 백분율로 도출하였다.Figures 3c, 3d, 3e and Table 2 below show the XPS C 1s detailed spectrum analysis results of the samples divided into four peaks, and from the C 1s detailed spectrum analysis results, C=C bond (284.8 eV), C-C bond ( 285.8 eV), CO binding (286.6 eV), and OCO binding (288.8 eV) peaks were confirmed. Referring to FIGS. 3c, 3d, 3e and Table 2, as the heat treatment temperature for the residual oil distillation increased, the area ratio of the C=C bond decreased and then increased, and the area ratio of the C-C bond increased and then decreased. . The area ratio of each peak in Table 2 was derived as a percentage of the area of each combined peak divided based on the total area of all peaks.

componentcomponent binding energy [eV]binding energy [eV] SiOx@C 200SiOx@C 200 SiOx@C 250SiOx@C 250 SiOx@C 300SiOx@C 300 C=C C=C 284.8284.8 84.04%84.04% 76.42%76.42% 80.28%80.28% C-C C-C 285.8285.8 9.44%9.44% 17.21%17.21% 13.78%13.78% C-OC-O 286.1286.1 3.00%3.00% 2.48%2.48% 2.02%2.02% O=C-OO=C-O 288.8288.8 3.52%3.52% 3.89%3.89% 3.92%3.92%

라만 분광법을 통하여 SiOx@C 200, 250, 300 비정질 탄소코팅층의 결정성 및 구조적 특성을 확인하였다. 라만 스펙트럼 분석의 레이저 파장은 514 nm이며, 1,000 ~ 2,000 cm-1 범위에서 측정하였다. 상기 SiOx@C 200, 250, 300의 라만 스펙트럼 분석 결과는 도 4a, 도 4b, 도 4c에 나타내었다. 도 4a 내지 도 4c를 참조하면 탄화하는 단계를 통하여 탄화된 SiOx@C 200, 250, 300 샘플들은 약 1360 cm-1(D band, D for defect or disorder)에서 최대 피크 강도 ID와 약 1580 cm-1(G band, G for graphitic)에서 최대 피크 강도 IG 를 확인할 수 있었다. SiOx@C 250의 피크 강도비 ID/IG 값은 1.01이지만 SiOx@C 200, 300의 경우, 피크 강도비 ID/IG 값이 각각 0.93, 0.95로 감소하였다. The crystallinity and structural characteristics of the SiOx@C 200, 250, and 300 amorphous carbon coating layers were confirmed through Raman spectroscopy. The laser wavelength for Raman spectrum analysis was 514 nm and was measured in the range of 1,000 to 2,000 cm -1 . The Raman spectrum analysis results of SiOx@C 200, 250, and 300 are shown in Figures 4a, 4b, and 4c. Referring to FIGS. 4A to 4C, the SiOx@C 200, 250, and 300 samples carbonized through the carbonization step have a maximum peak intensity I D at about 1360 cm -1 (D band, D for defect or disorder) and about 1580 cm. The maximum peak intensity I G was confirmed at -1 (G band, G for graphitic). The peak intensity ratio I D /I G value of SiOx@C 250 was 1.01, but for SiOx@C 200 and 300, the peak intensity ratio I D /I G values decreased to 0.93 and 0.95, respectively.

SiOx@C 200, 250, 300 샘플들의 탄소코팅층을 자세하게 평가하기 위하여 TEM을 이용하여 탄소코팅층의 미세구조와 두께를 비교하였다. TEM 분석 결과 도 4d 내지 도 4f에서 확인할 수 있는 바와 같이 SiOx@C 시료 표면에 비정질 탄소코팅층이 균일하게 형성되었으며, 두께는 각각 약 13.8 nm, 24.6 nm, 19.4 nm로 확인되었다. To evaluate the carbon coating layer of SiOx@C 200, 250, and 300 samples in detail, the microstructure and thickness of the carbon coating layer were compared using TEM. As can be seen in Figures 4d to 4f, the TEM analysis results showed that an amorphous carbon coating layer was formed uniformly on the surface of the SiOx@C sample, and the thicknesses were confirmed to be approximately 13.8 nm, 24.6 nm, and 19.4 nm, respectively.

또한, STEM과 Energy dispersion spectroscopy (EDS)을 통해 SiOx@C 200, 250, 300 샘플의 형태학과 원소 분포를 분석하였다. 도 4g 내지 도 4h를 참조하면 SiOx 입자의 크기는 약 5~5.5 μm이며, EDS 분석 결과, C는 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질 표면에 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 특히 SiOx@C 250에서의 C 함량이 SiOx@C 200, 300보다 높은 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 이는 1H-NMR과 FT-IR 분석을 통하여 확인한 것과 같이, 탄소코팅 전구체인 250 fration oil 안에 다량의 2, 3환 방향족들이 SiOx 표면에 침전되어 더 두꺼운 탄소 코팅층을 형성하였기 때문으로 사료된다. In addition, the morphology and element distribution of SiOx@C 200, 250, and 300 samples were analyzed through STEM and Energy dispersion spectroscopy (EDS). Referring to Figures 4g to 4h, the size of the SiOx particles is about 5 to 5.5 μm, and as a result of EDS analysis, it was confirmed that C was evenly distributed on the surface of the carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material. In particular, it was confirmed with the naked eye that the C content in SiOx@C 250 was higher than that in SiOx@C 200 and 300. This is believed to be because a large amount of 2- and 3-ring aromatics precipitated on the SiOx surface in 250 fraction oil, a carbon coating precursor, to form a thicker carbon coating layer, as confirmed through 1 H-NMR and FT-IR analysis.

평가예 3: 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)의 전기화학적 특성 평가Evaluation Example 3: Evaluation of electrochemical properties of carbon-coated silicon oxide-based anode active material (SiOx@C 200, 250, 300)

전기화학적 특성을 평가하기 위해 각 탄소미코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx), 탄소코팅 실리콘 산화물계 음극활물질(SiOx@C 200, 250, 300)로 제조예에 기술된 방법과 동일하게 2032 코인셀 타입의 반쪽 전지를 제조하였다.To evaluate the electrochemical properties, 2032 coin cells were prepared using each carbon-uncoated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx) and carbon-coated silicon oxide-based negative electrode active material (SiOx@C 200, 250, 300) in the same manner as described in the manufacturing example. A type of half cell was manufactured.

율속특성, C-rate 효율 확인 결과 각 0.2C, 0.5C, 1.0C, 2.0C에서 SiOx@C 200은 1012.9 mAh/g, 802.9 mAh/g, 701.6 mAh/g, 515.4 mAh/g, SiOx@C 250은 839.4 mAh/g, 660.1 mAh/g, 545.6 mAh/g, 417.4 mAh/g, SiOx@C 300은 906.3 mAh/g, 738.7 mAh/g, 611.9 mAh/g, 470.0 mAh/g 였으며, SiOx@C 250이 가장 높은 용량을 보였다. 이는 피크 강도비 ID/IG 값이 커질수록 edge sites가 많아지고, vacancies 및 bonding disorders와 같은 구조 결함이 생기며, 이러한 구조 결함은 전자 구조에 상당한 영향을 미쳐 리튬이온 확산, 즉 율속 특성과 같은 전기화학적 특성에 영향을 미치기 때문이다. 즉, 도 5a로부터 ID/IG 비율이 가장 높은 SiOx@C 250에서 가장 높은 용량을 보임을 확인할 수 있었다. As a result of checking the rate characteristics and C-rate efficiency, at 0.2C, 0.5C, 1.0C, and 2.0C, SiOx@C 200 is 1012.9 mAh/g, 802.9 mAh/g, 701.6 mAh/g, 515.4 mAh/g, SiOx@C 250 was 839.4 mAh/g, 660.1 mAh/g, 545.6 mAh/g, 417.4 mAh/g, SiOx@C 300 was 906.3 mAh/g, 738.7 mAh/g, 611.9 mAh/g, 470.0 mAh/g, SiOx@ C 250 showed the highest capacity. This means that as the peak intensity ratio I D / I G increases, the number of edge sites increases, and structural defects such as vacancies and bonding disorders occur, and these structural defects have a significant impact on the electronic structure, affecting lithium ion diffusion, i.e., rate characteristics. This is because it affects electrochemical properties. That is, from Figure 5a, it was confirmed that SiOx@C 250 with the highest I D /I G ratio showed the highest capacity.

상기 제조된 반쪽전지는 율속 1.0 C로 100 사이클 충, 방전되었으며, 이때 충방전 사이클에 따른 비용량(specific capacity)을 도 5b에 나타내었다. 상기 도 5b를 참조하면 탄소코팅층이 형성되지 않은 SiOx 대비 탄소코팅층이 형성된 SiOx@C 200, 250, 300 샘플들의 초기 용량이 보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, SiOx@C 200의 경우 SiOx@C 250과 SiOx@C 300보다 낮은 초기 용량을 나타내었으며, SiOx@C 300의 경우 초기용량은 SiOx@C 250과 유사하였지만, 20 cycle 후에는 SiOx@C 250에서 더 나은 사이클 안정성을 확인할 수 있었다. 이는 전술한 TEM 분석결과와 같이 SiOx@C 250에서 SiOx의 부피 팽창을 완화하는 두꺼운 탄소코팅층이 형성되었기 때문인 것으로 판단된다.The manufactured half-cell was charged and discharged for 100 cycles at a rate of 1.0 C, and the specific capacity according to the charge and discharge cycle is shown in Figure 5b. Referring to FIG. 5b, it was confirmed that the initial capacity of SiOx@C 200, 250, and 300 samples with a carbon coating layer was superior to that of SiOx without a carbon coating layer. In addition, SiOx@C 200 showed a lower initial capacity than SiOx@C 250 and SiOx@C 300, and in the case of SiOx@C 300, the initial capacity was similar to SiOx@C 250, but after 20 cycles, SiOx@C 250 Better cycle stability was confirmed. This is believed to be due to the formation of a thick carbon coating layer that alleviates the volume expansion of SiOx in SiOx@C 250, as shown in the above-mentioned TEM analysis results.

Claims (15)

불활성분위기 하에 석유계 잔사유 증유분을 열처리하여 얻은 하기 조건 (1) 내지 (4)를 만족하는 탄소코팅 전구체로 SiOx(0<x≤2)를 포함하는 입자의 표면 상에 비정질 탄소코팅층을 증착하는 단계; 및
상기 증착된 비정질 탄소코팅층을 탄화시키는 단계;를 포함하며,
하기 조건 (1) ~ (4)에서 각 탄화수소화합물의 함량은 상기 탄소코팅 전구체를1H-NMR 스펙트럼 분석한 결과, 검출피크 2.0 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서의 총 피크 면적 대비 하기 조건 (1) 내지 (4)의 검출피크 범위에서의 각 피크 면적의 백분율로 도출된 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법:
(1) 검출피크 6.0 ppm 이상 7.2 ppm 미만에서 검출되는 단환 방향족 탄화수소화합물 함량이 30% 이하;
(2) 검출피크 7.2 ppm 이상 7.8 ppm 미만에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물 함량이 10 내지 45%;
(3) 검출피크 7.8 ppm 이상 9.0 ppm 미만에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물 함량이 3 내지 20%;
(4) 검출피크 2.0 ppm 이상 6.0 ppm 미만에서 검출되는 지방족 탄화수소화합물 함량이 30 내지 60%.
An amorphous carbon coating layer is deposited on the surface of particles containing SiOx (0<x≤2) using a carbon coating precursor that satisfies the following conditions (1) to (4) obtained by heat treating petroleum residue distillate under an inert atmosphere. steps; and
It includes; carbonizing the deposited amorphous carbon coating layer,
The content of each hydrocarbon compound in the following conditions (1) to (4) was determined as a result of 1 H-NMR spectrum analysis of the carbon coating precursor, compared to the total peak area at the detection peak of 2.0 ppm or more and less than 9.0 ppm. Method for producing a silicon oxide-based negative electrode active material, derived as a percentage of each peak area in the detection peak range of (4):
(1) The content of monocyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 6.0 ppm or more and less than 7.2 ppm is 30% or less;
(2) The content of dicyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.2 ppm or more and less than 7.8 ppm is 10 to 45%;
(3) The content of tricyclic aromatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 7.8 ppm or more and less than 9.0 ppm is 3 to 20%;
(4) The content of aliphatic hydrocarbon compounds detected at a detection peak of 2.0 ppm or more and less than 6.0 ppm is 30 to 60%.
제1항에 있어서,
상기 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 온도 범위는 100 내지 400 ℃인 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing a silicon oxide-based negative electrode active material, wherein the temperature range for heat treating the petroleum residue distillate is 100 to 400 ° C.
제2항에 있어서,
상온에서부터 상기 석유계 잔사유 증유분을 열처리하는 온도 범위인 100 내지 400 ℃의 온도까지 3 내지 7 ℃/min의 승온속도로 가열하는 것을 포함하는, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
According to paragraph 2,
A method for producing a silicon oxide-based negative active material, comprising heating at a temperature increase rate of 3 to 7 ° C./min from room temperature to a temperature of 100 to 400 ° C., which is the temperature range for heat treatment of the petroleum residue distillate.
제1항에 있어서,
상기 조건 (2)에서 검출되는 2환 방향족 탄화수소화합물 및 상기 조건 (3)에서 검출되는 3환 방향족 탄화수소화합물의 함량의 합이 20% 이상인 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing a silicon oxide-based negative electrode active material, wherein the sum of the content of the dicyclic aromatic hydrocarbon compound detected in condition (2) and the tricyclic aromatic hydrocarbon compound detected in condition (3) is 20% or more.
제1항에 있어서,
상기 증착하는 단계는,
물리적 기상 증착법(PVD)을 이용하여 증착하는 것을 포함하는, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
According to paragraph 1,
The deposition step is,
A method of producing a silicon oxide-based negative electrode active material, comprising depositing using physical vapor deposition (PVD).
제1항에 있어서,
상기 탄화시키는 단계는,
상기 비정질 탄소코팅층을 증착하는 단계 이후 800 내지 1200 ℃까지 8 내지 12 ℃/min의 승온속도로 가열한 다음, 30 분 이상 열처리하는 것을 포함하는, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
According to paragraph 1,
The carbonization step is,
A method for producing a silicon oxide-based negative electrode active material, comprising heating the amorphous carbon coating layer at a temperature increase rate of 8 to 12 °C/min to 800 to 1200 °C and then heat treating for at least 30 minutes.
제1항에 있어서,
상기 석유계 잔사유 증유분은 석유계 잔사유를 피치 개질함으로써 얻은 생성물인 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing a silicon oxide-based negative electrode active material, wherein the petroleum residue oil is a product obtained by pitch reforming petroleum residue oil.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된, 실리콘 산화물계 음극활물질.A silicon oxide-based negative electrode active material manufactured according to the manufacturing method of any one of claims 1 to 7. SiOx (0<x≤2)를 포함하는 입자 및 상기 입자의 표면 상에 마련된 비정질 탄소코팅층을 포함하는 실리콘 산화물계 음극활물질에 있어서,
514 nm 파장의 레이저를 이용한 라만 스펙트럼 분석에서 ID은 1300 cm-1 내지 1400 cm-1에서 나타나는 최대 피크 강도이며, IG는 1550 cm-1 내지 1650 cm-1에서 나타나는 최대 피크 강도라고 할 때,
피크 강도비 ID/IG 값이 0.9 내지 1.05인 것을 특징으로 하는, 실리콘 산화물계 음극활물질.
In the silicon oxide-based negative electrode active material comprising particles containing SiOx (0<x≤2) and an amorphous carbon coating layer provided on the surface of the particles,
In Raman spectrum analysis using a laser with a wavelength of 514 nm, I D is the maximum peak intensity appearing from 1300 cm -1 to 1400 cm -1 , and I G is the maximum peak intensity appearing from 1550 cm -1 to 1650 cm -1 ,
A silicon oxide-based negative electrode active material, characterized in that the peak intensity ratio I D /I G value is 0.9 to 1.05.
제9항에 있어서,
Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS 원소 분석 시 at%로, C: 80% 이상, O: 5 내지 15%, 나머지 Si 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 실리콘 산화물계 음극활물질.
According to clause 9,
A silicon oxide-based negative electrode active material containing at% C: 80% or more, O: 5 to 15%, the remainder Si and other inevitable impurities, as determined by at% when surface XPS elemental analysis was performed using an Al-Kα X-ray source.
제9항에 있어서,
Al-Kα X-선원을 이용해 표면 XPS C1s 세부 피크 분석 결과, 분할된 피크의 면적률 값이 하기 C(1) 내지 C(4)를 만족하는 것인, 실리콘 산화물계 음극활물질:
C(1) : C=C결합 면적률 70 내지 85%;
C(2) : C-C결합 면적률 5 내지 25%;
C(3) : C-O결합 면적률 0% 초과 5% 이하;
C(4) : O-C=O결합 면적률 0% 초과 5% 이하.
According to clause 9,
As a result of surface XPS C 1s detailed peak analysis using an Al-Kα
C(1): C=C bond area ratio 70 to 85%;
C(2): CC bond area ratio 5 to 25%;
C(3): CO bonding area ratio exceeds 0% and is 5% or less;
C(4): OC=O bond area ratio exceeds 0% and does not exceed 5%.
제9항에 있어서,
상기 비정질 탄소코팅층의 두께가 10 내지 30 nm인, 실리콘 산화물계 음극활물질.
According to clause 9,
A silicon oxide-based negative electrode active material wherein the amorphous carbon coating layer has a thickness of 10 to 30 nm.
제9항에 있어서,
상기 SiOx (0<x≤2)를 포함하는 입자의 평균 입경이 1 내지 10 ㎛인, 실리콘 산화물계 음극활물질.
According to clause 9,
A silicon oxide-based negative electrode active material, wherein the particles containing SiOx (0<x≤2) have an average particle diameter of 1 to 10 ㎛.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 음극활물질을 포함하는, 음극.A negative electrode comprising the negative electrode active material according to any one of claims 9 to 13. 제14항에 따른 음극을 포함하는, 전지.
A battery comprising a cathode according to claim 14.
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