KR20240018049A - Silicon anode having a three-dimensional porous structure and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극은 실리콘, 기공형성제, 도전재인 다공성 탄소 및 바인더를 포함하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 기재 상에 코팅하여 코팅층을 형성한 뒤, 열처리를 통하여 기공을 형성하여 제조된다. 상기 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극은 실리콘 및 기공형성제를 동시에 투입하여 슬러리를 형성함으로써 제조 공정이 간단하며, 비용이 절감된다. 또한, 구형의 기공을 형성함으로써 3차원 다공성 구조를 가져 반응 면적이 넓어지고, 전극의 부피 변화 및 기계적 응력에 영향을 적게 받아 장기안정성을 높일 수 있다.The present invention relates to a silicon anode with a three-dimensional porous structure and a method of manufacturing the same. The silicon anode of the three-dimensional porous structure is made by preparing a slurry containing silicon, a pore former, porous carbon as a conductive material, and a binder, coating the slurry on a substrate to form a coating layer, and then forming pores through heat treatment. It is manufactured. The silicon anode with the three-dimensional porous structure has a simple manufacturing process and reduces costs by simultaneously adding silicon and a pore-forming agent to form a slurry. In addition, by forming spherical pores, it has a three-dimensional porous structure, which increases the reaction area and improves long-term stability by being less affected by changes in the volume of the electrode and mechanical stress.

Description

3차원 다공성 구조를 갖는 실리콘 음극 및 이의 제조방법{Silicon anode having a three-dimensional porous structure and method for manufacturing the same}Silicon anode having a three-dimensional porous structure and method for manufacturing the same}

본 발명은 기공 형성제를 통해 기공이 형성되어 3차원의 다공성 구조를 갖는 실리콘 음극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon anode having a three-dimensional porous structure in which pores are formed through a pore former and a method of manufacturing the same.

최근 에너지 밀도가 높은 디바이스 수요의 증가에 따라 이를 위한 대용량 에너지 저장 장치가 중요해지고 있다. 따라서 기존의 우수한 출력을 가지는 전기이중층 커패시터 및 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬이온 배터리의 장점을 융합한 차세대 하이브리드 에너지 저장 장치로 리튬이온 커패시터가 각광받고 있다.Recently, as the demand for devices with high energy density has increased, large-capacity energy storage devices have become important. Therefore, lithium-ion capacitors are attracting attention as a next-generation hybrid energy storage device that combines the advantages of existing electric double layer capacitors with excellent output and lithium-ion batteries with high energy density.

일반적으로 대용량 에너지 저장 장치 제조에 사용되는 리튬 금속 음극은 3,860 mAh/g의 이론 용량, 낮은 산화환원 전위 및 빠른 산화/환원 반응 속도를 가진다. 그러나 상기 리튬 금속 음극은 높은 화학적 반응성 및 불균일한 전착/탈리로 인한 덴드라이트 형성으로 전지의 수명 및 안정성이 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 또한 일반적으로 평면형 리튬 금속 음극을 사용할 경우, 3차원 구조의 상용 전극에 비하여 작은 반응 면적을 가져 출력 특성이 불리한 문제가 있었다.Lithium metal anodes, which are generally used to manufacture large-capacity energy storage devices, have a theoretical capacity of 3,860 mAh/g, low redox potential, and fast oxidation/reduction reaction rates. However, the lithium metal anode had difficulty in commercialization due to its high chemical reactivity and low battery life and stability due to dendrite formation due to uneven electrodeposition/desorption. In addition, when using a generally planar lithium metal anode, there is a problem in that the output characteristics are disadvantageous because it has a small reaction area compared to a commercial electrode with a three-dimensional structure.

따라서 이를 해결하기 위하여 상기 리튬이온 커패시터에 리튬이온의 삽입/탈리가 가능한 실리콘 음극을 사용하였다. 상기 실리콘 음극은 약 4,200 mAh/g의 이론 용량을 가져 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 갖는다. 그러나 상기 실리콘 음극은 충/방전 시 리튬이온이 삽입/탈리되는 과정에서 부피 변화 및 기계적 응력이 작용하여 전극 크랙이 쉽게 형성된다. 또한, 전극이 집전체에서 박리되는 현상으로 인해 전극이 붕괴되어 사이클 수명이 저하되는 문제가 발생하였다. 따라서 실리콘 음극의 부피 팽창/수축에 의한 전극 붕괴를 해결할 수 있는 기술이 필요하다.Therefore, to solve this problem, a silicon cathode capable of insertion/detachment of lithium ions was used in the lithium ion capacitor. The silicon cathode has a theoretical capacity of about 4,200 mAh/g and has high energy density and power density. However, electrode cracks are easily formed in the silicon anode due to volume change and mechanical stress during the insertion/desorption of lithium ions during charge/discharge. In addition, a problem occurred in which the electrode collapsed due to the phenomenon of the electrode being peeled off from the current collector, resulting in a decrease in cycle life. Therefore, a technology that can solve electrode collapse caused by volume expansion/contraction of the silicon cathode is needed.

본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 기공 형성제를 이용하여 3차원의 다공성 구조를 가지는 실리콘 음극을 제공하는 데에 있다.The first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a silicon anode having a three-dimensional porous structure using a pore forming agent.

본 발명이 이루고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제를 달성하기 위하여 3차원 다공성 구조를 가지는 실리콘 음극의 제조방법을 제공하는 데에 있다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing a silicon anode having a three-dimensional porous structure in order to achieve the first technical problem.

상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 기공이 형성된 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극을 제공한다. 상기 실리콘 음극은 기공형성제를 통하여 구형의 기공을 가지는 실리콘 음극으로 구성된다.In order to achieve the first technical problem described above, the present invention provides a silicon anode having a three-dimensional porous structure in which pores are formed. The silicon anode is composed of a silicon anode having spherical pores through a pore forming agent.

상술한 제2 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극의 제조방법을 제공한다. 상기 실리콘 음극은, 실리콘, 도전재인 전도성 탄소, 바인더 및 기공형성제를 포함하는 슬러리를 제조하여 기재 상에 코팅하여 3차원 구조의 실리콘 음극을 제조한 뒤, 가열하여 상기 기공형성제를 제거하고 상기 실리콘 음극 내에 기공을 형성하여 얻을 수 있다.In order to achieve the second technical problem described above, the present invention provides a method for manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure. For the silicon anode, a slurry containing silicon, conductive carbon as a conductive material, a binder, and a pore former is prepared and coated on a substrate to produce a three-dimensional silicon anode, and then heated to remove the pore former. It can be obtained by forming pores in the silicon anode.

본 발명은 슬러리 제조 시에 기공형성제를 포함함으로써, 전극 활물질 및 상기 기공형성제를 동시에 도포할 수 있어, 전극 제조 공정이 간단해지고 비용이 절감된다.In the present invention, by including a pore-forming agent during slurry production, the electrode active material and the pore-forming agent can be applied simultaneously, simplifying the electrode manufacturing process and reducing costs.

3차원 다공성 구조의 전극을 형성함으로써, 평면 구조의 전극 및 기공이 존재하지 않는 전극보다 반응 면적을 높여 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 기공의 존재로 인하여 부피 변화 및 기계적 응력의 영향이 적어 전극 크랙이 쉽게 형성되지 않아 사이클 수명을 증가시킬 수 있다.By forming an electrode with a three-dimensional porous structure, output characteristics can be improved by increasing the reaction area compared to electrodes with a flat structure and electrodes without pores. In addition, due to the presence of pores, the influence of volume change and mechanical stress is small, so electrode cracks are not easily formed, which can increase cycle life.

도 1은 본 발명의 일 제조예에 따른 전극의 제조 과정을 예시적으로 나타낸 입체도이다.
도 2는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극의 제조 방법에 관한 순서도이다.
도 3는 기공형성제를 합성하는 장비의 모식도이다.
도3 4는 제조예 1을 통해 형성된 기공형성제의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 이미지이다.
도 5는 기공형성제의 열중량 분석 결과에 대한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 제조예와 비교예에 대한 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제조예 및 비교예의 사이클 수명 특성 분석 결과 그래프이다.
도 9은 본 발명의 제조예 및 비교예가 포함된 리튬이온 커패시터의 라곤 플롯이다.
도 10는 본 발명의 제조예 및 비교예의 방전 용량에 따른 사이클에 대한 하프 셀 테스트 결과 그래프이다.
1 is a three-dimensional diagram exemplarily showing the manufacturing process of an electrode according to a manufacturing example of the present invention.
Figure 2 is a flowchart of a method for manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure.
Figure 3 is a schematic diagram of equipment for synthesizing pore forming agents.
Figure 3 4 is a SEM (Scanning Electron Microscopy) image of the pore former formed through Preparation Example 1.
Figure 5 is a graph of the thermogravimetric analysis results of the pore forming agent.
Figure 6 is an SEM image of the manufacturing example and comparative example of the present invention.
Figure 7 is an SEM image according to a comparative example of the present invention.
Figure 8 is a graph showing the results of analysis of cycle life characteristics of production examples and comparative examples of the present invention.
Figure 9 is a Ragone plot of a lithium ion capacitor including manufacturing examples and comparative examples of the present invention.
Figure 10 is a graph of half-cell test results for cycles according to discharge capacity of the manufacturing examples and comparative examples of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

이하에서, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.

실시예Example

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극의 제조 과정을 예시적으로 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram illustrating the manufacturing process of an electrode according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 좌측의 모식도는 기재(10) 상에 실리콘(20), 기공형성제(30), 도전재인 전도성 탄소(40) 및 바인더(50)가 3차원으로 구성된 전극의 모식도이다. 상기 전극에 열처리를 하면 상기 기공형성제(30)가 제거되어 그 자리에 구형의 기공(51)을 형성하게 되어 우측의 모식도 형태를 띠게 된다.Referring to FIG. 1, the schematic diagram on the left is a schematic diagram of an electrode composed of silicon 20, a pore former 30, conductive carbon 40 as a conductive material, and binder 50 in a three-dimensional structure on a substrate 10. When the electrode is heat treated, the pore forming agent 30 is removed and a spherical pore 51 is formed in its place, taking the form shown in the schematic diagram on the right.

상기 기공형성제는 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone) 및 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다. 상기 기공형성제로 폴리스타이렌을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 폴리스타이렌은 구의 형태이므로 가열 시 표면적이 넓은 기공을 형성하여 전극의 효율을 높일 수 있다. The pore forming agent includes one or more selected from the group consisting of polystyrene, polymethylmethacrylate, polyvinylpyrrolidone, and polytetrafluoroethylene. It is more preferable to use polystyrene as the pore forming agent. Since the polystyrene has a spherical shape, when heated, pores with a large surface area can be formed to increase the efficiency of the electrode.

상기 기공형성제는 지름이 100 nm 내지 10 um인 것이 바람직하다. 지름이 100 nm 미만일 경우, 형성되는 기공이 매우 작아 전극의 성능이 향상되기 어려우며, 지름이 10 um를 상회할 경우, 형성되는 기공이 매우 커 3차원 구조를 유지하는 데에 어려움이 있을 수 있다.The pore forming agent preferably has a diameter of 100 nm to 10 um. If the diameter is less than 100 nm, the pores formed are very small, making it difficult to improve the performance of the electrode, and if the diameter is greater than 10 um, the pores formed are very large, which may make it difficult to maintain the three-dimensional structure.

상기 바인더는 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드 이미드(Poly(amide imide), PAI), 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머(Hexafluoropropylenevinylidenefluoride copolymer), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly (methyl methacrylate), PMMA), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinyl Pyrrolidone, PVP), 카복시메틸셀룰로스 (carboxymethyl cellulose, CMC), 히드록시프로필셀룰로오스(Hydroxypropyl Cellulose, HPMC), 재생 셀룰로오스, 전분, 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 에틸렌-프로필렌-다이엔 모노머(ethylene propylene diene monomer, EPDM) 및 스타이렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber, SBR)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다.The binder is polyimide, poly(amide imide) (PAI), polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer (Hexafluoropropylenevinylidenefluoride copolymer) , Polyacrylonitrile (PAN), Poly (methyl methacrylate), PMMA), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyvinyl Pyrrolidone (PVP), Carboxymethyl cellulose (CMC), Hydroxypropyl Cellulose (HPMC), regenerated cellulose, starch, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacrylic acid, ethylene- It is at least one selected from the group consisting of propylene-diene monomer (ethylene propylene diene monomer, EPDM) and styrene butadiene rubber (SBR).

상기 도전재인 전도성 탄소는 수퍼 씨(Super C), 케첸 블랙(Ketjen Black), 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube), 수퍼 피(Super P), 아세틸렌 블랙(Acetylene Black), 덴카 블랙(Denka Black), 메조 기공 탄소(Ordered Mesoporous Carbon) 및 기상탄화탄소 나노섬유(Vapour-Grown Carbon Nanofibers, VGCF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다.The conductive carbon as the conductive material is Super C, Ketjen Black, Carbon Nanotube, Super P, Acetylene Black, Denka Black, and Meso. One or more types selected from the group consisting of ordered mesoporous carbon and vapor-grown carbon nanofibers (VGCF).

도 2는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극을 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다. Figure 2 is a flowchart showing a method of manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure.

도 2에 따르면, 실리콘, 기공형성제, 전도성 탄소 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 제1 단계(S100), 상기 슬러리를 기재 상에 코팅하여 코팅층을 형성하는 제2 단계(S200) 및 상기 코팅층을 열처리하여 기공을 형성하는 제3 단계(S300)로 진행된다.According to Figure 2, a first step of preparing a slurry by mixing silicon, a pore former, conductive carbon, and a binder (S100), a second step of coating the slurry on a substrate to form a coating layer (S200), and the coating layer The process proceeds to the third step (S300) in which pores are formed by heat treatment.

제1 단계(S100)에 따르면, 실리콘 음극을 제조하기 위하여 실리콘, 기공형성제, 전도성 탄소 및 바인더를 포함하는 슬러리를 제조한다. 상기 슬러리는 상기 실리콘이 상기 슬러리의 총 중량 대비 10 wt% 내지 93 wt%이고, 상기 전도성 탄소는 상기 슬러리의 총 중량 대비 1 wt% 내지 40 wt%이며, 상기 바인더는 상기 슬러리의 총 중량 대비 1 wt% 내지 40 wt%이고, 상기 기공형성제가 상기 슬러리의 총 중량 대비 5 wt% 내지 80 wt%로 포함되는 것이 바람직하다. 이때 바인더는 증류수로 희석하여 사용한다.According to the first step (S100), a slurry containing silicon, a pore former, conductive carbon, and a binder is prepared to manufacture a silicon anode. The slurry contains 10 wt% to 93 wt% of silicon relative to the total weight of the slurry, 1 wt% to 40 wt% of conductive carbon relative to the total weight of the slurry, and 1 wt% of the binder relative to the total weight of the slurry. wt% to 40 wt%, and the pore former is preferably included in 5 wt% to 80 wt% based on the total weight of the slurry. At this time, the binder is diluted with distilled water.

상기 슬러리는 음극 활물질인 실리콘 및 기공형성제가 동시에 투입되며, 상기 실리콘 및 상기 기공형성제의 무게비는 7 : 3 내지 7 : 5인 것이 바람직하다. 상기 실리콘 대비 상기 기공형성제가 7 : 3보다 적게 들어갈 경우, 실리콘 음극에 기공이 충분히 생기지 않아 음극의 전기화학적 성능을 높이기 어려우며, 상기 실리콘 대비 상기 기공형성제가 7 : 5를 상회할 경우, 상기 실리콘 음극 내에서 활물질의 양이 적어져 전기전도도가 낮아져 전기화학적 성능이 퇴화할 수 있다.Silicon, which is a negative electrode active material, and a pore-forming agent are added simultaneously to the slurry, and the weight ratio of the silicon and the pore-forming agent is preferably 7:3 to 7:5. If the pore former compared to the silicon is less than 7:3, it is difficult to increase the electrochemical performance of the anode because sufficient pores are not created in the silicon anode, and if the pore former compared to the silicon is contained more than 7:5, the silicon anode is not sufficiently pore-forming. As the amount of active material decreases, electrical conductivity decreases and electrochemical performance may deteriorate.

제2 단계(S200)는 상기 제1 단계(S100)에서 제조한 슬러리를 기재 상에 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계이다.The second step (S200) is a step of forming a coating layer by coating the slurry prepared in the first step (S100) on a substrate.

제3 단계(S300)는 상기 제2 단계(S200)를 통해 코팅층이 형성된 기재를 열처리하여 기공을 형성하는 단계이다. 상기 코팅층에 포함되어 있는 기공형성제를 불활성 가스 분위기에서 고온으로 열처리하면 상기 기공형성제가 분해되어 그 자리에 기공이 형성되어 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극을 획득할 수 있다.The third step (S300) is a step of forming pores by heat treating the substrate on which the coating layer was formed through the second step (S200). When the pore former included in the coating layer is heat treated at high temperature in an inert gas atmosphere, the pore former is decomposed and pores are formed in its place, thereby obtaining a silicon anode with a three-dimensional porous structure.

상기 열처리는 200 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하며, 400 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 열처리를 수행하는 것이 보다 바람직하다. 열처리 시 온도가 200 ℃ 미만이면 기공형성제가 제거되지 않을 수 있으며, 800 ℃ 이하의 온도에서 기공형성제의 무게가 0 %가 되어 제거 가능하므로, 온도가 800 ℃를 상회하지 않아도 충분하다.The heat treatment is preferably performed at a temperature of 200 ℃ to 800 ℃, and more preferably, the heat treatment is performed at a temperature of 400 ℃ to 800 ℃. If the temperature during heat treatment is less than 200 ℃, the pore former may not be removed. At a temperature of 800 ℃ or lower, the weight of the pore former becomes 0% and can be removed, so it is sufficient even if the temperature does not exceed 800 ℃.

제조예 1 : 기공형성제의 제조Preparation Example 1: Preparation of pore forming agent

도 3은 기공형성제를 합성하는 장비의 모식도이다. Figure 3 is a schematic diagram of equipment for synthesizing pore forming agents.

도 3을 참조하면, 상기 기공형성제는 제1 반응기(60)에 분산제인 Polyvinylpyrrolidone(PVP) 2g 및 용매 에탄올 95 mL을 투입한 후, 온도를 70 ℃로 상승시키면서 Magnetic stirrer(61)을 사용하여 250 rpm의 속도로 섞어주어 제1 혼합물을 생성하였다. 상기 혼합물의 온도가 상승하는 동안, 제2 반응기(70)에 개시제 Azobisisobutyronitrile(AIBN) 0.1 g 및 스타이렌 단량체 11 mL을 투입한 후 약 10초동안 가볍게 흔들어 제2 혼합물을 제조하였다. 제1 반응기의 온도가 70 ℃에 도달하면, 상기 제2 반응기의 상기 제2 혼합물을 상기 제1 반응기의 상기 제1 혼합물에 한 방울씩 투하하였다. 불활성 기체 주입구(62)를 통해 아르곤 가스 분위기를 유지하고, 물 투입구(64) 및 물 배출구(65)를 이용하는 환류 냉각기(63)를 가동시키는 상태에서 24시간동안 반응을 진행하였다. 시간 경과 후, 수득한 폴리스타이렌 및 에탄올이 포함된 용액을 6000 rpm으로 5분씩 centrifuge를 2회 진행시켜 미반응한 styrene 및 불순물을 포함하는 침전물을 가라앉힌 후, 오븐 건조하여 최종적으로 2 um 크기의 폴리스타이렌 입자를 획득하였다.Referring to FIG. 3, the pore forming agent is added to the first reactor (60) by adding 2 g of polyvinylpyrrolidone (PVP) as a dispersant and 95 mL of ethanol as a solvent, and then using a magnetic stirrer (61) while raising the temperature to 70°C. The first mixture was created by mixing at a speed of 250 rpm. While the temperature of the mixture was rising, 0.1 g of initiator Azobisisobutyronitrile (AIBN) and 11 mL of styrene monomer were added to the second reactor 70 and then gently shaken for about 10 seconds to prepare a second mixture. When the temperature of the first reactor reached 70°C, the second mixture of the second reactor was added dropwise to the first mixture of the first reactor. The reaction proceeded for 24 hours while maintaining an argon gas atmosphere through the inert gas inlet 62 and operating the reflux cooler 63 using the water inlet 64 and water outlet 65. After time elapsed, the solution containing polystyrene and ethanol was centrifuged twice at 6000 rpm for 5 minutes each to settle precipitates containing unreacted styrene and impurities, and then dried in an oven to finally produce polystyrene with a size of 2 um. Particles were obtained.

상기 기공형성제는 투입되는 시료의 양에 따라 크기를 조절하여 제조할 수 있다. 상기 기공형성제의 크기는 상기 단량체, 상기 개시제의 농도 또는 상기 용매의 비율이 증가하면 상기 기공형성제의 입자 크기가 증가한다. 그러나 입자 크기가 증가하게 되면 생성된 입자 크기의 균일도가 감소하게 된다. 반면, 상기 분산제의 농도가 높으면 입자 크기가 감소하여 입자 크기의 균일도는 증가하게 된다.The pore forming agent can be manufactured by adjusting the size depending on the amount of sample input. The particle size of the pore-forming agent increases as the concentration of the monomer, the initiator, or the ratio of the solvent increases. However, as the particle size increases, the uniformity of the generated particle size decreases. On the other hand, when the concentration of the dispersant is high, the particle size decreases and the uniformity of the particle size increases.

본 발명은 상기 에탄올 양을 조절하여 목표한 크기의 폴리스타이렌 입자를 수득하였다. 상기 슬러리 상에서 상기 에탄올 용매의 비율이 높아지면, 기공형성제의 입자 크기가 증가하게 되고, 상기 에탄올 용매의 비율이 낮아지면, 기공형성제의 입자 크기가 감소하게 된다.In the present invention, polystyrene particles of the target size were obtained by controlling the amount of ethanol. As the proportion of the ethanol solvent in the slurry phase increases, the particle size of the pore forming agent increases, and as the proportion of the ethanol solvent decreases, the particle size of the pore forming agent decreases.

도 4는 상기 제조예 1을 통해 형성된 기공형성제의 SEM 이미지이다. Figure 4 is an SEM image of the pore former formed through Preparation Example 1.

도 4를 참조하면, 상기 SEM 이미지를 통해 구형의 기공형성제가 약 2 um의 크기로 균일하게 형성된다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen from the SEM image that the spherical pore former is uniformly formed with a size of about 2 um.

도 5는 기공형성제의 열중량 분석 결과 그래프이다. Figure 5 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of the pore forming agent.

도 5를 참조하면, 상기 기공형성제는 약 400 ℃를 기점으로 Relative weight가 급격히 하락하여 0 %가 되므로, 약 400 ℃ 이상의 온도로 가열할 경우, 기공형성제가 제거된다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 전극을 제조할 경우, 400 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 열처리를 수행하여 기공을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5, the relative weight of the pore-forming agent rapidly decreases to 0% starting at about 400°C, so it can be seen that the pore-forming agent is removed when heated to a temperature of about 400°C or higher. Therefore, when manufacturing an electrode in the present invention, pores can be formed by performing heat treatment at a temperature of 400 ° C to 800 ° C.

제조예 2Production example 2

3차원 다공성 구조의 실리콘 음극을 만들기 위하여 상기 제조예 1에 따라 기공형성제인 폴리스타이렌을 제조하였다.In order to make a silicon anode with a three-dimensional porous structure, polystyrene, a pore forming agent, was prepared according to Preparation Example 1 above.

상기의 방법으로 제조된 기공형성제인 폴리스타이렌과 실리콘, 도전재인 전도성 탄소 Super C 및 바인더인 폴리아미드 이미드(Poly(amide imide), PAI)를 포함하여 슬러리를 제조하였다. 이때 실리콘, Super C, PAI 및 폴리스타이렌은 7 : 1 : 2 : 4 의 무게비로 투입되었으며, 폴리스타이렌의 직경은 2 um였다. 이때, 상기 PAI는 증류수를 사용하여 9.6 wt %로 희석하여 사용하였다. 상기 슬러리를 지르코니아 볼이 포함된 니더믹서(Non Bubbling Kneader NBK-1)에 투입한 후, 1,200 rpm으로 15분간 섞어준 후, 구리 집전체 상에 코팅하여 코팅층을 형성하였다. 상기 코팅층이 형성된 구리 집전체를 아르곤 분위기 하에서 450 ℃의 온도로 1시간 동안 가열하여 로딩 레벨이 0.93 mgcm-2인 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극을 획득하였다.A slurry was prepared including polystyrene and silicon as pore formers prepared by the above method, conductive carbon Super C as a conductive material, and poly(amide imide) (PAI) as a binder. At this time, silicon, Super C, PAI, and polystyrene were added at a weight ratio of 7:1:2:4, and the diameter of polystyrene was 2 um. At this time, the PAI was diluted to 9.6 wt % using distilled water. The slurry was put into a kneader mixer (Non Bubbling Kneader NBK-1) containing zirconia balls, mixed at 1,200 rpm for 15 minutes, and then coated on a copper current collector to form a coating layer. The copper current collector on which the coating layer was formed was heated at a temperature of 450° C. for 1 hour under an argon atmosphere to obtain a silicon anode with a three-dimensional porous structure with a loading level of 0.93 mgcm -2 .

비교예 1Comparative Example 1

상기 제조예 2의 조건에서 기공형성제인 폴리스타이렌이 사용되지 않는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. 이때 상기 PAI는 증류수를 사용하여 10 wt %로 희석하여 사용하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 2, except that polystyrene, a pore forming agent, was not used. At this time, the PAI was diluted to 10 wt % using distilled water.

비교예 2Comparative Example 2

두께 0.45 mm, 직경 16 mm인 상용 원형 리튬 음극 포일(MTI Korea)을 음극으로 사용하였다.A commercial circular lithium cathode foil (MTI Korea) with a thickness of 0.45 mm and a diameter of 16 mm was used as the cathode.

비교예 3Comparative Example 3

흑연, 도전재인 전도성 탄소 Super C, 바인더인 스타이렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber, SBR) 및 증점제인 카르복시 메틸 셀룰로스 나트륨(sodium Carboxy Methyl Cellulose, CMC)을 96 : 1 : 1.5 : 1.5의 무게비로 구성하여 슬러리를 제조하였다. 이때 SBR은 증류수를 사용하여 5 wt %로 희석하여 사용하였다. 상기 슬러리를 지르코니아 볼이 포함된 니더믹서(Non Bubbling Kneader NBK-1)에 투입한 후, 1,200 rpm으로 15분간 섞어준 후, 구리 집전체 상에 코팅하여 코팅층을 형성하였다. 상기 코팅층이 형성된 구리 집전체를 60 ℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조한 후 압연하여 로딩 레벨이 6.18 mgcm-2인 흑연 음극을 획득하였다. It is composed of graphite, conductive carbon Super C as a conductive material, Styrene Butadiene Rubber (SBR) as a binder, and sodium Carboxy Methyl Cellulose (CMC) as a thickener at a weight ratio of 96:1:1.5:1.5. A slurry was prepared. At this time, SBR was diluted to 5 wt % using distilled water. The slurry was put into a kneader mixer (Non Bubbling Kneader NBK-1) containing zirconia balls, mixed at 1,200 rpm for 15 minutes, and then coated on a copper current collector to form a coating layer. The copper current collector on which the coating layer was formed was dried in a vacuum oven at 60° C. for 12 hours and then rolled to obtain a graphite anode with a loading level of 6.18 mgcm -2 .

비교예 4Comparative Example 4

상기 제조예 2의 조건에서 상기 에탄올의 양을 각각 54 mL 및 125 mL로 변경하여 직경이 1 um 및 3 um인 폴리스타이렌을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. 이때, 상기 1 um 및 3 um의 폴리스타이렌은 1 : 5의 무게비로 첨가하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 2, except that the amount of ethanol was changed to 54 mL and 125 mL, respectively, to prepare polystyrene with a diameter of 1 um and 3 um. At this time, 1 um and 3 um polystyrene were added at a weight ratio of 1:5.

비교예 5Comparative Example 5

상기 제조예 2의 조건에서 실리콘, Super C, PAI 및 폴리스타이렌의 무게비를 7 : 1 : 2 : 8로 구성한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 음극을 제조하였다. 이때, 상기 PAI는 증류수를 사용하여 9.2 wt %로 희석하여 사용하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 2, except that the weight ratio of silicon, Super C, PAI, and polystyrene was 7:1:2:8. At this time, the PAI was diluted to 9.2 wt % using distilled water.

실험예 1Experimental Example 1

도 6은 상기 제조예 2 및 상기 비교예 1의 SEM 이미지이다. 도 6의 (a) 및 (c)는 상기 비교예 1의 SEM 이미지이며, 기공형성제를 사용하지 않은 순수 실리콘 음극이기 때문에 기공이 관찰되지 않았다. 반면, 도 6의 (b) 및 (d)는 상기 제조예 1의 SEM 이미지로, (b)를 보면 균일한 크기의 구형의 기공이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 또한 (d)를 보면, 고르게 기공이 형성된 것을 알 수 있다.Figure 6 is an SEM image of Preparation Example 2 and Comparative Example 1. Figures 6 (a) and (c) are SEM images of Comparative Example 1, and no pores were observed because it was a pure silicon cathode without a pore-forming agent. On the other hand, Figures 6 (b) and (d) are SEM images of Preparation Example 1. Looking at (b), it can be observed that spherical pores of uniform size were formed. Also, looking at (d), it can be seen that pores are formed evenly.

도 7은 상기 비교예 4 및 상기 비교예 5의 SEM 이미지이다. 도 7의 (a) 및 (c)는 상기 비교예 4의 SEM 이미지로, 1 um 및 3 um의 직경을 가지는 기공형성제를 사용하였기 때문에, 기공의 크기 및 분포가 균일하지 않으며, 완전한 구형을 띠지 않았다. 도 7의 (b) 및 (d)는 상기 비교예 5의 SEM 이미지로, 실리콘 및 기공형성제의 무게비가 7 : 8로 형성된 음극이며, 형성된 기공의 크기는 균일한 구형을 가지나, 음극 상에 과도하게 밀집되어 형성되었다.Figure 7 is an SEM image of Comparative Example 4 and Comparative Example 5. Figures 7 (a) and (c) are SEM images of Comparative Example 4. Since pore forming agents with diameters of 1 um and 3 um were used, the size and distribution of pores were not uniform and had a perfectly spherical shape. It wasn't noticeable. Figures 7 (b) and (d) are SEM images of Comparative Example 5, which is a cathode formed at a weight ratio of silicon and pore former of 7:8, and the size of the formed pores is uniformly spherical, but on the cathode It was formed in an excessively dense manner.

실험예 2Experimental Example 2

도 8은 상기 제조예 2 및 비교예 1이 포함된 리튬이온 커패시터의 사이클 성능 실험 결과 그래프이다.Figure 8 is a graph showing the results of a cycle performance test of the lithium ion capacitor containing Preparation Example 2 and Comparative Example 1.

상기 리튬이온 커패시터는 탄소 양극을 제작하고 2032 코인 셀을 사용하여 제조되었다.The lithium ion capacitor was manufactured using a carbon anode and a 2032 coin cell.

상기 탄소 양극은 활성 탄소(MSC-30), Super C, 폴리비닐리덴 플로라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 8 : 5 : 15의 무게비로 구성한 슬러리를 제조하였으며, PVDF 파우더는 유기용매인 N-Methyl-2-pyrrolidone(NMP)에 2.87 wt %로 분산시켜 사용하였다. 상기 슬러리를 지르코니아 볼이 포함된 니더믹서(Non Bubbling Kneader NBK-1)에 투입하고 1,200 rpm으로 15분간 섞어준 후, 알루미늄 포일 상에 코팅하여 코팅층을 형성하여 로딩 레벨이 3.5 mgcm-2인 탄소 양극을 획득하였다.The carbon anode was prepared as a slurry composed of activated carbon (MSC-30), Super C, and polyvinylidene fluoride (PVDF) at a weight ratio of 8:5:15, and the PVDF powder was mixed with N-Methyl, an organic solvent. It was used by dispersing it in -2-pyrrolidone (NMP) at 2.87 wt %. The slurry was put into a kneader mixer (Non Bubbling Kneader NBK-1) containing zirconia balls and mixed at 1,200 rpm for 15 minutes, then coated on aluminum foil to form a coating layer to form a carbon anode with a loading level of 3.5 mgcm -2 was obtained.

상기 리튬이온 커패시터는 아르곤 분위기의 글러브 박스 내부에서 풀 셀로 조립을 진행하였다. 이때 실리콘 음극은 상기 리튬이온 커패시터 조립 전 하프 셀을 조립하여 액티베이션(activation) 및 사전리튬화(prelithiation)를 진행한 후 사용하였다. 상기 코인 셀은 하부 케이스 상에 스프링, 스페이서를 순서대로 배치하고, 상기 스페이서 상에 상기 탄소 양극이 코팅된 알루미늄 포일을 위치시킨다. 상기 탄소 양극 상에 분리막을 위치시키고, 상기 분리막 상에 상기 제조예 1 및 상기 제조예 3, 상기 비교예 1 및 상기 비교예 3의 음극을 각각 위치시키고 상부 케이스를 조립하여 코인 셀을 제조하였다.The lithium ion capacitor was assembled as a full cell inside a glove box in an argon atmosphere. At this time, the silicon cathode was used after assembling a half cell and performing activation and prelithiation before assembling the lithium ion capacitor. In the coin cell, a spring and a spacer are arranged in that order on the lower case, and an aluminum foil coated with the carbon anode is placed on the spacer. A coin cell was manufactured by placing a separator on the carbon anode, placing the cathodes of Preparation Example 1 and Preparation Example 3, and Comparative Example 1 and Comparative Example 3 on the separator, respectively, and assembling the upper case.

상기 코인 셀 제조에 사용된 음극 및 양극은 1 : 3.5 내지 1 : 4.0의 활물질 무게비를 가지며, 상기 코인 셀 내부의 전해질로 1 M LiPF6 염이 포함된 EC(Ethylene Carbonate) : DEC(Diethyl Carbonate) (1:1, v/v) 200 uL를 사용했다.The cathode and positive electrode used to manufacture the coin cell have an active material weight ratio of 1:3.5 to 1:4.0, and the electrolyte inside the coin cell is EC (Ethylene Carbonate):DEC (Diethyl Carbonate) containing 1 M LiPF 6 salt. (1:1, v/v) 200 uL was used.

도 8을 참조하면, 전류밀도 1 mAcm-2의 조건에서 500 사이클동안 충/방전을 진행한 결과, 제조예 2가 500 사이클까지 소폭 하락하여 초기 대비 수명 유지율이 약 80 %였으며, 500 사이클 이후 196 mAhg-1의 용량을 유지하였다. 이에 비해, 비교예 1은 사이클이 반복될수록 초기에 비하여 용량이 크게 하락하여 수명 유지율이 약 25.3 %로 측정되었으며, 500 사이클 이후 55 mAhg-1의 용량을 유지하였다. 따라서 실리콘 음극 내에 기공이 형성된 제조예 2가 충/방전에 따른 셀의 퇴화를 늦춘다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, as a result of charging/discharging for 500 cycles under the condition of a current density of 1 mAcm -2 , Preparation Example 2 slightly decreased until 500 cycles, and the lifespan maintenance rate compared to the initial period was about 80%, and after 500 cycles, the lifespan maintenance rate was 196%. The capacity of mAhg -1 was maintained. In contrast, in Comparative Example 1, as the cycle was repeated, the capacity decreased significantly compared to the initial period, and the life maintenance rate was measured to be about 25.3%, and the capacity of 55 mAhg -1 was maintained after 500 cycles. Therefore, it can be seen that Preparation Example 2, in which pores are formed in the silicon anode, slows down cell deterioration due to charge/discharge.

실험예 3Experimental Example 3

도 9는 제조예 2 및 비교예 1 내지 비교예 3이 포함된 리튬이온 커패시터의 라곤 플롯이다. 상기 제조예 2 및 상기 비교예 1 내지 상기 비교예 3을 각각 1 mAcm-2, 2 mAcm-2, 5 mAcm-2, 10 mAcm-2, 20 mAcm-2의 전류 밀도로 5 사이클씩 수행하여 셀의 속도 특성을 비교하였다.Figure 9 is a Ragone plot of the lithium ion capacitor including Preparation Example 2 and Comparative Examples 1 to 3. Preparation Example 2 and Comparative Examples 1 to 3 were performed for 5 cycles at a current density of 1 mAcm -2 , 2 mAcm -2 , 5 mAcm -2 , 10 mAcm -2 , and 20 mAcm -2 , respectively, to produce a cell. The speed characteristics were compared.

상기 비교예 2는 1 mAcm-2 및 2 mAcm-2의 낮은 전류 밀도에서 상기 제조예 2, 상기 비교예 1 및 상기 비교예 3에 비하여 우수한 성능을 보이나 전류 밀도가 2 mAcm-2 이상으로 높아지자 용량이 급격히 감소하였다. 이는 상기 비교예 2는 평평한 전극이기 때문에 반응 면적이 작아 고속 충/방전이 어렵기 때문이다.Comparative Example 2 showed superior performance compared to Preparation Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 3 at low current densities of 1 mAcm -2 and 2 mAcm -2 , but when the current density increased to 2 mAcm -2 or more, the capacity decreased. This decreased sharply. This is because Comparative Example 2 is a flat electrode and has a small reaction area, making high-speed charge/discharge difficult.

상기 비교예 3은 전류 밀도의 증가에 따른 용량 감소가 제조예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 적게 측정되었다. 이는 흑연이 실리콘에 비하여 내부에서 이동하는 속도가 빠르며, 비교예 3이 3차원으로 배열되어 있어 비교예 2에 비하여 반응 면적이 크기 때문이다. 그러나, 흑연의 이론 용량이 실리콘의 이론 용량에 비하여 적기 때문에 전체적인 에너지 밀도가 낮았다.In Comparative Example 3, the decrease in capacity due to increase in current density was measured to be less than that in Preparation Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. This is because the speed at which graphite moves internally is faster than that of silicon, and the reaction area of Comparative Example 3 is larger than that of Comparative Example 2 because Comparative Example 3 is arranged in three dimensions. However, because the theoretical capacity of graphite was smaller than that of silicon, the overall energy density was low.

상기 제조예 2 및 비교예 1은 낮은 전류 밀도에서 150 Whkg-1의 높은 에너지 밀도를 보인다. 그러나, 높은 전류 밀도에서 비교예 1은 부피 변화 및 기계적 응력의 영향에 의하여 에너지 밀도가 급격히 감소하였다. 반면에, 제조예 2는 20 mAcm-2의 높은 전류밀도에서도 기공에 의하여 부피 변화 및 기계적 응력의 영향이 적어 전극 크랙을 억제하여 효율이 떨어지지 않았으며, 약 50 Whkg-1의 우수한 에너지 밀도가 관찰되었다. Preparation Example 2 and Comparative Example 1 show a high energy density of 150 Whkg -1 at low current density. However, at high current densities, the energy density of Comparative Example 1 rapidly decreased due to the effects of volume change and mechanical stress. On the other hand, in Preparation Example 2, even at a high current density of 20 mAcm -2 , the effect of volume change and mechanical stress due to pores was small, suppressing electrode cracks, so efficiency did not decrease, and an excellent energy density of about 50 Whkg -1 was observed. It has been done.

실험예 4Experimental Example 4

도 10은 제조예 2, 비교예 4 및 비교예 5의 방전 용량에 따른 사이클에 대한 하프 셀 테스트 결과 그래프이다. 상기 실험에 사용된 하프 셀은 하부 케이스 상에 스프링, 스페이서 및 리튬 금속 전극이 순서대로 배치되며, 상기 리튬 금속 전극 상에 분리막을 위치시키고, 상기 분리막 상에 상기 제조예 2, 상기 비교예 4 및 상기 비교예 5를 각각 배치하여 상부 케이스를 위치시켜 셀을 조립한 후 실험에 사용하였다. 상기 실험은 2A/gsi의 전류밀도로 충/방전을 진행한 결과이다. 2 um의 기공형성제를 포함하며, 실리콘 및 기공형성제의 무게비가 7 : 4인 상기 제조예 2는 기공형성제의 크기가 다른 상기 비교예 4 및 무게비가 다른 상기 비교예 5에 비하여 사이클이 반복될수록 방전 용량이 완만하게 하락한다. 상기 비교예 4는 다양한 크기의 기공이 형성되었기 때문에 초기 용량이 상기 제조예 2보다 높게 측정되었으나, 약 20 사이클 전후로 용량이 급격히 하락하여 셀의 성능이 우수하지 못하다. 상기 비교예 5는 초기 용량이 상기 제조예 2과 유사한 그래프를 그리며 용량이 유지되지만 약 70 사이클 이후로 급격히 용량이 낮아진다. 이는 기공형성제가 실리콘에 비하여 과량 투입되었기 때문에, 전극 내의 활물질이 부족해 반응이 원활하지 못하여 용량이 하락하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 제조예 2의 조건으로 셀을 제작하는 것이 가장 바람직하다.Figure 10 is a graph of half-cell test results for cycles according to discharge capacity of Preparation Example 2, Comparative Example 4, and Comparative Example 5. The half cell used in the experiment has a spring, a spacer, and a lithium metal electrode arranged in that order on the lower case, a separator is placed on the lithium metal electrode, and Preparation Example 2, Comparative Example 4, and Comparative Example 5 was placed and the upper case was placed to assemble the cell and then used in the experiment. The above experiment is the result of charging/discharging at a current density of 2A/g si . Preparation Example 2, which contains a pore former of 2 um and has a weight ratio of silicon and pore former of 7:4, has a shorter cycle time than Comparative Example 4, which has a different size of the pore former, and Comparative Example 5, which has a different weight ratio. As it repeats, the discharge capacity gradually decreases. In Comparative Example 4, the initial capacity was measured to be higher than that of Preparation Example 2 because pores of various sizes were formed, but the capacity dropped sharply after about 20 cycles, so the cell performance was not excellent. Comparative Example 5 draws a graph in which the initial capacity is similar to Preparation Example 2 and the capacity is maintained, but the capacity rapidly decreases after about 70 cycles. This can be seen as a decrease in capacity because the pore-forming agent was added in excess compared to silicon, and the reaction was not smooth due to a lack of active material in the electrode. Therefore, it is most desirable to manufacture the cell under the conditions of Production Example 2.

본 발명은 3차원 다공성 구조의 음극에 있어서, 슬러리 제조 시에 기공형성제를 포함함으로써, 전극 활물질 및 상기 기공형성제를 동시에 도포한다. 따라서 전극 제조 공정이 간단하고 이로 인하여 제조 비용이 절감할 수 있다. 또한, 3차원 다공성 구조의 전극을 형성함으로써, 평면 구조의 전극 및 기공이 존재하지 않는 전극보다 반응 면적을 높여 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 기공의 존재로 인하여 부피 변화 및 기계적 응력의 영향이 적어 전극 크랙이 쉽게 형성되지 않아 장기 안정성이 확보되어 사이클 수명을 증가시킬 수 있다.In the present invention, in a negative electrode having a three-dimensional porous structure, a pore-forming agent is included during slurry production, so that the electrode active material and the pore-forming agent are applied simultaneously. Therefore, the electrode manufacturing process is simple and manufacturing costs can be reduced. In addition, by forming an electrode with a three-dimensional porous structure, the output characteristics can be improved by increasing the reaction area compared to electrodes with a flat structure and electrodes without pores. In addition, due to the presence of pores, the influence of volume change and mechanical stress is small, so electrode cracks are not easily formed, ensuring long-term stability and increasing cycle life.

10 : 기재 20 : 실리콘
30 : 기공형성제 40 : 전도성 탄소
50 : 바인더 51 : 기공
60 : 제1 반응기 61 : Magnetic stirrer
62 : 불활성 기체 주입구 63 : 환류 냉각기
64 : 물 투입구 65 : 물 배출구
70 : 제2 반응기
10: base material 20: silicone
30: pore former 40: conductive carbon
50: Binder 51: Pores
60: First reactor 61: Magnetic stirrer
62: inert gas inlet 63: reflux cooler
64: water inlet 65: water outlet
70: second reactor

Claims (14)

기재; 및
상기 기재 상에 도포된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 상기 기재 상에 도포된 슬러리에 대한 열처리 이후 내부에 기공을 포함하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극.
write; and
A silicon anode with a three-dimensional porous structure comprising a coating layer applied on the substrate, wherein the coating layer includes pores therein after heat treatment of the slurry applied on the substrate.
제1항에 있어서,
상기 슬러리는 실리콘, 기공형성제, 전도성 탄소 및 바인더로 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극.
According to paragraph 1,
The slurry is a silicon anode with a three-dimensional porous structure, characterized in that it is composed of silicon, a pore former, conductive carbon, and a binder.
제2항에 있어서,
상기 기공형성제는 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone) 및 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극.
According to paragraph 2,
The pore forming agent is a three-dimensional porosity, characterized in that at least one selected from the group consisting of polystyrene, polymethylmethacrylate, polyvinylpyrrolidone, and polytetrafluoroethylene. Structure of silicon cathode.
제2항에 있어서,
상기 기공형성제는 구의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극.
According to paragraph 2,
A silicon anode with a three-dimensional porous structure, wherein the pore forming agent has a spherical shape.
제2항에 있어서,
상기 기공형성제는 100nm 내지 10 um의 크기인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극.
According to paragraph 2,
A silicon anode with a three-dimensional porous structure, wherein the pore forming agent has a size of 100 nm to 10 um.
제2항에 있어서,
상기 슬러리는 상기 실리콘 및 상기 기공형성제가 7 : 3 내지 7 : 5의 무게비로 포함되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극.
According to paragraph 2,
The slurry is a silicon anode with a three-dimensional porous structure, characterized in that the silicon and the pore former are contained in a weight ratio of 7:3 to 7:5.
제2항에 있어서,
상기 바인더는 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드 이미드(Poly(amide imide), PAI), 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene Fluoride, PVDF), 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머(Hexafluoropropylenevinylidenefluoride copolymer), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly (methyl methacrylate), PMMA), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinyl Pyrrolidone, PVP), 카복시메틸셀룰로스 (carboxymethyl cellulose, CMC), 히드록시프로필셀룰로오스(Hydroxypropyl Cellulose, HPMC), 재생 셀룰로오스, 전분, 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 에틸렌-프로필렌-다이엔 모노머(ethylene propylene diene monomer, EPDM) 및 스타이렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber, SBR)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극.
According to paragraph 2,
The binder is polyimide, poly(amide imide) (PAI), polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer (Hexafluoropropylenevinylidenefluoride copolymer) , Polyacrylonitrile (PAN), Poly (methyl methacrylate), PMMA), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyvinyl Pyrrolidone (PVP), Carboxymethyl cellulose (CMC), Hydroxypropyl Cellulose (HPMC), regenerated cellulose, starch, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacrylic acid, ethylene- A silicon anode with a three-dimensional porous structure comprising at least one selected from the group consisting of propylene-diene monomer (ethylene propylene diene monomer, EPDM) and styrene butadiene rubber (SBR).
실리콘, 기공형성제, 도전재인 전도성 탄소 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 기재 상에 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층을 열처리하여 기공형성제를 제거하여 전극 내에 기공을 형성하는 단계;를 포함하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 제조방법.
Preparing a slurry by mixing silicon, a pore former, conductive carbon as a conductive material, and a binder;
Forming a coating layer by coating the slurry on a substrate; and
A method of manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure, comprising: heat-treating the coating layer to remove the pore-forming agent to form pores within the electrode.
제8항에 있어서,
상기 슬러리는 상기 실리콘이 상기 슬러리의 총 중량 대비 10 wt% 내지 93 wt%이고, 상기 전도성 탄소는 상기 슬러리의 총 중량 대비 1 wt% 내지 40 wt%이며, 상기 바인더는 상기 슬러리의 총 중량 대비 1 wt% 내지 40 wt%이고, 상기 기공형성제가 상기 슬러리의 총 중량 대비 5 wt% 내지 80 wt%인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 제조방법.
According to clause 8,
The slurry contains 10 wt% to 93 wt% of silicon relative to the total weight of the slurry, 1 wt% to 40 wt% of conductive carbon relative to the total weight of the slurry, and 1 wt% of the binder relative to the total weight of the slurry. wt% to 40 wt%, and the pore former is 5 wt% to 80 wt% based on the total weight of the slurry.
제8항에 있어서,
상기 슬러리는 상기 실리콘 및 상기 기공형성제가 7 : 3 내지 7 : 5의 무게비로 포함되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure, characterized in that the slurry contains the silicon and the pore former in a weight ratio of 7:3 to 7:5.
제8항에 있어서,
상기 열처리는 200 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure, characterized in that the heat treatment is performed at a temperature of 200 ℃ to 800 ℃.
제8항에 있어서,
상기 기공형성제는,
제1 반응기에 분산제 및 용매를 투입하여 제1 혼합물을 생성하는 단계;
상기 제1 반응기의 온도를 설정하고 제1 혼합물을 교반하는 단계;
제2 반응기에 개시제 및 단량체를 첨가하여 제2 혼합물을 생성하는 단계;
상기 제1 반응기의 온도가 목표에 도달하면 제2 혼합물을 한 방울씩 투하하여 반응물을 형성하는 단계; 및
상기 반응물의 불순물을 제거 및 건조하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 제조방법.
According to clause 8,
The pore forming agent,
Generating a first mixture by adding a dispersant and a solvent to a first reactor;
setting the temperature of the first reactor and stirring the first mixture;
adding an initiator and a monomer to a second reactor to produce a second mixture;
forming a reactant by dropping the second mixture drop by drop when the temperature of the first reactor reaches the target; and
A method of manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure, comprising the step of removing and drying impurities in the reactant.
제8항에 있어서,
상기 기공형성제는 상기 실리콘과 동시에 상기 기재 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure, characterized in that the pore forming agent is applied on the substrate simultaneously with the silicon.
제8항에 있어서,
상기 기공형성제는 구의 형태를 가지며, 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone) 및 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조의 실리콘 음극 제조방법.
According to clause 8,
The pore forming agent has a spherical shape and is at least one selected from the group consisting of polystyrene, polymethylmethacrylate, polyvinylpyrrolidone, and polytetrafluoroethylene. A method of manufacturing a silicon anode with a three-dimensional porous structure.
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