KR20240034665A - 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법 - Google Patents
음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 출원은 2022년 9월 7일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2022-0113645호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.
최근 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 전기 자동차 등 전지를 사용하는 전자기구의 급속한 보급에 수반하여 소형 경량이면서도 상대적으로 고용량인 이차전지의 수요가 급속히 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 경량이고 고에너지 밀도를 가지고 있어 휴대 기기의 구동 전원으로서 각광을 받고 있다. 이에 따라, 리튬 이차전지의 성능 향상을 위한 연구개발 노력이 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막, 전해질, 유기 용매 등을 포함한다. 또한, 양극 및 음극에는 집전체 상에 양극 활물질 및 음극 활물질을 각각 포함하는 활물질층이 형성될 수 있다. 일반적으로 상기 양극에는 LiCoO2, LiMn2O4 등의 리튬 함유 금속 산화물이 양극 활물질로 사용되며, 음극에는 리튬을 함유하지 않는 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질이 음극 활물질로 사용되고 있다.
음극 활물질 중, 실리콘계 활물질의 경우 탄소계 활물질에 비해 높은 용량을 가지며, 우수한 고속 충전 특성을 갖는 점에서 주목되고 있다. 그러나, 실리콘계 활물질은 충방전에 따른 부피 팽창/수축의 정도가 크며, 비가역 용량이 크므로 초기 효율이 낮다는 단점이 있다.
한편 실리콘계 활물질 중 실리콘계 산화물, 구체적으로 SiOx(0 < x < 2)로 표시되는 실리콘계 산화물의 경우, 실리콘(Si) 등 타 실리콘계 활물질 대비 충방전에 따른 부피 팽창/수축의 정도가 낮다는 점에서 장점이 있다. 그러나, 여전히 실리콘계 산화물도 비가역 용량의 존재에 따라 초기 효율이 저하된다는 단점이 있다.
이와 관련하여, 실리콘계 산화물에 Li, Al, Mg 등의 금속을 도핑 또는 삽입시킴에 의해 비가역 용량을 감소시키고 초기 효율을 향상시키려는 연구가 계속되어 왔다. 그러나, 금속 도핑된 실리콘계 산화물이 음극 활물질로서 포함된 음극 슬러리의 경우, 금속이 도핑되어 형성된 금속 산화물이 수분과 반응하여 음극 슬러리의 pH를 높이고 점도를 변화시키는 문제가 있으며, 이에 따라 제조된 음극의 상태가 불량해 지고, 음극의 충방전 효율이 저하되는 문제가 있다.
이에 따라, 실리콘계 산화물을 포함하는 음극 슬러리의 상 안정성을 향상시키고, 이로부터 제조된 음극의 충방전 효율을 향상시킬 수 있는 음극 활물질의 개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-0794192호는 리튬 이차 전지용 탄소 피복 실리콘-흑연 복합 음극 소재의 제조 방법 및 이를 포함하는 이차 전지의 제조방법에 관한 것이나, 전술한 문제점을 해결하기에는 한계가 있다.
본 발명은 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자를 포함하는 음극 활물질로서, 상기 Li 화합물은 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 및 결정상 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 결정상 리튬 실리케이트를 포함하고, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 상기 결정상 Li4SiO4의 함량의 합보다 많고, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 리튬 실리케이트 총 100 중량부를 기준으로 60 중량부 이상 포함하며, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량은 비정질상의 총 함량보다 많은 것인 음극 활물질을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 SiOx(0<x<2)로 표시되는 실리콘계 산화물을 포함하는 입자를 형성하는 단계; 및 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와 리튬 전구체를 혼합한 뒤 열처리하는 단계를 포함하는 본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 본 발명의 일 실시상태에 따른 음극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 음극 활물질은 결정상 리튬 실리케이트에서 결정상 Li2SiO3의 함량이 지배적으로 존재하여 음극 활물질 내 Li 함량 증가에 따른 무게 당 방전 용량의 손실이 적고, Li 도핑 시 비가역 용량으로 작용하게 되는 SiO2와 Li이 많이 반응하게 되어 전기화학적으로 안정한 Li2SiO3의 리튬 실리케이트 구조를 형성하므로 초기 효율을 대폭 증가시킬 수 있다. 또한, 결정상 Li2SiO3의 경우, 충방전 시 구조가 안정하여 수명 특성이 우수하다.
또한, 본 발명의 음극 활물질은 결정상의 총 함량이 비정질상의 총 함량에 비해 크므로, 수분과 반응하는 리튬 산화물, 리튬 실리케이트의 함량이 적어 음극 슬러리의 가스 발생 및 점도 변화를 방지할 수 있고, 음극 활물질을 포함하는 슬러리의 상 안정성이 향상될 수 있어, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 상기 음극을 포함하는 이차전지는 품질이 향상되며, 충방전 용량, 초기 효율, 및/또는 수명 특성이 개선되는 효과가 있다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 있어서, 음극 활물질 내 포함된 구조의 결정성은 X선 회절 분석을 통해 확인할 수 있으며, X선 회절 분석은 X-ray diffraction(XRD) 분석 기기(제품명: D4-endavor, 제조사: bruker)를 이용하여 수행할 수 있고, 상기 기기 외에도 당업계에서 사용되는 기기를 적절히 채용할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 음극 활물질 내의 원소의 유무 및 원소의 함량은 ICP 분석을 통해 확인할 수 있으며, ICP 분석은 유도결합 플라즈마 발광 분석 분광기(ICPAES, Perkin-Elmer 7300)를 이용하여 수행할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 평균 입경(D50)은 입자의 입도 분포 곡선(입도 분포도의 그래프 곡선)에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시상태를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 실시상태는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시상태들에 한정되지는 않는다.
<음극 활물질>
이하, 음극 활물질에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 음극 활물질에 관한 것이며, 구체적으로는 리튬 이차전지용 음극 활물질에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자를 포함하는 음극 활물질로서, 상기 Li 화합물은 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 및 결정상 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 결정상 리튬 실리케이트를 포함하고, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 상기 결정상 Li4SiO4의 함량의 합보다 많고, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 리튬 실리케이트 총 100 중량부를 기준으로 60 중량부 이상 포함하며, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량은 비정질상의 총 함량보다 많은 것인 음극 활물질을 제공한다.
종래, 실리콘계 산화물을 포함하는 음극 활물질에 있어서, 리튬 등을 음극 활물질에 도핑 또는 분포시켜, 실리콘계 산화물의 비가역 용량을 제거하고 초기 효율을 높이고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 이러한 음극 활물질은 비정질상의 함량이 높아 음극 슬러리, 구체적으로 수계 음극 슬러리 제조 시 수분과, 리튬 산화물 및/또는 리튬 실리케이트의 반응에 의해 가스 발생이 증가하고, 음극 슬러리의 pH를 높이고 상 안정성을 감소시키는 문제가 있어, 제조된 음극의 품질이 불량하며 충방전 효율을 감소시키는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 활물질은 SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자가 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 및 결정상 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 결정상 리튬 실리케이트 또는 비정질상 리튬 실리케이트의 형태로 존재하는 Li 화합물을 포함하고, 이 중 결정상 Li2SiO3의 함량이 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 결정상 Li4SiO4의 함량의 합보다 많고, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량이 비정질상의 총 함량보다 많은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 음극 활물질에 따르면, 결정상 리튬 실리케이트에서 결정상 Li2SiO3의 함량이 지배적으로 존재하여 음극 활물질 내 Li 함량 증가에 따른 무게 당 방전 용량의 손실이 적고, Li 도핑 시 비가역 용량으로 작용하게 되는 SiO2와 Li이 많이 반응하게 되어 전기화학적으로 안정한 Li2SiO3의 리튬 실리케이트 구조를 형성하므로 초기 효율을 대폭 증가시킬 수 있다. 또한, 결정상 Li2SiO3의 경우, 충방전 시 구조가 안정하여 수명 특성이 우수하다.
또한, 본 발명의 음극 활물질에 따르면, 결정상의 총 함량이 비정질상의 총 함량에 비해 크므로, 수분과 반응하는 리튬 산화물, 리튬 실리케이트의 함량이 적어 음극 슬러리의 가스 발생 및 점도 변화를 방지할 수 있고, 음극 활물질을 포함하는 슬러리의 상 안정성이 향상될 수 있어, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 상기 음극을 포함하는 이차전지는 품질이 향상되며, 충방전 용량, 초기 효율, 및/또는 수명 특성이 개선되는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 활물질은 실리콘계 입자를 포함한다. 상기 실리콘계 입자는 SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함한다.
상기 SiOx(0<x<2)는 상기 실리콘계 입자 내에서 매트릭스(matrix)에 해당할 수 있다. 상기 SiOx(0<x<2)는 Si 및/또는 SiO2가 포함된 형태일 수 있으며, 상기 Si는 상(phase)을 이루고 있을 수도 있다. 예컨대, 상기 SiOx(0<x<2)는 비정질 SiO2 및 Si 결정을 포함하는 복합물일 수 있다. 즉, 상기 x는 상기 SiOx(0<x<2) 내에 포함된 Si에 대한 O의 개수비에 해당한다. 상기 실리콘계 입자가 상기 SiOx(0<x<2)를 포함하는 경우, 이차 전지의 방전 용량이 개선될 수 있다. 구체적으로 상기 SiOx(0<x<2)는 활물질의 구조적 안정 측면에서 SiOx(0.5≤x≤1.5)로 표시되는 화합물일 수 있다.
상기 Li 화합물은 상기 실리콘계 복합 입자 내에서 매트릭스(matrix)에 해당할 수 있다. 상기 Li 화합물은 상기 실리콘계 입자 내에서 리튬 원자, 리튬 실리케이트, 리튬 실리사이드, 리튬 산화물 중 적어도 하나의 형태로 존재할 수 있다. 상기 실리콘계 입자가 Li 화합물을 포함하는 경우, 초기 효율이 개선되는 효과가 있다.
상기 Li 화합물은 상기 실리콘계 입자에 도핑된 형태로 상기 실리콘계 입자의 표면 및/또는 내부에 분포될 수 있다. 상기 Li 화합물은 실리콘계 입자의 표면 및/또는 내부에 분포되어, 실리콘계 입자의 부피 팽창/수축을 적절한 수준으로 제어할 수 있고, 활물질의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 Li 화합물은 실리콘계 산화물 입자의 비가역상(예를 들면, SiO2)의 비율을 낮추어 활물질의 효율을 증가시키기 위한 측면에서 함유될 수 있다.
구체적으로, 상기 리튬은 상기 실리콘계 입자의 표면, 내부 또는 표면 및 내부에 분포될 수 있다. 또한, 상기 리튬은 상기 실리콘계 입자에 도핑(doping)된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 Li 원소는 7 중량부 초과 10 중량부 이하로 포함될 수 있다.
바람직하게 상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 Li 원소는 7.2 중량부 이상 9.8 중량부 이하, 7.5 중량부 이상 9.7 중량부 이하, 8 중량부 이상 9.5 중량부 이하, 8.2 중량부 이상 9.5 중량부 이하 또는 8.5 중량부 이상 9.2 중량부 이하로 포함될 수 있다. 리튬이 상기 범위로 포함될 때, 음극 활물질의 초기 효율 및 충방전 효율의 특성이 향상될 수 있어 바람직하다. 반면, Li이 상기 함량 미만으로 포함되는 경우 실리콘계 입자 내 Li 함량이 충분하지 않아 방전 용량과 효율이 크게 저하되는 문제점이 있고, 상기 함량을 초과하는 경우 실리콘계 입자와 미반응한 Li이 부산물로 잔류하게 되어 수계 슬러리가 강한 염기성을 띠게 되어 슬러리 공정성에 악영향을 미칠 수 있는 문제점이 있다.
상기 Li의 함량의 상한은 상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 10 중량부, 9.8 중량부, 9.7 중량부, 9.6 중량부, 9.5 중량부, 9.4 중량부, 9.3 중량부, 9.2 중량부, 9.1 중량부 또는 9 중량부일 수 있고, 하한은 7.2 중량부, 7.5 중량부, 7.8 중량부, 8 중량부, 8.2 중량부 또는 8.5 중량부일 수 있다.
상기 Li 원소의 함량은 ICP 분석을 통해 확인할 수 있다. 구체적으로, 음극 활물질 일정량(약 0.01 g)을 분취한 후, 백금 도가니에 옮겨 질산, 불산, 황산을 첨가하여 핫 플레이트에서 완전 분해한다. 이후, 유도플라즈마 발광 분석 분광기(ICPAES, Perkin-Elmer 7300)를 사용하여 분석하고자 하는 원소의 고유 파장에서 표준 용액(5 mg/kg)을 이용하여 조제된 표준액의 강도를 측정하여 기준 검량선을 작성한다. 이 후, 전처리된 시료용액 및 바탕 시료를 기기에 도입하고, 각각의 강도를 측정하여 실제 강도를 산출하고, 상기 작성된 검량선 대비 각 성분의 농도를 계산한 후, 전체의 합이 이론 값이 되도록 환산하여 제조된 음극 활물질의 원소 함량을 분석할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 Li 화합물은 상기 실리콘계 입자에 리튬 실리케이트(Lithium Silicate)의 형태로 분포될 수 있으며, 이에 따라 상기 입자의 비가역 용량을 제거함으로써, 음극 활물질의 초기 효율, 및 충방전 효율을 향상시킬 수 있는 역할을 수행할 수 있다. 이때, 실리케이트는 실리콘, 산소 및 1 이상의 금속을 포함하는 화합물을 의미한다.
구체적으로, 상기 Li 화합물은 리튬 실리케이트의 형태로 상기 실리콘계 입자의 표면, 내부 또는 표면 및 내부에 분포될 수 있고, 상기 리튬 실리케이트는 상기 입자 내에서 매트릭스(matrix)에 해당할 수 있다. 상기 리튬 실리케이트는 LiaSibOc(2≤a≤4, 0<b≤2, 2≤c≤5)로 표시되며, 결정질 리튬실리케이트와 비정질 리튬실리케이트로 구분될 수 있다. 상기 결정질 리튬실리케이트는 상기 실리콘계 입자 내에서 Li2SiO3, Li4SiO4 및 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 리튬실리케이트의 형태로 존재할 수 있으며, 비정질 리튬실리케이트는 LiaSibOc(2≤a≤4, 0<b≤2, 2≤c≤5)의 형태의 복잡한 구조(complex)로 이루어질 수 있고, 상기 형태에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 Li 화합물은 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 및 결정상 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 결정상 리튬 실리케이트를 포함할 수 있다. 또한, 상기 Li 화합물은 비정질상 리튬 실리케이트를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 실리콘계 입자 내에 포함되는 Li 화합물은 결정상 Li2SiO3 및 결정상 Li2Si2O5을 포함하고, 선택적으로 결정상 Li4SiO4 또는 비정질상 리튬 실리케이트를 더 포함할 수 있다.
음극 활물질이 결정상 Li2SiO3를 많이 함유하는 경우, 활물질 무게 당 방전 용량 손실을 줄일 수 있고, 상기 결정상 Li2SiO3의 경우, 전기화학적으로 안정한 구조로 초기 효율을 대폭 증가시킬 수 있으며, 충방전 시에도 구조가 안정하여 수명 특성을 효과적으로 개선시킬 수 있다.
상기 결정상 Li2Si2O5의 경우, 음극 활물질 내에서 안정하며, 특히 음극 슬러리, 구체적으로 수계 음극 슬러리에서 수분과의 부반응 발생이 적다. 그러나, 음극 활물질이 결정상 Li2Si2O5를 많이 함유하는 경우 활물질 무게 당 방전 용량 손실이 크고, 상기 결정상 Li2Si2O5는 충방전시 구조가 불안정하여 수명 특성이 열화되는 문제점이 있다.
상기 결정상 Li4SiO4의 경우, 음극 슬러리 내에서 수분과 부반응을 일으키는 문제가 있으며, 이로 인해 가스 발생이 심화되고, 수분과의 부반응으로 인해 형성되는 Li2O 등의 부산물로 인해 음극 슬러리의 pH를 높이고 슬러리의 상을 불안정하게 하며 점도를 변화시키는 문제가 발생할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 음극 활물질은 상기 결정상 Li2SiO3의 함량이 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 상기 결정상 Li4SiO4의 함량보다 많으므로, 음극 활물질의 비가역 용량을 원활하게 제거하여 초기 효율 및 충방전 효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리의 상 안정성을 향상시키고, 점도가 낮아지는 문제를 방지하여, 음극의 품질을 향상시키고 충방전 용량이 우수한 수준으로 발현될 수 있으며, 충방전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 음극 활물질은 상기 결정상 Li2SiO3 함량의 향상과 함께, 비정질상의 총 함량을 감소시키므로, 전술한 음극 슬러리의 상 안정성 향상, 음극의 불량 방지, 충방전 용량 및 효율의 현저한 향상이 가능하다.
더욱이, 본 발명의 음극 활물질이 Li 원소를 7 중량부 초과 10 중량부 이하로 포함할 수 있고, 이 범위에서 결정상 Li2SiO3의 함량이 결정상 Li2Si2O5의 함량보다 큰 경우 음극 활물질 내 Li 함량 증가에 따라 무게 당 방전 용량의 손실이 적고, 전기화학적으로 안정한 리튬 실리케이트 구조를 갖기 때문에, 충방전 시에도 구조가 안정하여 동일한 초기 효율을 구현 시 높은 방전 용량이 구현될 수 있고, 수명 특성이 우수한 효과가 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 음극 활물질 내 비정질상의 총 함량을 감소시킴으로써, 수분과의 부반응을 막아줄 수 있는 효과가 있다.
반면, 결정상 Li2Si2O5의 함량이 결정상 Li2SiO3의 함량보다 큰 경우 수분과의 부반응 발생은 적을 수 있으나, 음극 활물질 내 Li 함량 증가에 따른 무게 당 방전 용량의 손실이 크고, 충방전 시 구조가 불안정한 이유로 동일한 초기 효율 구현 시 방전 용량이 낮고, 수명 특성이 열악해지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 상기 결정상 Li4SiO4의 함량의 합보다 많다. 또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량보다 많을 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 리튬 실리케이트 총 100 중량부를 기준으로 60 중량부 이상 포함될 수 있다. 또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 65 중량부 이상, 70 중량부 이상, 74 중량부 이상 포함될 수 있다.본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3는 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 15 중량부 이상 50 중량부 이하로 포함될 수 있다. 또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3는 17 중량부 이상 48 중량부 이하, 20 중량부 이상 48 중량부 이하, 20 중량부 이상 45 중량부 이하, 25 중량부 이상 45 중량부 이하, 30 중량부 이상 45 중량부 이하 또는 35 중량부 이상 42 중량부 이하로 포함될 수 있다. 결정상 Li2SiO3의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, gram 당 용량 구현이 유리한 점과, 충방전 시 Li2SiO3가 안정한 이유로 용량/효율 구현과 수명 특성 우수한 측면에서 바람직하다. 상기 범위를 초과하는 경우, Li2SiO3가 물과의 반응성이 큰 이유로 수계 슬러리 공정성에 악영향을 미치는 문제점이 있고 상기 범위 미만으로 포함되는 경우 gram 당 용량 구현에 불리하고, 충방전 시 안정한 Li2SiO3가 부족한 이유로 용량/효율 구현과 수명 특성 열위한 문제점이 있다.
상기 결정상 Li2SiO3의 함량의 상한은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 50 중량부, 48 중량부, 45 중량부, 42 중량부 또는 40 중량부일 수 있고, 하한은 15 중량부, 17 중량부, 20 중량부, 25 중량부, 30 중량부, 33 중량부, 35 중량부 또는 38 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2Si2O5는 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 0.5 중량부 이상 20 중량부 이하로 포함될 수 있다. 또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2Si2O5는 1 중량부 이상 18 중량부 이하, 3 중량부 이상 18 중량부 이하, 3 중량부 이상 15 중량부 이하 또는 3 중량부 이상 12 중량부 이하로 포함될 수 있다.
상기 결정상 Li2Si2O5의 함량의 상한은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 20 중량부, 18 중량부, 15 중량부 또는 12 중량부일 수 있고, 하한은 0.5 중량부, 1 중량부, 3 중량부 또는 5 중량부일 수 있다.
결정상 Li2Si2O5의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우, 무게 당 용량 손실이 지나치게 커지고, Li2Si2O5의 구조가 불안정하기 때문에 수명 특성이 열위한 문제점이 있다. 결정상 Li2Si2O5의 함량이 상기 범위 미만으로 포함되는 경우, 물과의 반응성이 낮은 Li2Si2O5가 너무 적어 수계 슬러리 공정성이 저하될 수 있다. 따라서, 결정상 Li2Si2O5의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 무게 당 용량 손실을 최소화할 수 있고, 수명 특성을 지나치게 열위시키지 않으며, 수계 슬러리 공정성도 적절히 확보하여 전지 구동 시 적절한 방전 용량, 초기 효율 및 수명 특성을 구현하기에 바람직하다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li4SiO4는 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이하, 구체적으로 3 중량부 이하, 1 중량부 이하 또는 0.1 중량부 미만으로 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 결정상 Li4SiO4는 상기 음극 활물질에 존재하지 않을 수 있다. 상기 결정상 Li4SiO4의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 음극 슬러리, 구체적으로 수계 음극 슬러리 제조 시 음극 활물질 및 수분의 반응에 의한 Li2O 등의 부산물 발생, 이로 인한 음극 슬러리의 pH 증가, 및 음극의 품질 불량 방지 측면에서 바람직하다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량 및 결정상 Li2Si2O5의 함량의 차이는 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 1 중량부 내지 50 중량부일 수 있다. 구체적으로, 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 결정상 Li2SiO3의 함량의 차이는 5 중량부 내지 45 중량부, 8 중량부 내지 45 중량부, 10 중량부 내지 40 중량부, 20 중량부 내지 40 중량부 또는 20 중량부 내지 35 중량부일 수 있다.
상기 결정상 Li2SiO3의 함량 및 결정상 Li2Si2O5의 함량의 차이의 상한은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 50 중량부, 45 중량부, 40 중량부 또는 38 중량부일 수 있고, 하한은 1 중량부, 5 중량부, 8 중량부, 10 중량부, 15 중량부 또는 20 중량부일 수 있다.
상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 결정상 Li2SiO3의 함량의 차이가 상기 범위를 만족하는 경우, 전술한 음극 슬러리의 상 안정성 향상, 음극의 불량 방지, 충방전 용량 및 효율의 현저한 향상이 가능하다.
상기 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 또는 결정상 Li2Si2O5의 결정상 리튬 실리케이트의 확인 및 함량 측정은 X-선 회절분석을 통한 X-선 회절 프로파일 또는 29Si-MAS-NMR(29Si-Magic Angle Spinning-Nuclear Magnetic Resonance, 29Si-매직각 스피닝-핵자기 공명)을 통한 분석을 통해 측정될 수 있다.
이 중, 29Si-MAS-NMR 분석은 고체상 NMR 분석 기법의 일종으로서, 시료가 함유된 로터를 자장 B0에 대해 매직 강도(Magic Angle) BM(예를 들면, 54.74˚)에서 빠르게 스피닝(Spinning)함으로써 이루어지는 NMR 분석이다. 이를 통해, 본 발명의 음극 활물질에 포함된 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4, 결정상 Li2Si2O5, 결정상 Si, 결정상 SiO2의 존재 유무, 함량 등을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질의 29Si-MAS-NMR 분석 시, -70 ppm 내지 -80 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2SiO3의 피크 p1의 높이(Height)는 -90 ppm 내지 -100 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2Si2O5의 피크 p2의 높이(Height)보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질의 29Si-MAS-NMR 분석 시, -70 ppm 내지 -80 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2SiO3의 피크 p1의 높이(Height)에 대한 -90 ppm 내지 -100 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2Si2O5의 피크 p2의 높이(Height)의 비율 p2/p1은 1 이하일 수 있다. 구체적으로, 0.01 이상 0.8 이하, 0.05 이상 0.7 이하, 0.1 이상 0.6 이하일 수 있다. 상기 범위일 때, 상기 음극 활물질에 결정상 Li2SiO3이 충분히 존재하여 전술한 음극 슬러리의 상 안정성 향상, 음극의 불량 방지, 충방전 용량 및 효율의 현저한 향상이 가능하다.
상기 p2/p1의 상한은 1, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5 또는 0.4일 수 있고, 하한은 0.01, 0.05, 0.1, 0.15 또는 0.2일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질의 29Si-MAS-NMR 분석 시, -60 ppm 내지 -69 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li4SiO4의 피크 p3는 존재하지 않을 수 있다. 이 경우, 음극 활물질 내의 Li4SiO4와 수분과의 부반응에 의한 Li2O 등의 부산물 발생, 이로 인한 음극 슬러리의 pH 증가, 및 음극의 품질 불량 방지 측면에서 바람직하다.
상기 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 및 결정상 Li2Si2O5의 함량은 후술하는 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 열처리 공정의 수행, 열처리 온도의 조절, 산 처리 공정 등에 의해 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 결정상 SiO2을 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 5 중량부 미만, 구체적으로 4 중량부 미만으로 포함할 수 있고, 또 다른 일 실시상태에 있어서, 3 중량부 이하로 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 음극 활물질은 결정상 SiO2을 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 1 중량부 이하로 포함하거나, 아예 포함하지 않을 수 있다. 상기 결정상 SiO2의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 음극의 충방전이 용이하여, 충방전 용량 및 효율이 우수하게 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 결정상 Si를 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 10 중량부 내지 50 중량부, 15 중량부 내지 40 중량부, 15 중량부 내지 30 중량부, 20 중량부 내지 30 중량부 또는 20 중량부 내지 25 중량부로 포함할 수 있다. 상기 결정상 Si의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 음극의 충방전이 용이하여, 충방전 용량 및 효율이 우수하게 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량은 비정질상의 총 함량보다 많다. 상기 결정상의 총 함량은 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상 Si, 결정상 SiO2, 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4, 결정상 Li2Si2O5 등을 포함하는 모든 결정상들의 총 함량을 의미하고, 상기 비정질상의 총 함량은 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량을 제외한 함량을 의미할 수 있다. 즉, 상기 비정질상의 총 함량은 비정질상 리튬 실리케이트 외에도 비정질상 SiO2 등을 포함하는 것으로, 입자 내에 존재하는 전체 비정질상의 함량의 합을 의미한다.
본 발명의 음극 활물질은 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량이 비정질상의 총 함량보다 많으므로, 음극 슬러리, 구체적으로 수계 음극 슬러리 제조 시, 수분과 반응성이 큰 비정질상 리튬 실리케이트 등의 함량이 감소하여, 수분과의 부반응에 의한 Li2O 등의 부산물 발생, 이로 인한 음극 슬러리의 pH 증가, 및 음극의 품질 불량 방지 측면에서 바람직하다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 50 중량부 초과 85 중량부 이하일 수 있다. 구체적으로, 55 중량부 이상 85 중량부 이하, 55 중량부 이상 80 중량부 이하, 55 중량부 이상 75 중량부 이하, 60 중량부 이상 70 중량부 이하, 62 중량부 이상 68 중량부 이하, 64 중량부 이상 68 중량부 이하 또는 64 중량부 이상 66 중량부 이하일 수 있다.
상기 결정상의 총 함량의 상한은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 85 중량부, 83 중량부, 80 중량부, 75 중량부, 70 중량부, 68 중량부 또는 66 중량부이고, 하한은 55 중량부, 60 중량부, 62 중량부 또는 64 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 비정질상의 총 함량은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 15 중량부 이상 50 중량부 미만일 수 있다. 구체적으로, 20 중량부 이상 50 중량부 미만, 25 중량부 이상 50 중량부 미만, 25 중량부 이상 45 중량부 이하, 30 중량부 이상 40 중량부 이하, 32 중량부 이상 36 중량부 이하 또는 34 중량부 이상 36 중량부 이하일 수 있다.
상기 비정질상의 총 함량의 상한은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 48 중량부, 45 중량부, 40 중량부, 38 중량부 또는 36 중량부이고, 하한은 15 중량부, 20 중량부, 25 중량부, 30 중량부, 32 중량부 또는 34 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량 및 비정질상의 총 함량의 차이는 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 10 중량부 이상 70 중량부 이하, 20 중량부 이상 68 중량부 이하, 20 중량부 이상 50 중량부 이하, 25 중량부 이상 40 중량부 이하, 28 중량부 이상 36 중량부 이하 또는 30 중량부 이상 36 중량부 이하일 수 있다.
상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량 및 비정질상의 총 함량의 차이의 상한은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 70 중량부, 68 중량부, 66 중량부, 60 중량부, 50 중량부, 40 중량부 또는 36 중량부이고, 하한은 10 중량부, 15 중량부, 20 중량부, 25 중량부, 28 중량부 또는 30 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자에 존재하는 비정질상의 총 중량 대비 결정상의 총 중량비(결정상의 총 중량:비정질상의 총 중량)는 55:45 내지 85:15이거나, 60:40 내지 80:20이거나, 60:40 내지 75:25일 수 있다.
상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상 및 비정질상의 함량의 관계가 상기 범위를 만족하는 경우, 음극 활물질에 존재하는 결정상 및 비정질상의 함량이 적절하게 조절되어, 음극 슬러리(구체적으로 수계 음극 슬러리) 제조 시 수분과 반응성이 큰 비정질상 리튬 실리케이트 등의 함량이 감소하여 수분과의 부반응에 의한 Li2O 등의 부산물 발생, 이로 인한 음극 슬러리의 pH 증가, 점도 변화를 방지할 수 있으며, 충방전 용량 및 효율 발현에 장애가 되는 결정상 SiO2의 함량을 지나치게 높이지 않는다는 측면에서 바람직하다.
리튬 실리케이트 중 결정상 Li2SiO3의 함량이 가장 높다 하더라도, 상기 음극 활물질 내에 존재하는 결정상의 총 함량이 상기 범위를 초과하는 경우, 결정상이 음극 활물질 내에 과하게 포함되어, 충방전이 용이하지 않아 용량/효율 구현에 어려움이 있으며, 수명 특성 또한 저하되는 문제점이 있고, 상기 범위 미만으로 포함되는 경우, 결정상이 충분하게 포함되지 않아 수분과의 부반응을 효과적으로 제어하기 어려운 문제점이 있다.
상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량 및 비정질상의 총 함량은 X-선 회절분석(XRD)를 이용한 정량 분석 방법에 의해 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자는 추가의 금속 원자를 포함할 수 있다. 상기 금속 원자는 상기 실리콘계 입자 내에서 금속 원자, 금속 실리케이트, 금속 실리사이드, 금속 산화물 중 적어도 하나의 형태로 존재할 수 있다. 상기 금속 원자는 Mg, Li, Al 및 Ca로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 음극 활물질의 초기 효율이 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자는 표면의 적어도 일부에 탄소층이 구비되어 있다. 이때 상기 탄소층은 표면의 적어도 일부, 즉 입자 표면에 부분적으로 피복되어 있거나, 입자 표면의 전부에 피복된 형태일 수 있다. 상기 탄소층에 의해 상기 음극 활물질에 도전성이 부여되고, 이차 전지의 초기 효율, 수명 특성 및 전지 용량 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소층은 비정질 탄소를 포함한다. 또한, 상기 탄소층은 결정질 탄소를 추가로 포함할 수 있다.
상기 결정질 탄소는 상기 음극 활물질의 도전성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 결정질 탄소는 플로렌, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소는 상기 탄소층의 강도를 적절하게 유지시켜, 상기 실리콘계 입자의 팽창을 억제시킬 수 있다. 상기 비정질 탄소는 타르, 피치 및 기타 유기물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 탄화물, 또는 탄화수소를 화학기상증착법의 소스로 이용하여 형성된 탄소계 물질일 수 있다.
상기 기타 유기물의 탄화물은 수크로오스, 글루코오스, 갈락토오스, 프록토오스, 락토오스, 마노스, 리보스, 알도헥소스 또는 케도헥소스의 탄화물 및 이들의 조합에서 선택되는 유기물의 탄화물일 수 있다.
상기 탄화수소는 치환 또는 비치환된 지방족 또는 지환식 탄화수소, 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소일 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 지방족 또는 지환식 탄화수소의 지방족 또는 지환식 탄화수소는 메테인, 에테인, 에틸렌, 아세틸렌, 프로페인, 뷰테인, 뷰텐, 펜테인, 아이소뷰테인 또는 헥세인 등일 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소의 방향족 탄화수소는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠, 다이페닐메테인, 나프탈렌, 페놀, 크레졸, 나이트로벤젠, 클로로벤젠, 인덴, 쿠마론, 파이리딘, 안트라센 또는 페난트렌 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소층은 비정질 탄소층일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소층은 상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 50 중량부, 0.1 중량부 내지 30 중량부 또는 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 더욱 구체적으로는 0.5 중량부 내지 15 중량부, 1 중량부 내지 10 중량부 또는 1 중량부 내지 5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 음극 활물질의 용량과 효율 감소를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소층의 두께는 1 nm 내지 500 nm일 수 있고, 구체적으로 5 nm 내지 300 nm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 음극 활물질의 도전성이 개선되고, 음극 활물질의 부피 변화가 용이하게 억제되며, 전해액과 음극 활물질의 부반응이 억제되어, 전지의 초기 효율 및/또는 수명이 개선되는 효과가 있다.
구체적으로 상기 탄소층은 메탄, 에탄 및 아세틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 탄화수소 가스를 사용하는 화학기상증착법(CVD)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소층의 결정성은 라만 분광법에 따라 D/G band ratio를 계산하여 확인할 수 있다. 구체적으로, Renishaw 2000 Raman microscope system 및 532㎚ 레이저 여기(laser excitation)를 사용하고, 레이저 열 효과를 피하기 위하여 낮은 레이저 출력 밀도 및 30초의 노출 시간으로 100배 광학 렌즈를 사용하여 측정할 수 있다. 위치별 편차를 줄이기 위해 5㎛ x 5㎛ 영역에 대해 총 25개의 포인트를 측정하고 Lorentzian 함수를 이용하여 fitting한 후에 D band 및 G band의 평균값을 산출하여 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 입자 상에 리튬 부산물이 존재할 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 부산물은 상기 실리콘계 입자의 표면 상에 존재하거나, 상기 탄소층 표면 상에 존재할 수 있다. 또한, 상기 리튬 부산물은 후술하는 표면층과 상기 실리콘계 입자 사이에 존재할 수 있다.
구체적으로, 상기 리튬 부산물은 실리콘계 입자를 제조한 후 실리콘계 입자 또는 탄소층 표면 근방에 남아있는 리튬 화합물을 의미할 수 있다. 전술한 바와 같이 산 처리 공정 이후에도, 산과 미반응한 리튬 부산물이 남아있을 수 있다.
상기 리튬 부산물은 Li2O, LiOH 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있다.
상기 리튬 부산물이 존재하는지 여부는 X선 회절 분석법(XRD) 또는 X선 광전자 분석법(XPS)을 통하여 확인할 수 있다.
상기 리튬 부산물은 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이하로 포함될 수 있다. 구체적으로 0.01 중량부 내지 5 중량부, 0.05 중량부 내지 2 중량부 또는 0.1 중량부 내지 1 중량부로 포함될 수 있다. 더욱 구체적으로 0.1 중량부 내지 0.8 중량부 또는 0.1 중량부 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있다. 리튬 부산물의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 슬러리 내 부반응을 줄일 수 있고 점도 변화를 낮춰 수계 공정성 특성을 개선시킬 수 있다. 반면, 상기 범위보다 리튬 부산물의 함량이 높은 경우, 슬러리 형성 시 염기성을 띠고, 이로 인하여 부반응이 발생하거나 점도가 변화되고 수계 공정성 이슈가 발생하는 문제점이 있다.
상기 리튬 부산물의 함량은 적정기를 사용하여 상기 음극 활물질을 포함하는 수용액을 HCl 용액으로 적정하는 과정에서 pH가 변하는 특정 구간에서의 HCl 용액의 양을 측정한 뒤 리튬 부산물의 양을 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질의 표면에는 결정상 리튬 실리케이트, Li2O, LiOH 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택된 리튬 부산물이 거의 없거나, 존재하지 않을 수 있다. 상기 리튬 부산물은 음극 슬러리의 pH를 높이고, 점도를 낮추어, 음극의 전극 상태를 불량하게 하는 원인이 될 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질의 산 처리 공정을 수행하여, 음극 활물질 표면에 존재하는 리튬 실리케이트, Li2O 등의 부산물을 제거함으로써 음극의 품질성 향상 및 충방전 효율 향상 효과를 바람직한 수준으로 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 실리콘계 입자는 상기 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 구비된 표면층을 포함하고, 상기 표면층은 Al, P 및 O를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면층은 Li 원소를 더 포함할 수 있다.
상기 표면층은 표면에 탄소층이 구비된 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 피복된 형태일 수 있다. 즉, 상기 표면층은 입자 표면에 부분적으로 피복되어 있거나, 입자 표면의 전부에 피복된 형태일 수 있다. 표면층의 형상으로는 섬형(island type) 또는 박막형 등을 들 수 있으나, 표면층의 형상은 이에 한정되지 않는다.
상기 표면층은 상기 탄소층의 외부 표면의 적어도 일부에 구비될 수 있다. 즉, 상기 표면층은 상기 탄소층 상에 인접하여 피복되어, SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자-탄소층-표면층의 형태로 구비될 수 있다. 상기 표면층은 탄소층을 실질적으로 또는 완전히 덮거나 탄소층을 부분적으로 덮을 수 있다.
상기 표면층은 상기 SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자 표면 중 탄소층이 구비되지 않은 영역 상에 구비될 수 있다. 즉, 상기 표면층은 상기 SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자 상에 인접하여 피복되어, SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자-표면층의 형태로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 Al은 상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 0.05 중량부 내지 0.3 중량부 포함될 수 있다. 구체적으로 0.1 중량부 내지 0.4 중량부 포함될 수 있거나, 0.12 중량부 내지 0.35 중량부 포함될 수 있거나, 0.15 중량부 내지 0.3 중량부 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 P는 상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 0.05 중량부 내지 2 중량부 포함될 수 있다. 구체적으로 0.1 중량부 내지 1.5 중량부 포함될 수 있거나, 0.15 중량부 내지 1 중량부 포함될 수 있다.
상기 표면층은 AlzPwOv(0<z≤10, 0<w≤10, 0<v≤10) 상을 포함할 수 있다. 상기 AlzPwOv 상은 알루미늄 산화물, 인 산화물, 알루미늄 인산염 등을 포함할 수 있고, z, y 및 v는 각 원자의 개수비를 의미한다. 일 예에 있어서, 상기 AlzPwOv 상은 AlPO4 또는 Al(PO3)3 등으로부터 형성된 혼합물 또는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 표면층은 LiyAlzPwOv(0<y≤10, 0<z≤10, 0<w≤10, 0<v≤10) 상을 포함할 수 있다. 상기 LiyAlzPwOv 상은 알루미늄 산화물, 인 산화물, 리튬 산화물, 알루미늄 인산염, 리튬염, 리튬인산염, 리튬 알루미네이트 등을 포함할 수 있고, y, z, w 및 v는 각 원자의 개수비를 의미한다. 일 예에 있어서, 상기 LiyAlzPwOv 상은 Li3PO4, AlPO4, Al(PO3)3 또는 LiAlO2 등으로부터 형성된 혼합물 또는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 y는 0<y≤3를 만족할 수 있다.
상기 z는 0<z≤1를 만족할 수 있다.
상기 w는 0.5≤w≤3를 만족할 수 있다.
상기 v는 4<v≤12를 만족할 수 있다.
상기와 같은 상을 포함하는 무기물 표면층이 구비되는 경우, 실리콘계 입자에 포함된 Li 화합물이 슬러리의 수분과 반응하여 슬러리의 점도를 낮아지게 만드는 현상을 방지할 수 있으며, 이로부터 전극 상태의 안정성 및/또는 충방전 용량을 개선시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면층은 비정질상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 표면층은 비정질상일 수 있다.
표면층이 상기와 같은 비정질상을 포함하는 경우, 비정질상을 포함하지 않는 경우보다 Li 이온의 출입이 용이해지므로, 슬러리상에서의 부반응을 효과적으로 줄이면서도 용량 및/또는 효율을 안정적으로 구현시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면층은 Li2O, LiOH 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 더 포함할 수 있다. 일반적으로, 실리콘계 입자에 리튬을 도핑하는 과정에서 남은 물질들이 수분이나 공기에 노출되어 Li2O, LiOH 및 Li2CO3 등의 리튬 부산물을 형성할 수 있기 때문에, 상기 표면층은 Li2O, LiOH 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택된 1 이상이 포함된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 음극 활물질의 X선 회절 분석 시, 표면층에서 유래하는 결정성 피크가 나타나지 않을 수 있다. 구체적으로, 표면층에 포함된 LiyAlzPwOv(0<y≤10, 0<z≤10, 0<w≤10, 0<v≤10) 상에서 유래하는 결정질 피크가 검출되지 않을 수 있다. 표면층에서 유래하는 결정질 피크가 나타나는 경우, 표면층이 결정질을 과량 포함하고 있어 용량 및/또는 효율이 저하되는 문제점이 있다. 일 예에 있어서, 표면층에서 유래하는 결정질 피크의 경우, 표면층 코팅 전/후에 따른 변화를 통하여 알아낼 수 있다. 구체적으로, XRD의 경우 결정질 피크가 검출되는 것으로, 표면층 코팅 전/후에 따른 음극 활물질의 XRD 그래프의 차이가 없을 시 표면층에서 유래하는 결정질 피크가 나타나지 않는 것이고, 표면층이 비정질상으로 형성되었음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면층에 포함된 비정질상은 표면층 총 100 중량부를 기준으로 50 중량부 초과로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 상기 비정질상은 표면층 총 100 중량부를 기준으로 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상, 90 중량부 이상, 95 중량부 이상 또는 99 중량부 이상 포함될 수 있고, 100 중량부 이하 또는 100 중량부 미만으로 포함될 수 있다. 상기와 같은 범위를 만족함으로써, 슬러리 상에서의 부반응을 효율적으로 억제할 수 있고, 용량 및/또는 효율을 안정적으로 구현시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면층은 상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 10 중량부 이하로 포함될 수 있다. 구체적으로, 8 중량부 이하, 6 중량부 이하 또는 5 중량부 이하로 포함될 수 있고, 0.1 중량부 이상 또는 0.5 중량부 이상으로 포함될 수 있다. 더욱 구체적으로, 1 중량부 이상 5 중량부 이하 또는 1.5 중량부 이상 3 중량부 이하로 포함될 수 있다. 표면층의 함량이 상기 범위보다 소량인 경우, 슬러리 상에서의 가스 발생을 막기 어려우며, 상기 범위보다 과량인 경우 용량 또는 효율 구현이 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면층 및 상기 탄소층의 중량비는 1:0.1 내지 1:30일 수 있다. 구체적으로, 1:0.5 내지 1:5일 수 있거나 1:1 내지 1:4 일 수 있거나 1:1 내지 1:3일 수 있다. 상기와 같은 범위를 만족함으로써, 탄소층과 표면층이 실리콘계 복합 입자를 효과적으로 피복하여 슬러리 상에서의 부반응을 효율적으로 억제할 수 있고, 용량 및/또는 효율을 안정적으로 구현시킬 수 있다. 반면, 탄소층보다 표면층의 함량이 너무 많은 경우 용량 또는 효율 구현이 어려우며, 표면층보다 탄소층의 함량이 너무 많은 경우 슬러리 상에서의 가스 발생을 막기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면층은 탄소층 100 중량부를 기준으로 90 중량부 이하로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 표면층은 탄소층 100 중량부를 기준으로 80 중량부 이하, 70 중량부 이하, 60 중량부 이하, 50 중량부 이하 포함될 수 있다. 또한, 상기 표면층은 탄소층 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 이상, 1 중량부 이상, 5 중량부 이상, 10 중량부 이상 포함될 수 있다. 상기와 같은 범위를 만족함으로써, 탄소층과 표면층이 실리콘계 복합 입자를 효과적으로 피복하여 슬러리 상에서의 부반응을 효율적으로 억제할 수 있고, 용량 및/또는 효율을 안정적으로 구현시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 0.1 ㎛ 내지 14 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 1 ㎛ 내지 12 ㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 충방전 시의 활물질의 구조적 안정을 기하고, 입경이 과도하게 커짐에 따라 부피 팽창/수축 수준도 커지는 문제를 방지하고, 입경이 과도하게 낮아 초기 효율이 감소하는 문제를 방지할 수 있다.
상기 음극 활물질의 BET비표면적은 1 m2/g 내지 100 m2/g일 수 있으며, 구체적으로 1 m2/g 내지 70 m2/g일 수 있으며, 보다 구체적으로 1 m2/g 내지 50 m2/g, 예컨대 2 m2/g 내지 30 m2/g 일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시 전지의 충전 및 방전 시 전해액과의 부반응이 감소할 수 있어서 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다.
<음극 활물질의 제조방법>
본 발명은 음극 활물질의 제조방법, 구체적으로 전술한 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 SiOx(0<x<2)로 표시되는 실리콘계 산화물을 포함하는 입자를 형성하는 단계; 및 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와 리튬 전구체를 혼합한 뒤 열처리하는 단계를 포함하는 본 발명의 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.
상기 SiOx(0<x<2)로 표시되는 실리콘계 산화물을 포함하는 입자를 형성하는 단계는 Si 분말 및 SiO2 분말을 진공에서 가열하여 기화시킨 후, 상기 기화된 혼합 기체를 증착시키는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 Si 분말 및 SiO2 분말의 혼합 분말은 진공 하에서 1300 ℃ 내지 1800 ℃, 1400 ℃ 내지 1800 ℃ 또는 1400 ℃ 내지 1600 ℃에서 열처리할 수 있다.
상기 방법으로 형성된 입자는 SiOx(0<x<2)로 표시되고, 상기 실리콘계 산화물은 활물질의 구조적 안정 측면에서 SiOx(0.5≤x≤1.5)로 표시되는 화합물인 것이 바람직하다.
형성된 실리콘계 산화물은 SiO의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 활물질의 제조방법은 리튬 전구체를 혼합하기 전, SiOx(0<x<2)로 표시되는 실리콘계 산화물을 포함하는 입자 표면에 탄소층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소층은 상기 입자 상에 배치 또는 형성되어, 음극 활물질의 충방전에 따른 부피 팽창을 적절히 제어하고, 전해액과의 부반응을 방지하게 할 수 있는 보호층으로 기능할 수 있다. 한편, 상기 탄소층의 형성 공정은 음극 활물질의 결정상 및 비정질상의 변화를 방지하는 측면에서, 상기 입자와 리튬 전구체의 혼합 공정 전에 수행될 수 있다.
상기 탄소층은 탄화수소 가스를 사용하는 화학기상증착법(CVD)을 이용하거나, 탄소 소스(carbon source)가 되는 물질을 탄화시키는 방법으로 형성할 수 있다.
구체적으로, 형성된 입자를 반응로에 투입 후 결정상 및 비정질상의 변화가 없도록 하는 측면에서, 탄화수소 가스를 600 내지 1200 ℃에서 화학기상증착(CVD)하여 형성할 수 있다. 상기 탄화수소 가스는 메탄, 에탄, 프로판 및 아세틸렌을 포함하는 군에서 선택된 적어도 1종의 탄화수소 가스일 수 있고, 900 ℃ 내지 1000 ℃에서 열처리할 수 있다.
상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자의 입도는 볼밀(ball mill), 제트 밀(jet mill) 또는 기류 분급과 같은 방법을 통하여 입도를 조절할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다
본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 활물질의 제조방법은 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와 리튬 전구체를 혼합한 뒤 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와 리튬 전구체를 혼합한 뒤 열처리하는 단계를 통하여 SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자가 제조될 수 있다. 상기 실리콘계 입자는 입자 내 결정상 Li2SiO3의 함량이 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 결정상 Li4SiO4의 함량보다 많고, 상기 입자에 존재하는 결정상의 총 함량이 비정질상의 총 함량보다 많을 수 있다.
상기 리튬 전구체는 후술하는 열처리 공정에 의해, 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자에 Li 화합물이 포함되도록 할 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 전구체는 리튬 금속, LiOH, LiH, 및 Li2CO3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있고, 구체적으로 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와 상기 리튬 전구체의 반응 시 추가 산화를 방지하는 측면에서 리튬 금속을 포함할 수 있다. 상기 리튬 전구체는 입자 형태일 수 있고, 구체적으로 리튬 금속 분말일 수 있다.
구체적으로, 상기 리튬 전구체는 리튬 금속 분말(SLMP, stabilized lithium metal powder)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자 및 상기 리튬 전구체는 고상 혼합(solid mixing)될 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합 시 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자 및 상기 리튬 전구체는 고체 상태일 수 있으며, 이 경우 후술하는 열처리를 통한 음극 활물질 형성 시 음극 활물질 내의 공극 비율 및 비표면적을 적절한 수준으로 제어할 수 있어 충방전에 따른 음극 활물질의 부피 팽창 제어가 바람직하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자 및 상기 리튬 전구체의 중량비는 80:20 내지 94:6일 수 있다. 구체적으로, 85:15 내지 93:7, 88:12 내지 93:7 또는 90:10 내지 92:8일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자 및 상기 리튬 전구체는 비활성 기체 분위기 하에서 열처리되면서 혼합될 수 있다.
상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와 리튬 전구체 혼합물의 열처리 온도는 650 ℃ 내지 950℃일 수 있고, 구체적으로 670 ℃ 내지 900℃ 또는 700 ℃ 내지 850℃일 수 있다. 상기와 같은 조건으로 열처리하면서 혼합하는 경우, Li2SiO3의 결정상 리튬 실리케이트의 발달이 용이하다는 측면에서 바람직하다.
상기 온도 범위의 열처리 공정에 의해, 제조된 실리콘계 입자에 Li 화합물이 적절한 수준으로 포함될 수 있으며, 구체적으로 상기 실리콘계 입자의 표면, 내부, 또는 표면 및 내부에 Li 화합물이 분포될 수 있다. 상기 실리콘계 입자는 전술한 Li 화합물로서, 리튬 실리케이트를 포함하고, 추가로 리튬 실리사이드 또는 리튬 산화물 등을 포함할 수 있다.
상기 온도 범위의 열처리 공정에 의해 전술한 음극 활물질의 제조가 가능할 수 있다. 구체적으로 상기 온도 범위의 열처리 공정에 의해 상기 리튬은 상기 입자에 리튬 실리케이트(Lithium Silicate)의 형태로 분포될 수 있으며, 이에 따라 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자의 비가역 용량을 제거함으로써, 음극 활물질의 초기 효율, 및 충방전 효율을 향상시킬 수 있는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬은 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 및 결정상 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 결정상 리튬 실리케이트 또는 비정질상 리튬 실리케이트의 형태로 존재할 수 있다. 이때, 본 발명의 음극 활물질의 제조방법으로부터 제조된 음극 활물질에 있어서, 상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 상기 결정상 Li4SiO4의 함량의 합보다 클 수 있고,상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 리튬 실리케이트 총 100 중량부를 기준으로 60 중량부 이상 포함될 수 있다.
또한, 상기 온도 범위의 열처리 공정에 의해 상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량은 비정질상의 총 함량보다 클 수 있고, 이에 따라 수분과 반응하는 리튬 산화물, 리튬 실리케이트의 함량이 적어 음극 슬러리의 가스 발생 및 점도 변화를 방지할 수 있고, 음극 활물질을 포함하는 슬러리의 상 안정성이 향상될 수 있어, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 상기 음극을 포함하는 이차전지는 품질이 향상되며, 충방전 효율이 향상될 수 있다.
만일, 650 ℃ 미만의 온도로 열처리 공정을 수행할 경우, 상기 제조방법으로부터 제조된 음극 활물질의 비정질상의 함량이 많아져 수계 슬러리 공정성에 문제가 발생할 수 있다. 950 ℃ 초과의 온도로 열처리 공정을 수행할 경우, 결정상 SiO2의 함량이 증가하며, 결정상 SiO2가 충방전 시 저항체로 작용하여 충방전이 용이하지 않게 되고, 충방전 용량 및 효율이 저하되는 문제가 발생하여 바람직하지 않다.
또한, 상기 열처리는 1시간 내지 12시간, 구체적으로 2시간 내지 8시간 동안 수행될 수 있다. 상기 범위에 있을 때, 리튬 실리케이트가 상기 실리콘계 입자 내에 골고루 분포될 수 있어 전술한 충방전 효율 향상 효과가 더욱 향상될 수 있다.
또한, 상기 열처리는 상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와, 상기 리튬 전구체의 추가 산화를 방지하는 측면에서 불활성 분위기에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리는 질소 가스, 아르곤 가스, 및 헬륨 가스로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 가스에 의한 불활성 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 음극 활물질의 제조방법은 상기 열처리하는 단계 이후에 산 처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열처리 단계 이후, 형성된 실리콘계 입자의 표면의 적어도 일부에는 리튬 화합물(리튬 부산물)이 구비된다. 구체적으로, 상기 SiOx(0<x<2)를 포함하는 입자에 Li 화합물을 포함(도핑)시키는 과정에서, 실리콘계 입자의 표면 근방에 리튬 화합물, 즉 미반응한 리튬으로 인하여 형성된 리튬 부산물이 남아있게 된다. 상기 리튬 부산물은 리튬 실리케이트, Li2O 등일 수 있고, 이는 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리의 pH를 높이고, 점도를 낮추어, 음극의 전극 상태를 불량하게 하는 원인이 될 수 있다. 이에 따라, 상기 열처리 공정 후 산 처리 공정을 수행하여, 음극 활물질 표면에 존재하는 리튬 실리케이트, Li2O 등의 부산물을 제거함으로써 음극의 품질성 향상 및 충방전 효율 향상 효과를 바람직한 수준으로 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 산 처리는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 및 인산(H3PO4)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 산, 구체적으로 염산(HCl), 황산(H2SO4), 및 질산(HNO3)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 산을 포함하는 산 수용액을 상기 열처리된 음극 활물질 형성용 조성물에 0.3시간 내지 6시간, 구체적으로 0.5시간 내지 4시간 동안 처리하는 것일 수 있으며, 상기 공정에 의해 음극 활물질 표면에 존재하는 부산물을 용이하게 제거할 수 있다는 측면에서 바람직하다.
상기 산 수용액의 23 ℃에서의 pH는 음극 활물질 표면에 존재하는 부산물을 용이하게 제거할 수 있다는 측면에서 3 이하, 구체적으로 2 이하, 더욱 구체적으로 1 이하일 수 있다.
본 발명의 음극 활물질의 제조방법은 상기 열처리하는 단계 이후에 형성된 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 표면층을 구비시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 열처리 단계 이후 상기 산처리 단계가 수행되는 경우, 산처리 단계 이후에 상기 표면층을 구비시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 표면층은 상기 실리콘계 입자와 알루미늄 인산염을 혼합하여 구비시킬 수 있다.
구체적으로, ⅰ) 상기 실리콘계 입자 및 알루미늄 인산염을 건식 혼합하여 열처리하는 단계 또는 ⅱ) 상기 실리콘계 입자 및 알루미늄 인산염을 용매에 혼합한 뒤 열처리하여 용매를 기화시키면서 상기 실리콘계 입자 및 알루미늄 인산염을 반응시키는 단계를 통하여 상기 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 표면층을 형성할 수 있다. 상기 방법으로 표면층을 형성하는 경우, 실리콘계 입자의 제조 과정에서 형성되거나 남아있는 리튬 부산물과 알루미늄 인산염을 반응시켜 표면층을 용이하게 형성시킬 수 있다.
상기 알루미늄 인산염은 AlbPcOd(0<b≤10, 0<c≤10, 0<d≤10) 형태일 수 있다. 구체적으로 Al(PO3)3 또는 AlPO4일 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 상기 표면층을 형성하기 위하여 당업계에서 사용하는 염을 적절히 채용할 수 있다.
또는 ⅲ) 상기 실리콘계 입자, 알루미늄 전구체 및 인 전구체를 건식 혼합하여 열처리 하는 단계 또는 ⅳ) 상기 실리콘계 입자, 알루미늄 전구체 및 인 전구체를 용매에 혼합한 뒤 열처리하여 용매를 기화시키면서 상기 실리콘계 복합 입자, 알루미늄 전구체 및 인 전구체를 반응시키는 단계를 통하여 상기 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 표면층을 형성할 수 있다. 상기 방법으로 표면층을 형성하는 경우, 실리콘계 복합 입자의 제조 과정에서 형성된 리튬 부산물, 알루미늄 전구체 및 인 전구체를 반응시켜 표면층을 용이하게 형성시킬 수 있다.
상기 알루미늄 전구체는 AlaOb(0<a≤10, 0<b≤10) 형태의 산화 알루미늄일 수 있고, 구체적으로 Al2O3일 수 있다.
또는 상기 알루미늄 전구체는 수산화알루미늄, 질산알루미늄 또는 황산알루미늄 등일 수 있으며, 구체적으로, Al(OH)3, Al(NO3)3·9H20 또는 Al2(SO4)3일 수 있고, 이에 한정되지 않고, 상기 표면층을 형성하기 위하여 당업계에서 사용하는 알루미늄 전구체를 적절히 채용할 수 있다.
상기 인 전구체는 PcOd (0<c≤10, 0<d≤10) 형태의 산화 인일 수 있다.
또는 상기 인 전구체는 인산암모늄, 인산이암모늄 또는 인산 등일 수 있으며, 구체적으로, (NH4)3PO4, (NH4)2HPO4, H3PO4 또는 NH4H2PO4일 수 있고, 이에 한정되지 않고, 상기 표면층을 형성하기 위하여 당업계에서 사용하는 인 전구체를 적절히 채용할 수 있다.
또는 ⅴ) 상기 실리콘계 입자 및 Li-Al-P-O 계열 전구체를 건식 혼합하여 열처리하는 단계 또는 ⅵ) 상기 실리콘계 복합 입자 및 Li-Al-P-O 계열 전구체를 용매에 혼합한 뒤 열처리하여 용매를 기화시키면서 상기 실리콘계 복합 입자 및 Li-Al-P-O 계열 전구체를 반응시키는 단계를 통하여 상기 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 표면층을 형성할 수 있다. 상기 방법으로 표면층을 형성하는 경우, Li-Al-P-O 계열 전구체를 직접 투입하여 표면층을 형성시킬 수 있다.
상기 Li-Al-P-O 계열 전구체는 LiyAlzPwOv(0<y≤10, 0<z≤10, 0<w≤10, 0<v≤10) 형태일 수 있다. 구체적으로 Li3PO4, AlPO4, Al(PO3)3 또는 LiAlO2 등으로부터 복합적으로 형성된 혼합물 또는 화합물일 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 상기 표면층을 형성하기 위하여 당업계에서 사용하는 구성을 적절히 채용할 수 있다.
상기 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 표면층을 구비시키는 단계에 있어서, 상기 열처리는 500℃ 내지 700℃에서 수행될 수 있고, 구체적으로 550℃ 내지 650℃에서 수행될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 사용하는 염 또는 전구체 등에 따라 상이할 수 있다.
열처리 온도가 상기 범위를 만족하는 경우, 염 또는 전구체와 Li 부산물과의 반응이 잘 일어나 표면층이 Li을 포함하게 되므로, 형성된 음극 활물질의 수분에 대한 내구도가 높아지고, 표면층을 통한 Li 이온의 출입이 용이해지고, 음극 활물질 표면의 리튬 확산(Li diffusion) 저항이 낮아져 방전 율속 특성(rate capability)이 우수해지는 효과가 있다.
상기 용매는 물 또는 에탄올일 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 당업계에서 사용하는 용매를 적절히 채용할 수 있다.
상기 실리콘계 입자 상에 형성된 표면층은 바람직하게는 LiyAlzPwOv(0<y≤10, 0<z≤10, 0<w≤10, 0<v≤10) 상을 포함하고, LiyAlzPwOv 상은 비정질상일 수 있다.
<음극>
본 발명의 일 실시 상태에 따른 음극은 전술한 음극 활물질을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질층은 상기 음극 활물질을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 음극 활물질층은 바인더, 증점제 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질, 바인더, 증점제 및/또는 도전재를 포함하는 음극 슬러리를 집전체의 적어도 일면에 도포하고 건조 및 압연하여 형성될 수 있다.
상기 음극 슬러리는 추가의 음극 활물질을 더 포함할 수 있다.
상기 추가의 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0 < β < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 티타늄 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 추가의 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 슬러리에 포함된 음극 활물질 및 추가의 음극 활물질의 중량비는 10:90 내지 90:10일 수 있고, 구체적으로 10:90 내지 50:50일 수 있다.
상기 음극 슬러리는 음극 슬러리 형성용 용매를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 슬러리 형성용 용매는 성분들의 분산을 용이하게 하는 측면에서, 증류수, 에탄올, 메탄올 및 이소프로필 알코올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 구체적으로, 증류수를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리는 25℃에서의 pH는 7 내지 11일 수 있다. 음극 슬러리의 pH가 상기 범위를 만족함으로써, 슬러리 유변 물성이 안정해지는 효과가 있다. 반면, 음극 슬러리의 pH가 7 미만이거나, 음극 슬러리의 pH가 11을 초과하는 경우, 증점제로 사용하는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)의 분해가 발생하여 슬러리의 점도 저하를 발생하게 되고, 슬러리 내에 포함되어 있는 활물질의 분산도가 떨어지는 문제점이 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 집전체로 사용할 수 있다. 상기 집전체의 두께는 6㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 상기 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 증점제는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 본 기술분야에서 사용하는 증점제를 적절히 채용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 슬러리에 포함된 음극 활물질 및 추가의 음극 활물질의 중량비는 1:99 내지 30:70일 수 있고, 구체적으로 5:95 내지 30:70 또는 10:90 내지 20:80일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 슬러리에 포함된 전체 음극 활물질은 상기 음극 슬러리의 고형분 총 100 중량부를 기준으로 60 중량부 내지 99 중량부, 구체적으로 70 중량부 내지 98 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 바인더는 상기 음극 슬러리의 고형분 총 100 중량부를 기준으로 0.5 중량부 내지 30 중량부, 구체적으로 1 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 도전재는 상기 음극 슬러리의 고형분 총 100 중량부를 기준으로 0.5 중량부 내지 25 중량부, 구체적으로 1 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 증점제는 상기 음극 슬러리의 고형분 총 100 중량부를 기준으로 0.5 중량부 내지 25 중량부, 구체적으로 0.5 중량부 내지 20 중량부, 더욱 구체적으로 1 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 음극 슬러리는 음극 슬러리 형성용 용매를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 슬러리 형성용 용매는 성분들의 분산을 용이하게 하는 측면에서, 증류수, 에탄올, 메탄올 및 이소프로필 알코올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 구체적으로, 증류수를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 슬러리의 고형분 중량은 상기 음극 슬러리 총 100 중량부를 기준으로 20 중량부 내지 75 중량부, 구체적으로 30 중량부 내지 70 중량부일 수 있다.
<이차 전지>
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지는 전술한 일 실시상태에 따른 음극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 이차 전지는 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 전술한 음극과 동일하다. 상기 음극에 대해서는 전술하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성되며, 상기 양극활물질을 포함하는 양극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+c1Mn2-c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이고, 0.01≤c2≤0.5를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 또는 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 양극은 Li-metal일 수도 있다.
상기 양극 활물질층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.
이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
분리막으로는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
상기 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해질을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시상태에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 고용량, 높은 율속 특성 및 사이틀 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.
<실시예 및 비교예>
실시예 1
Si 및 SiO2를 1:1 몰비로 혼합한 분말 100g을 반응로에서 1,400℃의 승화 온도로 진공 가열하였다. 이 후, 기화된 Si, SiO2 혼합 기체를 800℃의 냉각 온도를 가지는 진공 상태의 냉각 영역(cooling zone)에서 반응시켜 고상으로 응결시켰다. 이 후, 비활성 분위기, 800℃의 온도에서 열처리를 진행하여 예비 실리콘계 입자를 제조하였다. 이 후, 상기 예비 실리콘계 입자를 볼밀을 이용하여 sus ball media 15개를 투입한 후, 3시간 동안 분쇄하여 6㎛(D50) 크기의 실리콘계 입자를 제조하였다. 이 후, Ar 가스를 흘려 불활성 분위기를 유지하면서 CVD 장치의 핫 존(hot zone)에 상기 실리콘계 입자를 위치시키고, 캐리어 가스로 Ar를 사용하여 메탄을 900℃의 핫 존에 불어넣어 20분간 10-1 torr에서 반응시켜, 상기 실리콘계 입자의 표면에 탄소층을 형성시켰다.
상기 탄소층이 형성된 실리콘계 입자와, 리튬 전구체로서 리튬 금속 파우더를 90:10의 중량비로 고상 혼합하여 음극 활물질 형성용 조성물을 제조하였다.
상기 음극 활물질 형성용 조성물을 800 ℃에서 3시간 동안 열처리하였다.
상기 열처리된 음극 활물질 형성용 조성물을 23℃에서의 pH가 1인 염산 수용액으로 1시간 동안 산 처리하였다.
상기 산 처리를 통해 얻어진 물질을 실시예 1의 음극 활물질로 하였다. 상기 음극 활물질의 D50은 6 ㎛이었고, 비표면적은 3 m2/g이었다.
실시예 2
상기 탄소층이 형성된 실리콘계 입자와, 리튬 전구체로서 리튬 금속 파우더를 92:8의 중량비로 고상 혼합하여 음극 활물질 형성용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
실시예 3
상기 탄소층이 형성된 실리콘계 입자와, 리튬 전구체로서 리튬 금속 파우더를 90:10의 중량비로 고상 혼합하여 음극 활물질 형성용 조성물을 제조하고, 산 처리하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
실시예 4
상기 탄소층이 형성된 실리콘계 입자와, 리튬 전구체로서 리튬 금속 파우더를 90:10의 중량비로 고상 혼합하여 음극 활물질 형성용 조성물을 제조하고, 상기 음극 활물질 형성용 조성물을 850 ℃에서 3시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 얻은 음극 활물질 98.5g에 Al(PO3)3 1.5g을 혼합한 후, 600℃에서 열처리하여 표면에 Li, Al, P 및 O를 포함하는 표면층을 형성한 것을 실시예 5의 음극 활물질로 하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 얻은 음극 활물질을 D50 8 ㎛ 크기로 분쇄한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
비교예 1
상기 음극 활물질 형성용 조성물을 500 ℃에서 3시간 동안 열처리하고, 산 처리를 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
비교예 2
상기 음극 활물질 형성용 조성물을 1000 ℃에서 3시간 동안 열처리하고, 산 처리를 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
비교예 3
상기 음극 활물질 형성용 조성물을 1000 ℃에서 3시간 동안 열처리하고, 산처리를 3시간 진행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
비교예 4
상기 탄소층이 형성된 실리콘계 산화물 입자와, 리튬 전구체로서 리튬 금속 파우더를 94:6의 중량비로 고상 혼합하여 음극 활물질 형성용 조성물을 제조하고, 상기 음극 활물질 형성용 조성물을 500 ℃에서 3시간 동안 열처리하고, 산처리를 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
비교예 5
상기 탄소층이 형성된 실리콘계 산화물 입자와, 리튬 전구체로서 리튬 금속 파우더를 94:6의 중량비로 고상 혼합하여 음극 활물질 형성용 조성물을 제조하고, 상기 음극 활물질 형성용 조성물을 1000 ℃에서 3시간 동안 열처리하고, 산처리를 3시간 진행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
비교예 6
상기 실시예 1에서 얻은 음극 활물질을 D50 15 ㎛ 크기로 분쇄한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6에서 제조한 음극 활물질을 하기와 같은 방법으로 분석하여 표 1에 기재하였다.
<p2/p1의 측정>
상기 표 2에서, p2/p1 은 29Si MAS NMR 분석을 통하여 하기와 같이 계산하였다.
- p2/p1: 29Si MAS NMR 분석 시, Li2SiO3의 피크의 높이(p1)에 대한 Li2Si2O5의 피크의 높이(p2)의 비율
<결정상 Li
2
Si
2
O
5
, 결정상 Li
2
SiO
3
, 결정상 Li
4
SiO
4
, 결정상 SiO
2
, 결정상 Si, 결정상 총 함량, 비정질상 총 함량의 측정>
X-ray diffraction(XRD) 기기(제품명: D4-endavor, 제조사: bruker)를 이용하여 측정되었다. 광원 종류 및 파장으로, Cu Kα에서 발생한 X선 파장을 사용하였으며, 광원의 파장(λ)은 0.15406 nm이었다. 레퍼런스 물질인 MgO와 상기 음극 활물질을 20:80의 중량비로 혼합한 후, 직경 2.5cm, 높이 2.5mm인 원통형 홀더에 넣고, 홀더 내 시료의 높이가 일정하도록 슬라이드 글라스로 평탄화 작업을 수행하여 XRD 분석을 위한 시료를 준비하였다. SCAN TIME은 1시간 15분으로 설정하고, 측정 영역은 2θ가 10° 내지 90°인 영역으로 설정하고, 1초에 0.02°씩 2θ를 스캔하도록 STEP TIME과 STEP SIZE를 설정하였다. 측정 결과를 X선 회절 패턴 분석 소프트웨어를 이용하여 Rietveld 정제에 의한 X선 회절 프로파일을 분석하였다. 상기 분석에 의해 결정상 Li2Si2O5, 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4, 결정상 SiO2, 결정상 Si, 결정상 총 함량, 비정질상 총 함량을 측정하였다.
| 음극 활물질 100 중량부 기준 | 실리콘계 입자(Li-SiOx) 총 100 중량부 기준 | |||||||
| Li 함량 (중량부) |
결정상 Li2SiO3 |
결정상 Li2Si2O5 | p2/p1 | 결정상 SiO2 |
결정상 Si |
결정상 총 함량 (중량부) |
비정질상 총 함량 (중량부) |
|
| 함량 (중량부) |
함량 (중량부) |
함량 (중량부) |
함량 (중량부) |
|||||
| 실시예 1 | 9 | 40 | 5 | 0.2 | 0 | 20 | 65 | 35 |
| 실시예 2 | 7.5 | 33 | 10 | 0.6 | 0 | 20 | 63 | 37 |
| 실시예 3 | 9.7 | 45 | 5 | 0.15 | 0 | 20 | 70 | 30 |
| 실시예 4 | 9 | 43 | 15 | 0.4 | 0 | 25 | 83 | 17 |
| 실시예 5 | 9 | 40 | 5 | 0.2 | 0 | 20 | 65 | 35 |
| 실시예 6 | 8.7 | 40 | 7 | 0.2 | 0 | 20 | 67 | 33 |
| 비교예 1 | 9.7 | 17 | 3 | 0.2 | 0 | 20 | 40 | 60 |
| 비교예 2 | 9.7 | 30 | 35 | 1.2 | 5 | 26 | 96 | 4 |
| 비교예 3 | 8.5 | 10 | 35 | 1.4 | 8 | 26 | 79 | 21 |
| 비교예 4 | 6 | 10 | 1 | 0.3 | 0 | 15 | 26 | 74 |
| 비교예 5 | 5.2 | 3 | 20 | 1.5 | 8 | 15 | 46 | 54 |
| 비교예 6 | 8.5 | 35 | 25 | 0.15 | 0 | 20 | 80 | 20 |
- 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6의 음극 활물질은 결정상 Li4SiO4를 포함하지 않음
상기 음극 활물질의 D50은 microtrac 장비를 이용하여 PSD 측정 방법으로 분석하였다.
상기 음극 활물질의 비표면적은, BET 측정 장비(BEL-SORP-MAX, Nippon Bell)를 이용하여, 200℃에서 8시간 동안 가스를 제거(degassing)하고, 77K에서 N2 흡착/탈착(adsorption/desorption)을 진행하여 측정하였다.
실험예: 방전 용량, 초기 효율, 수명(용량 유지율) 특성 평가
실시예들 및 비교예들의 음극 활물질을 각각 이용하여 음극 및 전지를 제조하였다.
상기 음극 활물질, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 PAA (poly acrylic acid)를 80:10:10의 중량비로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 이후, 상기 혼합물 5g에 증류수 7.8g을 투입한 뒤 교반하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 두께가 20㎛인 음극 집전체인 구리(Cu) 금속 박막에 도포, 건조하였다. 이때 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이어서, 압연(roll press)하고 130℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조하여 음극을 제조하였다.
제조된 음극과 1.7671㎠의 원형으로 절단한 리튬(Li) 금속 박막을 양극으로 하였다. 상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 메틸에틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피비가 7:3인 혼합 용액에 0.5 중량부로 용해된 비닐렌 카보네이트를 용해시키고, 1M 농도의 LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여, 리튬 코인 하프 셀(coin half-cell)을 제조하였다.
제조된 전지에 대해 충·방전을 수행하여, 방전 용량, 초기 효율, 용량 유지율을 평가하였고, 이를 하기 표 2에 기재하였다.
1회 사이클과 2회 사이클은 0.1C로 충·방전하였고, 3회 사이클부터 49회 싸이클까지는 0.5C로 충·방전을 수행하였다. 50회 사이클은 충전(리튬이 음극에 들어있는 상태)상태에서 종료하였다.
충전 조건: CC(정전류)/CV(정전압)(5mV/0.005C current cut-off)
방전 조건: CC(정전류) 조건 1.5V
1회 충방전 시의 결과를 통해, 방전 용량(mAh/g) 및 초기 효율(%)을 도출하였다. 구체적으로 초기 효율(%)은 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다.
초기 효율(%) = (1회 방전 용량 / 1회 충전 용량)×100
용량 유지율은 각각 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다.
용량 유지율(%) = (49회 방전 용량 / 1회 방전 용량)×100
| 방전 용량(mAh/g) | 초기 효율(%) | 용량 유지율(%) | |
| 실시예 1 | 1350 | 91 | 50 |
| 실시예 2 | 1400 | 87.5 | 47 |
| 실시예 3 | 1300 | 90 | 49 |
| 실시예 4 | 1300 | 89 | 48 |
| 실시예 5 | 1350 | 91 | 52 |
| 실시예 6 | 1350 | 90 | 50 |
| 비교예 1 | 1270 | 88 | 30 |
| 비교예 2 | 1250 | 88 | 33 |
| 비교예 3 | 1290 | 88 | 30 |
| 비교예 4 | 1450 | 80 | 25 |
| 비교예 5 | 1470 | 78 | 20 |
| 비교예 6 | 1300 | 89 | 25 |
상기 표 2에 있어서, 본 발명에 따른 음극 활물질을 사용한 실시예 1 내지 6은 상기 결정상 Li2SiO3의 함량이 많고, 음극 활물질 내 Li 함량 증가에 따른 무게 당 방전 용량의 손실이 적고, 음극 활물질에 존재하는 결정상의 총 함량이 비정질상의 총 함량보다 많아, 슬러리의 상 안정성이 개선되고, 전기화학적으로 안정한 Li2SiO3의 리튬 실리케이트 구조로 인하여 초기 효율 및 수명 특성이 대폭 증가된 것을 확인할 수 있다.
실시예 5의 경우, 음극 활물질 표면에 Li, Al, P 및 O를 포함하는 표면층이 구비되어 실리콘계 입자에 포함된 Li 화합물이 슬러리의 수분과 반응하여 슬러리의 점도를 낮아지게 만드는 현상을 방지할 수 있으며, 이로부터 초기 효율 및 수명 특성이 더욱 개선된 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1 내지 6은 결정상 실리케이트 총 100 중량부 기준 결정상 Li2SiO3이 60 중량부 미만으로 포함되어 있거나, 결정상의 총 함량이 낮기 때문에 무게 당 용량 손실이 커지거나, Li2Si2O5의 구조가 불안정하여 초기 효율 및/또는 수명 특성이 열위한 것을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 4 및 5의 경우, Li 함량이 낮아져 방전 용량이 커지나, 효율이 10% 이상 저하되고, 수명은 약 50% 이상 열위한 것을 확인할 수 있다.
Claims (20)
- SiOx(0<x<2) 및 Li 화합물을 포함하는 실리콘계 입자를 포함하는 음극 활물질로서,
상기 Li 화합물은 결정상 Li2SiO3, 결정상 Li4SiO4 및 결정상 Li2Si2O5로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 결정상 리튬 실리케이트를 포함하고,
상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 Li2Si2O5의 함량 및 상기 결정상 Li4SiO4의 함량의 합보다 많고,
상기 결정상 Li2SiO3의 함량은 상기 결정상 리튬 실리케이트 총 100 중량부를 기준으로 60 중량부 이상 포함하고,
상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량은 비정질상의 총 함량보다 많은 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 음극 활물질 총 100 중량부를 기준으로 Li 원소를 7 중량부 초과 10 중량부 이하로 포함하는 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 Li 화합물은 결정상 Li2SiO3 및 결정상 Li2Si2O5를 포함하는 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 실리콘계 입자에 존재하는 결정상의 총 함량은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 50 중량부 초과 85 중량부 이하인 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 결정상 Li2SiO3는 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 15 중량부 이상 50 중량부 이하로 포함되는 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 결정상 Li2SiO3의 함량 및 결정상 Li2Si2O5의 함량의 차이는 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 1 중량부 내지 50 중량부인 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 결정상 Li4SiO4를 포함하지 않는 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
29Si-MAS-NMR 분석 시, -70 ppm 내지 -80 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2SiO3의 피크 p1의 높이(Height)는 -90 ppm 내지 -100 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2Si2O5의 피크 p2의 높이(Height)보다 큰 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
29Si-MAS-NMR 분석 시, -70 ppm 내지 -80 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2SiO3의 피크 p1의 높이(Height)에 대한 -90 ppm 내지 -100 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li2Si2O5의 피크 p2의 높이(Height)의 비율 p2/p1은 1 이하인 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
29Si-MAS-NMR 분석 시, -60 ppm 내지 -69 ppm의 화학적 이동 피크에서 나타나는 Li4SiO4의 피크 p3는 존재하지 않는 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
결정상 SiO2은 상기 실리콘계 입자 총 100 중량부를 기준으로 5 중량부 미만 포함되는 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 실리콘계 입자 상에 구비된 탄소층을 더 포함하는 것인 음극 활물질. - 청구항 1에 있어서,
상기 실리콘계 입자 상에 구비된 Al, P 및 O를 포함하는 표면층을 더 포함하는 것인 음극 활물질. - SiOx(0<x<2)로 표시되는 실리콘계 산화물을 포함하는 입자를 형성하는 단계; 및
상기 실리콘계 산화물을 포함하는 입자와 리튬 전구체를 혼합한 뒤 열처리하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 따른 음극 활물질의 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 열처리하는 단계 이후 산 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것인 음극 활물질의 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 열처리하는 단계 이후에 형성된 실리콘계 입자 상의 적어도 일부에 표면층을 구비시키는 단계를 더 포함하는 것인 음극 활물질의 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 열처리는 650 ℃ 내지 950 ℃에서 수행되는 것인 음극 활물질의 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 열처리는 1시간 내지 12시간 동안 수행되는 것인 음극 활물질의 제조방법. - 음극 집전체; 및
상기 음극 집전체의 적어도 일면에 배치된 음극 활물질층을 포함하고,
상기 음극 활물질층은 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 따른 음극 활물질을 포함하는 음극재를 포함하는 음극. - 청구항 19에 따른 음극;
상기 음극에 대향하는 양극;
상기 음극 및 상기 양극 사이에 개재된 분리막; 및
전해질을 포함하는 이차전지.
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