KR20240041584A - Anode active material, method for preparing the same, and rechargeable lithium battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 특정 형상의 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 코어는 금속 입자를 포함하는 다공성 금속 입자 코어로서, 공극률이 20% 이상이고, 상기 쉘은 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조 방법과, 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery having a core-shell structure of a specific shape, wherein the core is a porous metal particle core containing metal particles, the porosity is 20% or more, and the shell contains carbon. It relates to a negative electrode active material, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery containing the same.
Description
본 발명은 음극 활물질, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery comprising the same.
리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB)는 높은 에너지 밀도를 가지고, 설계가 용이하여, 모바일 전자 기기의 주요 전력 공급원으로 채택되어 사용되고 있으며, 향후 전기 자동차 혹은 신재생 에너지의 전력 저장 장치 등으로 그 응용 범위가 더욱 넓어지고 있다.Lithium Ion Battery (LIB) has high energy density and is easy to design, so it has been adopted and used as a main power source for mobile electronic devices. In the future, it will be applied to electric vehicles or renewable energy power storage devices. The scope is becoming wider.
새로운 응용 분야에 적용을 하기 위해서는 보다 높은 에너지 밀도, 장수명 등의 특성을 가지는 LIB 소재에 대한 연구가 지속적으로 요구되고 있다. 특히, 음극 소재의 경우 탄소를 비롯하여 실리콘, 주석, 게르마늄 등 여러가지 물질에 대해 연구가 진행되어 왔다.In order to apply it to new application fields, research on LIB materials with characteristics such as higher energy density and longer lifespan is continuously required. In particular, in the case of cathode materials, research has been conducted on various materials such as carbon, silicon, tin, and germanium.
이 가운데 실리콘계 음극 소재는 현재 상용화된 흑연 음극 소재에 비하여 매우 높은 이론적 용량을 가지고 있어서 많은 관심을 받아왔다. 그러나, 실리콘계 음극 소재는 실리콘 표면과 전해질의 부반응으로 인해 불안정한 SEI(Solid Electrolyte Interphase)층이 형성되어 전기화학적 특성이 저하되거나, 충방전 시 발생하는 급격한 부피 팽창으로 인한 내부 응력으로 전극 물질의 분쇄가 일어나는 등의 문제점을 가지고 있다.Among these, silicon-based anode materials have received much attention because they have a much higher theoretical capacity compared to currently commercialized graphite anode materials. However, in silicon-based anode materials, electrochemical properties deteriorate due to the formation of an unstable SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer due to a side reaction between the silicon surface and the electrolyte, or the electrode material is pulverized due to internal stress due to rapid volume expansion that occurs during charging and discharging. There are problems that arise.
이를 해결하기 위해 실리콘계 음극 소재의 나노구조화, 표면 개질, 이종물질 복합화 등의 연구들이 진행되어 왔다. 특히, 탄소 소재를 표면 코팅하거나 복합화하는 방법은 산업계를 중심으로 널리 연구되고 있다. 탄소 소재를 활용한 다양한 표면 처리에는 복잡하고 고비용의 공정이 필요하였고, 탄소 소재를 활용한 표면 처리를 통해서 실리콘계 음극 소재의 일부 수명 특성은 개선되었지만, 실리콘계 음극 소재의 충방전 시 발생하는 큰 부피 변화에 대응하기 위해서는 근본적인 소재 설계 개념의 수정이 요구되었다.To solve this problem, research has been conducted on nanostructuring, surface modification, and heterogeneous material compositing of silicon-based anode materials. In particular, methods for surface coating or complexing carbon materials are being widely studied in the industrial world. Various surface treatments using carbon materials required complex and expensive processes, and although some lifespan characteristics of silicon-based anode materials were improved through surface treatment using carbon materials, there was a large volume change that occurred during charging and discharging of silicon-based anode materials. In order to respond, a revision of the fundamental material design concept was required.
즉, 종래의 탄소 소재를 활용한 복합화는 실리콘계 음극 소재의 물리적 형상을 개선하지 않은 상태로 탄소와의 복합화를 진행하였기 때문에 리튬 이온 전지에 요구되는 안정적인 수명 특성에 도달하기가 어려웠다. 따라서, 실리콘계 음극 소재의 부피 팽창을 억제하는 동시에 실리콘계 음극 소재의 불안정한 수명 특성을 개선하기 위하여 고용량 실리콘계 음극 활물질의 구조적 개질에 관한 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.In other words, it was difficult to achieve the stable lifespan characteristics required for lithium-ion batteries because the composite using conventional carbon materials was performed without improving the physical shape of the silicon-based anode material. Therefore, there is a need to develop technology for structural modification of high-capacity silicon-based negative electrode active materials in order to suppress the volume expansion of the silicon-based negative electrode material and at the same time improve the unstable lifespan characteristics of the silicon-based negative electrode material.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 고용량 및 고에너지 밀도를 가지며, 장기간 사용 후에도 안정적인 충/방전 거동이 가능한 장수명 특성의 이차 전지를 위한 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was developed to solve the above problems, and provides a negative electrode active material for a secondary battery with high capacity and high energy density and long-life characteristics capable of stable charging/discharging behavior even after long-term use, and a lithium secondary battery containing the same. The purpose is to
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 코어-쉘 구조를 갖는 리튬 이차 전지용 음극 활물질에 있어서,According to an embodiment of the present invention, in a negative electrode active material for a lithium secondary battery having a core-shell structure,
상기 코어-쉘 구조는 하기 도면에 나타낸 단면 형상을 가지고,The core-shell structure has a cross-sectional shape shown in the drawings below,
(상기 R 은 중심부로부터 가장 먼 거리에 있는 코어의 외곽까지의 거리이며,(R is the distance from the center to the outermost core,
상기 r 은 중심부로부터 가장 가까운 거리에 있는 코어의 외곽까지의 거리에 해당함.)The above r corresponds to the distance from the center to the outermost part of the core.)
상기 코어는 금속 입자를 포함하는 다공성 금속 입자 코어이며,The core is a porous metal particle core containing metal particles,
상기 쉘은 탄소를 포함하고,The shell contains carbon,
0.2≤r/R≤0.9 를 만족하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질이 제공된다.A negative electrode active material for a lithium secondary battery that satisfies 0.2≤r/R≤0.9 is provided.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 음극, 양극 및 전해질을 포함하며,According to one embodiment of the present invention, it includes a cathode, an anode, and an electrolyte,
상기 음극은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차 전지가 제공된다.A lithium secondary battery is provided, wherein the negative electrode includes a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르면, a) 금속 입자와 비정질 탄소를 용매에 분산하는 단계;According to one embodiment of the present invention, a) dispersing metal particles and amorphous carbon in a solvent;
b) 분산된 용액을 점도 100 cP 이하의 범위로 조절하는 단계;b) adjusting the viscosity of the dispersed solution to a range of 100 cP or less;
c) 상기 용액을 분무 건조하여 구형 전구체를 제조하는 단계;c) preparing a spherical precursor by spray drying the solution;
d) 상기 구형 전구체와, 결정질 탄소 및 비정질 탄소 중 하나 이상을 혼합하여 복합화하는 단계; 및d) compounding the spherical precursor by mixing at least one of crystalline carbon and amorphous carbon; and
e) 700℃ 내지 1100℃ 의 온도로 5분 내지 5시간 동안 열처리하는 단계;e) heat treatment at a temperature of 700°C to 1100°C for 5 minutes to 5 hours;
를 포함하는, 음극 활물질의 제조방법이 제공된다.A method for producing a negative electrode active material is provided, including.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은 실리콘 입자를 포함하는 코어부에 확보된 매크로(macro) 공극을 통해 실리콘 1차 입자로 구성된 2차 입자의 부피 팽창을 수용하고, 이를 통해 흑연 쉘부의 파괴를 방지하여, 코어부만의 안정적인 부피 변화를 통한 안정적인 수명 특성의 발현이 가능하다.The anode active material according to an embodiment of the present invention accommodates the volume expansion of secondary particles composed of silicon primary particles through macro pores secured in the core portion containing silicon particles, and thereby destroys the graphite shell portion. By preventing this, it is possible to develop stable lifespan characteristics through stable volume changes only in the core part.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 물리적 조건에 따른 코어부의 형상 변화 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 FIB(Focused Ion Beam) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명에서 실시한 제조예들의 풀셀 수명 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 는 본 발명에서 실시한 제조예들의 풀셀 출력 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5 는 본 발명에서 실시한 제조예들의 하프셀 AC 저항 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram of a change in the shape of a core portion depending on the physical conditions of a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a Focused Ion Beam (FIB) image of a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the results of full cell life characteristics of manufacturing examples conducted in the present invention.
Figure 4 is a graph showing the results of full-cell output characteristics of manufacturing examples carried out in the present invention.
Figure 5 is a graph showing half-cell AC resistance results of manufacturing examples conducted in the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, various changes can be made to the embodiments, so the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are for descriptive purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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 generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. 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 should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined in the present application. No.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the embodiments, the detailed descriptions are omitted.
본 발명의 일 측면에 따르면, 코어-쉘 구조를 갖는 리튬 이차 전지용 음극 활물질에 있어서,According to one aspect of the present invention, in a negative electrode active material for a lithium secondary battery having a core-shell structure,
상기 코어-쉘 구조는 하기 도면에 나타낸 단면 형상을 가지고,The core-shell structure has a cross-sectional shape shown in the drawings below,
(상기 R 은 중심부로부터 가장 먼 거리에 있는 코어의 외곽까지의 거리이며(R is the distance from the center to the outermost core,
상기 r 은 중심부로부터 가장 가까운 거리에 있는 코어의 외곽까지의 거리에 해당함.)The above r corresponds to the distance from the center to the outermost part of the core.)
상기 코어는 금속 입자를 포함하는 다공성 금속 입자 코어이며,The core is a porous metal particle core containing metal particles,
상기 쉘은 탄소를 포함하고,The shell contains carbon,
0.2≤r/R≤0.9 를 만족하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공한다.Provided is a negative electrode active material for a lithium secondary battery that satisfies 0.2≤r/R≤0.9.
상기 도면에 나타낸 단면 형상은 코어-쉘 구조를 갖는 음극 활물질의 단면부를 나타낸 것으로서, 다공성 실리콘 코어의 중심부를 지나는 임의의 한 축에 대하여 상단과 하단이 오목한 도넛 구조(혹은 토러스(torus) 구조)와 같은 형태를 나타낸다.The cross-sectional shape shown in the figure shows a cross-section of a negative electrode active material having a core-shell structure, and has a donut structure (or torus structure) with concave tops and bottoms about an arbitrary axis passing through the center of the porous silicon core. It shows the same form.
이 때, 상기 코어의 중심 위치에서 코어의 가장 먼 위치까지의 거리(가장 긴 반지름)를 R 로 하고, 코어의 중심 위치에서 오목한 부위의 지점까지(가장 짧은 반지름)를 r 로 하였을 때, r/R 의 비율에 따라, 상기 음극 활물질의 코어-쉘 형상이 조금씩 바뀌게 되며, 본 발명자는 상기 r/R 의 비율이 특정 범위 내에 해당하는 경우에서는, 지속적인 충/방전 시에도 코어부만의 안정적인 부피 변화를 통해, 복합체의 구조적 파괴가 방지되며, 안정적인 수명 특성의 발현이 가능함을 지득하였다.At this time, when R is the distance from the center position of the core to the furthest point of the core (longest radius) and r is the distance from the center position of the core to the point of the concave area (shortest radius), r/ Depending on the ratio of R, the core-shell shape of the negative electrode active material changes little by little, and the present inventor suggests that when the ratio of r/R falls within a certain range, there is a stable volume change of only the core portion even during continuous charging/discharging. Through this, it was found that structural destruction of the composite was prevented and stable lifespan characteristics were possible.
이러한 r/R 비율 범위의 구체적인 예로는, 0.2 이상 0.9 이하일 수 있으며, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 이하일 수 있다.Specific examples of this r/R ratio range may be 0.2 or more and 0.9 or less, and preferably 0.3 to 0.7 or less.
r/R 의 비율에 따라 코어-쉘 구조의 코어부와 쉘부의 사이에 형성되는 매크로(macro) 공극의 분율이 상이해질 수 있으며, r/R 의 비율이 상기 하한 미만인 경우에는, 내부 실리콘 입자간의 접촉이 약화되어 전기 화학 반응의 저항으로 작용하여, 전기 전도도가 낮아지고, 용량, 효율 등의 저하 및 수명 특성의 열화를 유도할 수 있다. 반대로, r/R 의 비율이 상기 상한을 초과하는 경우에는, 부피 팽창에 따른 복합체 파괴로 인하여 수명 특성이 열화될 수 있다.Depending on the ratio of r/R, the fraction of macro voids formed between the core portion and the shell portion of the core-shell structure may vary. If the ratio of r/R is less than the above lower limit, the ratio between internal silicon particles may vary. The contact is weakened and acts as a resistance to the electrochemical reaction, which lowers electrical conductivity and can lead to a decrease in capacity, efficiency, etc., and deterioration of life characteristics. Conversely, if the ratio of r/R exceeds the upper limit, lifespan characteristics may be deteriorated due to destruction of the composite due to volume expansion.
한편, 상기 음극 활물질의 다공성 금속 입자 코어부에 포함되는 금속 입자는 Si, Al, Zn, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Ni 및 Ge 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 음극 활물질의 에너지 밀도 및 최대 용량 등의 개선을 위한 측면에서, 바람직하게는, Si 입자일 수 있다. 또한, 상기 실리콘 등의 부피 변화를 억제하기 위해, 1000㎚ 이하 크기의 Si 함유 나노입자인 것이 보다 바람직하다.Meanwhile, the metal particles included in the porous metal particle core portion of the negative electrode active material may include one or more selected from the group consisting of Si, Al, Zn, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Ni, and Ge, In terms of improving the energy density and maximum capacity of the negative electrode active material, Si particles are preferable. In addition, in order to suppress the volume change of the silicon, etc., it is more preferable to use Si-containing nanoparticles with a size of 1000 nm or less.
아울러, 상기 Si 함유 나노입자는 실리콘 나노입자, 실리콘 산화물 나노입자, 실리콘 탄화물 나노입자 및 실리콘 합금 나노입자 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 그 중 바람직하게는 실리콘 나노입자를 포함하는 것일 수 있다.In addition, the Si-containing nanoparticles may include one or more of silicon nanoparticles, silicon oxide nanoparticles, silicon carbide nanoparticles, and silicon alloy nanoparticles, preferably containing silicon nanoparticles. .
Si 함유 나노입자의 평균 입도(D50)는 기준 50㎚ 내지 1000㎚ 일 수 있으며, 바람직하게는 80㎚ 내지 500㎚ 일 수 있고, 보다 바람직하게는 80㎚ 내지 130㎚ 일 수 있다.The average particle size (D 50 ) of Si-containing nanoparticles may be 50 nm to 1000 nm, preferably 80 nm to 500 nm, and more preferably 80 nm to 130 nm.
상기 Si 함유 나노입자의 평균 입도(D50)가 1000㎚을 초과하는 경우에는, 부피 변화 억제의 효과가 떨어져, 전지의 수명이 줄어드는 효과가 나타날 수 있고, 상기 평균 입도(D50)가 50㎚ 미만인 경우에는, 제조 경비가 높아지고, 전지 용량 및 효율이 낮아질 수 있다.If the average particle size (D 50 ) of the Si-containing nanoparticles exceeds 1000 nm, the effect of suppressing volume change may decrease, resulting in a reduced battery life, and the average particle size (D 50 ) may be 50 nm. If it is less than that, manufacturing costs may increase and battery capacity and efficiency may decrease.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 코어-쉘 구조 복합체의 평균 입도는 D50 기준 3㎛ 내지 10㎛ 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 5㎛ 내지 8㎛ 일 수 있다.Meanwhile, the average particle size of the core-shell structure composite of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention may be 3㎛ to 10㎛, more preferably 5㎛ to 8㎛ based on D 50 .
상기 코어-쉘 구조 복합체의 평균 입도(D50)가 3㎛ 미만인 경우에는, 미분에 의해 전극 제조 공정에서 분산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 10㎛ 를 초과하는 경우에는, 복합체의 부피 팽창에 의한 전극 팽창이 심화되어 수명 및 안전성의 문제가 발생할 수 있다.If the average particle size (D 50 ) of the core-shell structure composite is less than 3㎛, a problem of lowered dispersibility in the electrode manufacturing process may occur due to fine powder, and if it exceeds 10㎛, volume expansion of the composite may occur. This may cause problems with lifespan and safety due to worsening electrode expansion.
또한, 코어-쉘 구조 복합체의 쉘층의 두께는 200㎚ 내지 3㎛ 일 수 있다. 상기 쉘층의 두께가 200㎚ 미만인 경우, 실리콘의 부피 변화에 의해 파손되어 수명 특성에 악영향을 미칠 수 있으며, 상기 두께가 3㎛ 를 초과하는 경우에는, 탄소량이 증가함에 따라 복합체의 용량이 감소할 뿐만 아니라, 이온전도성이 감소하여 출력 특성이 저하될 수 있다.Additionally, the thickness of the shell layer of the core-shell structural composite may be 200 nm to 3 μm. If the thickness of the shell layer is less than 200㎚, it may be damaged due to changes in the volume of silicon, which may adversely affect the lifespan characteristics. If the thickness exceeds 3㎛, the capacity of the composite not only decreases as the amount of carbon increases. In addition, ionic conductivity may decrease and output characteristics may deteriorate.
한편, 상기 음극 활물질의 쉘부에 포함되는 탄소는 결정질 탄소 및 비정질 탄소 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 결정질 탄소는 그 일례로서, 흑연계 탄소를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 등일 수 있으며, 그 중에서도 바람직하게는, 인편상 흑연, 천연 흑연 등을 들 수 있다.Meanwhile, the carbon included in the shell portion of the negative electrode active material may include one or more of crystalline carbon and amorphous carbon, and the crystalline carbon may include graphitic carbon as an example. More specifically, it may be natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc., and among these, flaky graphite, natural graphite, etc. are preferable.
상기 천연 흑연은 천연적으로 산출되는 흑연으로, 인편상(flake) 흑연, 고결정질(high crystalline) 흑연 등을 예로 들 수 있으며, 상기 인조 흑연은 인공적으로 합성된 흑연으로서, 무정형 탄소를 고온으로 가열하여 제조되고, 일차(primary), 전기 흑연(electrographite), 이차(secondary) 흑연, 흑연 섬유(graphite fiber) 등을 예로 들 수 있다.The natural graphite is graphite that is produced naturally, and examples include flake graphite and high crystalline graphite. The artificial graphite is artificially synthesized graphite that is produced by heating amorphous carbon to a high temperature. It is manufactured and examples include primary, electrographite, secondary graphite, and graphite fiber.
아울러, 팽창 흑연은 흑연의 층간에 산이나 알칼리 등의 화학품을 삽입(intercalation)하고 가열하여 분자 구조의 수직 층을 부풀린 것일 수 있다.In addition, expanded graphite may be formed by intercalating chemicals such as acids or alkalis between layers of graphite and heating them to expand the vertical layers of the molecular structure.
또한, 상기 비정질 탄소의 종류는 크게 제한되는 것은 아니나, 구체적인 예로는, 수크로오스(sucrose), 페놀(phenol) 수지, 나프탈렌(naphthalene) 수지, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 퓨란(furan) 수지, 셀룰로오스(cellulose) 수지, 스티렌(styrene) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 에폭시(epoxy) 수지 또는 염화 비닐(vinyl chloride) 수지, 석탄계 피치, 석유계 피치, 폴리 비닐 클로라이드, 메조페이스 핏치, 타르, 블록공중합체(block-copolymer), 폴리올, 저분자량 중질유 등을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는, 석탄계 피치, 석유계 피치, 아크릴 수지에 해당할 수 있다.In addition, the type of amorphous carbon is not greatly limited, but specific examples include sucrose, phenol resin, naphthalene resin, polyvinyl alcohol resin, and furfuryl alcohol. ) Resin, furan resin, cellulose resin, styrene resin, polyimide resin, epoxy resin or vinyl chloride resin, coal-based pitch, petroleum-based pitch, poly It may include vinyl chloride, mesophase pitch, tar, block-copolymer, polyol, low molecular weight heavy oil, etc., and more specifically, it may correspond to coal-based pitch, petroleum-based pitch, and acrylic resin.
한편, 상기 다공성 금속 입자 코어의 공극률은 20% 이상에 해당할 수 있으며, 상기 공극률 값은 하기 식(1)을 통해, 구체적으로 도출될 수 있다.Meanwhile, the porosity of the porous metal particle core may correspond to 20% or more, and the porosity value can be specifically derived through the following equation (1).
(식(1) 중, 상기 진밀도는 2.33 g·cc-1 이다.)(In equation (1), the true density is 2.33 g·cc -1 .)
또한, 상기 다공성 금속 입자의 코어의 공극률은 20% 이상 50% 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는, 25% 이상 50% 이하일 수 있다. 상기 공극률이 20% 미만인 경우, 실리콘 입자의 팽창에 의해 복합체의 파괴가 발생하여 수명 특성의 열화를 일으킬 수 있으며, 상기 공극률이 50% 를 초과하는 경우에는, 전해질과의 접촉 계면이 증가하여 초기 효율의 저하 및 수명 특성의 열화를 일으키거나, 비가역 용량이 커지며 출력 특성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.Additionally, the porosity of the core of the porous metal particle may be 20% or more and 50% or less, and more preferably, may be 25% or more and 50% or less. If the porosity is less than 20%, destruction of the composite may occur due to expansion of the silicon particles, causing deterioration of lifespan characteristics, and if the porosity exceeds 50%, the contact interface with the electrolyte increases, reducing the initial efficiency. This may cause deterioration of lifespan characteristics or increase irreversible capacity and reduce output characteristics.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은, r/R 이 0.2 이상 0.9 이하의 범위를 가지면서, 공극률이 20% 이상에 해당하거나, 보다 바람직하게는, r/R 이 0.3 이상 0.7 이하의 범위를 가지면서, 공극률이 25% 이상에 해당하는 경우가, 이를 만족하지 못하는 경우에 비해, 보다 양호한 수명 특성을 나타낼 수 있으며, 이러한 점은, 이하에서 기술되는 실시예와 비교예를 통해 보다 자세히 기술한다.Furthermore, the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention has an r/R in the range of 0.2 to 0.9 and a porosity of 20% or more, or more preferably, r/R in the range of 0.3 to 0.7. In the range of , the case where the porosity corresponds to 25% or more can exhibit better life characteristics compared to the case where this is not satisfied, and this point can be seen through the examples and comparative examples described below. Describe in detail.
한편, 본 발명의 일 측면에 따라, 음극, 양극 및 전해질을 포함하며,Meanwhile, according to one aspect of the present invention, it includes a cathode, an anode, and an electrolyte,
상기 음극은 앞서 상세히 기술한 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차 전지를 제공한다.Provided is a lithium secondary battery, wherein the negative electrode includes the negative electrode active material described in detail above.
상기 음극은 앞서 기술한 음극 활물질 이외에 당해 기술 분야에서 리튬 전지의 음극 활물질로서 통상적으로 사용되는 음극 활물질 재료를 추가적으로 더 포함할 수도 있다. 상기 통상적으로 사용되는 음극 활물질의 재료로는, 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속 산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition to the negative electrode active material described above, the negative electrode may additionally include a negative electrode active material commonly used as a negative electrode active material for lithium batteries in the art. Materials of the commonly used anode active material may include, for example, one or more selected from the group consisting of lithium metal, metal alloyable with lithium, transition metal oxide, non-transition metal oxide, and carbon-based material.
또한, 상기 양극은 양극 활물질을 포함할 수 있으며, 상기 양극 활물질의 종류로는, 리튬 함유 금속 산화물에 해당할 수 있고, 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 본 발명의 리튬 이차 전지에 적용 가능하다.In addition, the positive electrode may include a positive electrode active material, and the type of the positive electrode active material may be a lithium-containing metal oxide, and any type commonly used in the technical field can be applied to the lithium secondary battery of the present invention. .
나아가, 상기 전해질은, 리튬염 함유 비수계 전해질을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등을 사용할 수 있다.Furthermore, the electrolyte may include a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, and specifically, a non-aqueous electrolyte solution, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, etc. may be used.
이 외에도, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의 분리막이 상기 양극과 음극 사이에 추가적으로 배치되어 리튬 이차 전지에 포함될 수 있다.In addition, a separator such as glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, or polytetrafluoroethylene (PTFE) may be additionally disposed between the positive and negative electrodes and included in the lithium secondary battery.
한편, 본 발명의 일 측면에 따라, a) 금속 입자와 비정질 탄소를 용매에 분산하는 단계;Meanwhile, according to one aspect of the present invention, a) dispersing metal particles and amorphous carbon in a solvent;
b) 분산된 용액을 점도 100 cP 이하의 범위로 조절하는 단계;b) adjusting the viscosity of the dispersed solution to a range of 100 cP or less;
c) 상기 용액을 분무 건조하여 구형 전구체를 제조하는 단계;c) preparing a spherical precursor by spray drying the solution;
d) 상기 구형 전구체와, 결정질 탄소 및 비정질 탄소 중 하나 이상을 혼합하여 복합화하는 단계; 및d) compounding the spherical precursor by mixing at least one of crystalline carbon and amorphous carbon; and
e) 700℃ 내지 1100℃ 의 온도로 5분 내지 5시간 동안 열처리하는 단계;e) heat treatment at a temperature of 700°C to 1100°C for 5 minutes to 5 hours;
를 포함하는, 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.It provides a method for manufacturing a negative electrode active material, including.
상기 단계 a) 에서 한정하고 있는 금속 입자 및 비정질 탄소는 앞서 상세히 기술한 금속 입자 및 비정질 탄소의 종류와 실질적으로 동일하다고 볼 수 있으며, 바람직하게는 상기 금속 입자는 Si 함유 나노입자일 수 있고, 상기 비정질 탄소의 바람직한 종류로는 석탄계 피치, 석유계 피치, 아크릴 수지 등을 들 수 있다. 또한, 상기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 용매일 수 있으며, 그 중 바람직하게는, 이소프로필알코올(IPA)을 포함하는 용매일 수 있다.The metal particles and amorphous carbon defined in step a) can be considered to be substantially the same as the types of metal particles and amorphous carbon described in detail above. Preferably, the metal particles may be Si-containing nanoparticles, Preferred types of amorphous carbon include coal-based pitch, petroleum-based pitch, and acrylic resin. Additionally, the solvent may be a solvent containing one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and butanol, and is preferably a solvent containing isopropyl alcohol (IPA).
이후, 상기 단계 a) 를 통해 얻은 용액을 점도 100 cP 이하의 범위로 조절하는 단계(단계 b))를 포함한다. 상기 단계 b) 를 통해, 본 발명의 일 실시예의 범위에 포함되는 r/R 및 공극률을 원하는 범위로 얻을 수 있으며, 상기 점도의 범위는 구체적으로는 5 cP 내지 90 cP, 보다 구체적으로는 10 cP 내지 50 cP 일 수 있다.Thereafter, a step (step b)) of adjusting the viscosity of the solution obtained through step a) to a range of 100 cP or less is included. Through step b), r/R and porosity within the range of an embodiment of the present invention can be obtained in a desired range, and the viscosity range is specifically 5 cP to 90 cP, more specifically 10 cP. It can be from 50 cP.
상기 점도는 구체적으로, 금속 입자, 비정질 탄소가 용매에 분산된 형태의 슬러리의 pH 를 7 이상으로 상승시키거나, 상기 슬러리 내 고분자의 함량 및 분자량을 제어하는 방식으로 조절이 가능하다.Specifically, the viscosity can be adjusted by raising the pH of a slurry in which metal particles and amorphous carbon are dispersed in a solvent to 7 or more, or by controlling the content and molecular weight of the polymer in the slurry.
또한, 상기 단계 c) 를 통해, 코어-쉘 구조 복합체의 구형 전구체를 제조할 수 있으며, 상기 건조 온도는 일례로서, 90℃ 내지 130℃ 일 수 있다.In addition, through step c), a spherical precursor of a core-shell structure composite can be manufactured, and the drying temperature may be, as an example, 90°C to 130°C.
상기 단계 d) 의 복합화 과정은, 일례로서 한솔케미칼 제작의 복합화기를 통해 진행될 수 있으며, 대기 또는 비활성 분위기의 조건 하에서, 1분 내지 24시간 동안, 40℃ 내지 250℃ 의 반응 온도로 진행될 수 있다.The complexing process of step d) may be carried out, for example, through a complexing machine manufactured by Hansol Chemical, and may be carried out at a reaction temperature of 40°C to 250°C for 1 minute to 24 hours under atmospheric or inert atmosphere conditions.
아울러, 상기 단계 e) 의 열처리 단계는, 700℃ 내지 1100℃ 의 온도로 5분 내지 5시간 동안 실시될 수 있으며, 보다 구체적으로는, 800℃ 내지 1000℃ 의 온도로 10분 내지 3시간 동안 진행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the heat treatment step of step e) may be performed at a temperature of 700°C to 1100°C for 5 minutes to 5 hours, and more specifically, may be performed at a temperature of 800°C to 1000°C for 10 minutes to 3 hours. However, it is not limited to this.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration of the present invention and its effects will be described in more detail through examples and comparative examples. However, these examples are for illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
- - 실시예Example
(1) 음극 활물질의 제조(1) Manufacturing of negative electrode active material
a) 실시예 1a) Example 1
실리콘(D50 = 107㎚)과 아크릴계 고분자(Mw = 15,000)를 65 대 35 중량부로 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol, IPA) 용액에 분산하였으며, 상기 혼합 용액의 점도를 10 cP 수준으로 적정한 후, 이를 분무 건조하여 D50 기준 5 내지 10㎛ 크기의 2차 구형 전구체를 제조하였다.Silicone (D 50 = 107 nm) and acrylic polymer (Mw = 15,000) were dispersed in an isopropyl alcohol (IPA) solution at a ratio of 65 to 35 parts by weight, and the viscosity of the mixed solution was titrated to 10 cP. By spray drying, a secondary spherical precursor with a size of 5 to 10㎛ based on D 50 was prepared.
상기 전구체와 피치(Pitch)계 탄소 및 인편상 흑연을 각각 30:35:35 의 중량부로 혼합하여 복합화기(한솔케미칼 자체 제작)에 투입하여 10분간 복합화를 진행하였다.The above precursor, pitch-based carbon, and flaky graphite were mixed in a weight ratio of 30:35:35, respectively, and put into a compositeizer (manufactured by Hansol Chemical), and composited for 10 minutes.
상기 복합화 품을 제조한 후 930℃에서 열처리하여 음극 활물질을 제조하였다.After manufacturing the composite product, it was heat treated at 930°C to prepare a negative electrode active material.
b) 실시예 2b) Example 2
상기 실리콘의 크기가 125㎚ 인 것을 이용하여 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일하게 진행하여, 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the silicon was manufactured using a size of 125 nm.
c) 실시예 3c) Example 3
상기 실리콘의 크기가 83㎚ 인 것을 이용하여 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일하게 진행하여, 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the size of silicon was 83 nm.
d) 실시예 4d) Example 4
상기 혼합 용액의 점도를 90 cP 로 조정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일하게 진행하여, 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the viscosity of the mixed solution was adjusted to 90 cP.
e) 비교예 1e) Comparative Example 1
상기 아크릴계 고분자의 분자량(Mw)이 70,000 인 것을 이용하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일하게 진행하여, 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the acrylic polymer had a molecular weight (Mw) of 70,000.
e) 비교예 2e) Comparative Example 2
상기 복합화 공정에서 전구체와 피치(Pitch)계 탄소 및 인편상 흑연을 각각 30:55:15 의 중량부로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일하게 진행하여, 음극 활물질을 제조하였다.A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that in the composite process, the precursor, pitch-based carbon, and flaky graphite were mixed in weight parts of 30:55:15, respectively.
(2) 코인 셀의 제조(2) Manufacturing of coin cells
a) 코인 하프 셀의 제작a) Fabrication of coin half shell
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2 에 의해 제조된 음극 활물질, 도전재(Super P) 및 바인더(SBR-CMC)를 94:2:4 중량비로 균일하게 혼합하여 음극 슬러리를 준비하였다. 이후, 상기 음극 슬러리를 두께가 10㎛인 구리 박막 집전체에 코팅하고, 코팅이 완료된 전극은 120℃에서 20분 동안 건조시킨 다음, 압연(pressing)하여 음극을 제조하였다.A negative electrode slurry was prepared by uniformly mixing the negative electrode active material, conductive material (Super P), and binder (SBR-CMC) prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 at a weight ratio of 94:2:4. Thereafter, the negative electrode slurry was coated on a copper thin film current collector with a thickness of 10㎛, and the coated electrode was dried at 120°C for 20 minutes and then pressed to produce a negative electrode.
상기 음극 및 대극(counter electrode)으로는 금속 리튬을 사용하고, 분리막으로는 폴리에틸렌(PE) 분리막(separator)을 사용하며, 전해질로는 에틸렌카보네이트(Ethylene carbonate, EC):디에틸카보네이트(Diethyl carbonate, DEC):디메틸카보네이트(Dimethyl carbonate, DMC) = 3:5:2 의 부피비로 혼합된 용매에 1.0M LiPF6 을 용해시킨 것을 사용하여, CR2032 type 코인 하프 셀을 제조하였다.Metal lithium is used as the cathode and counter electrode, polyethylene (PE) separator is used as the separator, and ethylene carbonate (EC): Diethyl carbonate is used as the electrolyte. A CR2032 type coin half cell was manufactured using 1.0M LiPF 6 dissolved in a solvent mixed at a volume ratio of DEC):Dimethyl carbonate (DMC) = 3:5:2.
b) 코인 풀 셀의 제작b) Fabrication of coin pool cell
상기 코인 하프 셀에 사용된 동일한 음극을 사용하고, 양극은 다음과 같이 제조하였다:The same cathode used in the coin half cell was used, and the anode was prepared as follows:
양극 활물질로서, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, 도전재(Super P) 및 바인더(PVDF)를 95:2:3 의 중량비로 혼합하여 양극 슬러리를 준비한 다음, 상기 양극 슬러리를 두께가 12㎛인 알루미늄 호일 집전체에 코팅하며, 코팅이 완료된 극판을 120℃에서 15분 동안 건조시키고, 압연(pressing)하여 양극을 제조하였다.As a positive electrode active material, prepare a positive electrode slurry by mixing LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , a conductive material (Super P), and a binder (PVDF) at a weight ratio of 95:2:3, and then mix the positive electrode slurry with a thickness of 12㎛. It was coated on an aluminum foil current collector, and the coated electrode plate was dried at 120°C for 15 minutes and pressed to produce a positive electrode.
상기 제조된 양극 및 음극을 사용하였으며, 분리막으로는 PE 분리막(separator)을 사용하고, 전해질로는 EC:DEC:DMC = 2:1:7 의 부피비 + 플루오로에틸렌카보네이트(Fluoroethylene carbonate, FEC) 5% 혼합 용매에 1.5M LiPF6 을 용해시킨 것을 사용하여, CR2032 type 코인 풀 셀을 제조하였다.The anode and cathode prepared above were used, a PE separator was used as the separator, and the electrolyte was EC:DEC:DMC = 2:1:7 volume ratio + fluoroethylene carbonate (FEC) 5 A CR2032 type coin full cell was manufactured using 1.5M LiPF 6 dissolved in a % mixed solvent.
(3) 물성 평가 방법 (표 1)(3) Physical property evaluation method (Table 1)
a) 입도 측정a) Particle size measurement
실리콘 입자 및 전구체의 평균 입도는 상기 음극 활물질이 분산된 유기계 용액을 사용하여 입도 측정계(Mastersizer3000, Malvern Panalytical)로 측정하였다.The average particle size of the silicon particles and precursor was measured using a particle size meter (Mastersizer3000, Malvern Panalytical) using an organic solution in which the anode active material was dispersed.
b) 점도 측정b) Viscosity measurement
실리콘, 아크릴계 고분자가 IPA 용액에 분산된 형태의 슬러리 200㎖ 를 점도 측정계(DV2T, Brookfield)로 측정하였다.200 ml of slurry in which silicone and acrylic polymers were dispersed in an IPA solution was measured using a viscosity meter (DV2T, Brookfield).
c) 분자량 측정c) Molecular weight determination
측정 시료를 유기 용제에 용해 후 50 내지 100㎕ 를 분자량 측정 기기(Gel permeation chromatography, Waters)로 측정하였다.After dissolving the measurement sample in an organic solvent, 50 to 100 μl was measured using a molecular weight measuring device (Gel permeation chromatography, Waters).
d) 공극률 측정d) Porosity measurement
코어부의 공극률은 하기 식에 따라 계산하였다. 하기 식에서 진밀도는 2.33g/cc 였다. 또한, 하기 식의 전체 공극 부피는 Micromeritics 사의 TriStarⅡ 3020 장비로 측정하였다. 전체 공극 부피는 액체 질소 온도(77K)에서 상대 압력 변화에 따른 질소가스의 흡착량을 통해 측정하였다.The porosity of the core portion was calculated according to the following formula. In the formula below, the true density was 2.33 g/cc. In addition, the total pore volume of the formula below was measured using TriStarⅡ 3020 equipment from Micromeritics. The total pore volume was measured through the adsorption amount of nitrogen gas according to the relative pressure change at the liquid nitrogen temperature (77K).
* 진밀도(true density) = 2.33 g·cc-1 * True density = 2.33 g·cc -1
d) 라만 분광법d) Raman spectroscopy
LabRam HR Evolution 라만 분광계(Horiba Jbin-Yvon, France)를 사용하여 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 및 2 에서 제조한 음극 활물질의 전구체를 분석하였다.The precursors of the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were analyzed using a LabRam HR Evolution Raman spectrometer (Horiba Jbin-Yvon, France).
본 라만 분광법에서는 514 ㎚ 의 여기 파장을 가지고 10 mW 의 힘으로 작동하는 Ar ion 레이저를 사용하였다. 도시한 바와 같이, 실리콘에 해당하는 피크(500 ㎝-1 부근)과 탄소의 D 밴드(1320 ㎝-1 부근) 및 G 밴드(1600㎝-1 부근)에 해당하는 피크를 각각 확인할 수 있었다.In this Raman spectroscopy, an Ar ion laser operating at a power of 10 mW with an excitation wavelength of 514 nm was used. As shown, peaks corresponding to silicon (around 500 cm -1 ) and peaks corresponding to the D band (around 1320 cm -1 ) and G bands (around 1600 cm -1 ) of carbon were confirmed, respectively.
e) 장경/단경 비 측정e) Measurement of major/minor diameter ratio
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2 에서 제조한 음극 활물질의 장경/단경 비를 하기와 같이 측정하였으며, 구체적으로는 Focused-ion beam(FIB)를 이용하여 분체의 단면을 가공하여, FESEM 을 통해 단면의 장경과 단경을 관찰/측정하였다. 이 때, 측정한 장경과 단경의 비율을 하기 표 1 에 나타내었다.The major/minor diameter ratios of the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 were measured as follows. Specifically, the cross section of the powder was processed using a focused-ion beam (FIB), and FESEM was performed. The major and minor diameters of the cross section were observed/measured. At this time, the ratio of the measured major diameter and minor diameter is shown in Table 1 below.
아울러, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 및 2 의 실험을 정리한 데이터 결과를 하기 표 1 에 함께 나타내었다.In addition, the data results summarizing the experiments of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1 below.
(4) 전기화학 평가 방법 (표 2)(4) Electrochemical evaluation method (Table 2)
수명 특성 및 고율 특성 평가를 위해 코인 풀 셀을 사용하였으며, 그 외의 전지 특성 평가에는 코인 하프 셀을 사용하였다.Coin full cells were used to evaluate lifespan characteristics and high rate characteristics, and coin half cells were used to evaluate other battery characteristics.
a) 코인 하프 셀a) Coin Half Cell
본 발명에 따른 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2 에서 제조된 음극 활물질을 이용하여 제조한 코인 하프 셀을, 각각 25℃ 에서 0.1C rate 의 전류로 전압이 0.01V(vs. Li)에 이를 때까지 정전류 충전하고, 0.01V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 충전이 완료된 셀을 10분간 휴지시킨 후, 방전 시에 전압이 1.5V(vs. Li)에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하였다(2회 실시, 초기 formation).Coin half-cells manufactured using the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 according to the present invention were operated at a current of 0.1 C at 25°C and a voltage of 0.01 V (vs. Li). It was charged at a constant current until this point, and while maintaining 0.01V, it was charged at a constant voltage until the current reached 0.05C. After the fully charged cell was rested for 10 minutes, it was discharged at a constant current of 0.1C until the voltage reached 1.5V (vs. Li) (performed twice, initial formation).
한편, 상기 "C" 는 셀의 방전 속도로서, 셀의 총 용량을 총 방전 시간으로 나누어 얻어진 값을 의미한다.Meanwhile, “C” refers to the discharge rate of the cell, which is a value obtained by dividing the total capacity of the cell by the total discharge time.
초기 충전 용량 및 초기 방전 용량은 1번째 사이클에서의 충전 및 방전 용량이며, 이는 하기 식으로부터 계산하였다.The initial charge capacity and initial discharge capacity are the charge and discharge capacities in the first cycle, which were calculated from the following equation.
초기 효율[%] = (1번째 사이클 방전 용량/1번째 사이클 충전 용량)×100Initial efficiency [%] = (1st cycle discharge capacity/1st cycle charge capacity) × 100
아울러, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2 에 의해 제조된 음극 활물질을 이용하여 제조한 코인 하프 셀을 상온(25℃)에서 0.1 C rate 및 0.01 V 로 충전하고 0.01 V 에서 컷-오프하여, 5 내지 10 mV의 아주 작은 여기 진폭(excitation amplitude)과 1 mHz 내지 1 MHz 의 주파수(frequency) 조건 하에서 AC 저항을 측정하였으며, 그 결과를 도 5 에 나타내었다.In addition, the coin half cell manufactured using the negative electrode active material prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 was charged at 0.1 C rate and 0.01 V at room temperature (25°C) and cut-off at 0.01 V. , AC resistance was measured under the conditions of a very small excitation amplitude of 5 to 10 mV and a frequency of 1 mHz to 1 MHz, and the results are shown in Figure 5.
b) 코인 풀 셀b) Coin full cell
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2 에서 제조된 음극 활물질을 이용하여 제조한 코인 풀 셀을, 각각 25℃에서 0.1C rate의 전류로 전압이 4.2V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.2V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 충전이 완료된 셀을 10분간 휴지시킨 후, 방전 시에 전압이 2.7V에 이를 때까지 0.1C의 정전류로 방전하였다(2회 실시, 초기 formation).Coin full cells manufactured using the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 were charged at a constant current of 0.1C rate at 25°C until the voltage reached 4.2V, respectively. was charged at a constant voltage until the current reached 0.05C. After the fully charged cell was rested for 10 minutes, it was discharged at a constant current of 0.1C until the voltage reached 2.7V (performed twice, initial formation).
이후, 셀을 25℃에서 1.0C rate의 전류로 전압이 4.2V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 4.2V를 유지하면서 전류가 0.05C가 될 때까지 정전압 충전하였다. 충전이 완료된 코인 셀을 10분간 휴지시킨 후, 방전 시에 전압이 2.7V 에 이를 때까지 1.0C의 정전류로 방전하는 사이클을 반복하였다(1 ~ 300번째 사이클).Afterwards, the cell was charged at a constant current of 1.0C at 25°C until the voltage reached 4.2V, and then charged at a constant voltage while maintaining 4.2V until the current reached 0.05C. After the fully charged coin cell was left to rest for 10 minutes, the discharging cycle was repeated with a constant current of 1.0C until the voltage reached 2.7V (1st to 300th cycle).
수명 특성은 하기 식으로부터 계산하였으며, 그 결과를 표 2 및 도 3 에 나타내었다.The lifespan characteristics were calculated from the following equation, and the results are shown in Table 2 and Figure 3.
수명 특성[%] = (300번째 사이클 방전 용량/1번째 사이클 방전 용량)×100Life characteristics [%] = (300th cycle discharge capacity/1st cycle discharge capacity) × 100
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2 에 의해 제조된 음극 활물질을 이용한 셀의 측정된 출력 특성은 하기 식으로부터 계산하였으며, 그 결과를 표 2 및 도 4 에 나타내었다.The measured output characteristics of cells using the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 were calculated from the following equation, and the results are shown in Table 2 and Figure 4.
출력 특성[%] = (5.0C 의 방전 용량/0.1C 의 방전 용량)×100Output characteristics [%] = (discharge capacity of 5.0C/discharge capacity of 0.1C)×100
아울러, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 및 2 의 전기 화학 평가 실험을 정리한 데이터 결과를 하기 표 2 에 나타내었다. In addition, the data results summarizing the electrochemical evaluation experiments of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 2 below.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는 실시예 1 내지 4 의 경우가, r/R 값이 0.2 내지 0.9 의 범위를 벗어나거나(비교예 1 및 2), 공극률의 크기가 20% 를 초과하지 않는 경우(비교예 2)에 비해, 300 사이클 이후의 출력 특성이 우수하여, 우수한 수명 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Through this, in the case of Examples 1 to 4 containing the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, the r/R value was outside the range of 0.2 to 0.9 (Comparative Examples 1 and 2) or the size of the porosity was Compared to the case where it does not exceed 20% (Comparative Example 2), it can be seen that the output characteristics after 300 cycles are excellent, showing excellent life characteristics.
이상과 같이 실시예가 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form than the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents. Adequate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the following claims.
Claims (14)
상기 코어-쉘 구조는 하기 도면에 나타낸 단면 형상을 가지고,
(상기 R 은 중심부로부터 가장 먼 거리에 있는 코어의 외곽까지의 거리이며,
상기 r 은 중심부로부터 가장 가까운 거리에 있는 코어의 외곽까지의 거리에 해당함.)
상기 코어는 금속 입자를 포함하는 다공성 금속 입자 코어이며,
상기 쉘은 탄소를 포함하고,
0.2≤r/R≤0.9 를 만족하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.In the anode active material for lithium secondary batteries having a core-shell structure,
The core-shell structure has a cross-sectional shape shown in the drawings below,
(R is the distance from the center to the outermost core,
The above r corresponds to the distance from the center to the outermost part of the core.)
The core is a porous metal particle core containing metal particles,
The shell contains carbon,
A negative electrode active material for a lithium secondary battery that satisfies 0.2≤r/R≤0.9.
상기 코어의 공극률은 하기 식(1)로부터 도출된 값이 20% 이상 50% 이하인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
(식(1) 중, 상기 진밀도는 2.33 g·cc-1 이다.)According to paragraph 1,
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the porosity of the core is 20% or more and 50% or less, derived from the following equation (1).
(In equation (1), the true density is 2.33 g·cc -1 .)
상기 코어의 금속 입자는, Si, Al, Zn, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Ni 및 Ge 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
The metal particles of the core include one or more selected from the group consisting of Si, Al, Zn, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Ni, and Ge.
상기 금속 입자는 Si 함유 입자이며,
상기 Si 함유 입자는 실리콘 나노입자, 실리콘 산화물 나노입자, 실리콘 탄화물 나노입자 및 실리콘 합금 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 음극 활물질.According to paragraph 3,
The metal particles are Si-containing particles,
A negative electrode active material wherein the Si-containing particles include one or more selected from the group consisting of silicon nanoparticles, silicon oxide nanoparticles, silicon carbide nanoparticles, and silicon alloy nanoparticles.
상기 Si 함유 입자의 평균 입도는 D50 기준 80㎚ 내지 130㎚ 인, 음극 활물질.According to paragraph 4,
An anode active material wherein the average particle size of the Si-containing particles is 80 nm to 130 nm based on D 50 .
상기 쉘에 포함되는 탄소는 결정질 탄소 및 비정질 탄소 중 하나 이상을 포함하는 것인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the carbon included in the shell includes at least one of crystalline carbon and amorphous carbon.
상기 결정질 탄소는 인편상 흑연 및 천연 흑연 중 하나 이상을 포함하는 흑연계 탄소인 것을 특징으로 하는, 음극 활물질.According to clause 6,
A negative electrode active material, characterized in that the crystalline carbon is graphitic carbon containing at least one of flaky graphite and natural graphite.
상기 비정질 탄소는 수크로오스(sucrose), 페놀(phenol) 수지, 나프탈렌(naphthalene) 수지, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 퓨란(furan) 수지, 셀룰로오스(cellulose) 수지, 스티렌(styrene) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 에폭시(epoxy) 수지 또는 염화 비닐(vinyl chloride) 수지, 석탄계 피치, 석유계 피치, 폴리 비닐 클로라이드, 메조페이스 핏치, 타르, 블록공중합체(block-copolymer), 폴리올 및 저분자량 중질유로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 음극 활물질.According to clause 6,
The amorphous carbon includes sucrose, phenol resin, naphthalene resin, polyvinyl alcohol resin, furfuryl alcohol resin, furan resin, and cellulose resin. , styrene resin, polyimide resin, epoxy resin or vinyl chloride resin, coal-based pitch, petroleum-based pitch, polyvinyl chloride, mesophase pitch, tar, block copolymer (block) -copolymer), a negative electrode active material containing at least one selected from the group consisting of polyol and low molecular weight heavy oil.
상기 코어-쉘 구조의 평균 입도는 D50 기준 3㎛ 내지 10 ㎛ 인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
The average particle size of the core-shell structure is 3㎛ to 10㎛ based on D 50 , a negative electrode active material.
상기 쉘층의 두께는 200㎚ 내지 3㎛ 인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the shell layer has a thickness of 200 nm to 3 μm.
상기 음극은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차 전지.Includes cathode, anode and electrolyte,
A lithium secondary battery, wherein the negative electrode includes the negative electrode active material of any one of claims 1 to 10.
b) 분산된 용액을 점도 100 cP 이하의 범위로 조절하는 단계;
c) 상기 용액을 분무 건조하여 구형 전구체를 제조하는 단계;
d) 상기 구형 전구체와, 결정질 탄소 및 비정질 탄소 중 하나 이상을 혼합하여 복합화하는 단계; 및
e) 700℃ 내지 1100℃ 의 온도로 5분 내지 5시간 동안 열처리하는 단계;
를 포함하는, 음극 활물질의 제조방법.a) dispersing metal particles and amorphous carbon in a solvent;
b) adjusting the viscosity of the dispersed solution to a range of 100 cP or less;
c) preparing a spherical precursor by spray drying the solution;
d) compounding the spherical precursor by mixing at least one of crystalline carbon and amorphous carbon; and
e) heat treatment at a temperature of 700°C to 1100°C for 5 minutes to 5 hours;
Method for producing a negative electrode active material, including.
상기 금속 입자는 Si 함유 나노입자이고,
용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 음극 활물질의 제조방법.According to clause 12,
The metal particles are Si-containing nanoparticles,
A method of producing a negative electrode active material, wherein the solvent includes one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and butanol.
상기 비정질 탄소는 수크로오스(sucrose), 페놀(phenol) 수지, 나프탈렌(naphthalene) 수지, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 수지, 퍼푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 수지, 퓨란(furan) 수지, 셀룰로오스(cellulose) 수지, 스티렌(styrene) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 에폭시(epoxy) 수지 또는 염화 비닐(vinyl chloride) 수지, 석탄계 피치, 석유계 피치, 폴리 비닐 클로라이드, 메조페이스 핏치, 타르, 블록공중합체(block-copolymer), 폴리올 및 저분자량 중질유로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이며,
상기 결정질 탄소는 흑연계 탄소인, 음극 활물질의 제조방법.
According to clause 12,
The amorphous carbon includes sucrose, phenol resin, naphthalene resin, polyvinyl alcohol resin, furfuryl alcohol resin, furan resin, and cellulose resin. , styrene resin, polyimide resin, epoxy resin or vinyl chloride resin, coal-based pitch, petroleum-based pitch, polyvinyl chloride, mesophase pitch, tar, block copolymer (block) -copolymer), polyol, and low molecular weight heavy oil,
A method of producing a negative electrode active material, wherein the crystalline carbon is graphite-based carbon.
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