KR20240047128A - Anode active material for lithium battery, method for preparing the same, and rechargeable lithium battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 입자를 포함하는 코어부와 비정질 탄소를 포함하는 쉘부를 갖는 1차 입자; 및 복수의 상기 1차 입자들을 둘러싸는 이온 전도성 물질; 을 포함하여 형성되는 2차 입자를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조 방법과, 이를 포함하는 전극 및 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention provides primary particles having a core portion containing metal particles and a shell portion containing amorphous carbon; and an ion conductive material surrounding a plurality of the primary particles; It relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising secondary particles formed including a method for manufacturing the same, and an electrode and a lithium secondary battery comprising the same.
Description
본 발명은 리튬 전지용 음극 활물질, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 이온 전도성 물질을 포함한 음극 활물질을 적용하여 안정적인 장수명 특성 및 급속 충방전 특성을 가능하게 하는 차세대 리튬 전지용 음극 활물질에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for lithium batteries, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery containing the same. Specifically, the present invention relates to a negative electrode active material containing an ion conductive material for a next-generation lithium battery that enables stable long life characteristics and rapid charge/discharge characteristics by applying a negative electrode active material containing an ion conductive material. It relates to cathode active materials.
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.
한편, 종래의 리튬 이온 전지는 전해질로 가연성의 유기계 액상 전해질을 주로 사용하였기 때문에 과열에 의한 발화, 폭발 등의 안전성 문제가 있어 최근에는 불연성의 고상의 전해질을 이용한 전고체 전지(All-solid state battery)가 주목을 받고 있다. 그러나 전고체 전지에 있어 전극 활물질과 황화물계 전해질간 계면에서의 리튬 이온 결핍층이 형성되어 큰 계면 저항이 발생함으로써 전지 용량의 저하, 출력 특성 저하, 단축된 충방전 수명 등의 문제점이 존재한다.Meanwhile, since conventional lithium-ion batteries mainly used flammable organic liquid electrolytes as electrolytes, there were safety problems such as ignition and explosion due to overheating, so recently, all-solid state batteries using non-flammable solid electrolytes have been developed. ) is attracting attention. However, in all-solid-state batteries, a lithium ion deficiency layer is formed at the interface between the electrode active material and the sulfide-based electrolyte, resulting in large interfacial resistance, resulting in problems such as reduced battery capacity, reduced output characteristics, and shortened charge and discharge life.
상기 언급한 실리콘계 음극 소재의 구조적 문제 및 고체 전해질 계면 저항의 문제를 해결하기 위하여 다양한 소재 설계 방안 및 공정 방안이 제시되었으나 각 요소에서의 개선만을 고려하였기에 실제 상용화에 적용되기에는 한계가 존재하였다. 이에 실제 상용화에 도달하기 위해서는 전극 소재 및 고체 전해질의 제조 방법 및 구조적 설계가 복합적으로 고려되어야 하는 실정이다.In order to solve the structural problems of the silicon-based anode material and the problem of solid electrolyte interface resistance mentioned above, various material design methods and process methods were proposed, but only improvements in each element were considered, so there were limitations in applying them to actual commercialization. Accordingly, in order to achieve actual commercialization, the manufacturing method and structural design of electrode materials and solid electrolytes must be comprehensively considered.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 고용량 및 고에너지 밀도를 가지면서도 전극 활물질과 고체 전해질간의 계면 저항이 작아 안정적이고 신속한 충/방전 거동이 가능한 장수명 특성의 이차전지를 위한 음극 활물질을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was developed to solve the above problems, and is a negative electrode active material for a secondary battery that has high capacity and high energy density and has long life characteristics that enable stable and rapid charge/discharge behavior due to low interfacial resistance between the electrode active material and the solid electrolyte. The purpose is to provide.
또한, 고효율, 저비용으로 상기 음극 활물질을 제조 가능한 제조방법과, 상기 음극 활물질을 포함하는 전극 및 리튬 이차전지를 제공하는데에도 그 목적이 있다.Another object is to provide a manufacturing method capable of producing the negative electrode active material with high efficiency and low cost, and an electrode and lithium secondary battery containing the negative electrode active material.
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,According to one embodiment of the present invention,
금속 입자를 포함하는 코어부와 비정질 탄소를 포함하는 쉘부를 갖는 1차 입자; 및Primary particles having a core portion containing metal particles and a shell portion containing amorphous carbon; and
복수의 상기 1차 입자들을 둘러싸는 이온 전도성 물질;an ion conductive material surrounding a plurality of the primary particles;
을 포함하여 형성되는 2차 입자를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질이 제공된다.A negative electrode active material for a lithium secondary battery is provided, which includes secondary particles formed by including.
본 발명의 일 실시예에 따르면,According to one embodiment of the present invention,
금속 입자, 용매 및 유기 지방산을 혼합하여 분쇄한 후 건조하여 금속 전구체 분말을 제조하는 단계(S1);A step (S1) of mixing metal particles, solvent, and organic fatty acids, pulverizing them, and then drying them to produce metal precursor powder;
상기 금속 전구체 분말을 테트라히드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 비정질 탄소 전구체와 혼합 교반하고, 건조 및 열처리하여 실리콘-탄소 복합분말을 형성하는 단계(S2);Mixing and stirring the metal precursor powder with tetrahydrofuran (THF) and an amorphous carbon precursor, drying and heat treating to form a silicon-carbon composite powder (S2);
황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 THF 용매를 혼합한 후 건조하여 LPS 분말을 수득하는 단계(S3); 및Step (S3) of mixing lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and THF solvent and drying them to obtain LPS powder; and
상기 실리콘-탄소 복합분말 및 LPS 분말을 THF 용매에 분산시킨 후, 분무 건조 및 열처리하는 단계(S4);Dispersing the silicon-carbon composite powder and LPS powder in a THF solvent, followed by spray drying and heat treatment (S4);
를 포함하는, 음극 활물질의 제조방법이 제공된다.A method for producing a negative electrode active material is provided, including.
본 발명의 일 실시예에 따르면,According to one embodiment of the present invention,
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는, 전극이 제공된다.An electrode containing a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention is provided.
본 발명의 일 실시예에 따르면,According to one embodiment of the present invention,
음극, 양극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서,In a lithium secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, 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 따른 음극 활물질은 실리콘 나노입자가 비정질 탄소로 감싸진 1차 입자로 구성된 2차 입자와 본 2차 입자의 내/외부를 균일하게 감싸고 있는 고이온전도성 소재로 구성되어 있어, 충방전 시에도 안정적인 전기화학 반응을 가능하게 하여 안정적인 수명 특성 및 우수한 급속 충방전 특성을 발현할 수 있다.The anode active material according to an embodiment of the present invention is composed of secondary particles composed of primary particles surrounded by silicon nanoparticles with amorphous carbon, and a high ionic conductivity material that uniformly surrounds the inside and outside of the secondary particles. , enabling a stable electrochemical reaction even during charging and discharging, enabling stable lifespan characteristics and excellent rapid charging and discharging characteristics.
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, but 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 모식도를 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명에서 실시한 제조예들의 풀 셀 수명 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3 은 본 발명에서 실시한 제조예들의 하프 셀에서의 임피던스 측정 결과(이온전도도 측정 결과)를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram of a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the results of full cell life characteristics of manufacturing examples conducted in the present invention.
Figure 3 is a graph showing the impedance measurement results (ion conductivity measurement results) in the half cells of the manufacturing examples performed 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 unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. 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 overlapping 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,According to one aspect of the present invention,
금속 입자를 포함하는 코어부와 비정질 탄소를 포함하는 쉘부를 갖는 1차 입자; 및Primary particles having a core portion containing metal particles and a shell portion containing amorphous carbon; and
복수의 상기 1차 입자들을 둘러싸는 이온 전도성 물질;an ion conductive material surrounding a plurality of the primary particles;
을 포함하여 형성되는 2차 입자를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질 을 제공한다.It provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery, which includes secondary particles formed by including.
상기 음극 활물질의 1차 입자 중 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, 실리콘(Si) 입자일 수 있다.Among the primary particles of the negative electrode active material, the metal particles included in the core portion may include one or more selected from the group consisting of Si, Al, Zn, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Ni, and Ge, and the negative electrode In terms of improving the energy density and maximum capacity of the active material, silicon (Si) particles are preferred.
또한, 상기 실리콘 등의 부피 변화를 억제하기 위하여, 1000㎚ 이하 크기의 실리콘 함유 나노입자인 것이 보다 바람직할 수 있으며, 상기 실리콘 함유 나노입자는 구체적으로, 실리콘 나노입자, 실리콘 산화물 나노입자, 실리콘 탄화물 나노입자 및 실리콘 합금 나노입자 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 그 중에서도, 가장 바람직한 형태는 실리콘 나노입자를 포함하는 것일 수 있다.In addition, in order to suppress the volume change of the silicon, etc., it may be more preferable to use silicon-containing nanoparticles with a size of 1000 nm or less, and the silicon-containing nanoparticles are specifically silicon nanoparticles, silicon oxide nanoparticles, and silicon carbide. It may include one or more of nanoparticles and silicon alloy nanoparticles. Among them, the most preferred form may be one containing silicon nanoparticles.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른, 실리콘 함유 나노입자 등의 1차 입자의 코어부의 겉면에는 비정질 탄소와 같은 물질로 균질하게 감싸져 있는 쉘부를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the outer surface of the core portion of the primary particle, such as a silicon-containing nanoparticle, may include a shell portion homogeneously wrapped with a material such as amorphous carbon.
이러한 쉘층을 포함함으로써, 코어 내부의 금속 입자는 외부의 이온 전도성 물질과 직접적으로 접촉하지 않는 구성을 가질 수 있게 되며, 상기 비정질 탄소의 쉘층이 1차 입자의 표면에서 이온 전도성 물질과 계면을 형성하여 해당 계면에서의 이종 원소간 합금 반응을 방지함으로써 전기화학적으로 안정적인 계면을 형성하게 된다. 이를 통해, 충방전 시에도 안정적인 전기화학 반응을 가능하게 하여 궁극적으로 안정적인 전지 수명 특성 및 우수한 급속 충방전 특성을 발현하는데 기여할 수 있다.By including this shell layer, the metal particles inside the core can have a configuration that does not directly contact the external ion conductive material, and the shell layer of the amorphous carbon forms an interface with the ion conductive material on the surface of the primary particle. By preventing alloying reactions between different elements at the interface, an electrochemically stable interface is formed. This enables a stable electrochemical reaction even during charging and discharging, ultimately contributing to stable battery life characteristics and excellent rapid charging and discharging characteristics.
이에 반해, 실리콘 등의 금속 입자와 상기 이온 전도성 물질이 직접 접촉하게 되는 경우에는, 실리콘의 용출 문제가 발생할 수 있으며, 뿐만 아니라 실리콘과 이온 전도성 물질 간의 합금이 형성되는 문제점이 발생할 수도 있다.On the other hand, when metal particles such as silicon and the ion conductive material come into direct contact, the problem of silicon elution may occur, and in addition, an alloy may be formed between silicon and the ion conductive material.
한편, 상기 비정질 탄소의 종류로는, 크게 제한되는 것은 아니나, 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 이상으로부터 형성된 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는, 석탄계 피치, 석유계 피치, 아크릴 수지에 해당할 수 있다.Meanwhile, the types of amorphous carbon are not greatly limited, but 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, polyvinyl chloride. , mesophase pitch, tar, block-copolymer, polyol, and low molecular weight heavy oil. More specifically, it may be formed from coal-based pitch, petroleum-based pitch, and acrylic resin. It may apply.
상기 쉘부에는 상기 나열된 계열의 비정질 탄소뿐만 아니라, 결정질 탄소도 추가적으로 포함될 수 있다.The shell portion may additionally include crystalline carbon as well as amorphous carbon of the series listed above.
아울러, 상기 실리콘 함유 나노입자의 평균 입도는 D50 기준 50㎚ 내지 1000㎚ 일 수 있으며, 바람직하게는 80㎚ 내지 500㎚ 일 수 있다.In addition, the average particle size of the silicon-containing nanoparticles may be 50 nm to 1000 nm based on D 50 , and preferably 80 nm to 500 nm.
상기 실리콘 함유 나노입자의 평균 입도(D50)가 상기 범위를 초과하는 경우에는, 부피 변화 억제의 효과가 떨어져, 전지의 수명이 줄어드는 효과가 나타날 수 있고, 상기 평균 입도(D50)가 상기 하한 미만인 경우에는, 제조 경비가 높아지고, 전지 용량 및 효율이 낮아질 수 있다.If the average particle size (D 50 ) of the silicon-containing nanoparticles exceeds the above range, the effect of suppressing volume change may decrease, resulting in a reduced battery life, and the average particle size (D 50 ) may be less than the above lower limit. If it is less than that, manufacturing costs may increase and battery capacity and efficiency may decrease.
또한, 상기 비정질 탄소를 포함하는 쉘층의 두께는 50㎚ 내지 1㎛ 에 해당할 수 있다.Additionally, the thickness of the shell layer containing the amorphous carbon may range from 50 nm to 1 μm.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질은 앞서 설명한 바와 같이, 코어-쉘 구조를 갖는 1차 입자의 외부에 이온 전도성 물질이 위치하는 구조를 가지게 되며, 이를 통해 2차 입자를 형성하는 구조를 나타내게 된다.Meanwhile, as described above, the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention has a structure in which an ion conductive material is located outside of primary particles having a core-shell structure, thereby forming secondary particles. It represents.
상기 이온 전도성 물질은, 구체적으로 황화리튬(lithium sulfide, Li2S), 오황화인(phosphorus pentasulfide, P2S5) 및 리튬할로겐 화합물(lithium halogen compound, LiX)로부터 형성된 황화물계 화합물인 것일 수 있다.The ion conductive material may be, specifically, a sulfide-based compound formed from lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium halogen compound (LiX). there is.
한편, 상기 리튬할로겐 화합물 중 할로겐 화합물(X)은 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I) 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 이를 통해, 전기 화학적 계면 안정성을 확보하고, 음극 활물질 소재와 전해질간의 이온 활성화 에너지를 낮추는 것이 가능하다.Meanwhile, among the lithium halogen compounds, the halogen compound (X) may be one or more selected from the group consisting of chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I). Through this, it is possible to secure electrochemical interface stability and lower the ion activation energy between the negative electrode active material and the electrolyte.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 2차 입자의 공극률은 10% 내지 50% 일 수 있으며, 상기 2차 입자의 평균 입도는 D50 기준 3㎛ 내지 10㎛ 일 수 있고, 보다 바람직하게는 5㎛ 내지 8㎛ 일 수 있다.Meanwhile, the porosity of the secondary particles of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention may be 10% to 50%, and the average particle size of the secondary particles may be 3㎛ to 10㎛ based on D 50 , more preferably Typically, it may be 5㎛ to 8㎛.
상기 공극률이 10% 미만인 경우, 실리콘 입자의 팽창에 의해 복합체의 파괴가 발생하여 수명 특성의 열화를 일으킬 수 있으며, 상기 공극률이 50% 를 초과하는 경우에는, 초기 효율의 저하 및 수명 특성의 열화를 일으킬 수 있다.If the porosity is less than 10%, the expansion of the silicon particles may cause destruction of the composite, causing deterioration of lifespan characteristics, and if the porosity exceeds 50%, a decrease in initial efficiency and deterioration of lifespan characteristics may occur. It can cause it.
상기 2차 입자의 평균 입도(D50)가 3㎛ 미만인 경우에는, 미분에 의해 전극 제조 공정에서 분산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 10㎛ 를 초과하는 경우에는, 2차 입자의 부피 팽창에 의한 전극 팽창이 심화되어 수명 및 안전성의 문제가 발생할 수 있다.If the average particle size (D 50 ) of the secondary particles is less than 3㎛, there may be a problem of reduced dispersibility in the electrode manufacturing process due to fine powder, and if it exceeds 10㎛, volume expansion of the secondary particles This may cause problems with lifespan and safety due to worsening electrode expansion.
본 발명의 일 측면에 따라,According to one aspect of the present invention,
금속 입자, 용매 및 유기 지방산을 혼합하여 분쇄한 후 건조하여 금속 전구체 분말을 제조하는 단계(S1);A step (S1) of mixing metal particles, solvent, and organic fatty acids, pulverizing them, and then drying them to produce metal precursor powder;
상기 금속 전구체 분말을 테트라히드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 비정질 탄소 전구체와 혼합 교반하고, 건조 및 열처리하여 실리콘-탄소 복합분말을 형성하는 단계(S2);Mixing and stirring the metal precursor powder with tetrahydrofuran (THF) and an amorphous carbon precursor, drying and heat treating to form a silicon-carbon composite powder (S2);
황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 THF 용매를 혼합한 후 건조하여 LPS 분말을 수득하는 단계(S3); 및Step (S3) of mixing lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and THF solvent and drying them to obtain LPS powder; and
상기 실리콘-탄소 복합분말 및 LPS 분말을 THF 용매에 분산시킨 후, 분무 건조 및 열처리하는 단계(S4);Dispersing the silicon-carbon composite powder and LPS powder in a THF solvent, followed by spray drying and heat treatment (S4);
를 포함하는, 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.It provides a method for manufacturing a negative electrode active material, including.
상기 금속 입자는 앞서 기술한, 실리콘 나노입자, 실리콘 산화물 나노입자, 실리콘 탄화물 나노입자 및 실리콘 합금 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 실리콘 함유 나노입자에 해당할 수 있으며, 상기 S1 단계에서 사용되는 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하며, 바람직하게는 이소프로필알코올(IPA)일 수 있다.The metal particles may correspond to one or more silicon-containing nanoparticles selected from the group consisting of silicon nanoparticles, silicon oxide nanoparticles, silicon carbide nanoparticles, and silicon alloy nanoparticles, as described above, and the solvent used in step S1 includes one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and butanol, and is preferably isopropyl alcohol (IPA).
한편, 상기 유기 지방산은 공정에서의 분산 안정성 개선 및 실리콘 전구체의 화학적 안정성을 확보하기 위한 것으로서, 구체적인 종류로는, 라우르산, 미리스트산, 팔미틱산, 스테아르산, 아라키드산 등을 사용할 수 있다.Meanwhile, the organic fatty acid is used to improve dispersion stability in the process and ensure chemical stability of the silicone precursor. Specific types include lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, and arachidic acid. there is.
나아가, 상기 비정질 탄소는 앞서 기술한 비정질 탄소의 종류와 실질적으로 동일하다고 볼 수 있으며, 상기 S4 단계에서의 열처리는 약 300 ~ 500℃ 의 온도 및 비활성 기체(예를 들어, Ar) 분위기 하에서, 약 2 ~ 4시간 동안 약 5℃/분의 속도로 승온하면서 열처리하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Furthermore, the amorphous carbon can be considered to be substantially the same as the type of amorphous carbon described above, and the heat treatment in step S4 is performed at a temperature of about 300 to 500°C and an inert gas (e.g., Ar) atmosphere. The heat treatment may be carried out while raising the temperature at a rate of about 5°C/min for 2 to 4 hours, but is not limited thereto.
한편, 본 발명의 일 측면에 따라,Meanwhile, according to one aspect of the present invention,
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는 전극을 제공하며,An electrode containing a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention is provided,
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지도 제공할 수 있다.In addition, a lithium secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte according to an embodiment of the present invention can also be provided.
상기 음극(전극)은 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 (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 있고, 바람직하게는, 고체 전해질에 해당할 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, and may preferably correspond to a solid electrolyte.
이 외에도, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 포릴테트라플루오로에틸렌(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.
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 = 10㎛), 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol, IPA) 및 유기 지방산을 각각 5:93:2 의 중량부로 혼합하여 실리콘의 입도를 158nm 까지 분쇄하였다. 해당 용액을 진공 필터로 용질을 수득한 후 동결 건조하여, 실리콘 나노입자들이 응집되어 구성된 실리콘 입자 분말을 제조하였다.Silicone (D 50 = 10㎛), isopropyl alcohol (IPA), and organic fatty acid were mixed in weight parts of 5:93:2, respectively, and the silicone was pulverized to a particle size of 158nm. The solute was obtained from the solution through a vacuum filter and then freeze-dried to prepare silicon particle powder composed of agglomerated silicon nanoparticles.
이후, 테트라히드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 용매 200 ml 에 석유계 피치 2 g 을 투입하여 1시간 초음파 분산하였으며, 상기 실리콘 전구체 분말 10 g 을 혼합 후 1시간 초음파 분산 및 75℃ 에서 밤새 교반하였다. 혼합된 용액을 90℃ 오븐에서 용매를 진공 건조시킨 후, 950℃ 비활성 분위기에서 열처리하여 실리콘/탄소 복합분말을 제조하였다.Afterwards, 2 g of petroleum pitch was added to 200 ml of tetrahydrofuran (THF) solvent and dispersed ultrasonically for 1 hour. 10 g of the silicon precursor powder was mixed, dispersed ultrasonically for 1 hour, and stirred at 75° C. overnight. The mixed solution was vacuum-dried in an oven at 90°C to remove the solvent, and then heat-treated in an inert atmosphere at 950°C to prepare silicon/carbon composite powder.
이후, Li2S, P2S5 를 몰비가 7:3 이 되도록 하여 10 g 의 원료를 준비하고, THF 용매 30 ml 를 투입하여 습식 볼밀을 진행하였으며, 55℃ 에서 8 시간 이상 건조하여 용매를 제거하고, LPS 분말(Li7P3S11)을 수득하였다. 상기 LPS 분말 2 g 을 THF 용매 400 ml 에 투입하여 1시간 초음파 분산을 진행하고, 상기 THF 용액에 실리콘/탄소 복합 분말 4 g 을 투입한 후, 1시간 초음파 분산을 진행하였다. 상기 혼합 용액을 비활성 분위기에서 분무 건조 후, 400℃ 아르곤(Ar) 분위기에서 3시간 열처리 (승온:5℃/분)하여 최종 분말을 수득하였다.Afterwards, 10 g of raw material was prepared by mixing Li 2 S and P 2 S 5 at a molar ratio of 7:3, 30 ml of THF solvent was added, wet ball milling was performed, and the solvent was dried at 55°C for more than 8 hours. After removal, LPS powder (Li 7 P 3 S 11 ) was obtained. 2 g of the LPS powder was added to 400 ml of THF solvent and ultrasonic dispersion was performed for 1 hour. 4 g of silicon/carbon composite powder was added to the THF solution, and then ultrasonic dispersion was performed for 1 hour. The mixed solution was spray-dried in an inert atmosphere and then heat-treated at 400°C in an argon (Ar) atmosphere for 3 hours (temperature rise: 5°C/min) to obtain the final powder.
b) 실시예 2b) Example 2
실리콘의 입도를 108㎚ 로 분쇄한 것 이외에는 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 particle size was pulverized to 108 nm.
c) 실시예 3c) Example 3
실리콘의 입도를 301㎚ 로 분쇄한 것 이외에는 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 particle size was pulverized to 301 nm.
d) 실시예 4d) Example 4
LPS 및 실리콘/탄소 복합분말의 혼합비를 1:1 로 설정한 것 이외에는 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 mixing ratio of LPS and silicon/carbon composite powder was set to 1:1.
e) 실시예 5e) Example 5
LPS 및 실리콘/탄소 복합분말의 혼합비를 2:1로 설정한 것 이외에는 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 mixing ratio of LPS and silicon/carbon composite powder was set to 2:1.
f) 비교예 1 (순수 실리콘 1차 입자로 구성된 음극 활물질의 제조)f) Comparative Example 1 (Manufacture of negative electrode active material composed of pure silicon primary particles)
실리콘(D50 = 10㎛), IPA 및 유기 지방산을 각각 5:93:2 의 중량부로 혼합하여 실리콘의 입도를 158nm 까지 분쇄하였다. 해당 용액을 진공 필터로 용질을 수득한 후 동결 건조하여, 실리콘 나노입자들이 응집되어 구성된 실리콘 입자 분말을 제조하였다.Silicone (D 50 = 10㎛), IPA, and organic fatty acid were mixed in weight parts of 5:93:2, respectively, and the silicone was pulverized to a particle size of 158nm. The solute was obtained from the solution through a vacuum filter and then freeze-dried to prepare silicon particle powder composed of agglomerated silicon nanoparticles.
이후, LPS 분말 2 g 을 THF 용매 400 ml 에 투입하여 1시간 초음파 분산을 진행하고, 상기 THF 용액에 실리콘 입자 분말 4 g 을 투입한 후, 1시간 초음파 분산을 진행하였다. 상기 혼합 용액을 비활성 분위기에서 분무 건조 후, 400℃ 아르곤(Ar) 분위기에서 3시간 열처리 (승온:5℃/분)하여 최종 분말을 수득하였다.Afterwards, 2 g of LPS powder was added to 400 ml of THF solvent and ultrasonic dispersion was performed for 1 hour. 4 g of silicon particle powder was added to the THF solution, and then ultrasonic dispersion was performed for 1 hour. The mixed solution was spray-dried in an inert atmosphere and then heat-treated at 400°C in an argon (Ar) atmosphere for 3 hours (temperature rise: 5°C/min) to obtain the final powder.
g) 비교예 2 (이온 전도성 물질이 없는 음극 활물질의 제조)g) Comparative Example 2 (Preparation of negative electrode active material without ion conductive material)
실리콘(D50 = 10㎛), IPA 및 유기 지방산을 각각 5:93:2 의 중량부로 혼합하여 실리콘의 입도를 158nm 까지 분쇄하였다. 해당 용액을 분무 건조기로 건조하여 D50=6㎛의 실리콘 나노입자들이 응집되어 구성된 실리콘 전구체 분말을 제조하였다.Silicone (D 50 = 10㎛), IPA, and organic fatty acid were mixed in weight parts of 5:93:2, respectively, and the silicone was pulverized to a particle size of 158nm. The solution was dried with a spray dryer to prepare a silicon precursor powder composed of agglomerated silicon nanoparticles with a D50 = 6㎛.
이후, THF 용매 200 ml 에 석유계 피치 2 g 을 투입하여 1시간 초음파 분산을 진행하고, 상기 실리콘 전구체 분말 10 g 을 혼합하여, 1시간 초음파 분산 및 75℃에서 밤새 교반하였다. 혼합된 용액을 90℃ 오븐에서 용매를 진공 건조시킨 이후, 950℃ 비활성 분위기에서 열처리하여 실리콘/탄소 복합분말을 최종 수득하였다.Afterwards, 2 g of petroleum pitch was added to 200 ml of THF solvent and ultrasonic dispersion was performed for 1 hour, and 10 g of the silicon precursor powder was mixed, followed by ultrasonic dispersion for 1 hour and stirring at 75°C overnight. The mixed solution was vacuum-dried in an oven at 90°C to remove the solvent, and then heat-treated in an inert atmosphere at 950°C to finally obtain a silicon/carbon composite powder.
h) 비교예 3 (탄소나노튜브(CNT)를 첨가한 음극 활물질의 제조)h) Comparative Example 3 (Manufacture of negative electrode active material adding carbon nanotubes (CNT))
실리콘(D50 = 10㎛), 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol, IPA) 및 유기 지방산을 각각 5:93:2 의 중량부로 혼합하여 실리콘의 입도를 158nm 까지 분쇄하였다. 해당 용액에 CNT 를 실리콘 대비 2 중량% 첨가하여 4시간 교반하였으며, 해당 용액을 분무 건조기로 건조하여 D50 = 6㎛ 의 실리콘 전구체 분말을 제조하였다. 이후의 진행과정은 상기 실시예 1 과 동일하게 실시하였으며, 이를 통해 최종 분말을 수득하였다.Silicone (D 50 = 10㎛), isopropyl alcohol (IPA), and organic fatty acid were mixed in weight parts of 5:93:2, respectively, and the silicone was pulverized to a particle size of 158nm. CNTs were added to the solution in an amount of 2% by weight relative to silicon and stirred for 4 hours, and the solution was dried with a spray dryer to prepare silicon precursor powder with D 50 = 6㎛. The subsequent process was carried out in the same manner as in Example 1, and the final powder was obtained.
(2) 코인 셀의 제조(2) Manufacturing of coin cells
a) 코인 하프 셀의 제작a) Fabrication of coin half shell
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 에 의해 제조된 음극 활물질, 도전재(Super P), 바인더(PVDF) 및 고체 전해질을 90:2:4:4 중량비로 균일하게 혼합하여 음극 슬러리를 준비하였다. 이후, 상기 음극 슬러리를 두께가 10㎛인 구리 박막 집전체에 코팅하고, 코팅이 완료된 전극은 120℃에서 30분 동안 건조시킨 다음, 압연(pressing)하여 음극을 제조하였다.The negative electrode active material, conductive material (Super P), binder (PVDF), and solid electrolyte prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 were uniformly mixed at a weight ratio of 90:2:4:4 to prepare a negative electrode slurry. Ready. Afterwards, 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 30 minutes and then pressed to produce a negative electrode.
고체 전해질은 LPS 분말을 250 MPa 로 40분간 가압하여 16㎜ 직경의 원형 펠렛 형태로 제조하였으며, 상기 고체 전해질 펠렛에 Li foil 을 접착시킨 후 반대편에 음극을 접착시켜 셀을 제조하고, 이를 밀봉/가압하여 하프 셀을 제조하였다.The solid electrolyte was manufactured in the form of a circular pellet with a diameter of 16 mm by pressing LPS powder at 250 MPa for 40 minutes. A cell was manufactured by attaching Li foil to the solid electrolyte pellet and then attaching a cathode to the other side, and sealing/pressurizing it. A half cell was manufactured.
b) 코인 풀 셀의 제작b) Fabrication of coin pool cell
상기 코인 하프 셀에 사용된 동일한 음극 및 고체 전해질을 사용하고, 양극은 다음과 같이 제조하였다:Using the same cathode and solid electrolyte used in the coin half cell above, the anode was prepared as follows:
양극 활물질로서, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, 도전재, 바인더(PVDF) 및 고체 전해질을 92:3:3:2 의 중량비로 혼합하여 양극 슬러리를 준비한 다음, 상기 양극 슬러리를 두께가 12㎛인 알루미늄 호일 집전체에 코팅하며, 코팅이 완료된 극판을 120℃에서 30분 동안 건조시키고, 압연(pressing)하여 양극을 제조하였다.As a positive electrode active material, a positive electrode slurry was prepared by mixing LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , a conductive material, a binder (PVDF), and a solid electrolyte at a weight ratio of 92:3:3:2, and then the positive electrode slurry was mixed 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 30 minutes and pressed to produce a positive electrode.
대극을 리튬 메탈 대신 상기 제조한 양극을 활용하여 하프 셀과 동일한 방식으로 풀 셀을 제조하였다.A full cell was manufactured in the same manner as the half cell, using the above-prepared positive electrode instead of lithium metal as the counter electrode.
(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) 비표면적 측정b) Specific surface area measurement
시료의 비표면적은 Micromeritics 사의 TriStar Ⅱ 3020 장비로 측정하였으며, 액체 질소 온도(77K)에서 상대 압력 변화에 따른 질소 가스의 흡착량을 통해 측정하였다.The specific surface area of the sample was measured using TriStar Ⅱ 3020 equipment from Micromeritics, and was measured through the amount of nitrogen gas adsorption according to relative pressure changes at liquid nitrogen temperature (77K).
c) 분체 전기전도도 측정c) Measurement of powder electrical conductivity
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 에서 제조한 음극 활물질의 분체 전기 전도도를 측정하였다.The powder electrical conductivity of the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 was measured.
본 측정법에서는 분체를 펠렛화하여 4-probe 측정 방식을 통해 분체의 전기전도도를 측정하였으며, 각 음극 활물질 분말 500 mg을 분체 저항 측정 용기에 장입한 후, DC 저항 측정을 위하여 1 V 의 전위차를 15분간 인가하여, 이때 변화하는 전류를 측정하여 DC 저항을 계산하였다.In this measurement method, the powder was pelletized and the electrical conductivity of the powder was measured using a 4-probe measurement method. After charging 500 mg of each negative active material powder into the powder resistance measurement container, a potential difference of 1 V was measured by 15% to measure DC resistance. It was applied for a minute, and the changing current was measured to calculate the DC resistance.
d) 분체 이온전도도 측정d) Measurement of powder ionic conductivity
측정하고자 하는 시료를 압착실 전기 화학 셀에 장입하여 압력을 가하였다. 이때 제작되는 펠렛은 직경이 13pi, 두께 90㎛이다.The sample to be measured was charged into the electrochemical cell of the compression chamber and pressure was applied. The pellet produced at this time has a diameter of 13pi and a thickness of 90㎛.
이온전도도 측정을 위하여 임피던스 측정을 실시하였으며, 이때 상온(25℃)에서 5 내지 10 mV 의 여기 진폭(excitation amplitude)과 1 MHz 내지 1 Hz 의 주파수(frequency) 조건 하에서 측정하였다. 그 결과를 도 3 에 나타내었다.Impedance measurement was performed to measure ionic conductivity, at room temperature (25°C) under conditions of an excitation amplitude of 5 to 10 mV and a frequency of 1 MHz to 1 Hz. The results are shown in Figure 3.
아울러, 상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 의 실험을 정리한 데이터 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.In addition, the data results summarizing the experiments of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.
(D50=㎚)(D50=㎚)
(D50=㎛)(D50=㎛)
(m(m
22
g g
-1-One
))
(S cm(S cm
-1-One
))
(S cm(S cm
-1-One
))
(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 5 및 비교예 1 내지 3 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 5 and Comparative Examples 1 to 3 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
b) 코인 풀 셀b) Coin full cell
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 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 5 and Comparative Examples 1 to 3 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 ~ 50번째 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 50th cycles).
수명 특성은 하기 식으로부터 계산하였으며, 그 결과를 표 2 및 도 2 에 나타내었다.The lifespan characteristics were calculated from the following equation, and the results are shown in Table 2 and Figure 2.
수명 특성[%] = (300번째 사이클 방전 용량/1번째 사이클 방전 용량)×100Life characteristics [%] = (300th cycle discharge capacity/1st cycle discharge capacity) × 100
아울러, 상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3 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 5 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 2 below.
(mAh g-1)(mAh g-1)
(mAh g-1)(mAh g-1)
(% @ 50th)(%@50th)
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질을 포함하는 실시예 1 내지 5 의 경우가, 비교예 1 내지 3 에 비해, 수명 특성이 월등히 우수하고, 초기 효율도 비교적 양호한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Through this, it was confirmed that Examples 1 to 5 containing the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention had significantly superior lifespan characteristics and relatively good initial efficiency compared to Comparative Examples 1 to 3. You can.
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.
1 : 고체전해질
2 : 실리콘 나노입자
3 : 비정질 탄소1: solid electrolyte
2: Silicon nanoparticles
3: Amorphous carbon
Claims (16)
복수의 상기 1차 입자들을 둘러싸는 이온 전도성 물질;
을 포함하여 형성되는 2차 입자를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.Primary particles having a core portion containing metal particles and a shell portion containing amorphous carbon; and
an ion conductive material surrounding a plurality of the primary particles;
A negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising secondary particles formed including.
상기 금속 입자는 Si, Al, Zn, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Ni 및 Ge 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative active material for a lithium secondary battery, wherein the metal particles include one or more selected from the group consisting of Si, Al, Zn, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Ni, and Ge.
상기 금속 입자는 실리콘 나노입자, 실리콘 산화물 나노입자, 실리콘 탄화물 나노입자 및 실리콘 합금 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 실리콘 함유 나노입자인 것을 특징으로 하는, 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material, wherein the metal particles are one or more silicon-containing nanoparticles selected from the group consisting of silicon nanoparticles, silicon oxide nanoparticles, silicon carbide nanoparticles, and silicon alloy nanoparticles.
상기 금속 입자는 이온 전도성 물질과 직접 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는, 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material, characterized in that the metal particles do not directly contact the ion conductive material.
상기 이온 전도성 물질은 황화리튬(lithium sulfide, Li2S), 오황화인(phosphorus pentasulfide, P2S5) 및 리튬할로겐 화합물(lithium halogen compound, LiX)로부터 형성된 황화물계 화합물이며,
상기 리튬할로겐 화합물 중 할로겐 화합물(X)은 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I) 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
The ion conductive material is a sulfide-based compound formed from lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium halogen compound (LiX),
Among the lithium halogen compounds, the halogen compound (X) is at least one selected from the group consisting of chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I).
상기 쉘부는 결정질 탄소를 추가적으로 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질.According to paragraph 1,
An anode active material for a lithium secondary battery, wherein the shell portion additionally includes crystalline carbon.
상기 실리콘 함유 나노입자의 평균 입도는 D50 기준 80㎚ 내지 500㎚ 이며,
상기 쉘부의 두께는 50㎚ 내지 1㎛ 인, 음극 활물질.According to paragraph 3,
The average particle size of the silicon-containing nanoparticles is 80 nm to 500 nm based on D 50 ,
A negative electrode active material wherein the shell portion has a thickness of 50 nm to 1 μm.
상기 2차 입자의 평균 입도는 D50 기준 3㎛ 내지 10 ㎛ 인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
The average particle size of the secondary particles is 3㎛ to 10㎛ based on D 50 , a negative electrode active material.
2차 입자의 공극률은 10% 내지 50% 인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
A negative electrode active material wherein the secondary particles have a porosity of 10% to 50%.
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 이상으로부터 형성된 것인, 음극 활물질.According to paragraph 1,
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 ( A negative electrode active material formed from one or more selected from the group consisting of block-copolymer), polyol, and low molecular weight heavy oil.
상기 금속 전구체 분말을 테트라히드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 비정질 탄소 전구체와 혼합 교반하고, 건조 및 열처리하여 실리콘-탄소 복합분말을 형성하는 단계(S2);
황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 THF 용매를 혼합한 후 건조하여 LPS 분말을 수득하는 단계(S3); 및
상기 실리콘-탄소 복합분말 및 LPS 분말을 THF 용매에 분산시킨 후, 분무 건조 및 열처리하는 단계(S4);
를 포함하는, 음극 활물질의 제조방법.A step (S1) of mixing metal particles, solvent, and organic fatty acids, pulverizing them, and then drying them to produce metal precursor powder;
Mixing and stirring the metal precursor powder with tetrahydrofuran (THF) and an amorphous carbon precursor, drying and heat treating to form a silicon-carbon composite powder (S2);
Step (S3) of mixing lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and THF solvent and drying them to obtain LPS powder; and
Dispersing the silicon-carbon composite powder and LPS powder in a THF solvent, followed by spray drying and heat treatment (S4);
Method for producing a negative electrode active material, including.
상기 금속 입자는 실리콘 나노입자, 실리콘 산화물 나노입자, 실리콘 탄화물 나노입자 및 실리콘 합금 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 실리콘 함유 나노입자이고,
상기 S1 단계에서의 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 용매이며,
상기 유기 지방산은 라우르산, 미리스트산, 팔미틱산, 스테아르산 및 아라키드산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인, 음극 활물질의 제조방법.According to clause 11,
The metal particles are one or more silicon-containing nanoparticles selected from the group consisting of silicon nanoparticles, silicon oxide nanoparticles, silicon carbide nanoparticles, and silicon alloy nanoparticles,
The solvent in step S1 is a solvent containing at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and butanol,
The organic fatty acid is one or more selected from the group consisting of lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, and arachidic acid.
상기 비정질 탄소 전구체는 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 활물질의 제조방법.According to clause 11,
The amorphous carbon precursor 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 ( A method of producing a negative electrode active material comprising at least one selected from the group consisting of block-copolymer), polyol, and low molecular weight heavy oil.
상기 열처리는 700℃ 내지 1100℃ 의 온도로 약 5분 내지 5시간 동안 실시되는 것인, 음극 활물질의 제조방법.According to clause 11,
A method of producing a negative electrode active material, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 700°C to 1100°C for about 5 minutes to 5 hours.
상기 음극은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 음극 활물질을 포함하는, 리튬 이차 전지.
In a lithium secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte,
A lithium secondary battery, wherein the negative electrode includes the negative electrode active material of any one of claims 1 to 10.
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- 2022-10-04 KR KR1020220126382A patent/KR20240047128A/en unknown
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