KR20240077458A - Anode composite materials for lithium secondary battery and method producing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 실리콘계 입자의 표면에 불소계 수지를 일정 함량범위로 코팅하여 접촉 손실(contact loss) 및 전해액과의 부반응, 저항 증가에 의한 열화 현상을 방지할 수 있는 음극 활물질 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative active material composite material for lithium secondary batteries and a method of manufacturing the same. Specifically, the surface of silicon-based particles is coated with fluorine-based resin in a certain content range to reduce contact loss, side reactions with electrolyte, and increase resistance. It relates to a negative electrode active material composite material that can prevent deterioration caused by a composite material and a method of manufacturing the same.

Description

리튬 이차전지용 음극 활물질 복합소재 및 이의 제조방법 {ANODE COMPOSITE MATERIALS FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND METHOD PRODUCING THE SAME}Negative active material composite material for lithium secondary batteries and method for manufacturing the same {ANODE COMPOSITE MATERIALS FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND METHOD PRODUCING THE SAME}

본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 실리콘계 입자의 표면에 불소계 수지를 일정 함량범위로 코팅하여 접촉 손실(contact loss) 및 부반응, 저항 증가에 의한 열화 현상을 방지할 수 있는 음극 활물질 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative active material composite material for lithium secondary batteries and a method of manufacturing the same. Specifically, the surface of silicon-based particles is coated with a certain amount of fluorine-based resin to cause contact loss, side reactions, and deterioration due to increased resistance. It relates to a negative active material composite material that can prevent and a method of manufacturing the same.

리튬 이차 전지의 양극을 구성하는 양극 활물질로서는 LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4 또는 LiCrO2와 같은 금속 산화물이 이용되고 있으며, 음극을 구성하는 음극 활물질로서는 금속 리튬(metal lithium), 흑연(graphite) 또는 소프트카본(이흑연화성 탄소) 및 하드카본(난흑연화성 탄소) 등의 탄소계 물질(carbon based meterial), 또는 산화실리콘(SiOx) 등의 물질이 사용되고 있다. 상기 음극 활물질 중에서도 초기에는 금속 리튬이 주로 사용되었으나 충전 및 방전 사이클이 진행됨에 따라 금속 리튬 표면에 리튬 원자가 성장하여 분리막을 손상시켜 전지를 파손시키는 현상이 발생하여 최근에는 탄소계 물질이 주로 사용되고 있다. 그러나, 탄소계 물질의 경우 이론 용량이 약 400 mAh/g에 불과하여 용량이 작다는 단점을 지니고 있다.Metal oxides such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 or LiCrO 2 are used as the positive electrode active materials that make up the positive electrode of a lithium secondary battery, and metal lithium and graphite are used as the negative electrode active materials that make up the negative electrode. ) or carbon-based materials such as soft carbon (non-graphitizable carbon) and hard carbon (non-graphitizable carbon), or materials such as silicon oxide (SiO x ) are used. Among the negative electrode active materials, metallic lithium was initially mainly used, but as the charge and discharge cycle progressed, lithium atoms grew on the surface of metallic lithium, damaging the separator and damaging the battery. Recently, carbon-based materials have been mainly used. However, in the case of carbon-based materials, the theoretical capacity is only about 400 mAh/g, which has the disadvantage of being small in capacity.

따라서, 음극 활물질로서 높은 이론 용량(4,200 mAh/g)을 가지는 실리콘(silicon, Si)을 이용하여 상기 탄소계 물질을 대체하려는 다양한 연구가 진행되어 왔다.Accordingly, various studies have been conducted to replace the carbon-based material using silicon (Si), which has a high theoretical capacity (4,200 mAh/g) as a negative electrode active material.

실리콘계 음극 소재는 리튬과 반응 시 반응전과 대비하여 3~4배 가까운 부피 팽창 현상(swelling)이 발생되고, 이로 인해 활물질이 분쇄되는 현상(pulverization)으로 입자가 깨지면서 전기적 접촉 손실(contact loss)이 발생될 뿐만 아니라 새로운 계면이 형성됨에 따른 전해액 분해반응으로 인한 저항증가로 이차전지의 급격한 수명열화가 발생되는 문제가 있다. When a silicon-based anode material reacts with lithium, a volume expansion phenomenon (swelling) occurs that is close to 3 to 4 times compared to before the reaction. This causes the particles to break due to pulverization of the active material, resulting in electrical contact loss. In addition, there is a problem of rapid deterioration of the lifespan of the secondary battery due to an increase in resistance due to the electrolyte decomposition reaction as a new interface is formed.

리튬 이차전지의 내부 환경은 유기용매인 전해액의 부반응, 충전 또는 방전 시 전압환경, 상기 부반응으로 생성되는 불산(HF) 등으로 인해 고분자의 화학적 안정성이 취약해질 수 있는 환경으로, 고분자를 포함하는 실리콘 입자가 리튬 이차전지 소재로 사용될 경우에는 전해액에 의한 고분자층 용해, 과도한 부피 팽창 현상(swelling)으로 인해 고분자층의 파괴가 가속화되어 음극 소재에서 코팅막으로서의 기능이 약화될 수 있다.The internal environment of a lithium secondary battery is an environment where the chemical stability of the polymer can be weakened due to side reactions of the electrolyte solution, which is an organic solvent, the voltage environment during charging or discharging, and hydrofluoric acid (HF) generated from the side reactions. Silicon containing polymers When particles are used as a lithium secondary battery material, the destruction of the polymer layer is accelerated due to dissolution of the polymer layer by the electrolyte and excessive volume expansion (swelling), which may weaken its function as a coating film in the anode material.

불산(HF), 유기용매를 포함하는 베이스 전해액에 4V 이상의 전압을 통과시킨다면 실리콘계 음극 소재 표면에서 전해액 분해현상으로 인한 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 경우 생성되는 부산물인 활성 화학종과 리튬이온이 부반응을 일으켜 이차전지 용량의 비가역적 손실이 발생할 수 있으며, 부반응 산물에 의해 전극 내부의 저항이 과도하게 증가함에 따른 이차전지의 출력 저하 및 수명성능 열화가 발생할 수 있다.If a voltage of 4V or more is passed through a base electrolyte containing hydrofluoric acid (HF) or an organic solvent, problems may occur due to electrolyte decomposition on the surface of the silicon-based anode material. In this case, a side reaction may occur between active chemical species and lithium ions, which are generated by-products, and irreversible loss of secondary battery capacity may occur, and the output of the secondary battery decreases and its lifespan as the resistance inside the electrode increases excessively due to the side reaction product. Performance deterioration may occur.

상기와 같은 문제를 해소하기 위해 고분자를 포함하는 실리콘 입자의 제조방법이 연구되고 있으며, 종래의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.In order to solve the above problems, methods for manufacturing silicon particles containing polymers are being studied, and the conventional manufacturing method is described as follows.

종래 제조방법의 예로는 실리콘 미립자와 고분자 단량체를 용매 중에서 혼합하여 중합 한 후, 이를 수세 및 건조하여 실리콘 입자를 포함한 고분자를 제조하는 방법이 있는데, 상기 방법은 입자간 응집현상으로 인해 입도의 제어가 어렵고, 수세 시 수처리에 따른 과다한 환경 비용, 건조 시 과다한 에너지 비용이 발생할 수 있다.An example of a conventional manufacturing method is a method of mixing silicon particles and polymer monomers in a solvent to polymerize them, then washing and drying them to produce a polymer containing silicon particles. This method does not allow control of particle size due to agglomeration between particles. It is difficult, and excessive environmental costs due to water treatment during flushing and excessive energy costs may occur when drying.

다른 종래 제조방법의 예로 고분자와 실리콘입자를 용융-혼합하여 경화 후 분쇄하는 방법이 있는데, 경화를 통해 생성된 한 덩어리의 혼합물을 분쇄하기 때문에 입자와 고분자의 입계 또는 실리콘입자 자체가 깨지는 경우 실리콘입자가 노출되는 경우가 발생할 수 밖에 없다.Another example of a conventional manufacturing method is a method of melting and mixing polymers and silicon particles, curing them, and then pulverizing them. Since a lump of mixture created through curing is pulverized, if the grain boundary between the particles and the polymer or the silicon particles themselves are broken, the silicon particles are broken. It is inevitable that there will be cases of exposure.

또한 상기 분쇄를 하기 위해 가하는 높은 에너지는 실리콘/고분자의 계면을 불안정하게 만들어 고분자와 실리콘의 접착력을 약하게 만들 수 있는데, 이 경우 노출된 실리콘입자는 전해액과 직접 닿음으로 인해 전해액 분해반응이 발생되어 초기 비가역용량 증가로 전지의 활용용량이 낮아지는 문제를 발생시키며, 약해진 실리콘/고분자의 계면은 충전 또는 방전 시 실리콘의 팽창에 의해 쉽게 고분자 층이 박리되어 실리콘입자의 탈락이 발생됨에 따른 수명급락 현상을 초래할 가능성이 있다.In addition, the high energy applied to crush the silicon/polymer may make the interface unstable and weaken the adhesion between the polymer and silicon. In this case, the exposed silicon particles come into direct contact with the electrolyte, causing an electrolyte decomposition reaction, which causes an initial decomposition reaction. The increase in irreversible capacity causes the problem of lower battery utilization capacity, and the weakened silicon/polymer interface causes the polymer layer to easily peel off due to expansion of the silicon during charging or discharging, causing the silicon particles to fall out, causing a sharp drop in lifespan. There is a possibility that it may result in

상기 분쇄공정의 경우 고분자의 연성 및 실리콘입자의 고강도 특성으로 인해 깨짐이 아닌 짓이겨짐, 늘어남 등의 현상이 발생하여 분쇄공정 자체가 적합하지 않을 뿐 아니라, 고분자의 코팅 및 매트릭스구조 자체의 구현에 적합하지 않다.In the case of the above grinding process, due to the ductility of the polymer and the high strength characteristics of the silicon particles, phenomena such as crushing and stretching, rather than breaking, occur, so not only is the grinding process itself not suitable, but it is also unsuitable for the implementation of polymer coating and the matrix structure itself. don't do it

상기와 같이, 종래의 실리콘 입자를 포함하는 고분자의 경우 불산(HF), 유기용매를 포함하는 베이스 전해액에 전압을 가해주는 이차전지 환경 내에서 화학적 안정성의 유지가 어려워 부반응에 의한 전지가 열화되는 문제가 발생해 왔다.As described above, in the case of polymers containing conventional silicon particles, it is difficult to maintain chemical stability in a secondary battery environment where voltage is applied to a base electrolyte containing hydrofluoric acid (HF) and an organic solvent, resulting in battery deterioration due to side reactions. has occurred.

또한, 부피 팽창 현상(swelling)의 억제를 위해서는 탄소를 코팅하는 방법이 사용되었는데, 이 방법은 탄소의 취성(brittleness)으로 인해 코팅층이 쉽게 깨져 상기의 목적 달성이 어려운 단점이 존재한다.In addition, a method of coating carbon was used to suppress swelling, but this method has the disadvantage that the coating layer is easily broken due to the brittleness of carbon, making it difficult to achieve the above objective.

따라서, 리튬 이차전지 음극의 접촉 손실(contact loss) 및 부반응, 저항 증가에 의한 열화 현상을 방지할 수 있는 신규의 실리콘계 활물질 입자 및 이의 제조방법의 연구개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for research and development of new silicon-based active material particles and manufacturing methods that can prevent deterioration due to contact loss, side reactions, and increased resistance of the negative electrode of lithium secondary batteries.

본 발명의 목적은 접촉 손실(contact loss) 및 전해액과의 부반응, 저항 증가에 의한 열화 현상을 방지할 수 있는 음극 활물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a negative electrode active material and a method of manufacturing the same that can prevent contact loss, side reactions with electrolyte solutions, and deterioration due to increased resistance.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재는 실리콘계 화합물; 상기 실리콘계 화합물의 표면을 코팅하는 불소계 수지; 및 전도성 입자를 포함하고, 프라이머를 포함하고, 상기 전도성 입자는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 전체 중량 대비 0.1~5 중량%로 포함되며, 상기 전도성 입자의 평균입경(D50)은 0.1~20um 일 수 있다.In order to achieve the above object, the lithium secondary battery negative active material composite material of one embodiment of the present invention includes a silicon-based compound; A fluorine-based resin coating the surface of the silicon-based compound; and conductive particles, including a primer, wherein the conductive particles are contained in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the lithium secondary battery negative active material composite material, and the average particle diameter (D 50 ) of the conductive particles is 0.1 to 20um. It can be.

본 발명의 일 실시형태의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함된 실리콘계 화합물은 실리콘, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2), 실리콘-금속 합금, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2)의 금속 합금 및 실리콘-탄소 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있다.The silicon-based compound included in the lithium secondary battery negative active material composite material of one embodiment of the present invention includes silicon, silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2), silicon-metal alloy, and silicon oxide particles (SiO x , 0< x≤2) may be at least one selected from the group consisting of metal alloys and silicon-carbon composites.

본 발명의 일 실시형태의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함된 전도성 입자는 흑연, 이흑연화성 탄소(soft carbon), 난흑연화성 탄소(hard carbon) 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.The conductive particles included in the lithium secondary battery negative active material composite material of one embodiment of the present invention may be one or more selected from the group consisting of graphite, easily graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), and carbon black. You can.

본 발명의 일 실시형태의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함된 실리콘계 화합물에 포함되는 실리콘의 함량범위는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 전체 중량 대비 20~70 중량% 일 수 있다.The content range of silicon contained in the silicon-based compound contained in the lithium secondary battery negative active material composite material of one embodiment of the present invention is 20 to 70% based on the total weight of the lithium secondary battery negative active material composite material. It may be weight percent.

본 발명의 일 실시형태의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함된 불소계 수지는 상기 실리콘계 화합물 100 중량부 대비 0.1~20 중량부로 포함될 수 있다.The fluorine-based resin contained in the lithium secondary battery negative active material composite material of one embodiment of the present invention may be included in an amount of 0.1 to 20 parts by weight compared to 100 parts by weight of the silicon-based compound.

본 발명의 일 실시형태의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재는 용매에 불소계 수지를 용해하여 수지용액을 준비하는 1단계; 실리콘계 화합물 분말과 수지용액을 고형분 농도를 70% 이상으로 하여 혼련(kneading)하여 리튬 이차전지 음극 활물질 복합혼합물을 제조하는 제2 단계; 및 혼합물에 용매를 추가 첨가하여 농도가 희석된 혼합용액을 제조하는 제3단계; 120~180 ℃의 온도에서 상기 혼합 용액을 분무 건조장치를 이용하여 건조하여 리튬이차전지 음극활물질 복합소재 분말을 제조하는 제4단계; 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 분말을 분급하여 평균입경(D50)을 제어하는 제5 단계를 포함하여 제조될 수 있다. The lithium secondary battery negative active material composite material of one embodiment of the present invention includes a first step of preparing a resin solution by dissolving a fluorine-based resin in a solvent; A second step of preparing a lithium secondary battery negative active material composite mixture by kneading the silicon-based compound powder and the resin solution at a solid concentration of 70% or more; and a third step of preparing a mixed solution with a diluted concentration by adding additional solvent to the mixture; A fourth step of manufacturing a lithium secondary battery negative electrode active material composite material powder by drying the mixed solution using a spray dryer at a temperature of 120 to 180 ° C.; It may be manufactured including a fifth step of classifying the lithium secondary battery negative active material composite material powder and controlling the average particle diameter (D 50 ).

본 명세서에서 사용되는 프라이머의 일 구성으로서의 "리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재"는 상기 실리콘계 화합물과 축합반응을 수행하면서 불소화 수지와의 강한 결합을 유도하는 반응기 (아미노기, 비닐기, 에폭시기, 알콕시기, 할로겐기) 등 하나 이상 갖는 화합물이다. 구체적으로, 다이메톡시다이페닐실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디실트리메톡시실란, 메틸트라이메톡시실란, 메틸트리톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 옥타디실트리톡시실란, 옥틸트리에톡시실란, 테라에톡시실란, 트리플루오프로필트리톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 헥사메틸다이실라잔, 헥실트리메톡시실란, 3- 아크록실프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실란, n-헥실트리에톡시실란, p-스티릴트리메톡시실란 및 이를 포합하는 조합으로부태 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. “Lithium secondary battery negative active material composite material” as a component of the primer used in this specification contains reactive groups (amino group, vinyl group, epoxy group, alkoxy group, It is a compound that has one or more halogen groups. Specifically, dimethoxydiphenylsilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, disyltrimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltrithoxysilane, vinyltrimethoxysilane, octadicyltritoxysilane, jade Tyltriethoxysilane, teraethoxysilane, trifluopropyltrithoxysilane, phenyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, hexamethyldisilazane, hexyltrimethoxysilane, 3-acroxylpropyltrimethoxysilane , 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, n-hexyltriethoxysilane, p-sti. It may be selected from liltrimethoxysilane and combinations thereof, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1단계의 혼합용액에는 전도성 입자가 더 첨가될 수 있다. In one embodiment of the present invention, conductive particles may be further added to the mixed solution in the first step.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1단계의 실리콘계 화합물은 표면이 유기화합물로 개질된 것 일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the silicon-based compound of the first step may have a surface modified with an organic compound.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 단계는 5~60분 동안 30~250 rpm의 속도로 혼련하는 과정을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the second step may include kneading at a speed of 30 to 250 rpm for 5 to 60 minutes.

본 발명의 리튬 이차전지용 음극소재 및 이의 제조방법은 기계 화학적으로 안정성이 뛰어난 불소계 수지를 실리콘계 화합물에 코팅하고 복합화 함으로써, 전극으로부터 실리콘계 화합물이 탈리되는 현상과 실리콘계 화합물 표면에서 분해산물(SEI)이 과도하게 쌓임으로 발생되는 비가역용량 및 저항의 증가 현상을 방지하여 이차전지의 수명특성을 향상시킬 수 있다.The anode material for lithium secondary batteries and its manufacturing method of the present invention coat and composite a fluorine-based resin with excellent mechanical and chemical stability on a silicon-based compound, resulting in the phenomenon of silicon-based compounds being detached from the electrode and excessive decomposition products (SEI) on the surface of the silicon-based compound. It is possible to improve the lifespan characteristics of secondary batteries by preventing increases in irreversible capacity and resistance caused by excessive accumulation.

또한, 코팅되는 불소계 수지가 기계적 강도를 유지하면서 전해액을 함유함으로써 음극소재의 이온전도도를 향상시켜 이차전지의 씨레이트 성능(C-rate)을 향상시킬 수 있다.In addition, the coated fluorine-based resin maintains mechanical strength and contains an electrolyte, thereby improving the ionic conductivity of the anode material and improving the C-rate performance of the secondary battery.

도 1은 리튬 이차전지용 음극소재 및 이의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 비교예 1의 소재, 도 2(b)는 실시예 1의 소재의 주사전자현미경(FE-SEM) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 에너지 분산형 분광분석법(EDS, energy dispersive spectrometer)을 통한 맵핑(mapping) 이미지를 나타낸 것이다.
도 4(a)는 비교예 1의 소재, 도 4(b)는 실험예 2-2의 소재의 주사전자현미경(FE-SEM) 분석 결과와 에너지 분산형 분광분석법(EDS, energy dispersive spectrometer)을 통한 맵핑(mapping) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 흑연을 포함하지 않은 음극활물질 복합소재(실리콘계 화합물 +프라이머+ 불소계 수지)의 코인셀 첫사이클 충방전 곡선data로, 도 5a의 실시예 3은 적정량의 PVDF 코팅을 한 음극소재, 도 5b의 비교예 3은 PVDF 코팅을 하지 않은 음극소재, 도 5c의 비교예 4는 PVDF 코팅이 과도하게 된 음극소재를 사용한 코인셀 첫사이클 충방전 곡선이다.
Figure 1 is a diagram showing an anode material for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same.
Figure 2(a) is a diagram showing the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis of the material of Comparative Example 1, and Figure 2(b) is a diagram showing the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis of the material of Example 1.
Figure 3 shows a mapping image through energy dispersive spectrometry (EDS).
Figure 4(a) shows the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis and energy dispersive spectrometry (EDS) of the material of Comparative Example 1, and Figure 4(b) shows the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis of the material of Experimental Example 2-2. This is a diagram showing a mapping image.
Figure 5 is a coin cell first cycle charge/discharge curve data of a negative electrode active material composite material (silicon-based compound + primer + fluorine-based resin) that does not contain graphite, and Example 3 in Figure 5A is a negative electrode material coated with an appropriate amount of PVDF, Figure 5B. Comparative Example 3 in Figure 5C is a negative electrode material without PVDF coating, and Comparative Example 4 in Figure 5c is a coin cell first cycle charge/discharge curve using a negative electrode material with excessive PVDF coating.

본 발명의 리튬 이차전지용 음극소재 및 이의 제조방법은 기계 화학적으로 안정성이 뛰어난 불소계 수지를 실리콘계 화합물에 코팅하고 복합화 함으로써, 전극으로부터 실리콘계 화합물이 탈리되는 현상과 실리콘계 화합물 표면에서 분해산물(SEI)이 과도하게 쌓임으로 발생되는 비가역용량 및 저항의 증가 현상을 방지하여 이차전지의 수명특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The anode material for lithium secondary batteries and its manufacturing method of the present invention coat and composite a fluorine-based resin with excellent mechanical and chemical stability on a silicon-based compound, resulting in the phenomenon of silicon-based compounds being detached from the electrode and excessive decomposition products (SEI) on the surface of the silicon-based compound. It has the effect of improving the lifespan characteristics of secondary batteries by preventing increases in irreversible capacity and resistance caused by excessive accumulation.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.In order to fully understand the configuration and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms and various changes can be made. However, the description of the present embodiments is provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to fully inform those skilled in the art of the present invention of the scope of the invention.

본 발명에서의 평균입경(D50)은 입자의 입경 분포 곡선에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다.The average particle size (D 50 ) in the present invention can be defined as the particle size corresponding to 50% of the cumulative volume in the particle size distribution curve.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재는 실리콘계 화합물; 상기 실리콘계 화합물의 표면을 코팅하는 불소계 수지; 및 전도성 입자를 포함하고, 상기 전도성 입자는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 전체 중량 대비 0.1~5 중량%로 포함되며, 상기 전도성 입자의 평균입경(D50)은 0.1~20um일 수 있다.The lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention includes a silicon-based compound; A fluorine-based resin coating the surface of the silicon-based compound; and conductive particles, wherein the conductive particles are included in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the lithium secondary battery negative active material composite material, and the average particle diameter (D 50 ) of the conductive particles may be 0.1 to 20 um.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함된 실리콘계 화합물은 실리콘, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2), 실리콘-금속 합금, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2)의 금속 합금 및 실리콘-탄소 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있다. 이때, 상기 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2) 결정형 SiO2, 비결정형 SiO2, 결정형Si 및 비결정형Si로 구성된 복합물일 수 있다.The silicon-based compound contained in the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention is silicon, silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2), silicon-metal alloy, and silicon oxide particles (SiOx, 0<x≤2). It may be one or more selected from the group consisting of metal alloys and silicon-carbon composites. At this time, the silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2) may be a composite composed of crystalline SiO 2 , amorphous SiO 2 , crystalline Si, and amorphous Si.

상기 실리콘-금속 합금 또는 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2)의 금속 합금에서, 상기 금속은 전이금속일 수 있고, Al, Cu, Zr, Ni, Ti, Co, Cr, V, Mn 및 Fe 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이때, 실리콘-금속 합금 또는 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2)의 금속 합금은 전체 금속합금의 중량 대비 20 중량% 이상의 실리콘을 포함하는 합금 소재를 의미한다.In the silicon-metal alloy or metal alloy of silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2), the metal may be a transition metal, Al, Cu, Zr, Ni, Ti, Co, Cr, V, Mn And it may be at least one of Fe. At this time, silicon-metal alloy or metal alloy of silicon oxide particles ( SiO

본 발명의 실리콘계 화합물에 포함되는 실리콘의 함량범위는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 전체 중량 대비 20~70 중량% 일 수 있는데, 20 중량% 미만으로 포함될 경우 제조되는 리튬 이차전지의 용량이 작아질 수 있으며, 70 중량% 이상으로 포함될 경우 리튬이온과의 합금화 반응에 의해 과도한 부피팽창에 따라 입자의 크랙(crack)현상이 유발되어 전해액과의 부반응으로 인해 전지의 효율 및 용량유지율이 현저히 저하될 수 있는 문제가 발생할 수 있다.The content range of silicon contained in the silicon-based compound of the present invention may be 20 to 70% by weight relative to the total weight of the lithium secondary battery negative active material composite material, but if contained in less than 20% by weight, the capacity of the manufactured lithium secondary battery may be reduced. If it is included in more than 70% by weight, cracking of particles may occur due to excessive volume expansion due to alloying reaction with lithium ions, and the efficiency and capacity maintenance rate of the battery may be significantly reduced due to side reactions with the electrolyte solution. Problems may arise.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함되는 불소계 수지는 전해액을 보액(전해액을 흡액하여 머금고 유지 함.)하여 이온전도성을 나타낼 수 있는 것이면 제한 없이 사용 가능하지만, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 플리테트라플로오루에틸렌(PTFE) 및 테드라 플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP)에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.The fluorine-based resin included in the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention can be used without limitation as long as it can exhibit ionic conductivity by retaining the electrolyte solution (absorbing and retaining the electrolyte solution), but polyvinylidene fluoride ( It may be one or more selected from PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP).

상기 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)는 전해액에 과도하게 팽윤되지 않아 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 기계적 강도를 적절히 유지할 수 있으면서도 전해액을 함침할 수 있어 이온전도 성능이 우수하므로, 상기 불소계 수지 중 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)가 포함되는 것이 가장 바람직하다.The polyvinylidene fluoride (PVDF) is not excessively swollen in the electrolyte solution, so it can properly maintain the mechanical strength of the negative electrode active material composite material for lithium secondary batteries, and has excellent ion conduction performance because it can be impregnated with the electrolyte solution, so it is poly among the fluorine-based resins. It is most preferred that vinylidene fluoride (PVDF) is included.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함되는 불소계 수지의 중량평균분자량(Mw)는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 100,000~1,000,000인 것이 바람직 한데, 100,000 미만일 경우에는 수지의 경도는 강하나 연성이 없어, 활물질의 부피팽창을 유연하게 수용하지 못하는 한 문제가 있을 수 있고, 1,000,000을 초과할 경우에는 용액의 점도가 높고 수지의 접착력이 강하여 공정상 입자화가 어려운 한 문제가 있을 수 있다.The weight average molecular weight (M w ) of the fluorine-based resin included in the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention is not particularly limited, but is preferably 100,000 to 1,000,000. If it is less than 100,000, the resin has strong hardness but is not ductile. , there may be a problem as long as it cannot flexibly accommodate the volume expansion of the active material, and if it exceeds 1,000,000, there may be a problem as the viscosity of the solution is high and the adhesive strength of the resin is strong, making it difficult to form particles during the process.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함된 불소계 수지는 상기 실리콘계 화합물 100 중량부 대비 0.1~20 중량부로 포함될 수 있는데, 0.1 중량부 미만으로 포함될 경우 불소계 수지의 양이 너무 적게 포함되어 실리콘계 입자의 팽창에 충분한 기계적 강도를 제공하기 어려우며, 바인더와 입자사이의 접착력 강화효과가 현저히 저하되어 입자의 탈락에 따른 수명저하 현상이 발생될 수 있고, 실리콘계 입자의 표면을 충분히 코팅하지 못해 전해액과 부반응을 효과적으로 막아주기 어려울 수 있다. 20 중량부를 초과하여 포함될 경우 용량에 기여하지 못하는 고분자의 비율이 높아지며 고분자의 전해액 팽윤으로 팽창률이 높아지고, 고분자의 가소성으로 인해 전극 압연 시 전극의 기공이 막혀 저항이 증가하여 비에너지 밀도가 낮아지는 문제가 있다.The fluorine-based resin contained in the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may be included in an amount of 0.1 to 20 parts by weight compared to 100 parts by weight of the silicon-based compound. If it is included in less than 0.1 parts by weight, the amount of fluorine-based resin is too small and silicon-based particles are formed. It is difficult to provide sufficient mechanical strength for expansion, and the effect of reinforcing the adhesion between the binder and particles is significantly reduced, which may lead to a decrease in lifespan due to the particles falling off. In addition, the surface of the silicon-based particles cannot be sufficiently coated, causing side reactions with the electrolyte. It can be difficult to block it effectively. If it is included in excess of 20 parts by weight, the proportion of polymers that do not contribute to the capacity increases, the expansion rate increases due to the swelling of the electrolyte of the polymer, and the plasticity of the polymer causes the pores of the electrode to become clogged during electrode rolling, increasing resistance and lowering the specific energy density. There is.

상기 불소계 수지는 화학적으로 안정하고 기계적 물성이 우수하여 상기 실리콘계 화합물의 표면을 감싸는 쉘(shell) 구조 및 네트워크 골격을 형성함으로써, 실리콘계 입자가 리튬과 반응하여 부피팽창 할 때 입자의 깨짐현상을 억제할 수 있고, 설령 입자가 깨지더라도 불소계 수지로 형성된 쉘(shell) 구조 및 네트워크 골격의 내부에 이를 가둠으로써 실리콘계 입자의 탈락에 의한 소실을 방지할 수 있다.The fluorine-based resin is chemically stable and has excellent mechanical properties, forming a shell structure and network skeleton surrounding the surface of the silicon-based compound, thereby suppressing the breaking phenomenon of the silicon-based particles when they react with lithium and expand in volume. Even if the particles are broken, loss due to falling off of the silicon-based particles can be prevented by confining them inside the shell structure and network skeleton formed of fluorine-based resin.

상기 불소계 수지가 형성하는 쉘(shell) 구조 및 네트워크 골격은 인접한 입자, 예를 들면 하기에서 설명할 전도성 입자와의 기계적 접촉을 유지함으로써 전자 또는 리튬이온의 전도성을 향상시킬 수 있다.The shell structure and network skeleton formed by the fluorine-based resin can improve the conductivity of electrons or lithium ions by maintaining mechanical contact with adjacent particles, for example, conductive particles, which will be described below.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에는 불소계 수지 및 실리콘계 화합물의 구조내에 전자전도성을 향상시키기 위해 전도성 입자를 포함할 수 있는데, 상기 전도성 입자는 입상, 판상 또는 선형 입자의 형태를 가질 수 있으며, 금속 및 탄소 또는 이들 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 혼합물일 수 있다.The lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may include conductive particles in the structure of the fluorine-based resin and silicon-based compound to improve electronic conductivity. The conductive particles may have the form of granular, plate-shaped, or linear particles, It may be metal and carbon or a mixture of any one or more of these.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 포함된 전도성 입자는 리튬 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 이흑연화성 탄소(soft carbon); 난흑연화성 탄소(hard carbon); 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소나노튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive particles contained in the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the lithium secondary battery, and include, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; This graphitizable carbon (soft carbon); non-graphitizable carbon (hard carbon); Carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, Paneth black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Conductive tubes such as carbon nanotubes; Metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

상기 전도성 입자 소재 중에서 본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에는 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 포함되는 것이 바람직 할 수 있는데, 전도성이 우수하며, 화학적으로 안정하여 리튬이온과의 반응성이 적어 전해액 분해반응이 작다. 따라서, 전지의 수명 특성의 저하를 방지할 수 있다.Among the conductive particle materials, the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may preferably include one or more selected from the group consisting of graphite, carbon fiber, carbon nanotubes, and carbon black, and has excellent conductivity and chemical It is stable and has low reactivity with lithium ions, so electrolyte decomposition reaction is small. Therefore, it is possible to prevent deterioration of battery life characteristics.

상기 전도성 입자는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 전체 중량 대비 0.1~5 중량%로 포함될 수 있는데, 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우 충분한 전도성을 확보할 수 있는 네트워크(network) 형성이 어려워질 수 있고, 5 중량% 초과하여 포함될 경우 전지의 용량이 저하되고 불소계 수지 고분자 쉘(shell) 구조의 바깥으로 노출되는 전도성 입자의 비율이 높아 전해액 부반응 현상이 증가하거나, 비표면적인 높은 전도성 입자의 특성상 불소계 고분자의 접착력 및 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The conductive particles may be included in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the lithium secondary battery negative active material composite material, but if included in less than 0.1% by weight, it may be difficult to form a network that can secure sufficient conductivity, If it is contained in excess of 5% by weight, the capacity of the battery will decrease and the proportion of conductive particles exposed to the outside of the fluorine resin polymer shell structure will be high, causing an increase in electrolyte side reactions, or due to the nature of the high specific surface conductivity particles, the fluorine polymer Problems with reduced adhesion and mechanical strength may occur.

상기 전도성 입자의 평균입경(D50)은 0.1~20um 일 수 있는데, 0.1um 미만일 경우에는 과도한 응집에 의해 분산이 어려운 문제가 있을 수 있고, 20um를 초과할 경우에는 충분한 도전 네트워크 형성에 필요한 입자개수가 부족한 문제가 있을 수 있다.The average particle diameter (D 50 ) of the conductive particles may be 0.1 to 20 um. If it is less than 0.1 um, there may be problems with dispersion due to excessive agglomeration, and if it exceeds 20 um, the number of particles required to form a sufficient conductive network is There may be a problem with insufficient .

본 발명의 실리콘계 화합물의 평균입경(D50)은 0.05~15um 일 수 있는데, 0.05um 미만일 경우 입자의 비표면적 및 실리콘계 화합물 표면의 산화층 비율이 높아 부반응성 및 비용량이 낮아져 전지의 활용용량이 낮아질 수 있으며, 15um를 초과할 경우 리튬 이온의 확산 속도가 느려지고, 실리콘계 화합물 입자의 팽창력이 커져 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 입자가 파괴되어 전지의 수명이 열화되는 문제가 발생할 수 있다.The average particle diameter (D 50 ) of the silicon-based compound of the present invention may be 0.05 to 15 um. If it is less than 0.05 um, the specific surface area of the particle and the ratio of the oxide layer on the surface of the silicon-based compound are high, resulting in lower side reactivity and specific capacity, which may lower the utilization capacity of the battery. If it exceeds 15um, the diffusion rate of lithium ions slows down and the expansion force of the silicon-based compound particles increases, which may cause the lithium secondary battery anode active material composite particles to be destroyed and the lifespan of the battery to be deteriorated.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 평균입경(D50)은 1~20um일 수 있는데, 1um 미만일 경우 입자가 너무 작아 음극 전극의 기공을 막아 리튬 이차전지의 출력성능을 저하시킬 수 있고, 20 um를 초과할 경우 리튬이온 확산 거리 증대로 저항이 증가하여 리튬 이차전지 출력 성능이 저하되고 전극 두께 방향의 상당 비율이 실리콘계 소재로 구성됨에 따라 실리콘계 복합입자의 부피팽창 시 과도한 팽창응력이 집중되어 전극 합재의 탈리 및 파괴에 따른 전지 수명 급락현상을 초래할 수 있다.The average particle diameter (D 50 ) of the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may be 1 to 20 um. If it is less than 1 um, the particles are too small and may block the pores of the negative electrode, reducing the output performance of the lithium secondary battery. If it exceeds 20 um, the resistance increases due to an increase in the lithium ion diffusion distance, which reduces the output performance of the lithium secondary battery. As a significant proportion of the electrode thickness direction is composed of silicon-based materials, excessive expansion stress is concentrated when the silicon-based composite particles expand in volume. This may result in a sharp decrease in battery life due to detachment and destruction of the electrode compound.

본 발명의 "프라이머"는 모재와 기능성 코팅층 간에 나노 두께로 코팅하여 밀착력을 향상시키는 버퍼 코팅층의 역할을 수행할 수 있다. The "primer" of the present invention can serve as a buffer coating layer that improves adhesion by coating at a nano thickness between the base material and the functional coating layer.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재는 용매에 불소계 수지를 용해하여 수지 용액을 준비하는 1단계; 실리콘계 화합물 분말과 상기 수지 용액을 고형분 농도 70% 이상으로 하여 혼련(kneading)하여 실리콘계 화합물 분말표면과 수지용액이 친화력 높게 혼합되어 혼합물을 만드는 제2단계; 혼합물에 용매를 추가 첨가하여 혼합함으로써 분무건조하기 용이한 농도로 혼합용액을 제조하는 제3단계; 혼합 용액을분무 건조하여 복합소재 분말을 제조하는 제4단계; 및 상기 리튬이차전지용 음극 활물질 복합소재 분말을 분급하여 평균입경(D50)을 제어하는 제5단계를 포함하여 제조될 수 있다.The lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention includes the first step of preparing a resin solution by dissolving a fluorine-based resin in a solvent; A second step of kneading the silicone compound powder and the resin solution to a solids concentration of 70% or more to create a mixture in which the surface of the silicone compound powder and the resin solution are mixed with high affinity; A third step of preparing a mixed solution at a concentration suitable for spray drying by adding and mixing a solvent to the mixture; A fourth step of producing composite material powder by spray drying the mixed solution; And a fifth step of classifying the negative active material composite material powder for lithium secondary batteries to control the average particle diameter (D 50 ).

상기 불소계 수지는 전해액을 보액하여 이온전도성을 나타낼 수 있는 것이면 제한없이 사용 가능하지만, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 플리테트라플로오루에틸렌(PTFE) 및 테트라 플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP)에서 선택되는 하나 이상이 사용될 수 있다.The fluorine-based resin can be used without limitation as long as it can retain electrolyte and exhibit ionic conductivity, but polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) ) may be used.

상기 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)는 전해액에 과도하게 팽윤되지 않아 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 기계적 강도를 적절히 유지할 수 있으면서도 전해액을 함침할 수 있어 이온전도 성능이 우수하므로, 상기 불소계 수지 중 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 사용하는 것이 가장 바람직하다.The polyvinylidene fluoride (PVDF) is not excessively swollen in the electrolyte solution, so it can properly maintain the mechanical strength of the negative electrode active material composite material for lithium secondary batteries, and has excellent ion conduction performance because it can be impregnated with the electrolyte solution, so it is poly among the fluorine-based resins. It is most preferable to use vinylidene fluoride (PVDF).

상기 불소계 수지를 용해하는 용매로는 아세톤, 테트라히드로퓨란, 아세토니트릴, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아마이드, NMP(N-methyl pyrrolidone), 물 등이 있고, 이들 용매를 2개 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.Solvents that dissolve the fluorine resin include acetone, tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, NMP (N-methyl pyrrolidone), water, etc., and two or more of these solvents are mixed. You can also use it.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재는 용매에 불소계 수지를 용해하여 수지 용액을 준비하는 1단계는 혼합조 내에서 상기 용매에 불소계 수지를 40~80°C에서 500~1500 rpm의 속도로 30분~2시간 동안 교반하여 혼합용액을 제조하는 단계일 수 있다.The first step of preparing a resin solution by dissolving a fluorine-based resin in a solvent for the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention is to mix the fluorine-based resin in the solvent in a mixing tank at a speed of 500-1500 rpm at 40-80°C for 30 minutes. This may be a step of preparing a mixed solution by stirring for minutes to 2 hours.

상기 제1 단계의 혼합용액에는 전도성 입자가 더 첨가될 수 있는데, 상기 전도성 입자는 입상, 판상 또는 선형 입자의 형태를 가질 수 있으며, 금속 및 탄소 또는 이들 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 혼합물일 수 있다.Conductive particles may be further added to the mixed solution in the first step. The conductive particles may have the form of granular, plate-shaped, or linear particles, and may be a mixture of metal and carbon or one or more of these. .

구체적으로, 전도성 입자는 리튬 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 이흑연화성 탄소(soft carbon); 난흑연화성 탄소(hard carbon); 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.Specifically, the conductive particles are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the lithium secondary battery, and include, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; This graphitizable carbon (soft carbon); non-graphitizable carbon (hard carbon); Carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, Paneth black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Conductive tubes such as carbon nanotubes; Metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

상기 전도성 입자 소재 중에서 본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에는 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 포함되는 것이 바람직 할 수 있는데, 전도성이 우수하며, 화학적으로 안정하여 리튬이온과의 반응성이 적어 전해액 분해반응이 작다. 따라서, 전지의 수명 특성의 저하를 방지할 수 있다.Among the conductive particle materials, the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may preferably include one or more selected from the group consisting of graphite, carbon fiber, carbon nanotubes, and carbon black, and has excellent conductivity and chemical It is stable and has low reactivity with lithium ions, so electrolyte decomposition reaction is small. Therefore, it is possible to prevent deterioration of battery life characteristics.

상기 혼합 용액의 불소계 수지는 상기 실리콘계 화합물 100 중량부 대비 0.1~20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.The fluorine-based resin in the mixed solution is preferably included in an amount of 0.1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the silicone-based compound.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 제조방법에는 상기 혼합용액을 고형분 농도를 70% 이상으로 하여 혼련(kneading)하여 리튬 이차전지 음극 활물질 복합혼합물을 제조하는 제2 단계를 포함할 수 있다.The method for producing a lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may include a second step of producing a lithium secondary battery negative active material composite mixture by kneading the mixed solution with a solid content of 70% or more.

상기 제2 단계에서는 혼합용액의 고형분 농도를 70% 이상으로 하여 단계를 수행해야 하는데, 고형분 농도를 70% 미만으로 할 경우에는 혼련 에너지가 충분하지 않아 실리콘계 화합물 입자 표면에 수지용액이 충분히 일렉트로웨팅 (electrowetting)되지 않거나, 미립자인 도전성 입자의 분산도가 부족한 문제가 발생할 수 있다.In the second step, the step must be performed with the solids concentration of the mixed solution being 70% or more. However, if the solids concentration is less than 70%, the kneading energy is not sufficient and the resin solution is sufficiently electrowetted on the surface of the silicone compound particles ( Problems such as electrowetting or insufficient dispersion of fine conductive particles may occur.

상기 제2 단계는 5~60분 동안 30~250 rpm의 속도로 혼련하는 과정을 포함할 수 있는데, 상기 혼련 과정에서 5분 미만으로 혼련할 경우, 실리콘계 입자 표면에 수지용액이 충분히 일렉트로웨팅 (electrowetting)되지 않거나 도전성 입자가 충분히 분산 및 혼합되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 60분을 초과하여 혼련할 경우, 과도한 마찰력으로 인해 실리콘계 화합물의 입자표면 손상에 의해 미분이 발생하거나 표면에너지가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.The second step may include kneading at a speed of 30 to 250 rpm for 5 to 60 minutes. When kneading for less than 5 minutes in the kneading process, the resin solution is sufficiently electrowetting the surface of the silicon-based particles. ) or the conductive particles are not sufficiently dispersed and mixed, and if kneaded for more than 60 minutes, problems such as fine powder or increased surface energy may occur due to damage to the particle surface of the silicon-based compound due to excessive friction. It can happen.

상기 혼련 과정에서 30 rpm 미만의 속도로 혼련할 경우, 혼련에너지가 부족하여 실리콘계 입자 표면에 수지용액이 충분히 웨팅 (wetting) 되지 않거나 도전성 입자가 충분히 분산 및 혼합되지 않는 문제가 발생할 수 있고 250 rpm을 초과한 속도로 혼련할 경우, 분말의 운동 속도가 커지므로 분말과 용액이 함께 움직이는 혼련 현상(kneading)보다는 용매와 분말이 분절되어 움직이는 밀링 현상(milling)이 지배적인 환경이 되므로 실리콘계 화합물의 입자표면 손상에 의한 미분이 발생하는 문제가 생길 수 있다.If kneading is performed at a speed of less than 30 rpm in the kneading process, problems may occur in which the resin solution is not sufficiently wetted on the surface of the silicon-based particles or the conductive particles are not sufficiently dispersed and mixed due to insufficient kneading energy. When kneading at an excessive speed, the movement speed of the powder increases, so the milling phenomenon in which the solvent and powder move separately rather than the kneading phenomenon in which the powder and solution move together becomes the dominant environment, so the particle surface of the silicon-based compound becomes Problems may arise where differentiation occurs due to damage.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 제조방법에는 상기 복합혼합물을 분무건조 하기 용이한 농도로 희석하기 위해 용매를 첨가하여 혼합하는 혼합용액 제조단계를 포함할 수 있는데, 이때 고형분 농도는 3%내지 30% 가 바람직하다. 3% 미만의 고형분 농도는 공정수율 및 공정 에너지 효율 저하 문제가 있고, 30% 이상의 농도에서는 점도로 인해 분무건조 공정 설비 내에서 흐름성 저하, 노즐압력 증가 등의 문제가 있다.The manufacturing method of the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may include a mixed solution preparation step of adding and mixing a solvent to dilute the composite mixture to a concentration that is easy to spray dry, where the solid content concentration is 3%. to 30% is preferred. A solid concentration of less than 3% causes problems with reduced process yield and process energy efficiency, and a concentration of more than 30% causes problems such as reduced flowability and increased nozzle pressure within the spray drying process equipment due to viscosity.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 제조방법에는 120~150℃의 온도 범위에서 상기 혼합 용액을 분무 건조장치를 이용하여 건조하는 제4 단계를 포함할 수 있는데, 120℃미만의 온도 조건에서 수행될 경우 용매가 충분히 건조되지 않아 입자가 크게 뭉치는 문제가 발생할 수 있고, 150℃를 초과하는 온도 조건에서 수행될 경우 불소계 수지가 융해(melting)되어 입자와 입자간 붙는 현상 및 수지의 열중합, 분해 등의 열변성에 의한 물성변화 문제가 발생할 수 있다.The method for manufacturing a lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may include a fourth step of drying the mixed solution using a spray dryer in a temperature range of 120 to 150 ℃, under temperature conditions of less than 120 ℃. If this is done, the solvent may not dry sufficiently, which may cause the particles to clump together. If the process is performed at a temperature exceeding 150°C, the fluorine resin may melt, causing particles to stick together, and thermal polymerization of the resin. , problems with physical property changes due to thermal denaturation such as decomposition may occur.

상기 분무 건조장치는 방폭형 또는 일반 분무건조기를 사용할 수 있다.The spray dryer can be an explosion-proof type or a general spray dryer.

여기에서 분무건조의 대상인 상기 혼합 용액의 주입부 온도는 120~180℃, 배출부 온도는 70~110℃ 일 수 있다. 액체의 주입 속도 및 압축 공기의 량은 분무건조기의 용량, 증발량, 액적 크기, 액체의 점도에 따라 변경될 수 있으며, 분무건조 후 불소계 수지가 코팅된 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재가 회수될 수 있다.Here, the temperature of the injection part of the mixed solution, which is the subject of spray drying, may be 120 to 180°C, and the temperature of the discharge part may be 70 to 110°C. The injection speed of the liquid and the amount of compressed air can be changed depending on the capacity of the spray dryer, the amount of evaporation, the size of the droplet, and the viscosity of the liquid. After spray drying, the lithium secondary battery negative active material composite material coated with fluorine resin can be recovered. .

분무건조 진행 시 주입부 온도가 120 ℃미만이면, 잔류 수분에 의해 건조분말 제조가 어렵고 섭씨 180℃를 초과하면, 실리콘의 산화가 유발되는 문제가 있을 수 있다.If the temperature of the injection part during spray drying is less than 120°C, it is difficult to manufacture dry powder due to residual moisture, and if it exceeds 180°C, there may be a problem of oxidation of silicon.

상기 배출부 온도가 섭씨 70℃미만이면, 습윤하여 복합소재 입자의 회수가 어렵고, 110℃를 초과하면 열변형 문제로 회수용기 선택의 폭이 좁고, 실리콘의 산화가 유발되는 등의 문제가 있다.If the discharge temperature is less than 70°C, it is difficult to recover the composite particles due to wetness, and if it exceeds 110°C, there are problems such as narrow selection of recovery containers due to heat deformation problems and oxidation of silicon.

본 발명의 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 제조방법에는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 분말을 분급하여 평균입경(D50)을 제어하는 제5 단계가 포함될 수 있다.The manufacturing method of the lithium secondary battery negative active material composite material of the present invention may include a fifth step of classifying the lithium secondary battery negative active material composite powder to control the average particle diameter (D 50 ).

상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 분말을 분급하는 방법으로는 분리가 가능한 것이면 어느 것이든 좋지만, 체분급기, 기류분급기를 사용하여 분급하고, 평균입경(D50) 또는 입도 분포를 제어할 수 있다.Any method for classifying the lithium secondary battery negative active material composite powder can be used as long as it can be separated, but classification can be performed using a sieve classifier or air flow classifier, and the average particle diameter (D 50 ) or particle size distribution can be controlled.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해서 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Below, specific examples are presented to aid understanding of the present invention. However, the following examples are provided only to make the present invention easier to understand, and the content of the present invention is not limited by the examples.

실시예 0 :Example 0: 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재의 제조Manufacturing of lithium secondary battery negative active material composite material

<불소계수지와 SiOx의 접착력(접합성) 향상을 위한 SiOx 입자 표면의 표면개질(primer 도입 단계)><Surface modification of the SiOx particle surface to improve the adhesion (bondability) between fluorine resin and SiOx (primer introduction step)>

(1). 반응기에 산화규소(SiOx) 2kg을 에탄올 4L에 분산한 후 상온에서 600rpm으로 교반하면서 프라이머인 헥실트리메톡시실란 (hexyltrimethoxysilane, HTMS) 20mL를 천천히 적가하였다. 순차적으로 암모니아수(NH4OH, ~30%) 40mL을 투입한 후 40℃에서 4시간 동안 반응하였다. 반응이 끝난 후 원심분리기를 통해 HTMS로 개질된 SiOx(SiOx-HTMS)와 잔류 HTMS와 NH4OH을 분리하였고, 에탄올로 3차례 세척과 원심분리를 반복하였다. 세척이 끝난 SiOx-HTMS를 60℃에서 감압 건조하였다.(One). After dispersing 2 kg of silicon oxide (SiOx) in 4 L of ethanol in the reactor, 20 mL of hexyltrimethoxysilane (HTMS), a primer, was slowly added dropwise while stirring at 600 rpm at room temperature. 40 mL of ammonia water (NH4OH, ~30%) was sequentially added and reacted at 40°C for 4 hours. After the reaction was completed, SiOx modified with HTMS (SiOx-HTMS) and residual HTMS and NH4OH were separated through a centrifuge, and washing and centrifugation were repeated three times with ethanol. The washed SiOx-HTMS was dried under reduced pressure at 60°C.

(2). 혼합조 내에서 NMP(N-methyl pyrrolidone) 용매 850 mL에 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지 200g를 800rpm의 속도로 40℃에서 1시간 동안 교반하여 완전히 용해하고 여기에 HTMS프라이머로 개질된 SiOx(SiOx-HTMS) 1800g을 첨가하여 100rpm으로 혼련하여 혼합물을 준비하였다.(2). In a mixing tank, 200 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) resin was completely dissolved in 850 mL of NMP (N-methyl pyrrolidone) solvent by stirring at 40°C for 1 hour at a speed of 800 rpm, and SiOx (SiOx() modified with HTMS primer was added thereto. A mixture was prepared by adding 1800 g of SiOx-HTMS) and kneading at 100 rpm.

<분무건조 방식><Spray drying method>

(3-1). 반응용기에서 상기 혼합물에 NMP를 17.15L를 첨가하여 1200rpm의 속도로 1시간 동안 교반하여 고형분 농도 10%로 희석된 혼합 용액을 제조한 후 190 ℃에서 상기 혼합 용액을 분무건조장치인 Yamato Spray Dryer (ADL311SA)를 이용하여 건조하였다. 여기에서 상기 분무 건조장치의 주입부의 온도는 170℃ 배출부의 온도는 100℃로 하여 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF)로 표면 코팅된 실리콘계 음극 활물질 복합소재 분말 약1800g을 얻었다.(3-1). In the reaction vessel, 17.15 L of NMP was added to the mixture and stirred for 1 hour at a speed of 1200 rpm to prepare a mixed solution diluted to a solid content concentration of 10%. Then, the mixed solution was dried at 190° C. using a Yamato Spray Dryer (spray dryer). It was dried using ADL311SA). Here, the temperature of the injection part of the spray dryer was set to 170°C and the temperature of the discharge part was 100°C to obtain about 1800 g of silicon-based negative active material composite material powder surface-coated with polyvinylidene fluoride (PVDF).

<Water casting 방식><Water casting method>

(3-2). 반응용기에서 상기 혼합물에 NMP를 17.15L를 첨가하여 1200rpm의 속도로 1시간 동안 교반하여 고형분 농도 10%로 희석된 혼합 용액을 제조한 후 400 rpm으로 교반하는 증류수 600L에 100mL/min의 속도로 상기 혼합용액을 적가하여 고형화한 후 원심분리를 통해 용매와 분리하여 60oC 온도로 건조하여 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)로 표면 코팅된 실리콘계 음극 활물질 복합소재 분말 약 1600g을 얻었다.(3-2). In a reaction vessel, 17.15 L of NMP was added to the mixture and stirred for 1 hour at a speed of 1200 rpm to prepare a mixed solution diluted to a solid content concentration of 10%, and then added to 600 L of distilled water stirred at 400 rpm at a speed of 100 mL/min. The mixed solution was added dropwise to solidify, separated from the solvent by centrifugation, and dried at 60 o C to obtain about 1600 g of silicon-based negative active material composite powder surface-coated with polyvinylidene fluoride (PVDF).

(4). 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 분말을 분급하여 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)로 표면 코팅된 평균입경(D50) 10 um인 실리콘계 음극 활물질 복합소재 분말 약 1500g을 제조하였다.(4). The lithium secondary battery negative electrode active material composite powder was classified to prepare about 1500 g of silicon-based negative electrode active material composite powder with an average particle diameter (D50) of 10 um surface-coated with polyvinylidene fluoride (PVDF).

실시예1: 분무건조 방식을 이용한 불소계 수지가 10% 코팅 된 리튬 이차전지 음극 활물질의 제조 Example 1: Preparation of lithium secondary battery negative active material coated with 10% fluorine resin using spray drying method

상기 실시예0의 (3-1)의 공정과 같은 방법으로 불소계 수지가 3% 코팅된 실리콘계 음극활물질 소재를 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material material coated with 3% fluorine-based resin was manufactured in the same manner as the process (3-1) of Example 0.

실시예2: Water casting방식을 이용한 불소계 수지가 10% 코팅 된 리튬 이차전지 음극 활물질의 제조 Example 2: Preparation of lithium secondary battery negative electrode active material coated with 10% fluorine resin using water casting method

상기 실시예0의 (3-2)의 공정과 같은 방법으로 불소계 수지가 10% 코팅된 실리콘계 음극활물질 소재를 제조하였다.A silicon-based negative active material material coated with 10% fluorine-based resin was manufactured in the same manner as the process (3-2) of Example 0.

비교예1: 표면이 불소계 수지로 코팅되지 않은 리튬 이차전지 음극 활물질의 제조 Comparative Example 1: Manufacturing of lithium secondary battery negative active material whose surface is not coated with fluorine resin

상기 실시예 0의 (1)의 공정에 사용한 것과 같은 SiOx를 사용하였으나 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지로 코팅하지 않은 것이 다르다.The same SiOx used in the process of (1) of Example 0 was used, but the difference was that it was not coated with polyvinylidene fluoride (PVDF) resin.

비교예2: 표면에 불소계 수지가 50%로 과다 코팅된 음극활물질의 제조 Comparative Example 2: Preparation of a negative electrode active material with an overcoating of 50% fluorine-based resin on the surface

상시 실시예 0의 (1)의 공정에서 폴리비닐리덴 수지 1000g을 NMP 4.5L에 용해시키고(3-1) 내지 (3-2)공정에서 34L의 NMP로 희석하는 것을 제외하면, 같은 방법으로 제조하였다.Produced in the same manner, except that 1000 g of polyvinylidene resin was dissolved in 4.5 L of NMP in step (1) of Example 0 and diluted with 34 L of NMP in steps (3-1) to (3-2). did.

실험예 1: 프라이머가 도입된 산화실리콘(SiOx)EDS 분석 Experimental Example 1 : EDS analysis of silicon oxide (SiOx) into which primers were introduced

상기 실시예 0에서 산화실리콘(SiOx)이 프라이머(HTMS)로 개질되었음을 확인하기 위해 하기의 표 1에 에너지 분산형 분광분석법(EDS, energy dispersive spectrometer)을 통한 정량분석 결과를 바탕으로 계산된 SiOx와 SiOx-HTMS 소재의 표면 원소조성을 나타내었다.In order to confirm that silicon oxide (SiOx) was modified with a primer (HTMS) in Example 0, SiOx and The surface elemental composition of SiOx-HTMS material is shown.

C의 비율이 높아지고, Si 및 O의 비율이 낮아짐을 확인하여SiOx 표면의 HTMS의 개질을 통해 소수성을 띄는 C6H13- 탄화수소막이 형성됨을 확인하였다.It was confirmed that the ratio of C increased and the ratio of Si and O decreased, confirming that a hydrophobic C 6 H 13 - hydrocarbon film was formed through modification of HTMS on the SiOx surface.

ElementElement At.No.At.No. Mass
[%]
Mass
[%]
Mass Norm.
[%]
Mass Norm.
[%]
Atom
[%]
Atom
[%]
abs. error[%]
(3 sigma)
abs. error[%]
(3 sigma)
SiOX SiO CC 66 9.529.52 11.6111.61 19.1919.19 2.992.99 OO 88 28.1528.15 34.3334.33 42.6042.60 8.708.70 SiSi 1414 44.3144.31 54.0554.05 38.2038.20 6.156.15 PtPt 7878 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 81.9881.98 100.00100.00 100.00100.00 SiOx-HTMSSiOx-HTMS CC 66 9.899.89 12.7112.71 20.8520.85 3.133.13 OO 88 26.3026.30 33.8033.80 41.6341.63 8.208.20 SiSi 1414 41.6341.63 53.4953.49 37.5337.53 5.785.78 PtPt 7878 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 77.8277.82 100.00100.00 100.00100.00

실험예 2-1:Experimental Example 2-1: 분무건조 방식으로 제조한 음극 활물질 소재의 주사전자현미경(FE-SEM) 분석Scanning electron microscope (FE-SEM) analysis of anode active material manufactured by spray drying method

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 실리콘계 음극 활물질 소재에 대하여 구조체 입자의 형상 및 내부 미세구조를 확인하기 위해 주사전자현미경(FE-SEM) 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 2에 나타내었다.Scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis was performed on the silicon-based anode active material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 to confirm the shape and internal microstructure of the structural particles. The results are shown in Figure 2.

도 2(a)는 비교예 1의 소재, 도 2(b)는 실시예 1 의 소재의 주사전자현미경(FE-SEM) 분석 결과를 나타낸 도면이다.Figure 2(a) is a diagram showing the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis of the material of Comparative Example 1, and Figure 2(b) is a diagram showing the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis of the material of Example 1.

도 2(a)에서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)가 이산화규소(SiO2)의 표면에 형성되지 않은 것이 나타났고, 도 2(b)에서는 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF)가 이산화규소(SiO2)의 표면에 무정형으로 형성된 것이 확인되었다.In Figure 2(a), it was shown that polyvinylidene fluoride (PVDF) was not formed on the surface of silicon dioxide (SiO 2 ), and in Figure 2(b), polyvinylidene fluoride (PVDF) was formed on the surface of silicon dioxide (SiO 2 ). 2 ) was confirmed to have formed amorphously on the surface.

도 3은 에너지 분산형 분광분석법(EDS, energy dispersive spectrometer)을 통한 맵핑(mapping) 이미지를 나타낸 것으로, 도 3(a)는 비교예 1의 소재, 도 3(b)는 실시예 0의 소재의 분석 결과를 나타낸 도면이다. 이를 통해 도 3(b)에서 실시예 0의 소재에서 무정형의 형성된 부분(진한 녹색)이 PVDF 수지로 확인되었다.Figure 3 shows a mapping image through energy dispersive spectrometry (EDS), with Figure 3(a) showing the material of Comparative Example 1 and Figure 3(b) showing the material of Example 0. This is a drawing showing the analysis results. Through this, it was confirmed that the amorphous portion (dark green) formed in the material of Example 0 in FIG. 3(b) was PVDF resin.

하기의 표 2은 상기 에너지 분산형 분광분석법(EDS, energy dispersive spectrometer)을 통한 정량분석 결과를 바탕으로 계산된 상기 실시예 1 및 비교예 1의 소재의 조성을 나타낸 것이다. 비교예 1에서는 소재 표면에 불소(F)가 존재하지 않지만 제조예 1에서 불소(F)가 0.84% 정도 존재함을 확인할 수 있었다. Table 2 below shows the composition of the materials of Example 1 and Comparative Example 1 calculated based on the results of quantitative analysis through energy dispersive spectrometry (EDS). In Comparative Example 1, no fluorine (F) was present on the surface of the material, but in Preparation Example 1, it was confirmed that about 0.84% of fluorine (F) was present.

ElementElement At.No.At.No. Mass
[%]
Mass
[%]
Mass Norm.
[%]
Mass Norm.
[%]
Atom
[%]
Atom
[%]
실시예1Example 1 CC 66 30.6130.61 20.8820.88 45.0645.06 OO 88 21.8521.85 14.9114.91 24.1524.15 SiSi 1414 41.3341.33 28.2028.20 26.0226.02 FF 99 1.231.23 0.840.84 1.151.15 비교예1Comparative Example 1 CC 66 21.3821.38 14.7614.76 33.3633.36 OO 88 26.9626.96 18.6018.60 31.5731.57 SiSi 1414 45.7345.73 31.5531.55 30.5030.50

실험예 2-2: Water Casting 방식으로 제조한 음극 활물질 소재의 주사전자현미경Experimental Example 2-2: Scanning electron microscope of anode active material manufactured by water casting method (FE-SEM) (FE-SEM) 분석analyze

상기 실시예2 및 비교예 1에서 제조된 실리콘계 음극 활물질 소재에 대하여 구조체 입자의 형상 및 내부 미세구조를 확인하기 위해 주사전자현미경(FE-SEM) 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 4에 나타내었다.Scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis was performed on the silicon-based anode active material prepared in Example 2 and Comparative Example 1 to confirm the shape and internal microstructure of the structural particles. The results are shown in Figure 4.

도 4(a)는 비교제조예 1의 소재, 도 4(b)는 실험예 2-2의 소재의 주사전자현미경(FE-SEM) 분석 결과와 에너지 분산형 분광분석법(EDS, energy dispersive spectrometer)을 통한 맵핑(mapping) 이미지를 나타낸 도면이다.Figure 4(a) shows the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis and energy dispersive spectrometry (EDS) of the material of Comparative Preparation Example 1, and Figure 4(b) shows the results of scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis of the material of Experimental Example 2-2. This is a diagram showing a mapping image through .

도 4(a)에서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)가 이산화규소(SiO2)의 표면에 형성되지 않은 것이 나타났고, 도 4(b)에서는 약 100nm 크기의 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 자기조립나노구조체가 산화규소(SiOx)의 표면에 조립막을 형성하고 있는 것으로 확인되었다. 또한 EDS확인 한 결과 나노구조체가 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)으로 확인(녹색)되었다.In Figure 4(a), it was shown that polyvinylidene fluoride (PVDF) was not formed on the surface of silicon dioxide (SiO 2 ), and in Figure 4(b), polyvinylidene fluoride (PVDF) magnets with a size of about 100 nm were observed. It was confirmed that the assembled nanostructure formed an assembled film on the surface of silicon oxide (SiOx). Additionally, as a result of EDS confirmation, the nanostructure was confirmed to be polyvinylidene fluoride (PVDF) (green).

하기의 표 3은 상기 에너지 분산형 분광분석법(EDS, energy dispersive spectrometer)을 통한 정량분석 결과를 바탕으로 계산된 상기 실시예2 및 비교예 2의 소재의 조성을 나타낸 것이다. 비교예 1에서는 소재 표면에 불소(F)가 존재하지 않지만 실시예2에서 불소(F)가 4.864% 정도 존재함을 확인할 수 있었다. Table 3 below shows the composition of the materials of Example 2 and Comparative Example 2 calculated based on the results of quantitative analysis through energy dispersive spectrometer (EDS). In Comparative Example 1, fluorine (F) was not present on the surface of the material, but in Example 2, it was confirmed that fluorine (F) was present in an amount of about 4.864%.

ElementElement At.No.At.No. Mass
[%]
Mass
[%]
Mass Norm.
[%]
Mass Norm.
[%]
Atom
[%]
Atom
[%]
abs. error[%]
(3 sigma)
abs. error[%]
(3 sigma)
실시예2Example 2 CC 66 18.8818.88 23.7723.77 35.7835.78 6.006.00 OO 88 22.1622.16 27.8927.89 31.5331.53 7.097.09 FF 99 4.064.06 5.115.11 4.864.86 1.421.42 SiSi 1414 34.3534.35 43.2343.23 27.8427.84 4.774.77 PtPt 7878 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 79.4579.45 100.00100.00 100.00100.00 비교
예2
comparison
Example 2
CC 66 10.4010.40 13.7813.78 22.6222.62 3.313.31
OO 88 23.9623.96 31.7731.77 39.1439.14 7.517.51 FF 99 0.060.06 0.080.08 0.080.08 0.030.03 SiSi 1414 41.041.0 54.3854.38 38.1738.17 5.705.70 PtPt 7878 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 75.4475.44 100.00100.00 100.00100.00

실험예 Experiment example 3: 3: 비표면적 및 기공부피 분석Specific surface area and pore volume analysis

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 음극 활물질 복합소재 분말 2g의 비표면적과 기공부피를 분석하기 위하여, 질소 흡탈착 실험을 수행하였다.In order to analyze the specific surface area and pore volume of 2g of the negative active material composite powder prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, a nitrogen adsorption and desorption experiment was performed.

질소 흡탈착 실험은 BET 비표면적 분석장비(BET, Brunauer Emmett Teller)를 이용하여, 흡착 등온 곡선 을 얻기 위해 77K의 온도 하에서 N2 흡착을 수행하였다. The nitrogen adsorption and desorption experiment was performed using a BET specific surface area analyzer (BET, Brunauer Emmett Teller), and N2 adsorption was performed under a temperature of 77K to obtain an adsorption isotherm curve.

이때, 비표면적(as, BET)은 BET식(Brunauer-Emmett-Teller equation)을 이용하였으며, 총 기공부피(total pore volume)는 상기 조건에서 흡착된 질소의 양을 통해 산출하였다.At this time, the specific surface area ( as, BET ) was calculated using the BET equation (Brunauer-Emmett-Teller equation), and the total pore volume was calculated from the amount of nitrogen adsorbed under the above conditions.

하기의 표 4는 BET 비표면적 분석 결과를 나타낸 것이고, 각 항목의 의미는 하기와 같다.Table 4 below shows the results of the BET specific surface area analysis, and the meaning of each item is as follows.

Vm: 시료 표면에 단분자층을 형성하는 데에 필요한 흡착량 (㎤/g)V m : Adsorption amount required to form a monomolecular layer on the sample surface (㎤/g)

as, BET: 시료의 비표면적 (m2g-1)a s, BET : Specific surface area of sample (m 2 g -1 )

C: BET 상수 (BET constant)C: BET constant

total pore volume: 총 기공 부피 (cm3g-1)total pore volume: total pore volume (cm 3 g -1 )

항목item 실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 Vm V m 0.99cm2(STP)g-1 0.99cm 2 (STP)g -1 1.027cm2(STP)g-1 1.027cm 2 (STP)g -1 as, BET as,BET 4.309m2g-1 4.309m 2 g -1 4.47m2g-1 4.47 m 2 g -1 CC 59.42659.426 132.59132.59 total pore volume
(P/P0 = 0.99 조건에서)
total pore volume
(Under the condition of P/P 0 = 0.99)
0.032258cm3g-1 0.032258cm 3 g -1 0.01724cm3g-1 0.01724cm 3 g -1

실험예 4Experimental Example 4 : : 기공크기 분석Pore size analysis

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 소재의 기공 크기는 Micromeritics사의 Surface area analyzer(ASAP-2420)로 측정하였다. 구체적으로, 실시예 1 및 비교예 1로부터 획득한 샘플의 질소 가스 등온 흡탈착 곡선(nitrogen gas sorption isotherm)에서 얻어지는 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 기공 크기 분포 곡선의 최대 피크 위치를 측정하여 분말 입자의 기공 크기를 측정하였다.The pore size of the material manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1 was measured using a Surface area analyzer (ASAP-2420) manufactured by Micromeritics. Specifically, the maximum peak position of the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) pore size distribution curve obtained from the nitrogen gas sorption isotherm of the samples obtained from Example 1 and Comparative Example 1 was measured to determine the powder particle size. The pore size was measured.

하기의 표 5는 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 기공 크기 분석 결과를 나타낸 것이고, 각 항목의 의미는 하기와 같다.Table 5 below shows the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) pore size analysis results, and the meaning of each item is as follows.

Vp: 세공 용적(cm3g-1)V p : Pore volume (cm 3 g -1 )

dp, peak(Vol): d p, peak (Vol):

ap: 기공의 비표면적a p : Specific surface area of pores

average pore diameter: 평균 기공 직경average pore diameter: average pore diameter

median pore diameter: 중간 기공 직경median pore diameter: median pore diameter

항목item 실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 Vp V p 0.031452cm3g-1 0.031452cm 3 g -1 0.016656cm3g-1 0.016656cm 3 g -1 dp, peak(Vol)d p, peak (Vol) 103.54nm103.54nm 90.216nm90.216nm ap a p 4.8915m2g-1 4.8915 m 2 g -1 4.5296m2g-1 4.5296m 2 g -1 Average pore diameterAverage pore diameter 25.72nm25.72 nm 14.709nm14.709 nm Median pore diameterMedian pore diameter 54.246nm54.246nm 24.057nm24.057 nm

상기와 같이 실시예 1은 비교예 1과 대비하여 평균 기공 직경(average pore diameter) 및 중간 기공 직경(median pore diameter)의 크기가 커서, 음극소재로서 사용된 실리콘의 구조변화를 최소화하고, 충-방전 전기화학반응 동안 부피팽창을 완화시켜 싸이클 안정성을 높일 수 있다.As described above, Example 1 has a larger average pore diameter and median pore diameter compared to Comparative Example 1, thereby minimizing structural changes in the silicon used as the cathode material and Cycle stability can be improved by alleviating volume expansion during discharge electrochemical reactions.

실험예 5Experimental Example 5 : : 충전 용량charging capacity , , 방전 용량discharge capacity 및 쿨롱 효율의 평가and evaluation of coulombic efficiency.

실시예 0의 분말을 슬러리 형태로 제조하기 위하여 실시예0의 분말 19.2wt.%, 인조흑연 76.8%, Super P 1wt.%, CMC 1.3wt.% 및 SBR 1.7wt.%의 비율로 물과 함께 혼합하여 고형분 농도 50% 상태로 제조하였다. 상기 슬러리를 구리(Cu) 금속 박막에 160mg/25cm2(6mg/cm 2 ) 로딩으로 도포, 건조하였고, 이때 순환되는 공기의 온도는 70℃였다.To prepare the powder of Example 0 in slurry form, the powder of Example 0 was mixed with water at a ratio of 19.2 wt.%, 76.8% artificial graphite, 1 wt.% Super P, 1.3 wt.% CMC, and 1.7 wt.% SBR. It was mixed and prepared at a solid content concentration of 50%. The slurry was applied to a copper (Cu) metal thin film at a loading of 160 mg/25 cm 2 (6 mg/cm 2 ) and dried. At this time, the temperature of the circulating air was 70°C.

이어서, 상기 슬러리가 도포, 건조된 음극 집전체를 압연(roll press)하고 120℃의 진공 오븐에서 8시간 동안 건조시켜 음극을 제조하였다.Next, the slurry applied and dried negative electrode current collector was rolled and dried in a vacuum oven at 120°C for 8 hours to prepare a negative electrode.

상기 음극을 각각 1.13cm2의 원형으로 절단하여 이를 작업 전극(working electrode)으로 하고, 상대 전극(counter electrode)은 Li-metal을 사용하였다.The cathodes were each cut into circular shapes of 1.13 cm 2 to be used as working electrodes, and Li-metal was used as the counter electrode.

상기 상대 전극과 작업 전극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 에틸메틸카보네이트(EMC), 디에틸카보네이트(DEC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피가 4:3:3인 혼합 용액에 1M 농도의 LiPF6이 용해된 전해액을 주입하여 Li-metal 및 음극이 1장씩 포함된 코인 하프 전지(coin-half-cell)을 5개 제조하여 가장 높은값과 낮은 값을 제외하여 3개셀의 값을 평균하였다.A porous polyethylene separator was interposed between the counter electrode and the working electrode, and ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), and ethylene carbonate (EC) were mixed at a concentration of 1M in a mixed solution with a mixing volume of 4:3:3. Five coin-half-cells containing one sheet of Li-metal and one cathode were manufactured by injecting an electrolyte solution containing dissolved LiPF6. The values of the three cells were averaged by excluding the highest and lowest values. .

상기 코인 하프 전지(coin-half-cell)를 하기의 표 6와 같은 조건으로 25도의 온도에서 각각 충전 용량, 방전 용량 및 쿨롱 효율을 평가하는 실험을 진행하였다.An experiment was conducted to evaluate the charge capacity, discharge capacity, and coulombic efficiency of the coin-half-cell at a temperature of 25 degrees under the conditions shown in Table 6 below.

사이클cycle 전류밀도 조건Current density conditions 충전 cut-off 전압Charging cut-off voltage 방전 cut-off 전압Discharge cut-off voltage 휴지시간pause time 1~31~3 0.3mA/cm2 0.3mA/ cm2 0.01V0.01V 1.5V1.5V 10분10 minutes 4~504~50 0.5 mA/cm2 0.5 mA/ cm2

상기 1~3 사이클에서는 0.3mA/cm2의 정전류로 충전하여 전압 0.01V 도달 시 cut-off한 후 OCV상태로 10분의 휴지기를 두고, 0.3mA/cm2의 정전류로 방전하다가 전압이 1.5V에 도달 시 cut-off 되도록 설정하여 각 사이클 충전 및 방전을 진행하였다. In the above 1 to 3 cycles, the battery is charged with a constant current of 0.3 mA/cm 2 , cut-off when the voltage reaches 0.01 V, then left in OCV state for 10 minutes, then discharged with a constant current of 0.3 mA/cm 2 and then the voltage drops to 1.5 V. Each cycle was charged and discharged by setting the cut-off when reaching .

상기 4~50 사이클에서는 0.5mA/cm2의 정전류로 충전하여 전압 0.01V 도달 시 cut-off한 후 OCV상태로 10분의 휴지기를 두고, 0.5mA/cm2의 정전류로 방전하다가 전압이 1.5V에 도달 시 cut-off 되도록 설정하여 각 사이클 충전 및 방전을 진행하였다.In the above 4 to 50 cycles, the battery is charged with a constant current of 0.5 mA/cm 2 , cut-off when the voltage reaches 0.01 V, then left in OCV state for 10 minutes, then discharged with a constant current of 0.5 mA/cm 2 and then the voltage drops to 1.5 V. Each cycle was charged and discharged by setting the cut-off when reaching .

상기 코인 하프 전지(coin-half-cell)를 상기 표 6의 조건으로 첫사이클 충전 용량, 방전 용량 , 초기비가역용량 , 쿨롱 효율(Coulombic efficiency), 50사이클 용량유지율 및 전극접착력 을 평가한 결과는 하기의 표 7 과 같았다.The results of evaluating the first cycle charge capacity, discharge capacity, initial irreversible capacity, Coulombic efficiency, 50 cycle capacity retention rate, and electrode adhesion of the coin-half-cell under the conditions of Table 6 are as follows. It was the same as Table 7 in .

실시예 1에서 50사이클용량유지율은 91.3으로 비교예1과 비교예2보다 높은 것을 확인할 수 있었다. In Example 1, the 50 cycle capacity maintenance rate was 91.3, which was higher than Comparative Examples 1 and 2.

실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 비교예2Comparative example 2 첫사이클 충전용량
(mAh/g)
First cycle charging capacity
(mAh/g)
617.4617.4 711.68711.68 492.8492.8
첫사이클 방전용량(mAh/g)First cycle discharge capacity (mAh/g) 528.6528.6 602.2602.2 425.9425.9 초기비가역용량(mAh/g)Initial irreversible capacity (mAh/g) 88.988.9 109.4109.4 66.966.9 초기효율(%)Initial efficiency (%) 85.685.6 84.684.6 86.486.4 50사이클용량유지율50 cycle capacity maintenance rate 91.391.3 52.352.3 87.887.8 전극접착력(N)Electrode adhesion (N) 0.420.42 0.230.23 0.430.43

또한 실시예 0의 분말을 슬러리 형태로 제조하기 위하여 실시예0의 분말 96%, Super P 1wt.%, CMC 1.3wt.% 및 SBR 1.7wt.%의 비율로 물과 함께 혼합하여 고형분 농도 50% 상태로 제조하였다. 상기 슬러리를 구리(Cu) 금속 박막에 160mg/25cm2의(6mg/cm2) 로딩으로 도포, 건조하였고, 이때 순환되는 공기의 온도는 70℃였다. 상기 표 6의 조건으로 첫사이클 충전 용량, 방전 용량 , 초기비가역용량 , 쿨롱 효율(Coulombic efficiency), 50사이클 용량유지율 및 전극접착력을 평가해 보았고 그 평가 결과는 하기의 표 8과 같았다.In addition, in order to prepare the powder of Example 0 in the form of a slurry, the powder of Example 0 was mixed at a ratio of 96%, Super P 1wt.%, CMC 1.3wt.%, and SBR 1.7wt.% with water to obtain a solid concentration of 50%. It was manufactured as is. The slurry was applied to a copper (Cu) metal thin film at a loading of 160 mg/25 cm2 (6 mg/cm2) and dried. At this time, the temperature of the circulating air was 70°C. First cycle charge capacity, discharge capacity, initial irreversible capacity, Coulombic efficiency, 50 cycle capacity maintenance rate, and electrode adhesion were evaluated under the conditions of Table 6 above, and the evaluation results are shown in Table 8 below.

실시예 3에서 50사이클용량유지율은 69.5로 비교예3과 비교예4보다 높은 것을 확인할 수 있었다. In Example 3, it was confirmed that the 50-cycle capacity maintenance rate was 69.5, which was higher than Comparative Examples 3 and 4.

표8과 도 5-1, 5-2, 5-3에서 실시예 3은 적정량의 PVDF 코팅이 된 음극소재이고 비교예 3은 PVDF 코팅을 하지 않은 음극소재이며 비교예 4는 PVDF 코팅이 과도한 음극소재이다.In Table 8 and Figures 5-1, 5-2, and 5-3, Example 3 is a cathode material with an appropriate amount of PVDF coating, Comparative Example 3 is a cathode material without PVDF coating, and Comparative Example 4 is a cathode material with excessive PVDF coating. It is a material.

실시예 3Example 3 비교예 3Comparative Example 3 비교예4Comparative example 4 첫사이클 충전용량
(mAh/g)
First cycle charging capacity
(mAh/g)
2095.72095.7 2263.52263.5 1034.61034.6
첫사이클 방전용량(mAh/g)First cycle discharge capacity (mAh/g) 1467.31467.3 1630.71630.7 744.9744.9 초기비가역용량(mAh/g)Initial irreversible capacity (mAh/g) 628.4628.4 632.8632.8 289.7289.7 초기효율(%)Initial efficiency (%) 7070 7272 7272 50사이클용량유지율50 cycle capacity maintenance rate 69.569.5 36.236.2 60.360.3

각 실시예 및 비교예의 음극소재는 동등 수준의 초기효율을 나타내나, 초기 충전 시의 전압곡선을 통해 충전 저항 수준이 다름을 알 수 있다. 초기 충전 시의 전압곡선 그래프는 도 5에 나타내었다.The cathode materials of each Example and Comparative Example showed the same level of initial efficiency, but it can be seen that the charging resistance level is different through the voltage curve during initial charging. The voltage curve graph during initial charging is shown in Figure 5.

실시예 3의 경우 충전 곡선 전압 비교 시 비교예 3대비 충전 전압이 높게 형성되어 있으며, 0.01V에서 시작하는 CV충전량 비율이 비교예3 대비 현저히 낮음을 볼 때 본 발명자들이 PVDF코팅에 의해 기대하는 낮은 표면저항이 실현되었다고 볼 수 있다. 반면 비교예4의 경우 CV충전량 비율이 전체의 40% 수준으로 매우 높음을 알 수 있고 이는 초기 부도체인 PVDF가 표면에 과량으로 존재함에 따라 저항으로 작용되었기 때문으로 볼 수 있다.In the case of Example 3, when comparing the charging curve voltage, the charging voltage was formed higher than that of Comparative Example 3, and considering that the CV charging rate starting at 0.01 V was significantly lower than that of Comparative Example 3, the low voltage expected by the present inventors by PVDF coating It can be seen that surface resistance has been realized. On the other hand, in the case of Comparative Example 4, it can be seen that the CV charge ratio is very high at about 40% of the total, which can be seen as because PVDF, an initial insulator, exists in excess on the surface and acts as resistance.

Claims (6)

리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재에 있어서,
실리콘계 화합물;
상기 실리콘계 화합물의 표면을 코팅하는 불소계 수지; 및
전도성 입자를 포함하고,
프라이머를 포함하고,
상기 전도성 입자는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 전체 중량 대비 0.1~5 중량%로 포함되며,
상기 전도성 입자의 평균입경(D50)은 0.1~20um 인 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재.
In the lithium secondary battery negative active material composite material,
Silicone-based compounds;
A fluorine-based resin coating the surface of the silicon-based compound; and
Contains conductive particles,
Contains a primer,
The conductive particles are contained in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the lithium secondary battery negative active material composite material,
A lithium secondary battery negative active material composite material where the average particle diameter (D 50 ) of the conductive particles is 0.1 to 20 um.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 화합물은 실리콘, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2), 실리콘-금속 합금, 실리콘 산화물 입자(SiOx, 0<x≤2)의 금속 합금 및 실리콘-탄소 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재.
According to paragraph 1,
The silicon-based compound is selected from the group consisting of silicon, silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2), silicon-metal alloys, metal alloys of silicon oxide particles (SiO x , 0<x≤2), and silicon-carbon composites. One or more selected lithium secondary battery negative active material composite materials.
제1항에 있어서,
상기 전도성 입자는 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재.
According to paragraph 1,
A lithium secondary battery negative active material composite material wherein the conductive particles are one or more selected from the group consisting of graphite, carbon fiber, carbon nanotubes, and carbon black.
제1항에 있어서,
상기 실리콘계 화합물에 포함되는 실리콘의 함량범위는 상기 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재 전체 중량 대비 20~70 중량%인 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재.
According to paragraph 1,
A lithium secondary battery negative electrode active material composite material in which the content range of silicon contained in the silicon-based compound is 20 to 70% by weight based on the total weight of the lithium secondary battery negative electrode active material composite material.
제1항에 있어서,
상기 불소계 수지는 상기 실리콘계 화합물 100 중량부 대비 0.1~20 중량부로 포함되는 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재.
According to paragraph 1,
A lithium secondary battery negative active material composite material containing the fluorine-based resin in an amount of 0.1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the silicon-based compound.
제1 항에 있어서,
상기 프라이머는 다이메톡시다이페닐실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디실트리메톡시실란, 메틸트라이메톡시실란, 메틸트리톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 옥타디실트리톡시실란, 옥틸트리에톡시실란, 테라에톡시실란, 트리플루오프로필트리톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 헥사메틸다이실라잔, 헥실트리메톡시실란, 3- 아크록실프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실란, n-헥실트리에톡시실란, p-스티릴트리메톡시실란으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 리튬 이차전지 음극 활물질 복합소재.
According to claim 1,
The primers include dimethoxydiphenylsilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, disyltrimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltritoxysilane, vinyltrimethoxysilane, octadicyltritoxysilane, and jade. Tyltriethoxysilane, teraethoxysilane, trifluopropyltrithoxysilane, phenyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, hexamethyldisilazane, hexyltrimethoxysilane, 3-acroxylpropyltrimethoxysilane , 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, n-hexyltriethoxysilane, p-sti. A lithium secondary battery negative electrode active material composite material that is at least one selected from the group consisting of liltrimethoxysilane.
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