KR102853401B1 - Preparation method of secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명의 구현예는 산화환원반응에 의해 음극을 리튬으로 프리도핑하는 공정을 포함하는 이차전지의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 제조방법에 의해 제조된 이차전지는 안전성 구현은 물론, 에너지 밀도를 크게 향상시키고, 사이클 특성 및 레이트 특성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 특히 초기 방전용량 및 용량 유지율을 현저히 향상시킬 수 있다.An embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a secondary battery, which includes a process for pre-doping a negative electrode with lithium by a redox reaction, wherein a secondary battery manufactured by the method not only realizes safety, but also significantly improves energy density, further improves cycle characteristics and rate characteristics, and in particular, significantly improves initial discharge capacity and capacity retention rate.
Description
본 발명은 산화환원반응에 의해 음극을 리튬으로 프리도핑하는 공정을 포함하는 이차전지의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a secondary battery, which includes a process of pre-doping a negative electrode with lithium by a redox reaction.
최근 정보 통신 산업의 발전으로 전자기기가 소형화, 경량화, 박형화 및 휴대화됨에 따라, 이러한 전자기기의 전원으로 사용되는 전지의 고에너지 밀도화에 대한 요구가 높아지고 있다. 리튬 이차전지는 이러한 요구를 가장 잘 충족시킬 수 있는 전지로서, 이를 이용한 소형 전지뿐만 아니라 자동차 등 대형의 전자기기 및 전력저장 시스템의 적용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recent advancements in the information and communication industry have led to electronic devices becoming smaller, lighter, thinner, and more portable. This has led to a growing demand for higher energy density batteries used as power sources for these devices. Lithium secondary batteries are ideally suited to meet these demands, and research is actively underway on their application not only in small batteries but also in large electronic devices such as automobiles and power storage systems.
리튬 이차전지는, 양극으로서 LiCoO2 및 LiMn2O4 등의 리튬 함유 전이 금속 산화물을, 음극으로서 흑연 등의 탄소계 재료를 주로 사용하여 왔으나, 특히 리튬 이차전지의 고용량화 구현을 위해 최근, 분리막 등의 구성 재료의 막 두께를 저감시키는 방법 등을 사용하여 과도한 활물질의 충전율의 향상, 분리막의 박형화, 또는 충전 전압의 고전압화 등에 의해 리튬 이차전지의 안전성에 악영향을 주는 문제가 발생되고 있다. Lithium secondary batteries have mainly used lithium-containing transition metal oxides such as LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 as positive electrodes and carbon-based materials such as graphite as negative electrodes. However, in order to achieve high capacity of lithium secondary batteries, methods for reducing the film thickness of constituent materials such as separators have been recently used, resulting in problems that adversely affect the safety of lithium secondary batteries due to excessive increase in the charging rate of active materials, thinning of separators, or high charging voltages.
이에, 이차전지의 신뢰성 및 안전성을 구현하면서 고에너지 밀도화가 가능한 새로운 재료, 예를 들어 규소나 주석 및 이의 산화물계 등의 합금 음극 활물질이 차세대의 고용량 재료로서 주목 받고 있다. 상기 산화물계 합금 음극 활물질은 비산화물계 음극 활물질에 비해 부피 변화가 적고 흑연에 비해 4배 이상의 충방전용량을 갖는 장점이 있다. 그러나, 상기 산화물계 합금 음극 활물질은 첫회 충방전시의 비가역용량이 크다고 하는 문제가 있다. Accordingly, new materials capable of achieving high energy density while realizing the reliability and safety of secondary batteries, such as alloy anode active materials such as silicon, tin, and their oxides, are attracting attention as next-generation high-capacity materials. The oxide alloy anode active materials have the advantage of having less volume change than non-oxide alloy anode active materials and a charge/discharge capacity that is four times higher than that of graphite. However, the oxide alloy anode active materials have the problem of having a large irreversible capacity during the first charge/discharge.
일반적으로 규소 산화물로 이루어지는 음극 활물질은 초기 충전시에, 가역적으로 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 물질 및 리튬을 흡장 및 방출할 수 없는 물질(비가역물질)로 합금화 반응한다. 그 때문에, 설계 당초 양극에 있던 리튬 이온이 감소해 버리는 문제가 있다. Typically, the negative active material, typically composed of silicon oxide, undergoes an alloying reaction during initial charging, forming a material capable of reversibly absorbing and releasing lithium and a material (irreversible material) that cannot absorb or release lithium. This leads to a problem in that the lithium ions initially present in the positive electrode are reduced.
이와 관련하여, 일본 공개특허공보 제 2002-313324호에 음극 제작시에 리튬 금속을 음극에 직접 첨가하여 초기 효율을 개선하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 리튬 금속을 음극에 직접 첨가하는 경우, 음극 활물질 조성물 제조 시 겔화가 일어남으로써, 이차전지의 공정상 문제 및 성능 문제가 야기될 수 있다. In this regard, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-313324 discloses a method for improving initial efficiency by directly adding lithium metal to the negative electrode during its manufacture. However, when lithium metal is directly added to the negative electrode, gelation occurs during the manufacture of the negative electrode active material composition, which can cause processing and performance issues in the secondary battery.
또한, 일본 공개특허공보 제 2008-084842호에서는, 이차전지 제조 시 리튬 금속을 음극에 접촉시켜 도핑하는 방법이 개시되어 있지만, 이 경우, 규소 산화물이나 주석 산화물과의 큰 발열을 수반하는 반응이 일어날 수 있으므로 이차전지의 안전성에 문제가 있을 수 있다. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-084842 discloses a method of doping lithium metal by bringing it into contact with a negative electrode during the manufacture of a secondary battery. However, in this case, a reaction with a large amount of heat generation may occur with silicon oxide or tin oxide, which may pose a problem with the safety of the secondary battery.
한편, 산화규소계(SiOx(0.9≤x≤1.6)) 재료에 리튬을 직접 도핑하는 기술이 일본 공개특허공보 제 2011-222153호 및 일본 등록특허공보 제6274253호에 개시되어 있다. 그러나, 이들 문헌에 제시된 기술에 따를 경우, 만족할만한 이차전지 특성을 얻지 못하거나, 반응속도가 느리고 대량생산 및 실용화면에서 어려움이 있다.Meanwhile, a technology for directly doping lithium into silicon oxide (SiOx(0.9≤x≤1.6)) materials is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-222153 and Japanese Patent Registration No. 6274253. However, when following the technology presented in these documents, satisfactory secondary battery characteristics are not obtained, or the reaction speed is slow, making mass production and practical use difficult.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 에너지 밀도, 사이클 특성 및 레이트 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention has been designed to solve the problems of the above-mentioned prior art, and the technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a secondary battery capable of improving energy density, cycle characteristics, and rate characteristics.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 구현예는 (1) 규소계 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질 조성물을 음극 집전체에 도포하여 음극을 제조하는 제 1 공정; (2) 상기 음극 및 리튬 금속판을 반응조에 위치시킨 후, 산화환원반응을 실시하여 상기 음극을 리튬으로 프리도핑(predoping)하는 제 2 공정; 및 (3) 상기 리튬으로 프리도핑된 음극, 분리막, 및 금속 산화물을 포함하는 양극을 순차적으로 적층하여 전극을 제조하는 제 3 공정;을 포함하는, 이차전지의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention comprises (1) a first step of manufacturing a negative electrode by applying a negative electrode active material composition including a silicon-based negative electrode active material to a negative electrode current collector; (2) a second step of placing the negative electrode and a lithium metal plate in a reaction vessel and then performing a redox reaction to predope the negative electrode with lithium; and (3) the negative electrode predoped with lithium. A method for manufacturing a secondary battery is provided, including a third process for manufacturing an electrode by sequentially stacking a separator and a cathode including a metal oxide.
상기 구현예에 따른 이차전지의 제조방법은 안전성 구현은 물론, 에너지 밀도를 크게 향상시키고, 사이클 특성 및 레이트 특성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 특히 이차전지의 초기 방전용량 및 용량 유지율을 현저히 향상시킬 수 있다.The method for manufacturing a secondary battery according to the above embodiment can not only realize safety, but also significantly improve energy density, further improve cycle characteristics and rate characteristics, and in particular, significantly improve the initial discharge capacity and capacity retention rate of the secondary battery.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지의 제조방법에 있어서, 음극을 리튬으로 프리도핑하는 공정의 일례를 도시한 것이다.FIG. 1 illustrates an example of a process for pre-doping a negative electrode with lithium in a method for manufacturing a secondary battery according to one embodiment of the present invention.
본 발명은 이하에 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라, 발명의 요지가 변경되지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다. The present invention is not limited to the contents disclosed below, and may be modified in various forms as long as the gist of the invention is not changed.
본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. As used herein, the term “comprising” means that other components may be included unless otherwise stated.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.Additionally, all numbers and expressions indicating the amounts of components, reaction conditions, etc. described in this specification should be understood to be modified by the term “about” in all cases unless otherwise specified.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지의 제조방법은 (1) 규소계 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질 조성물을 음극 집전체에 도포하여 음극을 제조하는 제 1 공정; (2) 상기 음극 및 리튬 금속판을 반응조에 위치시킨 후, 산화환원반응을 실시하여 상기 음극을 리튬으로 프리도핑(predoping)하는 제 2 공정; 및 (3) 상기 리튬으로 프리도핑된 음극, 분리막, 및 금속 산화물을 포함하는 양극을 순차적으로 적층하여 전극을 제조하는 제 3 공정;을 포함한다. A method for manufacturing a secondary battery according to one embodiment of the present invention comprises: (1) a first step of manufacturing an anode by applying a negative electrode active material composition including a silicon-based negative electrode active material to a negative electrode current collector; (2) a second step of placing the negative electrode and a lithium metal plate in a reaction vessel and then performing a redox reaction to predope the negative electrode with lithium; and (3) the negative electrode predoped with lithium. A third process for manufacturing an electrode by sequentially stacking a separator and an anode including a metal oxide;
상기 제 1 공정은 규소계 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질 조성물을 음극 집전체에 도포하여 음극을 제조하는 공정이다. 또한, 상기 제 1 공정에서, 상기 음극 집전체에 규소계 음극 활물질 조성물을 도포한 후, 압연 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이는 통상적으로 사용하는 방법으로 수행될 수 있다.The above first process is a process for manufacturing a negative electrode by applying a negative electrode active material composition including a silicon-based negative electrode active material to a negative electrode current collector. In addition, the above first process may further include a step of rolling and drying after applying the silicon-based negative electrode active material composition to the negative electrode current collector, which may be performed using a method commonly used.
구체적으로, 상기 음극은 음극 집전체 상에 규소계 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합한 음극 활물질 조성물을 도포한 후 건조하여 제조된다. 구체적으로 상기 규소계 음극 활물질에 바인더와 용매, 필요에 따라 도전재와 분산제를 혼합 및 교반하여 음극 활물질 조성물을 제조한 후 이를 집전체에 도포하고 압연 및 건조하여 음극을 제조할 수 있다. Specifically, the negative electrode is manufactured by applying a negative electrode active material composition comprising a silicon-based negative electrode active material, a conductive agent, and a binder to a negative electrode current collector, and then drying the same. Specifically, the negative electrode can be manufactured by mixing and stirring the silicon-based negative electrode active material with a binder, a solvent, and, if necessary, a conductive agent and a dispersant to manufacture a negative electrode active material composition, and then applying the same to a current collector, rolling, and drying the same.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음극은 규소계 음극 활물질을 포함하며, 상기 규소계 음극 활물질은 규소 미립자, SiOx(0.3≤x≤1.6)로 표시되는 화합물, 이산화규소, 및 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 조합을 포함하는 규산염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the negative electrode includes a silicon-based negative electrode active material, and the silicon-based negative electrode active material may include at least one selected from the group consisting of silicon fine particles, a compound represented by SiOx (0.3≤x≤1.6), silicon dioxide, and a silicate containing magnesium, calcium, aluminum, or a combination thereof.
상기 음극 활물질에 있어서, 규소의 함량은 음극 활물질 총 중량에 대해 30 중량% 내지 80 중량%, 구체적으로 40 중량% 내지 80 중량%, 더욱 구체적으로 40 중량% 내지 70 중량%, 특히 40 중량% 내지 60 중량%일 수 있다. 규소의 함량이 30 중량% 미만인 경우, 리튬의 흡장 및 방출시에 작용하는 음극 활물질의 양이 적기 때문에, 이차전지의 충방전용량이 저하될 수 있고, 반대로 80 중량%를 초과하는 경우, 이차전지의 충방전용량은 커질 수 있지만, 충방전시의 전극의 팽창·수축이 지나치게 커져, 사이클 특성이 저하될 수 있다. In the above negative active material, the content of silicon may be 30 wt% to 80 wt%, specifically 40 wt% to 80 wt%, more specifically 40 wt% to 70 wt%, and especially 40 wt% to 60 wt%, based on the total weight of the negative active material. When the content of silicon is less than 30 wt%, the amount of negative active material that acts upon absorption and release of lithium is small, so that the charge/discharge capacity of the secondary battery may decrease, and conversely, when it exceeds 80 wt%, the charge/discharge capacity of the secondary battery may increase, but the expansion and contraction of the electrode during charge/discharge may become excessively large, so that the cycle characteristics may decrease.
상기 규소 미립자는 결정질 또는 비정질(amorphous)일 수 있으며, 구체적으로 비정질 또는 이와 유사한 상일 수 있다. 상기 규소 미립자가 비정질 또는 이와 유사한 상인 경우, 리튬 이차전지의 충방전시의 팽창 또는 수축이 작고, 용량 특성 등의 전지 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. The above silicon particles may be crystalline or amorphous, and specifically, may be amorphous or a similar phase. When the silicon particles are amorphous or a similar phase, expansion or contraction during charging and discharging of a lithium secondary battery is small, and battery performance, such as capacity characteristics, can be further improved.
또한, 상기 규소 미립자는 SiOx(0.3≤x≤1.6)로 표시되는 화합물, 이산화규소, 및 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 조합을 포함하는 규산염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상에 균일하게 분산되어 존재하거나 이들을 둘러싸면서 존재할 수 있으며, 이 경우 규소의 팽창 또는 수축을 억제할 수 있으므로 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 규소 미립자가 탄소 피막을 포함하는 탄소층이 형성된 경우도 마찬가지로 산화규소 화합물 또는 규산염 중에 분산된 구조일 수 있다. In addition, the silicon fine particles may be uniformly dispersed in or may be present while surrounding at least one selected from the group consisting of a compound represented by SiOx (0.3≤x≤1.6), silicon dioxide, and a silicate containing magnesium, calcium, aluminum, or a combination thereof, and in this case, expansion or contraction of silicon can be suppressed, thereby improving the performance of the secondary battery. Meanwhile, in the case where the silicon fine particles form a carbon layer containing a carbon film, the structure may likewise be dispersed in a silicon oxide compound or silicate.
또한, 상기 규소계 음극 활물질이 상기 규소 미립자를 포함하는 경우, 규소 미립자의 큰 비표면적으로 리튬 합금을 형성하여 벌크의 파괴를 억제하기 때문에 바람직하다. 상기 규소 미립자는 충전 시 리튬과 반응하여 Li4.2Si를 형성하고, 방전시에 규소로 되돌아간다. In addition, when the silicon-based negative electrode active material includes silicon microparticles, it is preferable because the large specific surface area of the silicon microparticles forms a lithium alloy, thereby suppressing bulk destruction. The silicon microparticles react with lithium during charging to form Li 4.2 Si, and revert to silicon during discharge.
상기 규소 미립자는, 구리를 음극 타겟으로 한 X선 회절(Cu-Kα) 분석시, 2θ=47.5°부근을 중심으로 한 Si(220)의 회절 피크의 반가폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)을 기초로 시라법(sherrer equation)에 의해 구할 경우, 2 ㎚ 내지 10 ㎚, 구체적으로 2 nm 내지 9 nm, 보다 구체적으로 2 nm 내지 8 nm의 결정자 크기를 가질 수 있다. 규소 미립자의 결정자 크기가 10 nm를 초과하는 경우 충방전시에 생기는 부피 팽창 또는 수축에 의해, 음극 활물질에 균열이 생겨 사이클 특성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 규소 미립자의 결정자 크기가 2 nm 미만인 경우 충방전 용량이 저하될 수 있고, 반응성이 높아지기 때문에 보관 중에 물성 변화가 생길 수 있으며, 이로 인해 공정성 문제가 발생할 수 있다. 규소 미립자의 결정자 크기가 상기 범위에 있는 경우, 충방전에 기여하지 않는 영역이 거의 존재하지 않으며, 충전 용량과 방전 용량의 비율을 나타내는 쿨롱 효율, 즉 충방전 효율의 감소를 억제할 수 있다.The above silicon particles may have a crystallite size of 2 nm to 10 nm, specifically 2 nm to 9 nm, and more specifically 2 nm to 8 nm, when calculated by the Sherrer equation based on the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak of Si (220) centered around 2θ = 47.5° during X-ray diffraction (Cu-Kα) analysis using copper as a cathode target. If the crystallite size of the silicon particles exceeds 10 nm, cracks may occur in the cathode active material due to volume expansion or contraction during charge and discharge, which may deteriorate the cycle characteristics. In addition, if the crystallite size of the silicon particles is less than 2 nm, the charge and discharge capacity may decrease, and since the reactivity increases, changes in the physical properties may occur during storage, which may cause processability problems. When the crystallite size of the silicon microparticles is within the above range, there is almost no area that does not contribute to charge and discharge, and the decrease in the Coulomb efficiency, which represents the ratio of charge capacity to discharge capacity, i.e., charge and discharge efficiency, can be suppressed.
상기 규소 미립자를 한층 더 미립화하여 비정질 또는 결정자 크기를 2 내지 6 nm 정도로 미립화할 경우, 상기 음극 활물질의 밀도가 커져, 이론 밀도에 근접할 수 있으며, 기공이 크게 감소할 수 있다. 이로 인해, 매트릭스의 밀도가 향상되고 강도가 강화되어, 균열을 방지할 수 있으므로, 이차전지의 초기 효율이나 사이클 수명 특성이 더욱 향상될 수 있다. When the above-mentioned silicon microparticles are further refined to an amorphous or crystalline size of approximately 2 to 6 nm, the density of the negative active material increases, approaching the theoretical density, and pores can be significantly reduced. This enhances the density and strength of the matrix, thereby preventing cracking, thereby further improving the initial efficiency and cycle life characteristics of the secondary battery.
또한, 상기 음극 활물질은 SiOx(0.3≤x≤1.6)로 표시되는 화합물 또는 이산화규소 등의 산화규소 화합물을 포함할 수 있다. 상기 화합물은 구체적으로 SiOx(0.5≤x≤1.6), 이산화규소 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 더욱 구체적으로, SiOx(0.7≤x≤1.2), 이산화규소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이러한 산화규소 화합물을 포함함으로써 이차전지에 적용 시 용량을 향상시키고 부피 팽창을 감소시킬 수 있다. In addition, the negative active material may include a compound represented by SiOx(0.3≤x≤1.6) or a silicon oxide compound such as silicon dioxide. The compound may be specifically SiOx(0.5≤x≤1.6), silicon dioxide or a mixture thereof, and more specifically, SiOx(0.7≤x≤1.2), silicon dioxide or a mixture thereof. By including such a silicon oxide compound, when applied to a secondary battery, the capacity can be improved and volume expansion can be reduced.
상기 산화규소 화합물은 비정질이거나 에너지 분산형 X선 회절(EDX: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 또는 투과 전자현미경에 의해 확인 시 수 nm 내지 수십 nm 정도의 규소의 미립자(비정질)가 상기 산화규소 화합물에 분산된 구조일 수 있다. The above silicon oxide compound may be amorphous or may have a structure in which silicon fine particles (amorphous) of several nm to several tens of nm in size are dispersed in the silicon oxide compound as confirmed by energy dispersive X-ray diffraction (EDX) or transmission electron microscopy.
상기 산화규소 화합물은 이산화규소와 서브 마이크론의 규소 분말 또는 50 nm 이하의 규소 미립자와의 혼합물을 가열하여 생성한 산화규소 가스를 냉각 및 석출하는 단계를 포함하는 방법에 의해 얻을 수 있다.The above silicon oxide compound can be obtained by a method including a step of cooling and precipitating silicon oxide gas generated by heating a mixture of silicon dioxide and sub-micron silicon powder or silicon fine particles of 50 nm or less.
상기 산화규소 화합물은 비정질로, 방전시에 리튬 이온과 비가역반응을 일으켜 Li-Si-O, 또는 Si+Li2O를 형성할 수 있다. 따라서, 산화규소 화합물 중의 이산화규소의 함량이 많을 수록 초기 비가역반응이 증가하고, 초기 효율이 저하될 수 있다. The above silicon oxide compound is amorphous and can undergo an irreversible reaction with lithium ions during discharge to form Li-Si-O or Si+Li 2 O. Therefore, as the content of silicon dioxide in the silicon oxide compound increases, the initial irreversible reaction increases and the initial efficiency may decrease.
상기 산화규소 화합물은, 음극 활물질 전체에 대해 5 몰% 내지 20 몰%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 산화규소 화합물의 함량이 5 몰% 미만인 경우, 이차전지의 부피 팽창 및 수명 특성이 저하될 수 있고, 20 몰%를 초과하는 경우, 이차전지의 초기 비가역반응이 증가할 수 있다. The above silicon oxide compound may be included in an amount of 5 mol% to 20 mol% relative to the entire negative electrode active material. If the content of the silicon oxide compound is less than 5 mol%, the volume expansion and lifespan characteristics of the secondary battery may deteriorate, and if it exceeds 20 mol%, the initial irreversible reaction of the secondary battery may increase.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음극 활물질은 이산화규소를 포함하지 않을 수 있다. 그 이유는, 규소 삽입 시 규산 리튬의 생성이 억제되어 초기 효율이 개선될 수 있는데, 이산화규소를 포함할 경우, 이산화규소가 리튬과 반응할 때, 규산리튬을 생성하는 비가역반응을 일으켜 초기 효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. According to one embodiment of the present invention, the negative active material may not include silicon dioxide. This is because, while the formation of lithium silicate can be suppressed when silicon is inserted, thereby improving initial efficiency, the inclusion of silicon dioxide may cause an irreversible reaction that generates lithium silicate when silicon dioxide reacts with lithium, thereby reducing the initial efficiency.
또한, 상기 음극 활물질은 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 조합을 포함하는 규산염을 포함할 수 있다. 상기 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 조합은 도핑된 형태로 포함될 수 있다. 구체적으로 상기 음극 활물질은 마그네슘을 포함하는 규산염을 포함할 수 있으며, 마그네슘은 도핑된 형태로 포함될 수 있다. Additionally, the negative active material may include a silicate containing magnesium, calcium, aluminum, or a combination thereof. The magnesium, calcium, aluminum, or a combination thereof may be included in a doped form. Specifically, the negative active material may include a silicate containing magnesium, and the magnesium may be included in a doped form.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 마그네슘을 포함하는 규산염은 MgSiO3 결정, Mg2SiO4 결정 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the silicate containing magnesium may include MgSiO 3 crystals, Mg 2 SiO 4 crystals, or a mixture thereof.
또한, 일 구현예에 따라, 상기 마그네슘을 포함하는 규산염은 MgSiO3 결정을 포함하며, Mg2SiO4 결정을 더 포함할 수 있다. Additionally, according to one embodiment, the silicate containing magnesium comprises MgSiO 3 crystals and may further comprise Mg 2 SiO 4 crystals.
상기 마그네슘을 포함하는 규산염의 경우, 마그네슘 도핑시, 예를 들어, SiO와 Mg를 1:1로 반응시켰을 경우, 원소가 균일하게 분포하고 있으면, 열역학상으로는 Si와 MgO만이 존재하게 되지만, 원소 농도 분포가 불균일한 경우는, Si와 MgO 뿐만 아니라, 미반응의 SiO, 금속 Mg 등, 다른 물질도 존재할 수 있다. In the case of the silicate containing the above magnesium, when doping with magnesium, for example, when SiO and Mg are reacted in a 1:1 ratio, if the elements are uniformly distributed, thermodynamically, only Si and MgO will exist, but if the element concentration distribution is non-uniform, other substances such as unreacted SiO, metallic Mg, etc. may exist in addition to Si and MgO.
본 발명의 일 구현예에 따라, 상기 음극 활물질은 Mg2SiO4 결정 및 MgO가 포함될 수도 있지만, 충/방전용량과 초기 효율을 향상시키기 위해서 MgSiO3 결정을 실질적으로 많이 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the negative active material may include Mg 2 SiO 4 crystals and MgO, but may include substantially more MgSiO 3 crystals to improve charge/discharge capacity and initial efficiency.
본 명세서에서 "실질적으로 많이 포함"또는 "실질적으로 포함"은 주성분으로서 포함하거나, 또는 주로 포함하는 것을 의미한다. As used herein, “substantially comprises” or “substantially comprises” means to include as a major component or to include primarily.
구체적으로, MgSiO3를 실질적으로 많이 포함한다는 것은, MgSiO3 결정을 Mg2SiO4 결정에 비해 많이 포함함을 의미하고, 예를 들어, X선 회절 분석에서 2θ =22.3°내지 23.3°의 범위에 나타나는 Mg2SiO4 결정에 해당하는 X선 회절 피크의 강도(IF) 및 2θ=30.5°내지 31.5°범위에 나타나는 MgSiO3 결정에 해당하는 X선 회절 피크의 강도(IE)의 비율인 IF/IE가 1 이하임을 의미한다. Specifically, containing substantially a large amount of MgSiO 3 means containing a large amount of MgSiO 3 crystals compared to Mg 2 SiO 4 crystals, and for example, it means that the ratio of the intensity (IF) of the X-ray diffraction peak corresponding to Mg 2 SiO 4 crystals appearing in the range of 2θ = 22.3° to 23.3° in X-ray diffraction analysis and the intensity (IE) of the X-ray diffraction peak corresponding to MgSiO 3 crystals appearing in the range of 2θ = 30.5° to 31.5°, IF/IE, is 1 or less.
상기 규산염에 있어서, SiOX에 대한 마그네슘의 함량은, 초기의 방전 특성이나 충방전시의 사이클 특성에 영향을 줄 수 있다. In the above silicate, the content of magnesium relative to SiO X can affect the initial discharge characteristics or the cycle characteristics during charge and discharge.
상기 SiOX 중의 규소는 리튬 원자와 합금화하여 초기의 방전 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 한편, MgSiO3 결정의 규산 마그네슘을 실질적으로 많이 포함하게 되는 경우, 규소 미립자의 미세화가 유지되어 매트릭스의 강도가 더 강화될 수 있다. 또한, 밀도가 향상하여 치밀한 매트릭스가 형성될 수 있다. 이로 인해, 초기 효율의 향상이나, 충방전 시 사이클의 개선 효과가 커질 수 있다. 그러나, Mg2SiO4 결정을 과잉량 포함하게 될 경우, 규소 미립자의 사이즈가 커져, 매트릭스의 강도나 밀도의 감소가 일어날 수 있고, 규소 원자와 리튬 원자의 합금화가 저하되어 이차전지의 초기의 방전 특성의 저하를 야기할 수 있다. Silicon in the above SiO X can significantly improve the initial discharge characteristics by alloying with lithium atoms. Meanwhile, when the magnesium silicate of the MgSiO 3 crystal is included in a substantial amount, the refinement of the silicon fine particles is maintained, so that the strength of the matrix can be further strengthened. In addition, the density can be improved, so that a dense matrix can be formed. As a result, the initial efficiency can be improved or the cycle improvement effect can be greatly improved during charge and discharge. However, when the Mg 2 SiO 4 crystal is included in an excessive amount, the size of the silicon fine particles can increase, which can cause a decrease in the strength or density of the matrix, and the alloying of silicon atoms and lithium atoms can be reduced, which can cause a deterioration in the initial discharge characteristics of the secondary battery.
상기 음극 활물질이 마그네슘을 포함하는 규산염을 포함하는 경우, 예를 들면, 폴리이미드를 바인더로 한 음극 활물질 조성물을 제조할 때, 마그네슘 대신 리튬으로 도핑한 경우에 비해 음극 활물질과 바인더와의 화학반응이 억제될 수 있다. 따라서, 이러한 음극 활물질을 이용하여 음극 활물질 조성물의 안전성을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 음극의 안전성뿐만 아니라, 이차전지의 사이클 특성도 개선시킬 수 있다. 또한, 마그네슘을 포함하는 규산염은 리튬 이온과 반응하기 어렵기 때문에, 전극에 적용시, 리튬 이온이 급증될 때의 전극의 팽창·수축량을 저감 시킴으로써 사이클 특성을 향상시킬 수 있다고 생각된다. 뿐만 아니라, 규소 미립자를 둘러싸는 연속상인 매트릭스가 상기 규산염에 의해, 강도가 강화될 수 있다고 생각된다. When the above-described negative active material comprises a silicate containing magnesium, for example, when manufacturing a negative active material composition using polyimide as a binder, the chemical reaction between the negative active material and the binder can be suppressed compared to when lithium is doped instead of magnesium. Therefore, by using such a negative active material, the safety of the negative active material composition can be improved, and thereby not only the safety of the negative electrode but also the cycle characteristics of the secondary battery can be improved. In addition, since the silicate containing magnesium is difficult to react with lithium ions, when applied to an electrode, it is thought that the cycle characteristics can be improved by reducing the amount of expansion and contraction of the electrode when lithium ions rapidly increase. In addition, it is thought that the strength of the matrix, which is a continuous phase surrounding the silicon fine particles, can be strengthened by the silicate.
상기 음극 활물질이 마그네슘을 포함하는 규산염을 포함하는 경우, 마그네슘의 도핑량, 즉 함량은 음극 활물질 전체 중량에 대해 3 중량% 내지 15 중량%, 구체적으로 4 중량% 내지 12 중량%일 수 있다. 상기 마그네슘의 함량이 3 중량% 이상인 경우, 이차전지의 첫회 효율의 향상을 달성할 수 있으며, 15 중량% 이하인 경우, 이차전지의 사이클 특성 및 취급 안전성면에서 유리할 수 있다. When the above-mentioned negative active material comprises a silicate containing magnesium, the doping amount of magnesium, i.e., the content, may be 3 wt% to 15 wt%, specifically 4 wt% to 12 wt%, based on the total weight of the negative active material. When the content of magnesium is 3 wt% or more, an improvement in the first-cycle efficiency of the secondary battery can be achieved, and when it is 15 wt% or less, it may be advantageous in terms of the cycle characteristics and handling safety of the secondary battery.
본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 상기 음극 활물질이 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 조합을 포함하는 규산염의 경우, 상기 칼슘 또는 알루미늄의 도핑량, 즉 함량은 음극 활물질 전체 중량에 대해 3 중량% 내지 15 중량%, 구체적으로 4 중량% 내지 12 중량%일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, when the negative electrode active material is a silicate containing calcium, aluminum or a combination thereof, the doping amount, i.e., content, of the calcium or aluminum may be 3 wt% to 15 wt%, specifically 4 wt% to 12 wt%, based on the total weight of the negative electrode active material.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 마그네슘, 칼슘 또는 알루미늄을 포함하는 규산염은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다:According to one embodiment of the present invention, the silicate containing magnesium, calcium or aluminum can be represented by the following chemical formula 1:
[화학식 1][Chemical Formula 1]
MxSiOy M x SiO y
상기 화학식 1에서,In the above chemical formula 1,
M은 Mg, Ca 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속이고,M is one or more metals selected from the group consisting of Mg, Ca and Al,
x는 0.5≤x≤2이며, x is 0.5≤x≤2,
y는 2.5≤y≤4이다.y is 2.5≤y≤4.
상기 화학식 1의 규산염은 산화규소 화합물보다 열역학적으로 깁스 자유에너지(Gibbs free energy)가 음의 값을 가지는 산화물이며, 비정질로, 리튬에 안정하여 초기 비가역 반응 발생을 억제하는 역할을 할 수 있다.The silicate of the above chemical formula 1 is an oxide having a more negative Gibbs free energy thermodynamically than a silicon oxide compound, and is amorphous and stable to lithium, which can play a role in suppressing the occurrence of an initial irreversible reaction.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지의 제조방법에 있어서, 상기 규소계 음극 활물질은 규소 분말과 이산화규소 분말을 혼합하여 규소-산화규소 원료 분말 혼합체를 얻는 단계; 상기 원료 분말 혼합체를 가열 및 증착시켜 규소산화물 복합체를 얻는 단계; 및 상기 규소산화물 복합체를 분쇄 및 분급하여 규소계 음극 활물질을 얻는 단계;를 포함하는 공정에 의해 제조된 것일 수 있다.In a method for manufacturing a secondary battery according to one embodiment of the present invention, the silicon-based negative electrode active material may be manufactured by a process including the steps of: mixing silicon powder and silicon dioxide powder to obtain a silicon-silicon oxide raw material powder mixture; heating and depositing the raw material powder mixture to obtain a silicon oxide composite; and crushing and classifying the silicon oxide composite to obtain a silicon-based negative electrode active material.
구체적으로 살펴보면, 상기 규소계 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 제 1 단계는 규소 분말과 이산화규소 분말을 혼합하여 규소-산화규소 원료 분말 혼합체를 얻는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, in the method for manufacturing the above silicon-based negative electrode active material, the first step may include a step of mixing silicon powder and silicon dioxide powder to obtain a silicon-silicon oxide raw material powder mixture.
상기 규소 분말과 이산화규소 분말의 혼합시, 상기 규소 분말에 대한 이산화 규소 분말의 혼합 몰비, 즉 이산화 규소 분말/규소 분말의 몰비는 0.9 초과 내지 1.1 미만, 구체적으로 1.01 이상 내지 1.08 이하일 수 있다. When mixing the above silicon powder and silicon dioxide powder, the mixing molar ratio of the silicon dioxide powder to the silicon powder, i.e., the molar ratio of silicon dioxide powder/silicon powder, may be greater than 0.9 and less than 1.1, specifically, 1.01 or more and 1.08 or less.
상기 규소계 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 제 2 단계는 상기 원료 분말 혼합체를 가열 및 증착시켜 규소산화물 복합체를 얻는 단계를 포함할 수 있다.In the method for manufacturing the above silicon-based negative electrode active material, the second step may include a step of heating and depositing the raw material powder mixture to obtain a silicon oxide composite.
상기 제 2 단계 중의 원료 분말 혼합체의 가열 및 증착은 800 ℃ 내지 1600 ℃, 구체적으로 1200 ℃ 내지 1500 ℃에서 이루어질 수 있다. 상기 가열 및 증착 온도가 800 ℃ 미만인 경우, 반응이 진행하기 어려워 생산성이 저하될 수 있고, 1600 ℃를 초과하는 경우, 원료 분말 혼합체가 용융할 수 있으며, 반응성이 저하될 수 있다.The heating and deposition of the raw material powder mixture in the second step may be performed at a temperature of 800°C to 1600°C, specifically 1200°C to 1500°C. If the heating and deposition temperature is lower than 800°C, the reaction may be difficult to proceed, resulting in reduced productivity. If it exceeds 1600°C, the raw material powder mixture may melt, resulting in reduced reactivity.
상기 규소계 음극 활물질의 제조방법에 있어서, 제 3 단계는 상기 규소산화물 복합체를 분쇄 및 분급하여 규소계 음극 활물질을 얻는 단계를 포함할 수 있다. In the method for manufacturing the above silicon-based negative electrode active material, the third step may include a step of pulverizing and classifying the silicon oxide complex to obtain the silicon-based negative electrode active material.
상기 분쇄는 상기 규소계 음극 활물질의 평균입경(D50)이 0.5 ㎛ 내지 15 ㎛, 구체적으로 2 ㎛ 내지 10 ㎛, 더욱 구체적으로 4 ㎛ 내지 8 ㎛이 되도록 분쇄하고 분급하여 수행될 수 있다. 상기 분쇄는 통상적으로 사용되는 분쇄기 또는 체를 이용하여 이루어질 수 있다.The above pulverization can be performed by pulverizing and classifying the silicon-based negative electrode active material so that the average particle size (D 50 ) is 0.5 ㎛ to 15 ㎛, specifically 2 ㎛ to 10 ㎛, and more specifically 4 ㎛ to 8 ㎛. The above pulverization can be performed using a conventionally used pulverizer or sieve.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 단계 및 제 3 단계 사이에, 상기 규소산화물 복합체를 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. Additionally, according to one embodiment of the present invention, between the second step and the third step, a step of cooling the silicon oxide complex may be further included.
상기 냉각은 불활성 가스를 주입하면서 상온에서 이루어질 수 있다. 상기 불활성 가스는 탄산 가스, 아르곤(Ar), 수증기(H2O), 헬륨(He), 질소(N2) 및 수소(H) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The above cooling can be performed at room temperature by injecting an inert gas. The inert gas can be at least one selected from carbon dioxide, argon (Ar), water vapor (H 2 O), helium (He), nitrogen (N 2 ), and hydrogen (H).
한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제 3 단계의 상기 분쇄 및 분급 후, 화학적 열분해 증착법을 이용하여 탄소 피막을 포함하는 탄소층을 상기 규소계 음극 활물질의 표면에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, after the pulverization and classification in the third step, a step of forming a carbon layer including a carbon film on the surface of the silicon-based negative electrode active material using a chemical pyrolysis deposition method may be further included.
상기 탄소층 형성은, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물; 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물; 하기 화학식 4로 표시되는 화합물; 및 아세틸렌, 벤젠, 톨루엔 및 자일렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 탄화수소 가스 중에서 선택된 1종 이상의 탄소원 가스를 투입하여 600 ℃ 내지 1200 ℃에서 가스 상태로 반응시킴으로써, 탄소 피막을 포함하는 탄소층을 음극 활물질의 표면에 형성할 수 있다. The above carbon layer formation can be achieved by injecting at least one carbon source gas selected from among a compound represented by the following chemical formula 2; a compound represented by the following chemical formula 3; a compound represented by the following chemical formula 4; and at least one hydrocarbon gas selected from among acetylene, benzene, toluene, and xylene, and reacting the carbon source gas in a gaseous state at 600°C to 1200°C, thereby forming a carbon layer including a carbon film on the surface of the negative electrode active material.
[화학식 2] [Chemical Formula 2]
CnH(2n+2-A)[OH]A C n H (2n+2-A) [OH] A
상기 화학식 2에서, In the above chemical formula 2,
n은 1 내지 20의 정수이고, n is an integer from 1 to 20,
A는 0 또는 1이며, A is 0 or 1,
[화학식 3] [Chemical Formula 3]
CmH2m C m H 2m
상기 화학식 3에서, In the above chemical formula 3,
m은 2 내지 6의 정수이고,m is an integer from 2 to 6,
[화학식 4] [Chemical Formula 4]
CxHyOz C x H y O z
상기 화학식 4에서, In the above chemical formula 4,
x는 1 내지 20의 정수이고, x is an integer from 1 to 20 ,
y는 0 내지 20의 정수이며,y is an integer from 0 to 20,
z는 1 또는 2이다.z is 1 or 2.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 예를 들어 메테인(CH4), 에테인(C2H6), 프로페인(C3H8), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH) 및 프로판올(C3H8O) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 메틸렌(CH2), 에틸렌(C2H4)및 프로필렌(C3H6) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 한편, 상기 화학식 4로 표시되는 화합물은 산소 함유 가스로서, 예를 들어 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The compound represented by the above chemical formula 2 may include, for example, at least one selected from methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), and propanol (C 3 H 8 O), and the compound represented by the above chemical formula 3 may include at least one selected from methylene (CH 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), and propylene (C 3 H 6 ). Meanwhile, the compound represented by the above chemical formula 4 may include, as an oxygen-containing gas, at least one selected from carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ).
또한, 상기 탄소층 형성 시 탄산 가스, 아르곤(Ar), 수증기(H2O), 헬륨(He), 질소(N2) 및 수소(H) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 불활성 가스를 주입할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 탄소층 형성 시 수증기를 포함하는 경우, 상기 음극 활물질은 보다 높은 전기 전도율을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 탄소층 형성 시 수증기를 포함하는 경우 상기 가스 혼합물과의 반응에 의해, 음극 활물질이 고결정성의 탄소 피막을 그의 표면에 포함할 수 있으며, 보다 적은 양의 탄소가 코팅 되는 경우에도, 높은 전기 전도율을 나타낼 수 있다. 상기 가스 혼합물 내의 수증기의 함량은, 특별히 제한되지는 않고, 예를 들면, 탄소원 가스 전체 100 부피%를 기준으로 0.01 부피% 내지 10 부피%를 사용할 수 있다. In addition, when forming the carbon layer, an inert gas including at least one selected from carbon dioxide, argon (Ar), water vapor (H 2 O), helium (He), nitrogen (N 2 ), and hydrogen (H) may be injected. According to one embodiment, when water vapor is included when forming the carbon layer, the negative electrode active material may exhibit higher electrical conductivity. Specifically, when water vapor is included when forming the carbon layer, the negative electrode active material may include a highly crystalline carbon film on its surface by reaction with the gas mixture, and may exhibit high electrical conductivity even when a smaller amount of carbon is coated. The content of water vapor in the gas mixture is not particularly limited, and may be, for example, 0.01% by volume to 10% by volume based on 100% by volume of the total carbon source gas.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소층 형성 시 탄소원 가스로서 CH4 및 CO2 혼합기체, 또는 CH4, CO2 및 H2O 혼합기체를 사용할 수 있다. CH4 및 CO2 혼합기체를 사용하는 경우, CH4 : CO2가 약 1:0.20 내지 0.50 몰비, 구체적으로 약 1:0.25 내지 0.45 몰비, 더욱 구체적으로 약 1:0.30 내지 0.40 몰비 일 수 있다. CH4, CO2 및 H2O 혼합기체를 사용하는 경우, CH4 : CO2 : H2O가 약 1:0.20 내지 0.50:0.01 내지 1.45 몰비, 구체적으로 약 1 : 0.25 내지 0.45:0.10 내지 1.35 몰비, 더욱 구체적으로 약 1:0.30 내지 0.40:0.50 내지 1.0 몰비일 수 있다. According to one embodiment, a mixture of CH 4 and CO 2 gas, or a mixture of CH 4 , CO 2 and H 2 O gas, may be used as a carbon source gas when forming the carbon layer. When a mixture of CH 4 and CO 2 gas is used, the molar ratio of CH 4 : CO 2 may be about 1:0.20 to 0.50, specifically about 1:0.25 to 0.45, and more specifically about 1:0.30 to 0.40. When using a mixture of CH 4 , CO 2 and H 2 O, the molar ratio of CH 4 : CO 2 : H 2 O may be about 1 : 0.20 to 0.50 : 0.01 to 1.45, specifically about 1 : 0.25 to 0.45 : 0.10 to 1.35, and more specifically about 1 : 0.30 to 0.40 : 0.50 to 1.0.
또 다른 구현예에 따라, 상기 탄소층 형성 시 탄소원 가스로서 C0, CO2 또는 이들의 조합을 사용할 수가 있다. According to another embodiment, C0, CO2 or a combination thereof may be used as a carbon source gas when forming the carbon layer.
또 다른 구현예에 따라, 상기 탄소층 형성 시 탄소원 가스로서 CH4를 포함하고, 불활성 가스로 N2를 사용할 수 있다. CH4 및 N2 혼합기체의 혼합비는 약 1:0.20 내지 0.50 몰비, 구체적으로 약 1:0.25 내지 0.45 몰비, 보다 구체적으로 약 1:0.30 내지 0.40 몰비일 수 있다. According to another embodiment, when forming the carbon layer, CH 4 may be included as a carbon source gas, and N 2 may be used as an inert gas. The mixing ratio of the CH 4 and N 2 mixed gases may be about 1:0.20 to 0.50 molar ratio, specifically about 1:0.25 to 0.45 molar ratio, and more specifically about 1:0.30 to 0.40 molar ratio.
일 구현예에 따라, 상기 불활성 가스를 포함하지 않을 수 있다. In some embodiments, the inert gas may not be included.
또한, 상기 반응 시 열처리 온도, 가스 혼합물의 조성 등은 원하는 탄소 피막의 양 등을 고려하여 선택될 수 있다.In addition, the heat treatment temperature, the composition of the gas mixture, etc. during the above reaction can be selected by considering the amount of the desired carbon film, etc.
상기 탄소층 형성 시 열처리 온도는 600 ℃ 내지 1200 ℃, 구체적으로 700 ℃ 내지 1100 ℃, 더욱 구체적으로 700 ℃ 내지 1000 ℃일 수 있다. The heat treatment temperature when forming the above carbon layer may be 600°C to 1200°C, specifically 700°C to 1100°C, and more specifically 700°C to 1000°C.
또한, 상기 열처리시의 압력은, 유입되는 가스 혼합물의 양을 조절하여 제어할 수 있다. 예를 들면, 열처리시의 압력은 1 atm 이상, 예를 들면, 1 atm 내지 5 atm일 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다.Additionally, the pressure during the heat treatment can be controlled by adjusting the amount of the introduced gas mixture. For example, the pressure during the heat treatment can be 1 atm or more, for example, 1 to 5 atm, but is not limited thereto.
또한, 열처리 시간은, 제한하지 않지만, 열처리 온도, 열처리시의 압력, 가스 혼합물의 조성 및 소망한 탄소 코팅의 양에 따라 적절히 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리 시간은 10 분 내지 100 시간, 구체적으로 30 분 내지 90 시간, 보다 구체적으로 50 분 내지 40 시간일 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 열처리 시간이 길어질수록 형성되는 탄소 피막의 두께가 두꺼워질 수 있으며, 적정 두께로 조절할 경우 음극 활물질의 전기적 물성을 향상시킬 수 있다.In addition, the heat treatment time is not limited, but can be appropriately adjusted depending on the heat treatment temperature, the pressure during the heat treatment, the composition of the gas mixture, and the desired amount of carbon coating. For example, the heat treatment time may be 10 minutes to 100 hours, specifically 30 minutes to 90 hours, and more specifically 50 minutes to 40 hours. According to one embodiment, as the heat treatment time increases, the thickness of the carbon film formed may become thicker, and when adjusted to an appropriate thickness, the electrical properties of the negative electrode active material may be improved.
본 발명의 구현예에 따르면, 탄소 피막이 음극 활물질의 표면 전체에 걸쳐 균일하고 얇게 형성할 수 있으며, 상기 탄소 피막이 카본 나노 섬유, 그래핀, 산화 그래핀 및 환원된 산화 그래핀을 실질적으로 많이 형성하는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, a carbon film can be formed uniformly and thinly over the entire surface of the negative electrode active material, and it is preferable that the carbon film forms a substantial amount of carbon nanofibers, graphene, graphene oxide, and reduced graphene oxide.
또한, 탄소원 가스의 기상 반응을 개입시켜, 비교적 낮은 온도에서도 균일한 탄소 피막을 포함하는 탄소층을 음극 활물질의 표면에 형성시킬 수 있다. 이렇게 생성된 음극 활물질은 탄소 피막의 탈리 반응이 쉽게 일어나지 않는다. 또한, 기상 반응을 개입시킴으로써, 높은 결정성을 가지는 탄소 피막을 형성할 수가 있으므로, 이를 음극 활물질로 사용할 경우 구조 변화 없이, 음극 활물질의 전기 전도율을 향상시킬 수가 있다.Furthermore, by inducing a vapor phase reaction of a carbon source gas, a carbon layer comprising a uniform carbon film can be formed on the surface of the negative electrode active material even at relatively low temperatures. The negative electrode active material thus produced is resistant to carbon film desorption. Furthermore, by inducing a vapor phase reaction, a carbon film with high crystallinity can be formed. Therefore, when used as a negative electrode active material, its electrical conductivity can be improved without structural changes.
상기 탄소층은 카본 나노 섬유, 그래핀, 산화 그래핀 및 환원된 산화 그래핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The above carbon layer may include at least one selected from the group consisting of carbon nanofibers, graphene, graphene oxide, and reduced graphene oxide.
상기 탄소층의 구조는 막(layer), 나노 시트(nano sheet) 타입, 또는 몇 개의 플레이크가 혼합된 구조일 수가 있다.The structure of the above carbon layer may be a layer, a nano sheet type, or a structure in which several flakes are mixed.
상기 막은 규소 미립자, 산화규소 화합물, 규산 마그네슘 및 그 환원 생성물로부터 선택된 1종 이상의 표면에 그래핀이 연속적으로 균일하게 형성된 필름의 형태를 의미할 수 있다. The above film may mean a film in which graphene is continuously and uniformly formed on the surface of one or more selected from silicon microparticles, silicon oxide compounds, magnesium silicate, and reduction products thereof.
또한, 상기 나노 시트는 규소 미립자, SiOx(0.3≤x≤1.6)로 표시되는 화합물, 이산화규소, 및 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 조합을 포함하는 규산염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 표면에 카본 나노 섬유 또는 그래핀 함유 물질이 불규칙한 상태로 형성되었을 경우를 의미할 수 있다.In addition, the above nanosheet may mean a case where carbon nanofibers or graphene-containing materials are irregularly formed on the surface of at least one selected from the group consisting of silicon microparticles, compounds represented by SiOx (0.3≤x≤1.6), silicon dioxide, and silicates including magnesium, calcium, aluminum, or combinations thereof.
또한, 상기 플레이크는 상기 나노 시트 또는 막의 일부가 파손, 또는 변형된 경우를 의미할 수 있다.Additionally, the above flake may mean a case where a part of the nanosheet or film is broken or deformed.
상기 탄소층을 형성한 후, 상기 규소계 음극 활물질을 분쇄 및 분급하는 단계를 더 포함할 수 있다. After forming the carbon layer, a step of crushing and classifying the silicon-based negative electrode active material may be further included.
상기 탄소층을 형성한 음극 활물질의 평균입경(D50)은 상기와 같이 분쇄에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 분쇄한 후에 입도 분포를 정돈하기 위해 분급이 이루어질 수 있으며, 이는 건식분급, 습식분급 또는 나누기 분급이 이용될 수 있다. 상기 건식분급은 주로 기류를 이용해 분산, 분리(세입자와 결점 입자의 분리), 포집(고체와 기체의 분리), 배출의 프로세스가 순서대로 혹은 동시에 행해져 입자 상호간의 간섭, 입자의 형상, 기류의 흐름의 혼란, 속도 분포, 정전기의 영향 등으로 분급 효율을 저하시키지 않도록 분급을 하기 전에 사전 처리(수분, 분산성, 습도등의 조정)를 실시함으로써, 사용되는 기류의 수분이나 산소 농도를 조정할 수 있다. 또한, 한 번에 분쇄, 분급을 수행하여 소망하는 입도 분포로 얻을 수 있다. The average particle size (D 50 ) of the negative electrode active material forming the above carbon layer can be formed by pulverization as described above. In addition, classification can be performed to refine the particle size distribution after pulverization, and dry classification, wet classification, or dividing classification can be used. The above dry classification mainly uses air current to sequentially or simultaneously perform the processes of dispersion, separation (separation of fine particles and defective particles), capture (separation of solid and gas), and discharge, so that the classification efficiency is not lowered due to interference between particles, particle shape, confusion in the flow of air current, velocity distribution, or the influence of static electricity, so that the moisture or oxygen concentration of the air current used can be adjusted by performing pre-treatment (adjustment of moisture, dispersibility, humidity, etc.). In addition, by performing pulverization and classification at once, a desired particle size distribution can be obtained.
상기 분쇄 및 분급 처리에 의해, 상기 평균입경을 갖는 음극 활물질을 이용하게 되면, 초기 효율이나 사이클 특성이 분급전에 비해 약 10 % 내지 20 % 향상될 수 있다. 상기 분쇄 및 분급 후의 음극 활물질은, Dmax가 약 10 ㎛ 이하이며, 이 경우 음극 활물질의 비표면적이 감소할 수 있고, 이로 인해 SEI 층에 보충되는 리튬이 감소할 수 있다. By using a negative electrode active material having the above average particle size through the above pulverization and classification treatment, the initial efficiency or cycle characteristics can be improved by about 10% to 20% compared to before classification. The negative electrode active material after the above pulverization and classification has a Dmax of about 10 μm or less, in which case the specific surface area of the negative electrode active material can be reduced, which can reduce the lithium supplemented to the SEI layer.
또한, 상기 음극 활물질의 비표면적은 2 ㎡/g 내지 20 ㎡/g일 수 있다. 상기 음극 활물질의 비표면적이 2 ㎡/g 미만인 경우, 이차전지의 레이트 특성이 저하될 수 있으며, 20 ㎡/g을 초과하는 경우, 전해액과의 접촉 면적이 증가하여, 전해액의 분해 반응이 촉진될 우려 또는 전지 부반응이 일어날 수 있다. 상기 음극 활물질의 비표면적은 구체적으로 3 ㎡/g 내지 15 ㎡/g, 더욱 구체적으로 3 ㎡/g 내지 10 ㎡/g일 수 있다. 상기 비표면적은 질소 흡착에 의한 BET법에 의해 측정할 수 있고, 예를 들어 당업계에서 일반적으로 사용하는 비표면적 측정 기기(MOUNTECH사의 Macsorb HM(model 1210) 또는 MicrotracBEL사의 Belsorp-mini Ⅱ 등)를 이용할 수 있다. In addition, the specific surface area of the negative active material may be 2 m2/g to 20 m2/g. When the specific surface area of the negative active material is less than 2 m2/g, the rate characteristics of the secondary battery may deteriorate, and when it exceeds 20 m2/g, the contact area with the electrolyte may increase, which may promote the decomposition reaction of the electrolyte or cause a battery side reaction. The specific surface area of the negative active material may be specifically 3 m2/g to 15 m2/g, and more specifically 3 m2/g to 10 m2/g. The specific surface area can be measured by the BET method using nitrogen adsorption, and for example, a specific surface area measuring device generally used in the art (such as Macsorb HM (model 1210) of MOUNTECH or Belsorp-mini Ⅱ of MicrotracBEL) can be used.
상기 음극 활물질의 비중은 1.8 g/㎤ 내지 3.2 g/㎤, 구체적으로 2.5 g/㎤ 내지 3.2 g/㎤일 수 있다. 비중이 클 수록, 음극 활물질 중에 있는 기공이 적게 되므로, 도전율이 향상될 수 있고, 매트릭스의 강도가 강화되어, 초기 효율이나 사이클 수명 특성이 향상될 수 있다. 본 명세서에서 비중은 진비중, 밀도 또는 진밀도와 같은 의미로 표현될 수 있다. 상기 비중의 측정, 예를 들어 건식 밀도계에 의한 비중의 측정은 건식 밀도계로서는 주식회사 시마즈 제작소제의 아큐픽크 II1340를 사용할 수가 있다. 사용하는 퍼지 가스는 헬륨 가스를 이용하여 온도 23 ℃로 설정한 샘플 홀더내에서, 200회의 퍼지를 반복한 후, 측정할 수 있다. The specific gravity of the above-mentioned negative active material may be 1.8 g/cm3 to 3.2 g/cm3, specifically 2.5 g/cm3 to 3.2 g/cm3. The higher the specific gravity, the fewer pores there are in the negative active material, so the conductivity can be improved, and the strength of the matrix can be strengthened, thereby improving the initial efficiency or cycle life characteristics. In this specification, the specific gravity can be expressed in the same meaning as true specific gravity, density, or true density. For the measurement of the specific gravity, for example, the measurement of the specific gravity by a dry density meter can use Accupick II1340 manufactured by Shimadzu Corporation as a dry density meter. The purge gas used can be helium gas, and after repeating the purge 200 times in a sample holder set to a temperature of 23°C, the measurement can be performed.
본 발명의 일 구현예에 따라, 상기 탄소층을 포함하는 음극 활물질은 전도성이 우수하고 부피 팽창에 유연한 탄소층, 특히 카본 나노 섬유 또는 그래핀 함유 물질을 그의 표면에 직접 성장시킴으로써, 부피 팽창을 억제할 수 있고, 규소 미립자, 산화규소 화합물 또는 규산염 등이 눌러져 수축되는 현상을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 카본 나노 섬유 또는 그래핀에 의해 음극 활물질에 포함된 규소가 전해질과 직접 반응하는 것을 제어할 수 있으므로, 전극의 SEI 층의 생성을 줄일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the negative electrode active material including the carbon layer can suppress volume expansion and reduce the phenomenon of silicon particles, silicon oxide compounds, or silicates being compressed and shrunk by directly growing a carbon layer, particularly a material containing carbon nanofibers or graphene, which has excellent conductivity and is flexible in volume expansion, on its surface. In addition, since the silicon contained in the negative electrode active material can be controlled to directly react with the electrolyte by the carbon nanofibers or graphene, the formation of an SEI layer on the electrode can be reduced.
상기 탄소층의 탄소 함량은 상기 규소계 음극 활물질 총 중량에 대해 2 중량% 내지 10 중량%, 구체적으로 4 중량% 내지 8 중량%일 수 있다. 상기 탄소 함량이 2 중량% 미만인 경우, 음극의 도전성이 저하될 수 있고, 10 중량%를 초과하는 경우, 탄소 함량이 지나치게 커져 음극의 용량이 감소할 수 있으므로, 본 발명에서 목적하는 에너지 밀도 향상 효과를 달성하기 어려울 수 있다. 상기 탄소층 형성 방법은 유기물 가스 및/또는 증기중에서 화학 증착(CVD)하는 방법, 또는 열처리시에 반응기내에 유기물 가스 및/또는 증기를 도입하는 방법 등을 들 수 있다.The carbon content of the above carbon layer may be 2 wt% to 10 wt%, specifically 4 wt% to 8 wt%, based on the total weight of the silicon-based negative electrode active material. When the carbon content is less than 2 wt%, the conductivity of the negative electrode may be reduced, and when it exceeds 10 wt%, the carbon content may become excessively large, thereby reducing the capacity of the negative electrode, and thus it may be difficult to achieve the energy density improvement effect desired in the present invention. Examples of the method for forming the carbon layer include a method of chemical vapor deposition (CVD) in an organic gas and/or vapor, or a method of introducing an organic gas and/or vapor into a reactor during heat treatment.
또한, 상기 탄소층이 형성된 규소계 음극 활물질의 입자 분포의 누적 50% 평균입경(D50)은 0.5 ㎛ 내지 15 ㎛, 구체적으로 2 ㎛ 내지 10 ㎛, 더욱 구체적으로 3 ㎛ 내지 10 ㎛ 또는 4 ㎛ 내지 8 ㎛ 일 수 있다. 상기 D50이 너무 작으면, 벌크 밀도가 지나치게 작아져, 단위 부피 당 충방전 용량이 저하될 수 있고, 반대로 D50이 너무 크면, 이차전지의 전극막 제작이 곤란하게 되어, 집전체로부터 박리될 우려가 있다. 한편, 상기 D50은, 레이저광 회절법에 따르는 입도 분포 측정에 있어서의 중량 평균치 D50(즉, 누적 중량이 50%가 될 때의 입경 또는 메디안지름)로서 측정한 값이다.In addition, the cumulative 50% average particle diameter (D 50 ) of the particle distribution of the silicon-based negative electrode active material on which the carbon layer is formed may be 0.5 ㎛ to 15 ㎛, specifically 2 ㎛ to 10 ㎛, more specifically 3 ㎛ to 10 ㎛ or 4 ㎛ to 8 ㎛. If the D 50 is too small, the bulk density may become excessively small, which may lower the charge/discharge capacity per unit volume, and conversely, if the D 50 is too large, it may become difficult to manufacture the electrode film of the secondary battery, and there is a risk of peeling off from the current collector. Meanwhile, the D 50 is a value measured as a weight average value D 50 (i.e., the particle diameter or median diameter when the cumulative weight becomes 50%) in particle size distribution measurement according to a laser diffraction method.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소층의 평균 두께는 10 nm 내지 200 nm, 구체적으로 20 nm 내지 200 nm 일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the average thickness of the carbon layer may be 10 nm to 200 nm, specifically 20 nm to 200 nm.
상기 탄소층의 평균 두께가 10 nm 이상이면 도전성을 향상시킬 수 있고, 200 nm 이하이면, 이차전지의 용량 저하를 억제할 수 있다. 상기 탄소층의 평균 두께는 예를 들면, 이하의 순서에 의해 산출할 수 있다. If the average thickness of the carbon layer is 10 nm or more, conductivity can be improved, and if it is 200 nm or less, capacity reduction of the secondary battery can be suppressed. The average thickness of the carbon layer can be calculated, for example, by the following procedure.
우선, 투과형 전자현미경(TEM)에 의해 임의의 배율로 음극 활물질을 관찰한다. 상기 배율은 예를 들어 육안으로 확인할 수 있는 정도가 바람직하다. 이어서, 임의의 15 점에 있어서, 탄소층의 두께를 측정한다. 이 경우, 가능한 한 특정의 장소에 집중하지 않고, 넓게 랜덤으로 측정 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 마지막으로, 상기 15 점의 탄소층의 두께의 평균치를 산출한다.First, the negative active material is observed using a transmission electron microscope (TEM) at an arbitrary magnification. The magnification is preferably sufficient for visual inspection. Next, the thickness of the carbon layer is measured at 15 arbitrary points. In this case, it is preferable to measure the measurement locations randomly, rather than focusing on a specific location as much as possible. Finally, the average thickness of the carbon layer at the 15 points is calculated.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 규소계 음극 활물질을 사용하는 경우, 음극 활물질의 단위무게 당 전지 용량이 1500 내지 3000 mAh/g일 수 있으므로, 높은 전도성과 함께, 부피 팽창이 비교적 작고 사이클 특성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다. 또한, 탄소계 음극 활물질과 혼합하여 사용하는 경우, 쿨롱 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, when using a silicon-based negative electrode active material according to one embodiment of the present invention, the battery capacity per unit weight of the negative electrode active material can be 1500 to 3000 mAh/g, so that a secondary battery having high conductivity, relatively small volume expansion, and improved cycle characteristics can be provided. In addition, when used in combination with a carbon-based negative electrode active material, the coulombic efficiency and cycle characteristics can be improved.
이와 같이, 탄소층을 포함하는 음극 활물질을 이용하는 경우, 음극 활물질 조성물 제조 시 바인더 없이도 규소 미립자, 산화규소 화합물 및 규산염의 부피 팽창에 의한 구조 붕괴를 억제할 수 있으며, 저항의 증가를 최소화함으로써 전기 전도율 및 용량 특성이 우수한 전극 및 리튬 이차전지 제조에 유용하게 이용될 수 있다.In this way, when using a negative electrode active material including a carbon layer, structural collapse due to volume expansion of silicon particles, silicon oxide compounds, and silicates can be suppressed without a binder during the manufacture of a negative electrode active material composition, and by minimizing an increase in resistance, it can be usefully used in the manufacture of electrodes and lithium secondary batteries having excellent electrical conductivity and capacity characteristics.
또한, 본 발명은 일 구현예에 따라, 상기 음극 활물질은 탄소계 음극 재료를 더 포함할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the negative electrode active material may further include a carbon-based negative electrode material.
구체적으로, 상기 음극 활물질은 상기 규소계 음극 활물질 및 상기 탄소계 음극 재료를 혼합하여 사용할 수 있다. 이 경우, 음극 활물질의 전기 저항을 저감할 수 있는 동시에, 충전에 수반하는 팽창 응력을 완화시킬 수 있다. 상기 탄소계 음극 재료는, 예를 들면, 천연흑연, 인조흑연, 소프트카본, 하드카본, 메조카본, 탄소파이버, 탄소나노튜브, 열분해 탄소류, 코크스류, 유리질 탄소섬유(glass carbon fiber), 유기 고분자 화합물 소성체 및 카본 블랙으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. Specifically, the negative electrode active material may be a mixture of the silicon-based negative electrode active material and the carbon-based negative electrode material. In this case, the electrical resistance of the negative electrode active material can be reduced, and at the same time, expansion stress accompanying charging can be alleviated. The carbon-based negative electrode material may include, for example, at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, soft carbon, hard carbon, mesocarbon, carbon fiber, carbon nanotube, pyrolytic carbon, coke, glassy carbon fiber, organic polymer compound sintered body, and carbon black.
상기 탄소계 음극 재료의 함량은 음극 활물질 총 중량에 대해 30 중량% 내지 95 중량%, 구체적으로 30 중량% 내지 90 중량%, 더욱 구체적으로 50 중량% 내지 80 중량%일 수 있다. 특히, 상기 음극 활물질이 규소 미립자를 포함하는 경우, 규소 미립자가 부피 팽창을 일으키지 않기 때문에, 상기 탄소계 음극 재료와 혼합하여 사용하는 경우 사이클 특성이 뛰어난 이차전지를 얻을 수 있다. The content of the carbon-based negative electrode material may be 30 wt% to 95 wt%, specifically 30 wt% to 90 wt%, and more specifically 50 wt% to 80 wt%, based on the total weight of the negative electrode active material. In particular, when the negative electrode active material includes silicon particles, since the silicon particles do not cause volume expansion, a secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained when mixed with the carbon-based negative electrode material.
상기 바인더로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지;불소 고무, 스티렌 부티렌 고무(SBR) 등의 고무계 재료;폴리에틸렌, 폴리프로필렌등의 폴리올레핀;아크릴 수지; 및 폴리이미드계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상 등을 들 수 있지만, 규소계 음극 활물질은 충방전시의 부피 변화가 크기 때문에, 접착성이 뛰어난 재료가 더욱 바람직할 수 있으며, 예를 들어 폴리이미드, 폴리아미드이미드 또는 이들의 혼합물을 포함하는 폴리이미드계 수지를 포함할 수 있다. 또한, 음극 제조시, 바인더와의 배합량은, 본 발명의 음극 활물질의 종류, 입경, 형상, 배합 조성량 등을 고려하여 사용될 수 있으며, 음극의 강도와 접착성 등을 고려하여 적절히 배합함으로써 이차전지의 양호한 사이클 특성을 얻을 수 있다.The binder is not particularly limited, but may include, for example, one or more selected from the group consisting of fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HEP), polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene; rubber-based materials such as fluororubber and styrene butylene rubber (SBR); polyolefins such as polyethylene and polypropylene; acrylic resins; and polyimide-based resins. However, since the silicon-based negative electrode active material has a large volume change during charge and discharge, a material having excellent adhesiveness may be more preferable, and for example, the binder may include a polyimide-based resin including polyimide, polyamideimide, or a mixture thereof. In addition, when manufacturing a negative electrode, the mixing amount with the binder can be used in consideration of the type, particle size, shape, mixing composition amount, etc. of the negative electrode active material of the present invention, and by mixing appropriately in consideration of the strength and adhesiveness of the negative electrode, etc., good cycle characteristics of the secondary battery can be obtained.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 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 material is not particularly limited as long as it is conductive and does not cause a chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, paneth black, lamp black, thermal black, and the like; conductive fibers such as carbon fiber or metal fiber; metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide or potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and conductive materials such as polyphenylene derivatives.
상기 분산제는 수계 분산제 또는 N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 분산제를 사용할 수 있다. The above dispersant may be an aqueous dispersant or an organic dispersant such as N-methyl-2-pyrrolidone.
상기 음극 집전체는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 구리박, 스텐레스강박 또는 티타늄박 등을 들 수 있다. 또한, 표면을 엠보싱 가공 한 것이나 다공성 집전체, 예를 들면, 확장 메탈, 메쉬 또는 펀칭 메탈 등을 이용할 수도 있다.The above-mentioned negative current collector is not particularly limited, and examples thereof include copper foil, stainless steel foil, or titanium foil. In addition, a collector with an embossed surface or a porous collector, such as expanded metal, mesh, or punched metal, may be used.
또한, 상기 제 2 공정은 상기 음극 및 리튬 금속판을 반응조에 위치시킨 후, 산화환원반응을 실시하여 상기 음극을 리튬으로 프리도핑(predoping)하는 공정이다. In addition, the second process is a process of predoping the negative electrode with lithium by placing the negative electrode and lithium metal plate in a reaction tank and then performing an oxidation-reduction reaction.
구체적으로, 도 1을 참조로 살펴보면, 제 1 공정에서 얻은 음극(10) 및 리튬 금속판(30)을 반응조에 위치시킨 후, 산화환원반응을 실시할 수 있으며, 이때 상기 산화환원반응은 전해액(20) 중에서 이루어질 수 있다. 상기 전해액(20)은 비수계 전해질, 고분자 전해질 또는 고분자 겔 전해질을 포함할 수 있다. 상기 산화환원반응은 예를 들어, 상기 음극을 비수계 전해액 중에서 리튬 금속판과 0.0003 내지 0.001 V에서 환원반응을 통해 리튬으로 도핑하고 1.0 내지 2.0 V가 될 때까지 산화반응을 실시하여 탈도핑하여 이루어짐으로써, 리튬으로 전기화학적으로 프리도핑된 음극을 얻을 수 있다.Specifically, referring to FIG. 1, after the negative electrode (10) and the lithium metal plate (30) obtained in the first process are placed in a reaction tank, a redox reaction can be performed, and at this time, the redox reaction can be performed in an electrolyte (20). The electrolyte (20) can include a non-aqueous electrolyte, a polymer electrolyte, or a polymer gel electrolyte. The redox reaction can be performed, for example, by doping the negative electrode with lithium through a reduction reaction at 0.0003 to 0.001 V with the lithium metal plate in a non-aqueous electrolyte, and then dedoping by performing an oxidation reaction until the voltage reaches 1.0 to 2.0 V, thereby obtaining a negative electrode electrochemically pre-doped with lithium.
상기 리튬 금속판의 두께는 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 구체적으로 15 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있다. 프리도핑 속도를 고려하는 경우, 표면적이 큰 리튬 금속판이 바람직하고, 리튬 금속판의 취급성, 생산성 및 프리도핑 공정 분위기를 고려하는 경우 표면적이 작은 리튬 금속판이 좋을 수 있다. 만일, 리튬 금속판의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 리튬의 잔류 억제, 프리도핑 속도 및 생산성 면에서 좋을 수 있다. 또한, 상기 리튬 금속판의 밀도는 0.3 g/cm3 내지 0.8 g/cm3일 수 있다.The thickness of the lithium metal plate may be 10 μm to 30 μm, specifically 15 μm to 25 μm. Considering the pre-doping speed, a lithium metal plate with a large surface area is preferable, and considering the handleability, productivity, and pre-doping process atmosphere of the lithium metal plate, a lithium metal plate with a small surface area may be good. If the thickness of the lithium metal plate satisfies the above range, it may be good in terms of lithium residue suppression, pre-doping speed, and productivity. In addition, the density of the lithium metal plate may be 0.3 g/cm 3 to 0.8 g/cm 3 .
상기 산화환원반응에 의해 음극을 리튬으로 프리도핑(predoping)할 수 있다. 본 명세서에서 프리도핑이란, 양극 및 음극간의 통상의 충방전 이전에 상기 음극 활물질에 리튬을 흡장·담지시킴으로써, 리튬을 도핑하는 것을 의미한다. 따라서, 상기 프리도핑은 음극을 리튬 금속판과 전기화학적으로 접촉시키면서 리튬의 흡탈을 일으켜 음극의 초기의 비가역용량분에 상당하는 양의 리튬으로 음극을 도핑하는 공정을 포함할 수 있다.The negative electrode can be predoped with lithium by the above redox reaction. In this specification, predoping means doping lithium by absorbing and supporting lithium in the negative electrode active material prior to normal charge and discharge between the positive and negative electrodes. Accordingly, the predoping may include a process of doping the negative electrode with an amount of lithium equivalent to the initial irreversible capacity of the negative electrode by causing absorption and desorption of lithium while electrochemically contacting the negative electrode with a lithium metal plate.
일반적으로, 규소계 음극 활물질은 고용량을 나타내지만, 사이클이 진행됨에 따라 부피 팽창률이 300% 이상이 되어 저항 증가 및 전해액 부반응 증가로 이어질 수 있는 바, 전극 구조 손상 등 고체 전해질 계면(SEI; Solid Electrolyte Interface) 층의 형성에 따른 문제점이 심화될 수 있다. 또한, 규소 산화물계 음극 활물질은 규소계 음극 활물질에 비해 부피 팽창률은 낮지만, 음극 활물질 내의 산소로 인한 Li2O로 초기 비가역용량이 커짐으로써, 에너지 밀도가 낮아지고, 사이클 특성 및 레이트 특성이 저하되는 문제점이 있다. In general, silicon-based negative electrode active materials exhibit high capacity, but as the cycle progresses, the volume expansion rate exceeds 300%, which can lead to increased resistance and increased electrolyte side reactions, and problems due to the formation of a solid electrolyte interface (SEI) layer, such as damage to the electrode structure, can be aggravated. In addition, silicon oxide-based negative electrode active materials have a lower volume expansion rate than silicon-based negative electrode active materials, but the initial irreversible capacity increases due to Li2O caused by oxygen in the negative electrode active material, which lowers the energy density and causes problems of deterioration in cycle characteristics and rate characteristics.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 고에너지 밀도를 갖는 이차전지를 얻기 위해서, 상기 음극 활물질이 갖는 비가역용량을 최대한 작게 하는 것이 중요하다. 이에 본 발명은 규소계 음극 활물질을 포함하는 음극을 리튬으로 프리도핑함으로써 음극의 초기 비가역용량을 저하시키고 음극 표면의 SEI에 대한 양극에 금속 이온의 침투를 방지할 수 있으며, 고에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 상기 프리도핑은, 비가역용량을 보상시키거나, 또는 양극에 리튬을 포함하지 않는 활물질을 사용하는 경우라도 충방전에 필요한 리튬을 음극에 포함시킬 수 있으므로, 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, in order to obtain a secondary battery having a high energy density, it is important to reduce the irreversible capacity of the negative electrode active material as much as possible. Accordingly, the present invention can reduce the initial irreversible capacity of the negative electrode by pre-doping the negative electrode including the silicon-based negative electrode active material with lithium, prevent the penetration of metal ions into the SEI on the surface of the negative electrode, and improve the high energy density. The pre-doping can compensate for the irreversible capacity or, even when an active material that does not include lithium is used in the positive electrode, include lithium necessary for charge and discharge in the negative electrode, thereby improving the performance of the secondary battery.
본 발명의 일 구현예에 따른 프리도핑 방법으로는 이차전지에 사용하는 전해액 중에서 반대극으로 리튬 금속판을 이용하여 산화환원반응시켜 음극을 비가역용량분에 상당하는 양의 리튬으로 도핑하는 방법을 들 수 있다. An example of a pre-doping method according to one embodiment of the present invention includes a method of doping the negative electrode with an amount of lithium equivalent to the irreversible capacity by performing a redox reaction using a lithium metal plate as a counter electrode in an electrolyte used in a secondary battery.
상술한 바와 같이, 전해액(20) 중에서 음극(10) 및 리튬 금속판(30)을 위치시킨 후 산화환원반응을 실시함으로써, 리튬 금속판을 음극에 직접 붙이거나 증착하는 방법에 비해 이차전지의 안전성을 확보할 수 있다. 상기 리튬 금속판을 음극에 직접 붙이거나 증착하는 방법은 리튬 금속판을 음극에 직접 붙임으로써 침상결정(덴드라이트)으로 인해 분리막에 악영향을 주어 안전성에 문제가 될 수 있다. As described above, by positioning the negative electrode (10) and the lithium metal plate (30) in the electrolyte (20) and then performing a redox reaction, the safety of the secondary battery can be secured compared to the method of directly attaching or depositing the lithium metal plate onto the negative electrode. The method of directly attaching or depositing the lithium metal plate onto the negative electrode can have a safety problem because the lithium metal plate can have a negative effect on the separator due to needle-like crystals (dendrites) by directly attaching the lithium metal plate onto the negative electrode.
또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 프리도핑 방법은 상기 도핑 후 리튬을 다시 탈도핑하는 방법에 의해 과잉의 리튬을 제거(비가역용량분이 음극 내에 잔존)하는 방법을 들 수 있다. 상기 프리도핑은 음극을 리튬으로 환원반응에 의해 도핑한 후에, 음극의 초기의 비가역용량분의 리튬을 남기고 산화반응에 의해 그 외의 양의 리튬을 방출(탈도핑)시켜 프리도핑하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면 비수계 전해액 중에서 산화환원반응을 실시하여 첫회의 비가역용량분에 상당하는 양의 리튬으로 음극을 프리도핑한 후, 음극의 초기의 비가역용량분의 리튬을 남기고 그 외의 양의 리튬을 방출(탈도핑)시킬 수 있다. 상기 프리도핑 방법, 특히 탈도핑에 의해 비가역용량분에 상당하는 양의 리튬으로 음극을 프리도핑하는 경우, 초기 효율을 100 % 가까이 달성할 수 있다. 이 결과, 음극/양극 용량비(N/P비)를 1.0에 접근할 수가 있어 결과적으로 이차전지 그 자체의 용량도 향상시킬 수 있다. 또한, 리튬으로 프리도핑 시에 큰 발열 반응을 수반할 수 있지만, 리튬으로 도핑할 때의 전류를 제어함으로써, 그 속도를 제어할 수 있으므로, 안전성면에서 큰 이점이 될 수 있다. In addition, according to another embodiment of the present invention, a pre-doping method may include a method of removing excess lithium (leaving the irreversible capacity in the negative electrode) by de-doping lithium after the doping. The pre-doping may include doping the negative electrode with lithium through a reduction reaction, leaving the lithium for the initial irreversible capacity of the negative electrode, and then releasing (dedoping) the remaining amount of lithium through an oxidation reaction. For example, a redox reaction may be performed in a non-aqueous electrolyte to pre-dope the negative electrode with an amount of lithium corresponding to the initial irreversible capacity, and then releasing (dedoping) the remaining amount of lithium, leaving the lithium for the initial irreversible capacity of the negative electrode. The pre-doping method, particularly when pre-doping the negative electrode with an amount of lithium corresponding to the irreversible capacity through de-doping, can achieve an initial efficiency of close to 100%. As a result, the cathode/anode capacity ratio (N/P ratio) can approach 1.0, which can ultimately improve the capacity of the secondary battery itself. Furthermore, while pre-doping with lithium can entail a large exothermic reaction, controlling the current during lithium doping allows for control of the rate of this reaction, which can offer significant safety advantages.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 프리도핑 방법에 의해 음극을 리튬으로 산화환원반응에 의해 도핑, 또는 도핑 후 다시 탈도핑함으로써, 리튬의 비가역용량분에 상당하는 양 만큼의 리튬으로 음극을 프리도핑 할 수 있다. 이로 인해, 상기 음극이 리튬의 흡장 및 방출에 수반하는 전극의 부피 팽창을 경감시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 도핑의 속도를 전류의 제어에 의해 조절이 가능해지므로, 큰 발열 발생을 방지하는 등의 도핑의 안전성도 확보할 수 있다. 특히 대량으로 도핑을 실시하는 경우, 온도를 제어할 수가 있으므로 상기 방법은 대량생산에 유리할 수 있다.Therefore, according to the present invention, by doping the negative electrode with lithium through a redox reaction using the pre-doping method, or by dedoping after doping, the negative electrode can be pre-doped with lithium in an amount equivalent to the irreversible capacity of lithium. This allows the negative electrode to reduce volume expansion caused by the absorption and release of lithium. In addition, since the doping speed can be controlled by controlling the current, the safety of doping, such as preventing large heat generation, can be ensured. In particular, when doping is performed in large quantities, the method can be advantageous for mass production because the temperature can be controlled.
또한, 상기 제 2 공정에서, 프리도핑 후, 산화환원반응을 1회 이상 더 실시하여 음극에 과잉량 도핑된 리튬을 제거할 수 있다.Additionally, in the second process, after pre-doping, the redox reaction may be performed one or more more times to remove lithium doped in excess on the negative electrode.
본 발명에서 사용되는 전해질로서 포함될 수 있는 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. Lithium salts that can be included as electrolytes used in the present invention can be used without limitation those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries, and for example, as anions of the lithium salts, F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 ( CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - .
본 발명에서 사용되는 전해액에 있어서, 전해액에 포함되는 유기 용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸 설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트, 아세트산메틸, 포름산메틸 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있다. 상기 전해액의 농도는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 0.5 내지 2 mol/L 일 수 있다. 상기 전해액은 수분이 100 ppm 이하의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 본 명세서에서 사용하는 「비수계 전해액」이라고 하는 용어는, 비수계 전해액 및 유기 전해액을 포함한 개념을 의미하는 것일 뿐만 아니라, 겔상 및 고체의 전해질을 포함한 개념도 의미할 수 있다. In the electrolyte used in the present invention, the organic solvent contained in the electrolyte can be used without limitation those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries, and representative examples thereof include any one selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethyl sulfuroxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite, methyl acetate, methyl formate, and tetrahydrofuran, or a mixture of two or more thereof. The concentration of the electrolyte is not particularly limited, but may be, for example, 0.5 to 2 mol/L. It is preferable to use the above electrolyte having a moisture content of 100 ppm or less. Meanwhile, the term "non-aqueous electrolyte" used in this specification not only refers to a concept including non-aqueous electrolyte and organic electrolyte, but may also refer to a concept including gel-like and solid electrolyte.
본 발명의 일 구현예에 따라, 리튬으로 프리도핑된, 규소계 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함하는 이차전지는 에너지 밀도가 크게 향상될 뿐만 아니라, 사이클 특성 및 레이트(rate) 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a secondary battery including a negative electrode including a silicon-based negative electrode active material pre-doped with lithium not only has a significantly improved energy density, but also can further improve cycle characteristics and rate characteristics.
상기 제 3 공정은 상기 리튬으로 프리도핑된 음극, 분리막, 및 금속 산화물 활물질을 포함하는 양극을 순차적으로 적층하여 전극을 제조하는 공정이다.The third process is a cathode pre-doped with lithium, This is a process for manufacturing an electrode by sequentially stacking a separator and a cathode containing a metal oxide active material.
상기 이차전지 제조 시 상기 양극에 포함되는 상기 양극 활물질은 리튬을 전기화학적으로 흡장 및 방출할 수 있는 재료이면 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, 전기화학적으로 방출 가능한 리튬을 포함하는 금속 산화물 활물질을 포함할 수 있으며, 상기 금속 산화물 활물질은 구체적으로 코발트산 리튬, 망간산 리튬, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 스피넬 구조를 갖는 산화물을 포함할 수 있다. 또는 상기 양극 활물질은 리튬 복합 코발트 산화물, 리튬 복합 니켈 산화물, 리튬 복합 망간 산화물 및 리튬 복합 티타늄 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 들 수 있으며, 상기 복합 산화물에 이종금속원소를 1종 이상 첨가한 활물질 등을 이용할 수 있다. 또, 전기화학적으로 방출 가능한 리튬을 포함하지 않는 것으로서 망간, 바나듐 및 철로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속산화물, 다이설파이드계 화합물, 폴리아센(polyacene)계 화합물 및 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 등을 사용할 수 있다.When manufacturing the secondary battery, the positive electrode active material included in the positive electrode is not particularly limited as long as it is a material that can electrochemically absorb and release lithium. For example, it may include a metal oxide active material that includes electrochemically releasable lithium, and the metal oxide active material may specifically include an oxide having a spinel structure including lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, or a mixture thereof. Alternatively, the positive electrode active material may include at least one selected from the group consisting of lithium composite cobalt oxide, lithium composite nickel oxide, lithium composite manganese oxide, and lithium composite titanium oxide, and an active material obtained by adding at least one heterometal element to the composite oxide may be used. In addition, as long as it does not include electrochemically releasable lithium, at least one metal oxide selected from the group consisting of manganese, vanadium, and iron, a disulfide-based compound, a polyacene-based compound, and activated carbon, and the like may be used.
또한, 상기 분리막은 종래 분리막으로 사용되는 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 다공질의 프로필렌을 포함할 수 있다. 또한, 상기 분리막은 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 또한, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 상기 분리막은 분리막 표면에 세라믹 물질이 얇게 코팅된 안전성 강화 분리막(SRS, safety reinforced separator)을 포함할 수 있다. In addition, the separator may include a conventional porous polymer film used as a conventional separator, for example, porous propylene. In addition, the separator may use a porous polymer film made of a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, alone or in a laminated manner. In addition, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength may be used. The separator may include a safety reinforced separator (SRS) in which a ceramic material is thinly coated on the surface of the separator.
이외에도 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 분리막은 두께가 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 구체적으로 15 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있다.In addition, conventional porous nonwoven fabrics, such as nonwoven fabrics made of high-melting-point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc., may be used, but are not limited thereto. The separator may have a thickness of 10 μm to 30 μm, specifically 15 μm to 25 μm.
본 발명의 이차전지의 형상 및 크기 등의 외형은 특별한 제한은 없으나, 각각의 용도에 따라 원통형, 각형, 파우치(pouch)형, 필름형 또는 코인(coin)형 등 을 포함할 수 있다.There is no particular limitation on the external shape, size, etc. of the secondary battery of the present invention, but it may include a cylindrical shape, a square shape, a pouch shape, a film shape, or a coin shape, etc., depending on each use.
상기 구현예에 따른 이차전지의 제조방법은 리튬으로 프리도핑된 규소계 음극 활물질을 포함하는 음극을 포함함으로써, 이차전지의 안전성 구현은 물론, 에너지 밀도를 크게 향상시키고, 사이클 특성 및 레이트 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.The method for manufacturing a secondary battery according to the above embodiment includes a negative electrode including a silicon-based negative electrode active material pre-doped with lithium, thereby not only realizing the safety of the secondary battery, but also significantly improving the energy density and further improving the cycle characteristics and rate characteristics.
[실시예][Example]
상기 내용을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 실시예의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The above contents are explained in more detail with the following examples. However, the following examples are only intended to illustrate the present invention, and the scope of the examples is not limited to these examples.
실시예 1Example 1
<음극의 제조><Manufacturing of the cathode>
하기 물성을 갖는 탄소층이 형성된 규소계 음극 활물질(DAEJOO제)을 사용하고, 도전재로 수퍼-P(Super-P, TIMCAL), 바인더로 폴리아크릴산(PAA, Poly Acrylic acid, 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich))을 80:10:10 중량비로 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조하였다.A silicon-based negative electrode active material (manufactured by DAEJOO) having a carbon layer having the following properties was used, and a negative electrode active material composition was prepared by mixing Super-P (TIMCAL) as a conductive agent and polyacrylic acid (PAA, Poly Acrylic acid, Sigma-Aldrich) as a binder in a weight ratio of 80:10:10.
SiOx : x = 1.0SiOx: x = 1.0
탄소 함량 : 5.1 중량 %Carbon content: 5.1 wt%
음극 활물질의 평균입경(D50) : 5.3 ㎛Average particle size of negative active material (D 50 ): 5.3 ㎛
상기 음극 활물질 조성물을 두께 18 ㎛인 구리 호일에 도포하고 건조 및 압연하여 두께가 40 ㎛, 밀도가 1.35g/㎤인 음극을 제작했다. The above negative active material composition was applied to a copper foil having a thickness of 18 μm, dried, and rolled to produce a negative electrode having a thickness of 40 μm and a density of 1.35 g/cm3.
상기 음극을 에틸렌카보네이트(EC)와 디에틸렌카보네이트(DEC)의 부피비 1:1의 혼합용매에 1M LiPF6를 포함하는 리튬 비수계 전해액 중에서 20 ㎛인 리튬 금속판과 0.0005 V에서 환원반응을 통해 리튬으로 도핑하고 1.5 V가 될 때까지 산화반응을 실시하여 탈도핑 후 건조하여 전기화학적으로 리튬으로 프리도핑된 음극을 얻었다.The above negative electrode was doped with lithium through a reduction reaction at 0.0005 V with a 20 μm lithium metal plate in a lithium non-aqueous electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethylene carbonate (DEC) at a volume ratio of 1:1, and then dedoped by performing an oxidation reaction until the voltage reached 1.5 V, followed by drying, thereby obtaining an electrochemically pre-doped negative electrode with lithium.
<양극의 제조><Manufacturing of the positive electrode>
양극 활물질로 LiNi0.8Co0.2O2을 사용하였고, 도전재로 수퍼-P, 바인더로 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF, Solvay)를 사용하여 양극 활물질 조성물(슬러리)을 제조하였다. 상기 양극 활물질 조성물을 15 ㎛인 알루미늄 호일 상에 도포한 후, 건조 및 압연하여 양극을 얻었다. LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 was used as a positive electrode active material, Super-P was used as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF, Solvay) was used as a binder to prepare a positive electrode active material composition (slurry). The positive electrode active material composition was applied onto a 15 μm aluminum foil, and then dried and rolled to obtain a positive electrode.
<이차전지의 제조><Manufacturing of secondary batteries>
상기 리튬으로 프리도핑된 음극, 상기 양극 사이에 다공질 폴리프로필렌시트(25㎛)의 분리막을 개재한 후, 권취하여 젤리롤을 제조하였다. 이 후, 원통형 캔에 수납 및 밀봉한 후 에틸렌카보네이트(EC)와 디에틸렌카보네이트(DEC)의 부피비 1:1의 혼합용매에 1M LiPF6을 포함하는 전해액을 주입하여 1Ah급 이차전지를 제작하였다.A porous polypropylene sheet (25 μm) separator was interposed between the lithium-predoped negative electrode and the positive electrode, and then wound to produce a jelly roll. After this, it was stored and sealed in a cylindrical can, and an electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethylene carbonate (DEC) at a volume ratio of 1:1 was injected to produce a 1 Ah-class secondary battery.
실시예 2Example 2
바인더로서 폴리이미드 수지를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 음극, 및 이차전지를 제조하였다. A negative electrode and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that polyimide resin was used as a binder.
실시예 3Example 3
실시예 2와 동일한 규소계 음극 활물질과 천연흑연(평균 입자크기:7.5 ㎛)의 탄소계 음극 재료를 50:50의 중량비로 혼합하여 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 음극(두께 37 ㎛, 밀도 1.10 g/㎤) 및 이차전지를 제조하였다. A negative electrode (thickness 37 ㎛, density 1.10 g/cm3) and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 2, except that the same silicon-based negative electrode active material as in Example 2 and the carbon-based negative electrode material of natural graphite (average particle size: 7.5 ㎛) were mixed in a weight ratio of 50:50.
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1에서 음극을 리튬으로 프리도핑하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차전지를 제조하였다.A negative electrode and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode was not pre-doped with lithium.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 2에서 음극을 리튬으로 프리도핑하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 음극 및 이차전지를 제조하였다.A negative electrode and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 2, except that the negative electrode was not pre-doped with lithium.
비교예 3Comparative Example 3
실시예 3에서 음극을 리튬으로 프리도핑하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 음극 및 이차전지를 제조하였다.A negative electrode and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 3, except that the negative electrode was not pre-doped with lithium.
이차전지의 용량 특성 및 효율 평가Capacity characteristics and efficiency evaluation of secondary batteries
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 얻은 리튬 이차전지를 12 시간 에이징을 한 후 충방전 시험 장비(원아테크)를 이용하여 0.1 C의 정전류로 4.2 V에 도달 하도록 충전하고, 0.1 C의 정전류로 전압이 2.5 V가 될 때까지 방전하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The lithium secondary batteries obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were aged for 12 hours, and then charged to 4.2 V at a constant current of 0.1 C using a charge/discharge test device (Won-A Tech), and then discharged at a constant current of 0.1 C until the voltage reached 2.5 V. The results are shown in Table 1 below.
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 리튬으로 프리도핑된 음극을 사용한 실시예 1 내지 3의 이차전지는 리튬으로 프리도핑되지 않은 음극을 사용한 비교예 1 내지 3의 이차전지에 비해 이차전지의 특성이 우수하였다. As can be seen in Table 1 above, the secondary batteries of Examples 1 to 3 using negative electrodes pre-doped with lithium had superior secondary battery characteristics compared to the secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3 using negative electrodes not pre-doped with lithium.
특히, 실시예 1 내지 3의 이차전지의 효율은 86% 이상인데 반해, 비교예 1 내지 3은 모두 69% 미만이었다. 실시예 1의 이차전지는 효율이 86.4%로 68.7%인 비교예 1의 이차전지에 비해 20% 이상 상승하였다. In particular, the efficiency of the secondary batteries of Examples 1 to 3 was 86% or more, whereas the efficiency of Comparative Examples 1 to 3 was all less than 69%. The secondary battery of Example 1 had an efficiency of 86.4%, which was an increase of more than 20% compared to the secondary battery of Comparative Example 1, which had an efficiency of 68.7%.
한편, 상기 실시예 및 비교예의 이차전지를 하룻밤 실온에서 방치한 후, 충방전 시험 장치((주) 나가노제)를 이용해 충전 전류를 테스트 셀의 전압이 4. 2 V에 도달할 때까지 0. 5mA/㎠의 정전류로 충전을 실시했다. 방전은 0. 5mA/㎠의 정전류로 실시하고, 셀 전압이 2.5 V가 될 때 방전을 종료한 후, 방전 용량을 측정하였다. 상기 충방전 시험을 50 회 반복하여, 용량 유지율을 측정하였다. Meanwhile, the secondary batteries of the above examples and comparative examples were left at room temperature overnight, and then charged at a constant current of 0.5 mA/cm2 using a charge/discharge test device (manufactured by Nagano Co., Ltd.) until the voltage of the test cell reached 4.2 V. Discharging was performed at a constant current of 0.5 mA/cm2, and when the cell voltage reached 2.5 V, discharging was terminated, and then the discharge capacity was measured. The charge/discharge test was repeated 50 times, and the capacity retention rate was measured.
상기 방전용량 및 사이클 후의 용량 유지율은 하기와 같이 계산하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.The discharge capacity and capacity retention rate after the cycle were calculated as follows, and the results are shown in Table 2.
초기 방전용량: 1st 사이클에서의 방전용량Initial discharge capacity: discharge capacity at 1 st cycle
용량 유지율: 100Ⅹ(50th 사이클에서의 방전용량) / (1st 사이클에서의 방전용량)Capacity retention: 100Ⅹ(discharge capacity at 50th cycle) / (discharge capacity at 1st cycle)
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 리튬으로 프리도핑된 음극을 사용한 실시예 1 내지 3의 이차전지는 초기 방전용량이 각각 11 mAh 내지 13.2 mAh인 반면, 리튬으로 프리도핑되지 않은 음극을 사용한 비교예 1 내지 3의 이차전지는 초기 방전용량이 8.5 mAh 이하로 실시예 1 및 2에 비해 20 % 내지 50 %까지 감소함을 알 수 있다. As can be seen in Table 2 above, the secondary batteries of Examples 1 to 3 using negative electrodes pre-doped with lithium have initial discharge capacities of 11 mAh to 13.2 mAh, respectively, whereas the secondary batteries of Comparative Examples 1 to 3 using negative electrodes not pre-doped with lithium have initial discharge capacities of 8.5 mAh or less, which is a decrease of 20% to 50% compared to Examples 1 and 2.
10 : 음극
20 : 전해액
30 : 리튬 금속판10: Cathode
20: Electrolyte
30: Lithium metal plate
Claims (22)
(2) 상기 음극 및 리튬 금속판을 반응조에 위치시킨 후, 산화환원반응을 실시하여 상기 음극을 리튬으로 프리도핑(predoping)하는 제 2 공정; 및
(3) 상기 리튬으로 프리도핑된 음극, 분리막, 및 금속 산화물을 포함하는 양극을 순차적으로 적층하여 전극을 제조하는 제 3 공정;
을 포함하며,
상기 규소계 음극 활물질이 MgSiO3 결정 및 Mg2SiO4 결정을 포함하고, X선 회절 분석에서 2θ=22.3°내지 23.3°의 범위에 나타나는 Mg2SiO4 결정에 해당하는 X선 회절 피크의 강도(IF) 및 2θ=30.5°내지 31.5°범위에 나타나는 MgSiO3 결정에 해당하는 X선 회절 피크의 강도(IE)의 비율인 IF/IE가 1 이하인, 이차전지의 제조방법.
(1) A first process for manufacturing a negative electrode by applying a negative electrode active material composition including a silicon-based negative electrode active material to a negative electrode current collector;
(2) A second process of placing the cathode and lithium metal plate in a reaction tank and then performing a redox reaction to predope the cathode with lithium; and
(3) The above lithium-predoped negative electrode, A third process for manufacturing an electrode by sequentially stacking a separator and an anode including a metal oxide;
Includes,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the silicon-based negative electrode active material includes MgSiO 3 crystals and Mg 2 SiO 4 crystals, and the ratio of the intensity (IF) of an X-ray diffraction peak corresponding to Mg 2 SiO 4 crystals appearing in the range of 2θ=22.3° to 23.3° in X-ray diffraction analysis and the intensity (IE) of an X-ray diffraction peak corresponding to MgSiO 3 crystals appearing in the range of 2θ=30.5° to 31.5°, IF/IE, is 1 or less.
상기 제 2 공정에서, 프리도핑 후, 산화환원반응을 1회 이상 더 실시하여 음극에 과잉량 도핑된 리튬을 제거하는, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein, in the second process above, after pre-doping, an oxidation-reduction reaction is performed one or more more times to remove lithium doped in excess on the negative electrode.
상기 제 2 공정에서, 음극과 리튬 금속판을 전기화학적으로 접촉시키면서 리튬의 흡탈을 일으켜 음극의 초기의 비가역용량분에 상당하는 양의 리튬으로 음극을 프리도핑하는 것을 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, comprising, in the second process, electrochemically contacting the negative electrode and the lithium metal plate to cause absorption and desorption of lithium, thereby pre-doping the negative electrode with an amount of lithium equivalent to the initial irreversible capacity of the negative electrode.
상기 금속 산화물이 코발트산 리튬, 망간산 리튬, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 스피넬 구조를 갖는 산화물을 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the metal oxide comprises an oxide having a spinel structure including lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, or a mixture thereof.
상기 규소계 음극 활물질이 규소 미립자, SiOx(0.3≤x≤1.6)로 표시되는 화합물, 이산화규소, 및 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 조합을 포함하는 규산염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the silicon-based negative electrode active material comprises at least one selected from the group consisting of silicon fine particles, a compound represented by SiOx (0.3≤x≤1.6), silicon dioxide, and a silicate containing magnesium, calcium, aluminum, or a combination thereof.
상기 규소 미립자가 2 nm 내지 10 nm의 결정자 크기를 갖는, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 5,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the silicon particles have a crystallite size of 2 nm to 10 nm.
상기 규소계 음극 활물질이 탄소 피막을 포함하는 탄소층을 그의 표면에 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the silicon-based negative electrode active material includes a carbon layer including a carbon film on its surface.
상기 탄소층의 탄소 함량이 상기 규소계 음극 활물질 총 중량에 대해 2 중량% 내지 10 중량%인, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 8,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the carbon content of the carbon layer is 2 wt% to 10 wt% based on the total weight of the silicon-based negative electrode active material.
상기 탄소층이 카본 나노 섬유, 그래핀, 산화 그래핀 및 환원된 산화 그래핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 8,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the carbon layer comprises at least one selected from the group consisting of carbon nanofibers, graphene, graphene oxide, and reduced graphene oxide.
상기 규소계 음극 활물질의 입자 분포의 누적 50% 평균입경(D50)이 0.5 ㎛ 내지 15 ㎛인, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 8,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the cumulative 50% average particle diameter (D 50 ) of the particle distribution of the above silicon-based negative electrode active material is 0.5 ㎛ to 15 ㎛.
상기 규소계 음극 활물질은 비중이 1.8 g/㎤ 내지 3.2 g/㎤이고, 비표면적(Brunauer-Emmett-Teller; BET)이 2 m2/g 내지 20 m2/g인, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the silicon-based negative electrode active material has a specific gravity of 1.8 g/cm3 to 3.2 g/cm3 and a specific surface area (Brunauer-Emmett-Teller; BET) of 2 m 2 /g to 20 m 2 /g.
상기 제 1 공정에서, 도포 후 압연 및 건조하는 단계를 더 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, further comprising, in the first process, a step of rolling and drying after application.
상기 분리막이 다공질의 프로필렌을 포함하고, 그 두께가 10μm 내지 30μm인, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the separator comprises porous propylene and has a thickness of 10 μm to 30 μm.
상기 프리도핑은 전해액 중에서 이루어지며,
상기 전해액이 비수계 전해질, 고분자 전해질 또는 고분자 겔 전해질을 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 1,
The above pre-doping is performed in an electrolyte,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the electrolyte comprises a non-aqueous electrolyte, a polymer electrolyte or a polymer gel electrolyte.
상기 음극 활물질 조성물이 바인더를 더 포함하는 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the negative active material composition further comprises a binder.
상기 바인더가 불소계 수지, 고무계 재료, 폴리올레핀, 아크릴 수지, 및 폴리이미드계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 16,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the binder comprises at least one selected from the group consisting of a fluorine-based resin, a rubber-based material, a polyolefin, an acrylic resin, and a polyimide-based resin.
상기 규소계 음극 활물질이,
규소 분말과 이산화규소 분말을 혼합하여 규소-산화규소 원료 분말 혼합체를 얻는 단계;
상기 원료 분말 혼합체를 가열 및 증착시켜 규소산화물 복합체를 얻는 단계; 및
상기 규소산화물 복합체를 분쇄 및 분급하여 규소계 음극 활물질을 얻는 단계;
를 포함하는 공정에 의해 제조된 것인, 이차전지의 제조방법.
In the first paragraph,
The above silicon-based negative electrode active material,
A step of mixing silicon powder and silicon dioxide powder to obtain a silicon-silicon oxide raw material powder mixture;
A step of heating and depositing the above raw material powder mixture to obtain a silicon oxide composite; and
A step of crushing and classifying the above silicon oxide complex to obtain a silicon-based negative electrode active material;
A method for manufacturing a secondary battery, the secondary battery being manufactured by a process including:
상기 가열은 800 ℃ 내지 1600 ℃의 범위에서 이루어지는, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 18,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the above heating is performed in a range of 800°C to 1600°C.
상기 분쇄는 상기 규소계 음극 활물질의 평균입경이 0.5 ㎛ 내지 15 ㎛이 되도록 수행되는, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 18,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the above-mentioned grinding is performed so that the average particle diameter of the silicon-based negative electrode active material is 0.5 ㎛ to 15 ㎛.
상기 분쇄 및 분급 후, 화학적 열분해 증착법을 이용하여 탄소 피막을 포함하는 탄소층을 상기 규소계 음극 활물질의 표면에 형성하는 단계를 더 포함하는, 이차전지의 제조방법.
In paragraph 18,
A method for manufacturing a secondary battery, further comprising a step of forming a carbon layer including a carbon film on the surface of the silicon-based negative electrode active material using a chemical pyrolysis deposition method after the above-mentioned crushing and classification.
상기 탄소층을 형성한 후, 상기 규소계 음극 활물질을 분쇄 및 분급하는 단계를 더 포함하는, 이차전지의 제조방법.In paragraph 21,
A method for manufacturing a secondary battery, further comprising the step of crushing and classifying the silicon-based negative electrode active material after forming the carbon layer.
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