KR101371555B1 - 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법 - Google Patents

리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101371555B1
KR101371555B1 KR1020120118642A KR20120118642A KR101371555B1 KR 101371555 B1 KR101371555 B1 KR 101371555B1 KR 1020120118642 A KR1020120118642 A KR 1020120118642A KR 20120118642 A KR20120118642 A KR 20120118642A KR 101371555 B1 KR101371555 B1 KR 101371555B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
active material
lithium secondary
negative electrode
carbon
Prior art date
Application number
KR1020120118642A
Other languages
English (en)
Inventor
박종일
박세민
박언병
Original Assignee
재단법인 포항산업과학연구원
주식회사 포스코
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 포항산업과학연구원, 주식회사 포스코 filed Critical 재단법인 포항산업과학연구원
Priority to KR1020120118642A priority Critical patent/KR101371555B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101371555B1 publication Critical patent/KR101371555B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/80—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법은 반응챔버 내부에 불활성기체를 공급하여 불활성 분위기를 조성하는 단계, 상기 반응챔버 내부에 RF 플라즈마를 발생시키는 단계, 상기 RF 플라즈마가 발생된 반응챔버 내부에 실리콘 분말을 장입하는 단계, 상기 실리콘 분말을 상기 플라즈마로 기화시키는 단계, 상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계, 및 상기 기화된 실리콘 및 상기 탄화수소로부터 열분해된 탄소를 응축시키는 단계를 포함한다.

Description

리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법 {Method for manufacturing silicon-carbon nano composite for anode active material of lithium secondary batteries}
본 발명은 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 RF 플라즈마 열분해에 의해 실리콘 나노 분말을 제조함과 동시에 표면상에 탄소를 성장키는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법에 관한 것이다.
휴대폰이나 노트북 등 휴대용 전자기기의 기능이 다양화, 고기능화되면서 이에 필요한 휴대용 에너지원으로 현재 가장 널리 사용되고 있는 리튬이온 이차전지도 에너지 저장 분야와 전기자동차 분야의 이차전지 시장 확대로 고용량화, 고출력화의 요구가 높아지고 있다.
1990년대 초 Sony사가 개발한 흑연계 리튬이온 이차전지가 시장에 등장한 이래로 전지의 에너지밀도는 비약적으로 발전하여 개발초기보다 3배가 넘어서고 있다. 그러나 여전히 고용량 전지의 요구는 지속되고 있으며 특히 고효율 충방전 특성이 우수한 음극재 개발이 필요하다.
전지의 용량은 양극재와 음극재료의 충방전 특성에 지배받기 때문에 음극 활물질의 개선은 전지 개발자에게는 큰 관심의 대상이 되고 있다. 최근 무기물코팅, 결정성 카본 코팅, 파이로 카본질 코팅, 탄소나노섬유 또는 탄소나노튜브를 분산시켜 음극재에 표면 코팅하는 방법 등 다양한 음극 활물질의 표면개질 연구를 통해 이차전지의 음극재인 카본 흑연계의 전기화학적 특성을 향상시키는 연구를 진행시키고 있다. 상기한 방법 등은 리튬이 이차전지 내에서 삽입/방출을 진행하면서 결정구조가 파괴되는 것을 막는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 리튬이차전지의 음극재인 천연흑연 활물질 표면을 결정성 카본으로 코팅하여 충방전 특성이 개선된 제품도 개발되고 있다.
한편 금속을 이용한 탄소 음극재 개질 연구에 있어서, Tsutomu Takamura 등은 금속 가열 증착방법을 사용하여 흑연계 음극 활물질 표면에 Ag, Au, Bi, I, Zn 등의 금속 박막을 코팅하여 충방전 특성의 향상을 보고하였다. (Journal of Power Source 81-82 pp 368∼372 (1999)). 미국 특허등록 제6,797,434호에서는 흑연계 활물질을 비정질 금속인 주석산화물로 코팅하는 방법을 개시하고 있다. 대한민국 공개특허공보 제2004-100058호 '리튬이차전지용 음극 활물질 및 그의 제조방법'에서는 탄소물질과 금속전구체를 사용하여 탄소/금속 복합물의 제조 방법을 개시하고 있다. 대한민국 특허등록 제536,247호 '리튬이차전지용 음극 활물질 및 그를 포함하는 리튬이차전지'에서는 흑연계 탄소물질 표면에 Al, Ag, B, Zn, Zr 등 무기계 산화물 막 혹은 수산화물 막을 열처리공정을 통해 형성시키는 방법을 개시하고 있다.
고용량 음극 활물질 연구에 있어서, 금속 실리콘은 흑연계 음극 활물질보다도 10 이상의 높은 에너지 밀도를 나타내는 것으로 알려져 있다. 리튬이차전지에서는 리튬이온이 삽입/방출을 반복하면서 음극 활물질의 결정 구조가 팽창, 수축을 동반하여 결정이 파괴되고 결국은 전지의 싸이클 특성 저하를 초래하게 되어 흑연 또는 금속으로 구성된 음극 활물질은 이차전지 음극 활물질로서 더 이상 활용할 수 없게 된다.
즉, 충방전시 Li1 .71~4.4Si와 같은 리튬과 실리콘의 합금화에 의한 부피 팽창은 자체 실리콘보다 4배 이상 증가하게 되어 결국 충방전이 지속되면서 실리콘 전극 구조가 깨지면서 방전 용량이 초기용량의 20% 이하로 급격히 저하되어 전극 활물질로서의 기능을 상실하게 된다.
많은 연구 개발들은 이러한 실리콘 전극 구조의 안정성 증진을 위해 실리콘 입자의 나노사이즈화, 니켈, 구리 등 전이금속과의 합금화하는 방법, 카본/실리콘 복합체, 실리콘의 산소 함유량을 변화시키는 방법, 전극 바인더 개량 등이 시도되었으나 그 결과는 실리콘 활물질이 갖는 1000mAh/g 이상의 고용량 특징을 살리지 못하거나 싸이클 진행에 따른 용량 저하 문제는 여전히 극복되지 못하고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 음극 활물질의 부피 팽창을 억제하고 오랜 고율 충방전 싸이클 특성을 유지하기 위해 실리콘 금속 나노 분말과 탄소와의 복합화를 정밀 제어함으로써 리튬이온이 삽입 및 방출을 반복하면서 발생되는 음극 활물질 결정 구조의 부피팽창을 저항하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법은 반응챔버 내부에 불활성기체를 공급하여 불활성 분위기를 조성하는 단계, 상기 반응챔버 내부에 RF 플라즈마를 발생시키는 단계, 상기 반응챔버 내부에 실리콘 분말을 장입하는 단계, 상기 실리콘 분말을 상기 플라즈마로 기화시키는 단계, 상기 챔버 내부로 탄화수소 화합물을 흘려 주어 열분해 시키는 단계, 및 상기 기화된 실리콘 및 상기 탄화수소 화합물로부터 열분해된 탄소를 응축시키는 단계를 포함한다.
상기 RF 플라즈마는 15~200kW의 용량으로 출력되는 플라즈마 발생기에 의한 것일 수 있다.
상기 실리콘- 탄소 나노 복합분말 응축 단계는 공급되는 ?칭가스에 의한 냉각에 의해 이루어질 수 있다.
상기 불활성 가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)일 수 있다.
상기 ?칭가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)일 수 있다.
상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 플라즈마 토치부의 쉬스가스 투입구로 탄화수소 화합물을 흘려줄 수 있다.
상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 플라즈마 토치부의 분말투입기부로 탄화수소 화합물을 흘려줄 수 있다.
상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 반응챔버의 ?칭가스부로 탄화수소 화합물을 흘려줄 수 있다.
상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 반응챔버의 하부에서 토치 상부로 탄화수소 화합물을 흘려줄 수 있다.
상기 탄화수소 화합물은 탄소와 수소로 구성된 탄화수소 화합물 중 선택된 1종 이상일 수 있으며, 상기 탄소와 수소로 구성된 탄화수소 화합물은 화합물은 에틸렌, 아세틸렌, 메탄, 프로판, 프로필렌, 에탄 및 부틸렌 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 탄화수소 화합물은 휘발성 알코올 또는 케톤 중에 선택된 어느 하나이상일 수 있으며, 상기 휘발성 알코올 또는 케톤은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤 및 메틸에틸 케톤 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 실리콘 분말과 탄소 분말의 기계적 혼합에 의한 복합화 공정과 대비할 때 고출력, 고용량화에 유리한 실리콘-탄소 복합 나노분말을 제조할 수 있다.
둘째, RF 플라즈마를 이용하여 종래보다 여러 단계의 제조공정을 간소화시킬 수 있으며, 생산성이 향상되어 제조비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법의 공정 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 X-선 회절 그래프이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법의 공정 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 반응챔버 내부에 불활성기체를 공급하여 불활성 분위기를 조성하는 단계(S10), 상기 반응챔버 내부에 RF 플라즈마를 발생시키는 단계(S20), 상기 반응챔버 내부에 실리콘 분말을 장입하는 단계(S30), 상기 실리콘 분말을 상기 플라즈마로 기화시키는 단계(S40), 상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계(S50) 및 상기 기화된 실리콘 및 상기 탄화수소로부터 열분해된 탄소를 응축시키는 단계(S60)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 응축된 실리콘-탄소 복합 나노분말을 필터링하여 이를 수거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
아울러, 도 2를 참조하면, RF 플라즈마를 이용한 금속 나노분말 제조장치(100)는 분말공급기(120), 플라즈마 발생부(130), 반응챔버(110), 사이클론(140), 진공펌프(145), 필터(151), 및 나노분말 수거부(150)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는RF 플라즈마를 이용하여 반응챔버(110)에서 실리콘(Si)을 가열 증발시켜 기상의 실리콘을 생성하고, 탄화수소 가스의 열분해를 통해 탄소 소스를 제공하여 실리콘 나노 분말 표면에 응축시킴으로써 실리콘-탄소 복합 나노분말을 제조한다.
우선, 불활성 분위기 조성 단계(S10)은 실리콘 분말이 분말 투입기에 투입된 상태에서 반응챔버(110) 내부에 진공을 형성하고, 불활성가스를 공급하여 반응챔버(110) 내부를 불활성 분위기로 조성한다. 본 과정은 2회 이상 반복 실시될 수 있다.
다음으로, 플라즈마 발생단계(S20)는 반응챔버(110) 내부에서 이루어진다. 반응챔버(110) 상측에 반응챔버(110)의 내부와 연통되도록 플라즈마 발생부(130)가 장착되고, 상기 플라즈마 발생부(130)는 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 RF 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이 때 플라즈마 발생부(130)에서 사용되는 전력은 15~200kW일 수 있다.
실리콘의 기화를 위하여 실리콘 분말을 반응챔버(110) 내부로 장입한다.(S30) 여기서, 실리콘 분말은 분말공급기(120)에 들어 있는 상태에서 진동과 동시에 설정된 크기의 이송 힘을 가하여 RF 플라즈마 발생부(130)를 통해 반응챔버(110) 내부로 투입될 수 있다. 상기 진동의 주파수는 90~120Hz일 수 있으며, 상기 이송힘은 기기용량의 0~100% 까지 조절이 가능하여 투입량을 조절할 수 있다. 이때, 분말공급기(120)에 의해 반응챔버(110) 내부로 투입되는 실리콘 분말은 이송가스에 의해 이송될 수 있으며, 이송가스는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체일 수 있으며 유량은 5~40slpm으로 제어될 수 있다.
장입된 실리콘 분말을 플라즈마 발생부(130)에서 발생되는 RF 플라즈마를 통해 기화시킨다.(S40) 실리콘 분말을 기화시키는 데 이용되는 RF 플라즈마는 플라즈마 발생부(130)로부터 형성되는 것으로, 최종 온도가 약 5,000~10,000K일 수 있다. 상기 최종 온도는 실리콘의 끊는점 이상의 온도에 해당한다.
실리콘 분말이 기화된 후에 반응챔버(110) 내부로 투입되는 가스에 탄화수소 가스를 포함시켜 흘려 줌으로써 플라즈마 발생부(130)에서 발생되는 고온의 RF 플라즈마에 의해 탄화수소 가스를 탄소(C)와 수소(H2) 가스로 열분해시킨다.(S50) 여기서 사용되는 탄소 공급원으로서의 탄화수소 가스는 에틸렌, 아세틸렌, 메탄, 프로판, 프로필렌, 에탄, 부틸렌 등에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으며, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤, 메틸에틸 케톤 등의 휘발성 알콜 또는 케톤 등도 사용될 수 있다. 여기서 탄화수소 가스는 플라즈마 토치부에 투입되는 가스 또는 ?칭 가스, 분말 투입가스, 반응챔버 하부등에서 투입이 가능하다.
최종적으로 실리콘-탄소 나노 복합분말 응축단계(S60)는 기화된 실리콘과 탄소를 응축 및 급랭시켜 실리콘 나노 분말 주변에 탄소 나노 분말이 둘러싼 실리콘-탄소 복합 나노분말을 얻을 수 있다. 여기서 실리콘-탄소 분말에 대한 응축 또는 급랭은 반응챔버(110) 내부로 ?칭 가스(quenching gas)를 분사하여 이루어질 수 있으며, 이때 사용되는 ?칭 가스는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스일 수 있으며, 이 때 유량은 10~600slpm일 수 있다.
응축 및 급랭에 의해 제조된 실리콘-탄소 복합 나노분말을 필터링하여 수거할 수 있다. 여기서 실리콘-탄소 복합 나노분말, 아르곤(Ar) 가스, 수소(H2) 가스는 진공펌프(145)에 의해 함께 이송되고 사이클론(140)을 지나면서 온도가 하강된 상태로 나노분말 수거부(150)로 유입된다. 나노분말 수거부(150)에는 필터(151)가 구비되어 유입되는 실리콘-탄소 복합 나노분말을 외벽에 흡착시키고 가스는 통과시켜 별도의 배관을 통해 배출될 수 있다.
그리고, 일정량의 실리콘-탄소 복합 나노분말이 필터(151) 외벽에 흡착되면, 필터(151) 내부에서 백 플러싱(back flushing)하여 흡착된 실리콘-탄소 복합 나노분말을 탈착시키고, 탈착된 실리콘-탄소 복합 나노분말을 회수할 수 있다. 회수되는 실리콘-탄소 복합 나노분말은 반응성 기체와 접촉할 수 있는 비표면적이 크기 때문에 회수 및 처리에 주의가 필요하다.
하기의 표1에 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법의 공정조건을 나타내었다.
구분 조건
플라즈마 출력 15~200kW
가스 쉬스 가스 (sheath gas) Ar: 100~120slpm
CH4: 5~10slpm
센트럴 가스 (central gas) Ar: 5~40slpm
?칭 가스 (quenching gas) Ar: 10~600slpm
캐리어 가스 (carrier gas) Ar: 5~40slpm
RF 플라즈마를 이용하여 실리콘 분말을 실리콘-탄소 복합 나노분말로 제조하기 위하여, 전구체로 10~100㎛ 크기의 실리콘 분말을 사용하였다.
우선 반응챔버(110) 내부를 진공상태로 형성시키고 아르곤(Ar) 가스를 공급하여 반응챔버(110)의 내부를 아르곤(Ar) 가스 분위기를 형성하는 과정을 2회 반복하였다. 그리고 플라즈마 조성가스로 아르곤(Ar)과 수소(H2) 가스를 공급하고 플라즈마 발생기의 출력을 20~60kW로 조절하여 RF 플라즈마를 발생시켰다.
실리콘 분말을 분말공급기(120)에 넣고 90Hz의 진동과 동시에 설정된 크기의 이송 힘을 가하여 실리콘 분말을 반응챔버(110)에 공급하였다. 이때, 메탄가스를 공급하여 탄소원으로 사용하였다. 이후 반응챔버(110)에 아르곤 가스를 분사하여 기화된 실리콘-탄소 복합 나노 분말을 응축시킨 다음 수거하였다.
수거된 분말의 성분을 분석하기 위하여 X-선 회절 시험(X-ray diffraction analysis) 분석을 수행하였다. 도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘-탄소 복합 나노분말의 X-선 회절 그래프이다.
도3은 참조하면, 제조된 실리콘-탄소 복합 나노분말의 X-선 회절 패턴은 JCPDS 기준의 실리콘, 탄소 및 실리콘 카바이드의 X-선 회절 패턴과 일치함을 알 수 있다. 실리콘 나노 분말 주면에 탄소가 성장하면서 그 계면에서 실리콘 카바이드가 형성되었으며, 실리콘 나노입자 주변에 탄소가 잘 둘러싸고 있는 복합 나노분말임을 확인할 수 있었다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘-탄소 복합 나노분말의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도4에 도시된 바와 같이, 제조된 실리콘-탄소 복합 나노분말의 평균입도가 약 10nm이며, 구형의 실리콘 나노분말 주변에 탄소가 둘러싸고 있는 형태를 띄었다.
이상 첨부된 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 나노분말 제조장치 110: 반응챔버
120: 분말 공급기 130: RF 플라즈마 발생부
140: 사이클론 145: 진공펌프
150: 나노분말 수거부 151: 필터

Claims (12)

  1. 반응챔버 내부에 불활성기체를 공급하여 불활성 분위기를 조성하는 단계;
    상기 반응챔버 내부에 RF 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 반응챔버 내부에 실리콘 분말을 장입하는 단계;
    상기 실리콘 분말을 상기 플라즈마로 기화시키는 단계;
    상기 챔버 내부로 탄화수소 화합물을 흘려 주어 열분해 시키는 단계; 및
    상기 기화된 실리콘 및 상기 탄화수소 화합물로부터 열분해된 탄소를 응축시키는 단계;
    를 포함하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  2. 제1항에서,
    상기 RF 플라즈마는 15~200kW의 용량으로 출력되는 플라즈마 발생기에 의한 것을 특징으로 하는 리튬 이차진지용 음극 활물질 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  3. 제1항에서,
    상기 실리콘- 탄소 나노 복합분말 응축 단계는 공급되는 ?칭가스에 의한 냉각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전치용 음극 활물질 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  4. 제3항에서,
    상기 ?칭가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 플라즈마 토치부의 쉬스가스 투입구로 탄화수소 화합물을 흘려주는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  6. 제 1항에서,
    상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 플라즈마 토치부의 분말투입기부로 탄화수소 화합물을 흘려주는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  7. 제 1항에서,
    상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 반응챔버의 ?칭가스부로 탄화수소 화합물을 흘려주는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  8. 제 1항에서,
    상기 챔버 내부로 탄화수소 가스를 흘려 주어 열분해 시키는 단계에서 반응챔버의 하부에서 토치 상부로 탄화수소 화합물을 흘려주는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  9. 제1항에서,
    상기 탄화수소 화합물은 탄소와 수소로 구성된 탄화수소 화합물 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  10. 제9항에서,
    상기 탄소와 수소로 구성된 탄화수소 화합물은 에틸렌, 아세틸렌, 메탄, 프로판, 프로필렌, 에탄 및 부틸렌 중에서 선택된 어느 하나 이상인 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  11. 제1항에서,
    상기 탄화수소 화합물은 휘발성 알코올 또는 케톤인 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
  12. 제11항에서,
    상기 휘발성 알코올 또는 케톤은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤 및 메틸에틸 케톤 중에서 선택된 어느 하나 이상인 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노분말의 제조방법.
KR1020120118642A 2012-10-24 2012-10-24 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법 KR101371555B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120118642A KR101371555B1 (ko) 2012-10-24 2012-10-24 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120118642A KR101371555B1 (ko) 2012-10-24 2012-10-24 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101371555B1 true KR101371555B1 (ko) 2014-03-12

Family

ID=50647907

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120118642A KR101371555B1 (ko) 2012-10-24 2012-10-24 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101371555B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109256534A (zh) * 2017-07-12 2019-01-22 赢创德固赛有限公司 硅-碳复合粉末
WO2019088808A3 (ko) * 2017-11-06 2019-06-20 주식회사 엘지화학 음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 상기 음극을 포함하는 이차 전지, 및 상기 음극 활물질의 제조 방법
CN114975909A (zh) * 2022-04-06 2022-08-30 宁波广新纳米材料有限公司 用作锂离子电池负极材料的碳包覆纳米硅粉的生产方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090103530A (ko) * 2008-03-28 2009-10-01 한국기초과학지원연구원 실리콘 카바이드 나노분말 합성장치
KR20100041567A (ko) * 2008-10-14 2010-04-22 한국과학기술연구원 탄소나노튜브 피복 실리콘-금속 복합 입자 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 이차전지용 음극 및 이차전지
KR20110131469A (ko) * 2010-05-31 2011-12-07 한국세라믹기술원 실리콘카바이드 나노분말의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리콘카바이드 나노분말

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090103530A (ko) * 2008-03-28 2009-10-01 한국기초과학지원연구원 실리콘 카바이드 나노분말 합성장치
KR20100041567A (ko) * 2008-10-14 2010-04-22 한국과학기술연구원 탄소나노튜브 피복 실리콘-금속 복합 입자 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 이차전지용 음극 및 이차전지
KR20110131469A (ko) * 2010-05-31 2011-12-07 한국세라믹기술원 실리콘카바이드 나노분말의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리콘카바이드 나노분말

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109256534A (zh) * 2017-07-12 2019-01-22 赢创德固赛有限公司 硅-碳复合粉末
CN109256534B (zh) * 2017-07-12 2024-01-26 赢创运营有限公司 硅-碳复合粉末
WO2019088808A3 (ko) * 2017-11-06 2019-06-20 주식회사 엘지화학 음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 상기 음극을 포함하는 이차 전지, 및 상기 음극 활물질의 제조 방법
US11495797B2 (en) 2017-11-06 2022-11-08 Lg Energy Solution, Ltd. Negative electrode active material, negative electrode including the same, secondary battery including the negative electrode, and preparation method of the negative electrode active material
CN114975909A (zh) * 2022-04-06 2022-08-30 宁波广新纳米材料有限公司 用作锂离子电池负极材料的碳包覆纳米硅粉的生产方法
CN114975909B (zh) * 2022-04-06 2024-04-19 江苏博迁新材料股份有限公司 用作锂离子电池负极材料的碳包覆纳米硅粉的生产方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100828102B1 (ko) Rf 플라즈마를 이용한 실리콘 나노 분말 제조 방법 및 장치
Lu et al. Millisecond conversion of photovoltaic silicon waste to binder‐free high silicon content nanowires electrodes
Ren et al. A silicon nanowire–reduced graphene oxide composite as a high-performance lithium ion battery anode material
KR102499982B1 (ko) 규소-탄소 복합 분말
Chen et al. Outstanding supercapacitor performance of nitrogen-doped activated carbon derived from shaddock peel
Chang et al. Direct plasma deposition of amorphous Si/C nanocomposites as high performance anodes for lithium ion batteries
Long et al. Porous Fe 2 O 3 nanorod-decorated hollow carbon nanofibers for high-rate lithium storage
Zhang et al. Nitrogen-plasma doping of carbon film for a high-quality layered Si/C composite anode
JP2010009980A (ja) リチウムイオン電池用負極材料及びそれを用いた急速充放電型リチウムイオン電池
Zhang et al. Si/C composites as negative electrode for high energy lithium ion batteries
Yao et al. Ti–C bonds reinforced TiO2@ C nanocomposite Na-ion battery electrodes by fluidized-bed plasma-enhanced chemical vapor deposition
KR101290659B1 (ko) 열플라즈마를 이용한 산화규소분말의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 산화규소분말
Wang et al. Plasma-enabled synthesis and modification of advanced materials for electrochemical energy storage
Schwan et al. Critical barriers to the large scale commercialization of silicon-containing batteries
KR20170046114A (ko) 리튬 이차전지용 음극 활물질, 그 제조방법 및 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지
KR101371555B1 (ko) 리튬 이차전지 음극 활물질용 실리콘-탄소 복합 나노 분말의 제조방법
KR102198785B1 (ko) 주석-풀러렌 복합체를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극활물질 및 이의 제조방법
Yang et al. In-situ synthesis of graphene nanosheets encapsulated silicon nanospheres by thermal plasma for ultra-stable lithium storage
CN110880592A (zh) 一种碳-碳纳米管-硅纳米颗粒及其制备方法和应用
Lu et al. Upcycling of photovoltaic silicon waste into ultrahigh areal-loaded silicon nanowire electrodes through electrothermal shock
KR20130069190A (ko) Ｒｆ 플라즈마를 이용한 텅스텐 금속 나노분말 제조방법
CN112768667A (zh) 一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备
Baboukani et al. Electrostatic spray deposited Sn-SnO2-CNF composite anodes for Lithium ion storage
CN115663153B (zh) 金属掺杂硅基负极材料的制备方法，负极材料和二次电池
KR101692443B1 (ko) 플라즈마를 이용한 Si-C 복합체 제조장치 및 이를 이용한 Si-C 복합체 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170227

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180126

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190123

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200206

Year of fee payment: 7