KR101931143B1 - 음극 활물질 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음극 활물질 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로, 상세하게는 탄소계 활물질 및 산소 기능기를 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 실리콘계 활물질을 포함하는 쉘을 포함하는 음극 활물질 입자를 제공한다.
본 발명에 따른 음극 활물질 입자는 탄소계 활물질의 표면에 실리콘계 활물질을 부착할 수 있도록 산소 기능기를 포함한다. 상기 산소 기능기는 전기 음성도가 높은 산소로 인해 음전하를 띠기 때문에, 양전하를 띠는 실리콘계 활물질의 실리콘 원자를 정전기적 인력으로 끌어당기고, 이로 인해 실리콘계 활물질과 탄소계 활물질이 강하게 접착될 수 있다. 나아가, 상기 탄소계 활물질의 표면에는 최외곽 탄소 원자의 공유결합 가능한 모든 사이트에 대하여, 2.0 내지 4.0 %의 비율로 산소 기능기가 결합하기 때문에 산소 기능기로 인해 음극 활물질 입자의 도전성이 저하되지 않을 수 있다.

Description

음극 활물질 및 이를 포함하는 이차 전지{NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 음극 활물질 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학 반응을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질로 구성되며, 첫 번째 충전에 의해 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 카본 입자와 같은 음극 활물질 내에 삽입되고 방전시 다시 탈리되는 등의 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달하는 역할을 하기 때문에 충방전이 가능하게 된다.
예를 들어, 리튬 이차전지는 전극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극과, 카본계 활물질을 포함하는 음극 및 다공성 분리막으로 이루어진 전극 조립체에 리튬 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극 합제를 알루미늄 호일에 코팅하여 제조되며, 음극은 카본계 활물질을 포함하는 음극 합제를 구리 호일에 코팅하여 제조된다.
최근 고용량 소재로 연구되고 있는 규소계(Silicon) 물질 중, 실리콘 및 탄소 복합 활물질은, 탄소계 음극 활물질 표면에 규소계 물질을 올린 활물질로, 탄소계 음극 활물질이 가지는 이론 용량(372 mAh/g)보다 높은 용량과 함께 우수한 방전 효율(80 %)을 가지고 있어, 고용량 이차전지 소재로 각광받고 있다.
하지만, 탄소와 규소 계면 간의 약한 접착력 때문에, 외곽의 규소층이 전극 제작 공정 중의 탄소에서 떨어지는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 규소의 도전성을 저하시키고, 비가역 용량을 높이기 때문에, 용량과 효율 발현 저하를 일으킨다.
따라서, 탄소 및 규소의 접착력을 향상시키면서도, 우수한 도전성을 나타낼 수 있는 음극 활물질의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0100209호
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 탄소계 활물질의 표면을 산소 기능기로 개질하여 산소 기능기와 실리콘계 활물질 간의 정전기적 인력을 이용하여 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질을 부착시킴으로써, 도전성이 높고, 비가역 용량이 낮은 음극 활물질 입자를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기 음극 활물질 입자를 포함하는 이차 전지, 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 탄소계 활물질 및 산소 기능기를 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 실리콘계 활물질을 포함하는 쉘을 포함하는 음극 활물질 입자를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 음극 활물질 입자를 포함하는 음극 합제가 도포되어 있는 음극, 양극 및 전해액을 포함하는 이차 전지, 전지모듈 및 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 음극 활물질 입자는 탄소계 활물질의 표면에 실리콘계 활물질을 부착할 수 있도록 산소 기능기를 포함한다. 상기 산소 기능기는 전기 음성도가 높은 산소로 인해 음전하를 띠기 때문에, 양전하를 띠는 실리콘계 활물질의 실리콘 원자를 정전기적 인력으로 끌어당기고, 이로 인해 실리콘계 활물질과 탄소계 활물질이 강하게 접착될 수 있다. 나아가, 상기 탄소계 활물질의 표면에는 최외곽 탄소 원자의 공유결합 가능한 모든 사이트에 대하여, 2.0 내지 4.0 %의 비율로 산소 기능기가 결합될 경우, 산소 기능기로 인해 음극 활물질 입자의 도전성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 사이클 효율을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소계 활물질 및 산소 기능기를 포함하는 코어, 및 상기 코어를 둘러싸고, 실리콘계 활물질을 포함하는 쉘을 포함하는 음극 활물질 입자를 제공한다.
상기 탄소계 활물질은 구형일 수 있으며, 평균 직경(D50)은 5.0 ㎛ 내지 20.0 ㎛일 수 있다. 상기 탄소계 활물질로는 천연 흑연, 인조 흑연, 하드 카본, 소프트 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 구체적으로 구형화한 천연 흑연을 사용하면 실리콘이 흑연의 표면에 잘 분포할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
상기 산소 기능기는 상기 탄소계 활물질의 최외곽 탄소 원자와 공유 결합된 것일 수 있다. 상기 산소 기능기는 전기 음성도가 높은 산소로 인해 음전하를 띠고, 양전하를 띠는 실리콘계 활물질의 실리콘 원자와 정전기적 인력이 작용하기 때문에, 결국 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질이 산소 기능기로 인해 우수한 접착력을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 산소 기능기는 상기 탄소계 활물질의 최외곽 탄소 원자의 공유결합 가능한 모든 사이트에 대하여, 2.0 내지 4.0 %의 비율로 결합될 수 있다. 만약, 2.0 % 미만의 비율로 결합되는 경우에는 실리콘계 활물질과 정전기적 인력을 나타낼 수 있는 산소 기능기가 적어 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질과의 접착력이 미미한 문제점이 있고, 4.0 % 초과의 비율로 결합되는 경우에는 활물질의 도전성이 저하하는 문제점이 있다.
상기 산소 기능기가 탄소계 활물질의 표면에 연결된 정도를 나타내는 비율은 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 또는 원소 분석기(elemental analyzer)를 통해서 정량적으로 측정할 수 있다. 구체적으로, X-선 광전자 분광법을 통해 탄소계 활물질의 표면의 산소 함량을 도출할 수 있으며, 본 명세서에서 상기 탄소계 활물질의 최외곽 탄소 원자의 공유결합 가능한 모든 사이트에 대한 산소 기능기의 결합 비율은 X-선 광전자 분광법을 통해 측정된 상기 산소 함량에 해당된다. 상기 비율로 탄소계 활물질의 표면에 산소 기능기를 결합시키기 위해서는, 탄소계 활물질의 표면으로부터 5 내지 130 mm의 거리에서, 184.9 내지 253.7 nm의 파장 및 0.02 내지 0.05 W/㎠의 세기를 갖는 자외선을 상압의 오존 조건에서 2시간 내지 7시간 조사하는 것으로 달성할 수 있다. 여기서, 상압이란 대기압과 같은 1기압의 압력을 의미할 수 있다.
상기 산소 기능기는 친수성기 및 소수성기 중 하나 이상일 수 있으며, 특히 친수성기와 소수성기가 함께 포함되는 경우에는 전해액과 반응하여, HF가 발생되는 것을 줄일 수 있는 효과가 있다.
상기 친수성기는 하이드록실기 및 카르복실기 중 하나 이상이고, 상기 소수성기는 에테르기 및 카르보닐기 중 하나 이상일 수 있으나, 상기 산소 기능기가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리콘계 활물질을 포함하는 쉘은 상기 코어의 적어도 일부분을 감싸는 형태일 수 있으며, 구체적으로는 코어의 표면 전체를 감싸는 형태이며, 상기 쉘은 균일한 두께를 가질 수 있다. 상기 쉘의 두께는 0.02 ㎛ 내지 0.1 ㎛일 수 있다. 상기 쉘의 두께가 0.02 ㎛ 미만인 경우에는 음극 활물질의 용량 증가가 미미한 문제점이 발생할 수 있고, 0.1 ㎛ 초과인 경우에는 실리콘계 활물질과의 접착력이 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 실리콘계 활물질로는 결정질 실리콘계 활물질, 비정질 실리콘계 활물질, 실리콘 산화물(SiOx, 0<x<2), 산화층이 코팅된 실리콘계 활물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 구체적으로 비정질 실리콘을 사용하면 상기 탄소계 활물질의 산소 기능기와 더욱 높은 정전기적 인력을 나타낼 수 있으나, 상기 실리콘계 활물질이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질 입자는, 쉘을 둘러싸고, 탄소계 물질 및 고분자 중 하나 이상을 포함하는 코팅층을 더욱 포함할 수 있다. 상기 탄소계 물질 및 고분자는 음극 활물질의 도전성을 더욱 좋게 할 수 있고, 음극 활물질의 부피 팽창을 억제할 수 있으며 전해액과의 반응을 줄일 수 있다.
이때, 상기 탄소계 물질로는 비정질 탄소, 고분자로는 도전성 폴리머를 사용할 수 있고, 상기 코팅층의 두께는 0.02 내지 0.1 ㎛일 수 있다. 나아가, 상기 코팅층은, 상기 음극 활물질 입자 전체 중량에 대하여 1 내지 50 중량%일 수 있다. 만약, 상기 코팅층이 1 중량% 미만인 경우에는 음극 활물질의 부피 팽창 억제 및 도전성 향상 효과가 미미한 문제점이 있고, 50 중량%를 포함하는 경우에는 리튬 이온의 탈리가 어려운 문제점이 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 탄소계 활물질에 자외선-오존 처리하는 단계(단계 1); 및 상기 자외선-오존 처리된 탄소계 활물질 상에 실리콘계 활물질 쉘을 형성시키는 단계(단계 2);를 포함하는 음극 활물질 입자의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1에서는 탄소계 활물질에 자외선-오존 처리를 수행하여, 탄소계 활물질의 표면을 산소 기능기로 개질함으로써, 탄소계 활물질의 표면에 산화를 수행할 수 있다.
이때, 상기 자외선-오존 처리 조건은 탄소계 활물질로부터 1 내지 150 mm의 거리에서, 150 내지 270 nm의 파장 및 0.01 내지 0.08 W/㎠의 세기를 갖는 자외선을 상압의 오존 조건에서 조사함으로써 수행되는 것일 수 있으며, 상기 조건으로 자외선-오존 처리를 수행하는 경우 실리콘계 활물질과의 접착력이 우수하게 나타나면서도 활물질의 도전성을 유지할 수 있다. 여기서, 상압이란 대기압과 같은 1기압의 압력을 의미할 수 있다.
구체적으로는, 상기 자외선-오존 처리 조건은 탄소계 활물질로부터 5 내지 130 mm의 거리에서, 184.9 내지 253.7 nm의 파장 및 0.02 내지 0.05 W/㎠의 세기를 갖는 자외선을 상압의 오존 조건에서 2시간 내지 7시간 조사하는 것으로 상기 산소 기능기는 상기 탄소계 활물질의 최외곽 탄소 원자의 공유결합 가능한 모든 사이트에 대하여, 2.0 내지 4.0 %의 비율로 결합될 수 있다.
상기 단계 2에서는, 상기 자외선-오전 처리된 탄소계 활물질 상에 실리콘계 활물질 쉘을 형성시키는 단계이다. 상기 단계 2의 실리콘계 활물질 코팅층은, 실란, 트리클로로실란 및 염화실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 증기를 사용하는 화학 기상 증착법으로 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질 입자를 포함하는 음극 합제가 도포되어 있는 음극, 양극 및 전해액을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 상기 음극 활물질 입자를 포함하며, 상기 음극 활물질 입자는 탄소계 활물질에 연결된 산소 기능기와 실리콘계 활물질의 정전기적 인력으로 인해 탄소계 활물질과 실리콘계 활물질 간의 접착력이 우수하기 때문에 고용량, 고밀도의 음극을 제작할 수 있으며, 상기 음극을 포함하는 이차 전지가 높은 사이클 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 상기 양극 활물질 입자, 도전재 및 바인더, 충진제와 NMP 등의 용매를 혼합하여 만든 양극 합제를 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다. 상기 음극은 본 발명의 음극 활물질 입자를 포함하는 음극 합제를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 양극 활물질은 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로 리튬 전이금속 산화물을 사용할 수 있다. 상기 리튬 전이금속 산화물로는, 예를 들면, LiCoO2 등의 LiㆍCo계 복합 산화물, LiNixCoyMnzO2 등의 LiㆍNiㆍCoㆍMn계 복합 산화물, LiNiO2 등의 LiㆍNi계 복합 산화물, LiMn2O4 등의 LiㆍMn계 복합 산화물 등을 들 수 있고, 이들을 단독 또는 복수 개 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 도전재는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 또는 음극은 집전체 상에 상기 양극 합제 또는 음극 합제가 도포되어 있는 형태일 수 있다. 상기 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.
상기 전해액은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 높은 사이클 특성을 갖는 상기 이차전지를 포함하므로, 파워 툴(Power Tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차, 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
<실시예 1>
단계 1: 탄소계 활물질의 표면에 산소 기능기 도입
자외선-오존 세정기 내에 평균입경(D50)이 15 ㎛인 구형 천연 흑연을 5.0 g 투입하여, 25℃, 1 기압에서 185 nm 파장 및 0.02 W/㎠ 세기를 갖는 자외선을 상압의 수분을 차단한 오존의 조건 내에서, 130 mm의 거리에서, 3 시간 동안 조사하여, -COOH 또는 -OH인 산소 기능기가 결합된 탄소계 활물질을 제조하였다.
단계 2: 실리콘계 활물질 쉘의 제조
상기 단계 1에서 제조된 산소 기능기가 결합된 구형 천연 흑연을 CVD 챔버에 넣고, 실란 가스를 공급하고, 460℃ 에서 가열하여 두께가 30nm인 비정질 실리콘이 코팅된 쉘을 제조하였다.
단계 3: 탄소 코팅층의 제조
상기 비정질 실리콘이 코팅된 구형 천연 흑연에 아세틸렌 가스를 이용하여 900℃ 에서 비정질 탄소 코팅을 수행하여 최종적으로 음극 활물질을 제조하였다. 이때, TGA 장비를 사용하여, 코팅된 탄소의 함량은 음극 활물질 전체 중량에 대해 5 중량%인 것을 확인하였다.
단계 4: 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질 입자, 도전재인 카본블랙, 바인더인 CMC(Carboxylmethyl cellulose) 및 SBR(Styrene butadiene rubber)을 95.8:1:1.7:1.5의 중량비로 혼합하여 음극 합제를 제조하였다. 상기 음극합제를 구리 집전체에 도포한 후, 130℃ 에서 진공오븐에서 건조하고 압연하여 음극을 제조하였다. 상기 음극과 Li 금속을 사용한 대극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 메틸에틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피비가 7:3인 혼합 용액에 0.5 중량%로 용해된 비닐렌 카보네이트를 용해 시키고, 1M 농도의 LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여, 리튬 코인 하프 셀(coin half cell)을 제조하였다.
<실시예 2>
실시예 1의 단계 1에서, 자외선-오존 세정기 내에서의 오존을 3시간이 아니라 1시간 조사한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
<실시예 3>
실시예 1의 단계 1에서, 자외선-오존 세정기 내에서의 오존을 3시간이 아니라 8시간 조사한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
<비교예 1> 산소 기능기가 없는 음극 활물질 입자의 제조
상기 실시예 1의 단계 1에서 산소 기능기를 도입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차 전지를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1의 단계 1에서 제조된 탄소계 활물질의 표면에 산소 함량을 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)으로 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
산소 함량(%)
실시예 1 2.32
실시예 2 1.04
실시예 3 5.30
비교예 1 0.05
표 1에 나타낸 바와 같이 실시예 1의 산소 함량이 비교예 1에 비해 약 45배 높게 나타나, 실시예 1의 단계 1의 자외선-오존 처리에 의해, 탄소계 활물질의 표면에 산소를 포함하는 산소 기능기가 형성되었음을 확인할 수 있다. 또한, 오존 조사 시간이 3시간으로, 2시간 내지 7시간을 만족한 실시예 1의 경우, 산소 함량이 2.32%이였다. 반면, 오존 조사 시간이 2시간 내지 7시간을 만족하지 못한 실시예 2 및 3은 산소함량이 1.04%로 적거나, 5.30%로 많은 것을 알 수 있다.
<실험예 2> 용량 특성
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 이차 전지를 하기의 방법으로 평가 한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
충방전 평가 방법
충전 CC(정전류)/CV(정전압) (5mV/0.005C current cut-off) 조건
방전 CC(정전류) 조건 1.5V
첫 2회 사이클은 0.1 C로 충방전 하였고, 3회부터 49회까지는 0.5 C로 충방전을 수행하였다. 50 회 사이클 충전(리튬이 음극에 들어있는 상태)상태에서 충방전을 종료하고, 전지를 분해하여 두께를 측정한 후, 전극두께 변화율을 계산하였다. 아울러, 사이클 효율(Cycling efficiency)은 각 사이클 당 충전된 용량 대비 방전된 용량을 통하여 측정되었으며, 이를 도 1에 나타내었다.
방전 용량
[mAh/g]		 초기 효율
[%]		 용량 유지율 (%)
(49번째 방전용량/
1번째 방전용량 ×100)		 전극 두께변화율(%)
(두께 변화량/최초두께)
(50th 충전)
실시예 1 514 91 84 90
실시예 2 506 86 60 105
실시예 3 505 87 75 110
비교예 1 503 85 51 149
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 3이 비교예 1에 비교하여 용량 유지율 및 전극 두께 변화율이 향상된 것을 알 수 있다.
구체적으로, 초기 효율의 경우 비교예 1에 비해, 실시예 1 내지 3이 높다. 또한, 산소 함량이 2.32%로 2 내지 4%에 해당하는 실시예 1의 경우, 상기 범위를 만족하지 못하는 실시예 2 및 3에 비해 높은 초기 효율을 가졌다.
이를 통해, 실시예 1에 따른 이차전지는 실리콘과 흑연 복합체 계면에 산소 작용기를 존재하게 함으로써, 실리콘 흑연 복합체의 결합력을 향상 시키기 때문에, 비교예 1의 이차전지에 비해서, 수명 특성이 개선되고, 전극 두께 변화율도 감소할 수 있음을 알 수 있다.
도 1을 참조하여 사이클 효율을 비교하면, 실시예 1 내지 3에 비해 비교예 1의 사이클 특성이 열악함을 알 수 있다. 또한, 산소 함량이 2%보다 적은 실시예 2의 경우도 실시예 1에 비해 사이클 특성이 다소 열악하였다. 나아가, 산소 함량이 4%보다 높은 실시예 3의 경우, 대부분의 사이클에서 실시예 1의 효율보다 낮음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (18)

  1. 탄소계 활물질 및 산소 기능기를 포함하는 코어, 및
    상기 코어를 둘러싸고, 실리콘계 활물질로 이루어진 쉘을 포함하는 음극 활물질 입자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소 기능기는 친수성기 및 소수성기 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 친수성기는 하이드록실기 및 카르복실기 중 하나 이상이고, 상기 소수성기는 에테르기 및 카르보닐기 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산소 기능기는 상기 탄소계 활물질의 최외곽 탄소 원자와 공유 결합된 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  5. 제1항에 있어서
    상기 산소 기능기는 상기 탄소계 활물질의 최외곽 탄소 원자의 공유결합 가능한 모든 사이트에 대하여, 2.0 내지 4.0 %의 비율로 결합된 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음극 활물질 입자는, 쉘을 둘러싸고, 탄소계 물질 및 고분자 중 하나 이상을 포함하는 코팅층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소계 물질은 비정질 탄소이고, 상기 고분자는 도전성 폴리머인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 코팅층은, 상기 음극 활물질 입자 전체 중량에 대하여 1 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 활물질은 천연흑연, 인조흑연, 하드카본, 및 소프트카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 쉘의 두께는 0.02 ㎛ 내지 0.1 ㎛인 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자.
  11. 탄소계 활물질에 자외선-오존 처리하는 단계(단계 1); 및
    상기 자외선-오존 처리된 탄소계 활물질 상에 실리콘계 활물질 쉘을 형성시키는 단계(단계 2);를 포함하는 음극 활물질 입자의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자외선-오존 처리 조건은 1 내지 150 mm의 거리에서, 150 내지 270 nm의 파장 및 0.01 내지 0.08 W/㎠의 세기를 갖는 자외선을 오존 조건에서 조사함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 자외선-오존 처리 조건은 5 내지 130 mm의 거리에서, 184.9 내지 253.7 nm의 파장 및 0.02 내지 0.05 W/㎠의 세기를 갖는 자외선을 오존 조건에서 2시간 내지 7시간 조사함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 단계 2의 실리콘계 활물질 쉘은, 실란, 트리클로로실란 및 염화실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 증기를 사용하여 화학 기상 증착법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 음극 활물질 입자의 제조방법.
  15. 제1항의 음극 활물질 입자를 포함하는 음극 합제가 도포되어 있는 음극, 양극 및 전해액을 포함하는 이차 전지.
  16. 제15항의 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈.
  17. 제16항의 전지 모듈을 포함하며, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 중대형 디바이스가 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지 팩.
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