KR102318270B1 - 배터리의 음극에 사용하기 위한 활성 물질 분말 및 상기 활성 물질 분말을 포함하는 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리의 음극에 사용하기 위한 활성 물질 분말, 및 이러한 활성 물질 분말의 제조 방법에 관한 것이며, 여기서 활성 물질 분말은 활성 물질 입자를 포함하고, 활성 물질 입자는 규소계 입자를 포함하며, 상기 활성 물질 분말은, 평면에 의해 교차될 때, 상기 평면에 포함된 규소계 입자의 불연속 단면의 적어도 65%가 형상 및 크기의 최적화된 조건을 충족하며, 이는 그러한 활성 물질 분말을 함유하는 배터리가 매우 우수한 사이클 수명을 달성하는 것을 허용한다.

Description

배터리의 음극에 사용하기 위한 활성 물질 분말 및 상기 활성 물질 분말을 포함하는 배터리{AN ACTIVE MATERIAL POWDER FOR USE IN A NEGATIVE ELECTRODE OF A BATTERY AND A BATTERY COMPRISING SUCH AN ACTIVE MATERIAL POWDER}
본 발명은 배터리의 음극에 사용하기에 적합한 활성 물질 분말 및 이러한 활성 물질 분말을 포함하는 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온(Li 이온) 배터리는 현재 최고 성능의 배터리이며, 이미 휴대용 전자 디바이스에 대한 표준이 되었다. 게다가, 그러한 배터리는 자동차 및 전기 저장과 같은 기타 산업에 이미 침투되어 빠르게 그 입지를 강화하고 있다. 그러한 배터리의 잇점을 가능케 하는 것은 우수한 전력 성능과 조합된 고 에너지 밀도이다.
Li 이온 배터리는 통상적으로 다수의 소위 Li 이온 전지를 함유하며, 이어서 그 이온 전지는 캐소드라고도 지칭되는 양극, 애노드라고도 지칭되는 음극, 및 전해질 중에 침지된 세퍼레이터를 함유한다. 휴대용 적용예에 가장 흔하게 사용되는 Li 이온 전지는 케소드의 경우 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 니켈 코발트 산화물 및 애노드의 경우 천연 또는 합성 그래파이트와 같은 전기화학적 활성 물질을 사용하여 개발되어 있다.
배터리의 성능, 특히 배터리의 에너지 밀도에 영향을 미치는 중요 제한 요인 중 하나는 애노드에서의 활성 물질인 것으로 알려져 있다. 그러므로, 에너지 밀도를 개선시키기 위하여, 음극에서 규소 함유 전기화학적 활성 물질의 사용이 지난 수년간 연구되어 오고 있다.
애노드에서 규소계 전기화학적 활성 물질 사용의 단점은, 리튬 이온이 애노드의 활성 물질에서, 예를 들면 합금 또는 삽입에 의해 완전 혼입될 때(종종 리튬화로 지칭되는 공정), 300% 정도로 높은, 충전 중 그의 큰 부피 팽창에 있다. Li 혼입 중에 규소계 물질의 큰 부피 팽창은 규소계 입자에서 응력을 유발할 수 있으며, 이어서 이는 규소계 물질의 기계적 분해를 초래할 수 있다. Li 이온 배터리의 충전 및 방전 중에 주기적으로 반복되어 규소계 전기화학적 활성 물질의 반복적인 기계적 분해는 배터리의 수명을 허용 불가한 수준으로 저하시킬 수 있다.
추가로, 규소와 관련된 부정적인 효과는 두꺼운 SEI(고체-전해질 계면)가 애노드 상에서 형성될 수 있다는 점이다. SEI는 전해질과 리튬의 복합 반응 생성물이며, 따라서 전기화학적 반응에 대한 리튬 이용 가능성의 상실을 초래하여 충방전 사이클당 용량 손실인 불량한 사이클 성능을 초래한다. 두꺼운 SEI는 배터리의 전기 저항을 더 증가시킬 수 있어서 달성 가능한 충전 및 방전 속도를 제한할 수 있다.
원칙적으로, SEI 형성은 '부동태화 층'이 규소계 물질의 표면 상에 형성되자마자 중지되는 자가 종료 공정(self-terminating process)이다. 그러나, 규소계 입자의 부피 팽창 때문에, 규소계 입자 및 SEI는 둘 다 방전(리튬화) 및 재충전(탈리튬화) 중에 손상될 수 있어서, 새로운 규소 표면을 제거하고 SEI 형성의 새로운 개시를 초래하게 된다.
전술한 단점들을 해소하기 위하여, 규소 입자를 전해질 분해로부터 보호하고, 부피 변화를 수용하기에 적합한 적어도 하나의 성분과 규소 입자를 혼합한 활성 물질 분말이 일반적으로 사용된다. 그러한 성분은 탄소계 물질, 바람직하게는 매트릭스의 형태 하에 있는 탄소계 물질일 수 있다.
그러한 활성 물질 분말의 사용에도 불구하고, Si계 애노드 물질을 함유하는 배터리의 성능의 개선에 대한 여지가 여전히 존재한다.
해당 기술 분야에서, Si계 애노드 물질을 함유하는 배터리의 성능은 일반적으로 완전 전지(full-cell)의 이른바 사이클 수명에 의하여 정량화되며, 그 사이클 수명은 그러한 물질을 포함하는 전지가 그의 초기 방전 용량의 80%에 도달할 때까지 충전 및 방전될 수 있는 횟수 또는 사이클수로서 정의된다. 그러므로, 규소계 애노드 물질에 대한 대부분의 연구는 상기 사이클 수명을 개선하는데 집중되어 있다.
본 발명의 목적은 일단 배터리에서 음극에 사용되면 배터리의 개선된 사이클 수명을 달성하는 것을 허용한다는 점에서 이익이 되는 안정한 애노드 물질을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 일단 배터리에서의 음극에 사용되면 비용량(specific capacity)의 손실 없이 배터리의 개선된 사이클 수명을 달성하는 것을 허용하는 제1항에 따른 활성 물질 분말을 제공함으로써, 달성된다.
본 발명은 하기 실시양태들에 관한 것이다.
실시양태 1
제1 측면에서, 본 발명은 배터리의 음극에 사용하기 위한 애노드 물질로서 활성 물질 분말에 관한 것이며, 상기 활성 물질 분말은 활성 물질 입자를 포함하고, 활성 물질 입자는 규소계 입자를 포함하며, 상기 활성 물질 분말은, 평면에 의해 교차될 때, 둘레 및 면적을 갖는, 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면(discrete cross-section)이 상기 평면 내에 포함되도록 교차되고, 상기 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면의 적어도 65%가
- 0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수(shape factor) SF=d디스크/dmax, 및
- 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax
를 둘 다 갖는 것을 특징으로 하며, 여기서
dmax는 규소계 입자의 불연속 단면의 둘레의 2개의 가장 먼 지점 사이의 직선 거리이고, d디스크는 규소계 입자의 상기 불연속 단면 중 하나와 동일한 면적을 갖는 디스크의 직경이다.
제1 측면의 대안예로서, 본 발명은 배터리의 음극에 사용하기 위한 애노드 물질로서 활성 물질 분말에 관한 것이며, 상기 활성 물질 분말은 활성 물질 입자를 포함하고, 활성 물질 입자는 규소계 입자를 포함하며, 활성 물질 분말은, 평면에 의해 교차될 때, 둘레 및 면적을 갖는, 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면이 상기 평면 내에 포함되도록 교차되고, 상기 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면의 적어도 65%가
- 0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF=d디스크/dmax, 및
- 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax
를 둘 다 가지며, 여기서
dmax는 규소계 입자의 불연속 단면의 둘레의 2개의 가장 먼 지점 사이의 직선 거리이며, d디스크는 규소계 입자의 상기 불연속 단면 중 하나와 동일한 면적을 갖는 디스크의 직경이다.
본 발명의 구성에서, 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면의 적어도 65%의 분율은 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면의 수치 분율인 것으로 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 활성 물질 분말의 단면이 수행될 때, 활성 물질 분말은 평면에 의하여 교차되며, 그리하여 그 동일 평면은 활성 물질 분말을 교차하며, 활성 물질 입자는 활성 물질 분말 중에 포함되며, 규소계 입자는 활성 물질 입자에 포함된다. 그러므로, 본 발명에 따른 단면은 강체(solid body)의 교차를 나타내며, 상기 강체는 예를 들면, 그러한 평면을 지닌 3차원 공간에서의, 활성 물질 분말, 활성 물질 입자 또는 규소계 입자이다.
본 발명의 구성에서, 평면에 의한 강체의 교차는 상기 평면에서 단면의 경계를 형성하는 연속선이 되는 둘레에 의하여 획정되는 면적에 의하여 정의된다.
그러므로, 불연속 단면은 동일 평면에 포함된 다른 불연속 단면의 다른 면적 및 둘레와는 구별되거나 또는 별개인 개개의 면적 및 둘레에 의하여 정의된다.
단면의 둘레의 2개의 가장 먼 지점 사이의 직선 거리란 상기 2개의 지점 사이의 가장 짧은 거리를 의미한다.
상기 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면이란 활성 물질 분말을 교차하는 평면 내에 포함된 규소계 입자의 적어도 1,000개의 단일(또는 비중첩) 단면을 의미한다.
상기 규소계 입자의 상기 적어도 1,000개의 불연속 단면은 활성 물질 분말을 교차하는 평면 내에 포함된 규소계 입자의 불연속 단면의 총수를 나타내는 것으로서 고려될 수 있다.
본 발명의 구성에서, 활성 물질 분말의 단면은 0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF=d디스크/dmax 및 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax를 갖는 활성 물질 분말의 상기 단면 내에 포함된 규소계 입자의 불연속 단면의 선결정된 수의 적어도 65%를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 규소계 입자의 불연속 단면의 적어도 65%는 0.5 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF 및 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax를 둘 다 갖는다.
활성 물질 분말이란 배터리의 음극에서 애노드 물질로서 사용하기 위한 전기화학적 활성 물질을 의미한다.
규소계 입자란 주로 규소 원자로 된 클러스터를 의미한다. 상기 규소계 입자의 복수개가 규소 분말로서 고려될 수 있다.
그러한 규소계 입자 중의 평균 규소 함유량은 규소계 입자의 총 중량에 대하여 바람직하게는 65 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 80 중량% 이상이다.
규소계 입자는 임의의 형상, 예를 들면 실질적으로 구 형상을 가질 수 있으나, 또한 불규칙한 형상, 로드 형상, 판 형상 등일 수도 있다.
바람직하게는 실시양태 1에 따른 활성 물질 분말은 활성 물질 분말의 총 중량에 대하여 평균 규소 함유량 A를 가지며, 여기서 5.0 중량% < A < 60 중량%, 더욱 바람직하게는 10 중량% < A < 50 중량%이다.
본 발명에서, 실시양태 1에 따른 규소계 입자의 불연속 단면은 250 ㎚ 이하의 크기 dmax를 가질 수 있는데, 이는 250 ㎚ 초과의 dmax를 갖는 불연속 단면을 갖는 입자가 연속적인 충전/방전 사이클 중에 분쇄되기가 더 쉽기 때문이다. 그러한 분쇄는 전류 집전체 또는 전도성 매트릭스와의 접촉 손실을 초래할 수 있고, 전해질과의 접촉시 새로운 규소 표면을 생성할 수 있으며, 이들 둘은 배터리 용량의 손실을 초래한다. 실시양태 1에 따른 규소계 입자는 또한 적어도 10 ㎚의 dmax를 갖는 불연속 단면을 가질 수 있는데, 이는 상기 값 미만에서는 규소 표면이 입자의 총 부피의 매우 큰 부분을 나타낼 수 있기 때문이다. 표면에 존재하는 천연 산화규소 층으로부터 산소의 양은 너무 큰 중량 백분율을 가질 수 있으며, 그리하여 규소계 입자의 너무 낮은 비용량을 초래할 수 있다.
대안으로, 실시양태 1에 따른 규소계 입자는 0.8 이하의 형상 계수 SF를 갖는 불연속 단면을 가질 수 있는데, 이는 세장형(elongated) 규소계 입자가 2D 물체에 더 가까우며, 그의 최소 치수를 따라 이방성 팽창 거동을 가질 수 있으며, 팽창이 가능하게는 최소 저항의 방향으로 발생하고, 반면에 규소계 구체가 등방성 팽창 거동을 가질 수 있기 때문이다. 반복적인 충전/방전 사이클 중에 구체의 등방성 팽창은 더 큰 기계적 구속의 원인이 될 수 있으며, 가능하게는 Si/매트릭스 계면 및 고체 전해질 계면을 손상시킬 수 있다. 그 결과로서, 새로운 규소 입자 표면은 전해질 분해에 노출될 수 있으며, 이는 그러한 물질을 함유하는 배터리의 사이클 수명을 감소시킬 수 있다. 실시양태 1에 따른 규소계 입자는 또한 적어도 0.4의 형상 계수를 갖는 불연속 단면을 가질 수 있는데, 이는 너무 세장형인 규소계 입자가, 가능하게는 전해질과의 접촉시 높은 비표면적 및 더 낮은 애노드 전류 밀도인, 규소 와이어에 일반적으로 할당된 단점을 겪을 수 있기 때문이다.
본 발명의 구성에서, 본 발명에 따른 활성 물질 분말을 사용한 음극을 포함하는 배터리는 유사한 규소 함유량에서 통상의 애노드 분말을 사용한 배터리에 비하여 매우 우수한 사이클 수명을 갖는 것으로 관찰되었다.
사실상, iii.) 활성 물질 분말이 사용되는 배터리의 보다 높은 사이클 수명을 유도하는 ii.) 활성 물질 분말의 고 비용량과 함께 i.) 팽창의 감소는 활성 물질 분말의 단면에 포함된 규소계 입자의 불연속 단면의 적어도 65%에 대하여 청구된 형상 계수 및 dmax 값의 조합에 의하여 달성될 수 있는 것으로 관찰되었다.
실시양태 2
실시양태 1에 따른 제2 실시양태에서, 서로 접촉하지 않고, 활성 물질 분말을 교차하는 평면에 포함된 상기 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면의 적어도 70%는 0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF=d디스크/dmax, 및 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax를 둘 다 갖는다.
실시양태 3
실시양태 1 또는 2에 따른 제3 실시양태에서, 활성 물질 분말은 매트릭스 물질을 더 포함한다.
실시양태 4
실시양태 1 내지 3 중 어느 하나에 따른 제4 실시양태에서, 활성 물질 분말은 1 ㎛와 10 ㎛ 사이에 포함된 d10, 및 3 ㎛와 30 ㎛ 사이에 포함된 d50, 및 5 ㎛와 50 ㎛ 사이에 포함된 d90을 갖는 부피에 기초한 입자 크기 분포를 갖는다.
실시양태 5
실시양태 1 내지 4 중 어느 하나에 따른 제5 실시양태에서, 활성 물질 분말은 중량%로서 나타낸 활성 물질 분말의 총 중량에 대하여 산소 함유량 및 평균 규소 함유량 A를 가지며, 여기서 중량%로서 나타낸 산소 함유량은 A의 35% 미만이며, 바람직하게는 중량%로서 나타낸 산소 함유량은 A의 20% 미만이다.
실시양태 6
실시양태 1 내지 5 중 어느 하나에 따른 제6 실시양태에서, 활성 물질 분말은 10 ㎡/g 미만, 바람직하게는 5 ㎡/g 미만의 BET 값을 특징으로 하는 비표면적을 갖는다.
실시양태 7
실시양태 1 내지 6 중 어느 하나에 따른 제7 실시양태에서, 활성 물질 분말에 포함된 활성 물질 입자는 20 부피% 미만, 바람직하게는 10 부피% 미만의 다공도를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 활성 물질 분말에 포함된 활성 물질 입자는 비다공성 입자이다.
실시양태 8
실시양태 1 내지 7 중 어느 하나에 따른 제8 실시양태에서, 활성 물질 분말은 활성 물질 분말의 총 중량에 대하여 적어도 90 중량%, 바람직하게는 적어도 95 중량%의 상기 활성 물질 입자를 포함한다.
실시양태 9
실시양태 2 내지 8 중 어느 하나에 따른 제9 실시양태에서, 활성 물질 분말에 포함된 규소계 입자는 매트릭스 물질 중에 매립되며, 여기서 매트릭스 물질은 규소계 입자 또는 규소계 입자의 군을 다른 규소계 입자 또는 규소계 입자의 군으로부터 분리한다.
임의로, 상기 규소계 입자는 상이한 물질로부터 제조된 매트릭스 중의 주로 규소 원자로 된 클러스터일 수 있거나, 또는 불연속 규소 입자일 수 있다.
상기 실시양태 9에서, 매트릭스는 연속적인 (비-미립자) 다공성 또는 비다공성 물질 또는 미립자 물질일 수 있다.
실시양태 10
실시양태 2 내지 9 중 어느 하나에 따른 제10 실시양태에서, 활성 물질 분말에 포함된 매트릭스 물질은 탄소계 매트릭스 물질이며, 더욱 바람직하게는 다음의 화합물: 폴리비닐 알콜(PVA), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 수크로스, 콜-타르 피치 및 페트롤륨 피치 중 적어도 하나이거나, 또는 상기 화합물 중 적어도 하나의 열적 분해된 생성물이다.
상기 실시양태 10에서, 매트릭스 물질은 대안으로 금속이지만, 규소과는 상이한 것일 수 있거나 또는 금속 산화물 또는 규소 산화물일 수 있다.
실시양태 11
실시양태 2 내지 10 중 어느 하나에 따른 제11 실시양태에서, 활성 물질 분말은 또한 그래파이트를 함유할 수 있으며, 여기서 그래파이트는 매트릭스 물질 내에 매립되지 않는다.
실시양태 12
실시양태 1 내지 11 중 어느 하나에 따른 제12 실시양태에서, 규소계 입자는 적어도 65 중량%의 규소, 바람직하게는 적어도 80 중량%의 규소를 갖는 화학적 조성을 가지며, 바람직하게는 규소계 입자는 Si 및 O를 제외한 다른 원소가 없다.
실시양태 13
실시양태 1 내지 12 중 어느 하나에 따른 제13 실시양태에서, 본 발명은 추가로 상기 정의된 바와 같은 활성 물질 분말의 임의의 변형을 포함하는 배터리에 관한 것이며, 여기서 바람직하게는 배터리는 음극을 가지며, 활성 물질 분말은 음극에 존재한다.
실시양태 14
실시양태 1 내지 13 중 어느 하나에 따른 제14 실시양태에서, 본 발명은 마지막으로 음극을 포함하는 배터리를 포함하는 전자 디바이스에 관한 것이며, 여기서 활성 물질 분말은 음극에 존재한다.
도 1: xy 평면에서 활성 물질 분말 실시예 1(E 1)에 대하여 수행된 단면의 SEM계 분석. 활성 물질 분말의 단면은 복수의 SEM 사진을 유도하며, 좌측의 화상은 일례이다. 우측의 사진은 하기 기재된 바와 같은 화상 분석 처리 후 동일 화상이며, 이는 동일 xy 평면에 포함된 Si계 입자의 불연속 단면을 회색의 상이한 음영으로 나타낸다. 이어서, Si계 입자의 불연속 단면의 dmax 및 d디스크 값은 하기 기재된 바와 같이 추가로 추출 및 분석된다. 주어진 활성 물질 분말의 경우, 수개의 SEM 사진은 보통 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면에 이르는 것이 필요하다.
도 2: 활성 물질 분말 실시예 4(E 4)에 대하여 수행된 단면의 TEM계 분석. 좌측 사진은 생성된 라멜라의 화상이며, Si계 입자의 단면은 뚜렷하게 볼 수 있다. 우측 사진은 좌측 사진의 확대도이며, 이는 Si계 입자의 불연속 단면의 화상 분석 처리가 하기 기재된 방법을 이용하여 수행될 수 있게 한다.
도 3: Si계 입자의 개략적 단면에 대한 dmax 및 d디스크의 측정을 나타내는 개략도다. 최대 크기 dmax는 규소계 입자의 단면의 둘레의 2개의 가장 먼 지점 사이의 직선 거리이다. 등가 직경 d디스크는 상기 규소계 입자의 상기 단면의 면적(면적 Si)과 동일한 면적(면적 디스크)을 갖는 디스크의 직경이다.
본 발명을 더 잘 예시하기 위하여, 하기 실험 결과를 제공된다.
사용된 분석 방법
산소 함유량의 측정
실시예 및 비교예에서 분말의 산소 함유량은 하기 방법에 의하여 레코(Leco) TC600 산소-질소 분석기를 사용하여 측정한다. 분말의 샘플을 니켈 바스켓에 자체 넣어져 있는 폐쇄된 주석 캡슐 내에 넣는다. 바스켓을 그래파이트 도가니에 넣고, 캐리어 기체로서 헬륨 하에 2,000℃ 초과로 가열한다. 이로써 샘플이 용융되고, 산소가 도가니로부터 그래파이트와 반응하여 CO 또는 CO2 기체를 생성하게 된다. 상기 기체는 적외선 측정 셀로 유도된다. 관찰된 신호는 산소 함유량으로 다시 계산한다.
전기화학 성능의 측정
평가하고자 하는 활성 물질 분말을 45 ㎛ 체를 사용하여 체질하고, 카본 블랙, 탄소 섬유 및 수 중의 나트륨 카르복시메틸 셀룰로스 바인더(2.5 중량%)와 혼합한다. 사용된 비율은 약 720 mAh/g의 비용량을 갖는 활성 물질 분말(~15 중량% Si 함유량)의 경우 89 중량부 활성 물질 분말/1 중량부 카본 블랙(C65)/2 중량부 탄소 섬유(VGCF) 및 8 중량부 카르복시메틸 셀룰로스(CMC), 및 약 1,260 mAh/g의 비용량을 갖는 활성 물질 분말(~35 중량% Si 함유량)의 경우 85 중량부 활성 물질 분말/1 중량부 카본 블랙/2 중량부 탄소 섬유 및 12 중량부 CMC이다. 이들 성분을 풀버리셋(Pulverisette) 7 행성형 볼 밀에서 30 분 동안 250 rpm으로 혼합한다.
에탄올로 세정된 구리 호일을 음극에 대한 전류 집전체로서 사용한다. 혼합된 성분들로 된 200 ㎛ 두께의 층을 구리 호일 상에 코팅한다. 코팅을 45 분 동안 진공 하에 70℃에서 건조시킨다. 13.86 ㎠ 직사각형 형상의 전극을 그 건조되는 코팅된 구리 호일로부터 펀칭하고, 밤새 110℃에서 진공 하에 건조시키고, 파우치-전지 내에서 음극으로서 사용한다.
양극은 다음과 같이 제조한다: 시판 LiNi3 / 5Mn1 / 5Co1 / 5O2(NMC 622) 분말을 카본 블랙(C65), 탄소 섬유(VGCF) 및, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 중의 8 중량% 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 결합제의 용액과 혼합한다. 사용된 비율은 92 중량부의 시판 NMC 622 분말/1 중량부 카본 블랙/3 중량부 탄소 섬유 및 4 중량부 PVDF이다. 이들 성분을 풀버리셋 7 행성형 볼 밀에서 30 분 동안 250 rpm으로 혼합한다. 에탄올로 세정된 알루미늄 호일을 양극에 대한 전류 집전체로서 사용한다. 그 혼합된 성분들로 된 층을 알루미늄 호일 상에, 양극 용량에 대한 음극 용량의 비 1.1를 보장하는 두께로, 코팅한다. 코팅을 45 분 동안 진공 하에 70℃에서 건조시킨다. 11.02 ㎠ 직사각형 형상의 전극을 그 건조되는 코팅된 알루미늄 호일로부터 펀칭시키고, 밤새 110℃에서 진공 하에 건조시키고, 파우치 전지 내에서의 양극으로서 사용한다.
사용된 전해질은 EC/DEC 용매(1/1 부피) 중에 용해된 1 M LiPF6+2 중량% VC+10 중량% FEC 첨가제이다. 모든 샘플은 고 정밀 배터리 테스트기(마코르(Maccor) 4000 시리즈)로 테스트한다.
이어서, 조립된 파우치 전지는 하기 기재된 절차를 이용하여 테스트하고, 여기서 제1의 사이클은 배터리의 컨디셔닝에 해당하며, 여기서 "CC"는 "정전류"를 나타내며, "CCCV"는 "정전류 정전압"을 나타낸다.
● 사이클 1:
·휴지 4 시간(초기 휴지)
·전지 용량 이론치의 40%가 될 때까지 C/40에서 충전
·휴지 12 시간
·C/20에서 4.2 V로 CC 충전
·C/20에서 2.7 V로 CC 방전
● 사이클 2로부터:
·C/2(컷오프 C/50)에서 4.2 V로 CCCV 충전
·C/2에서 2.7 V로 CC 방전
상업적 적용예의 관점에 있어서, 그러한 완전 전지에서 적어도 300회 사이클의 사이클 수명은 약 720 mAh/g의 비용량을 갖는 애노드 물질에 요구되는 것으로 잘 정립되어 있다. 적어도 150회 사이클의 사이클 수명은 약 1,260 mAh/g의 비용량을 갖는 애노드 물질에 요구된다.
규소계 입자의 불연속 단면의 입자 크기의 측정
SEM 기반 절차에 따라 dmax 및 d디스크를 측정하기 위하여, 500 ㎎의 활성 물질 분말을 4 부의 에폭시 수지(20-3430-128) 및 1 부의 에폭시 경화제(20-3432-032)의 혼합물로 이루어진 7 g의 수지(뷸러 에폭시큐어(Buehler EpoxiCure) 2) 중에 매립시킨다. 얻어지는 1" 직경의 샘플을 적어도 8 시간 동안 건조시킨다. 이어서, 그 샘플을 우선 최대 5 ㎜의 두께가 도달될 때까지 스트루어 테그라민(Struers Tegramin)-30을 사용하여 기계적으로 연마한 후, 이온-빔 연마(크로스 섹션 폴리셔 제올(Cross Section Polisher Jeol) SM-09010)에 의하여 약 6 시간 동안 6 kV에서 추가로 연마하여 연마된 표면을 얻는다. 마지막으로 상기 연마된 표면 상에서 탄소 스퍼터링에 의하여 크레싱톤(Cressington) 208 탄소 코팅기를 사용하여 12 초 동안 탄소 코팅을 적용하여 SEM에 의하여 분석될 샘플을 얻는다.
TEM 기초 절차에 따라 dmax 및 d디스크를 측정하기 위하여, 10 ㎎의 활성 물질 분말을 집속된 이온 빔 스캐닝 전극 현미경(FIB-SEM) 기기에 배치한다. 활성 물질 분말의 표면 정상부에 백금 층을 침착시킨다. 활성 물질 분말의 라멜라는 FIB를 사용하여 추출하고, 얻은 라멜라의 예는 도 2(좌측)에 제시한다. 그러한 라멜라를 TEM 샘플 홀더에 추가로 배치하고, 하기 기재된 절차에 따라 분석한다.
규소계 입자의 불연속 단면의 최대 크기 dmax(도 3 참조)는 SEM 또는 TEM 화상에 의하여 규소계 입자의 불연속 단면의 둘레의 2개이 가장 먼 지점 사이의 직선 거리를 측정함으로써 구한다.
규소계 입자의 불연속 단면의 등가 직경 d디스크(도 3 참조)는 또한 SEM 또는 TEM 화상에 의하여 상기 규소계 입자의 불연속 단면의 면적(면적 Si)을 측정하고, 상기 규소계 입자의 상기 불연속 단면 중 하나와 동일한 면적을 갖는 디스크의 직경을 계산함으로써 구한다. 이는 수학식
Figure 112019061235977-pat00001
를 적용하여 이루어진다.
규소 입자의 불연속 단면의 형상 계수는 수학식 SF=d디스크/dmax에 의하여 제공된다.
예시의 목적으로, 비제한적인 방식으로, 형상 계수의 측정, SEM 기반 절차는 하기 제공된 활성 물질 분말 실시예 1 (E 1)에 대하여 상술한다. 실시예 1이 SEM 기초 절차를 참고하고 있긴 하지만, 본 발명의 범주 내에 속하는 다른 실시양태는 유사한 TEM 기반 절차에 의하여 특징화될 수 있다.
1. 활성 물질 분말의 단면의 복수의 SEM 화상을 얻는다.
2. 규소계 입자의 단면의 용이한 가시화를 위하여 화상의 콘트라스트 및 명도 설정을 조절한다.
3. 규소계 입자의 다른 단면과 중첩되지 않는 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면은 얻은 SEM 화상(들) 중 1개 또는 수개로부터 적절한 화상 분석 소프트웨어를 사용하여 선택한다. 이러한 규소계 입자의 불연속 단면은 제시된 활성 물질 분말의 활성 물질 입자의 하나 이상의 단면으로부터 선택될 수 있다.
4. 규소계 입자의 불연속 단면의 dmax 값 및 면적(면적 Si)은 적절한 화상 분석 소프트웨어를 사용하여 측정하고, d디스크 값은 수학식
Figure 112019061235977-pat00002
을 적용하여 계산한 후, 형상 계수 값은 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면 각각에 대하여 수학식 SF=d디스크/dmax을 적용하여 계산한다.
5. i. 0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF=d디스크/dmax, 및 ii. 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax를 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 개수를 계수하고, 상기 언급된 조건 둘 다를 충족하는 규소계 입자의 단면의 백분율을 계산한다.
활성 물질 분말의 입자 크기의 측정
활성 물질 분말에 대한 부피에 기초한 입자 크기 분포는 말번 마스터사이저(Malvern Mastersizer) 2000으로 측정한다. 다음의 측정 조건: 압축된 범위; 활성 빔 길이 2.4 ㎜; 측정 범위: 300 RF; 0.01 내지 900 ㎛를 선택한다. 샘플 제조 및 측정은 제조업자의 설명서에 따라 실시한다.
비교예 및 실시예의 실험 제조
비교예 1(본 발명에 따르지 않음)
규소 나노 분말은 플라즈마 기체로서 아르곤을 사용하여 50 kW 무선 주파수(RF) 유도 커플링 플라즈마(ICP)를 적용하여 얻는데, 여기에서는 미크론 크기의 규소 분말 전구체가 약 200 g/h의 비율로 주입되고, (즉, 반응 구역 내에서) 2,000 K 초과의 우세한 온도가 결과로 얻어진다. 이러한 제1 공정 단계에서는, 전구체가 모두 기화된다. 제2 공정 단계에서는, 상기 기체의 온도를 1,600 K 미만으로 저하키기 위해서, 90 N㎥/h의 아르곤 유속을 반응 구역의 바로 하류에서 켄칭 기체로서 사용하는데, 이는 금속성 미크론이하의 규소 분말로의 핵형성을 야기한다. 마지막으로, 부동태화 단계는 100℃의 온도에서 5 분 동안 1 몰% 산소를 함유하는 N2/O2 혼합물을 100 ℓ/h로 첨가하여 수행한다.
규소 나노 분말의 입자 크기 분포는 d10 = 63 ㎚, d50　= 113 ㎚ 및 d90 = 205 ㎚이고, 산소 함유량은 6.9 중량%인 것으로 측정된다.
이들 모든 값은 또한 하기 표 1에 기록된다.
활성 물질 분말을 제조하기 위하여, 블렌드는 언급된 규소 나노 분말, 및 폴리비닐 알콜(PVA), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 수크로스, 콜-타르 피치 및 페트롤륨 피치의 목록로부터 선택된 탄소 전구체로 이루어진다. 탄소 전구체의 1,000℃에서의 열 분해 후와 같은 탄소 전구체에 대한 규소의 비율을 선택하는데, 탄소에 대한 규소의 비율은 1이다.
상기 혼합물을 N2 하에서 융점보다 20℃ 높은 온도로 가열하고, 60 분의 대기 시간 후 30 분 동안 고 전단 하에 1,000 rpm으로 작동하는 코울 용해기 유형의 혼합기에 의하여 혼합한다.
이와 같이 얻은 탄소 전구체 중의 규소 나노 분말의 혼합물을 N2 하에서 실온으로 냉각시키고, 일단 고화된 후에 분쇄시키고, 400 메쉬 체 상에서 체질하여 중간 활성 물질 분말을 제조한다.
상기 중간 활성 물질 분말은 최종 활성 물질 분말 중의 15.0 중량%(±0.3 중량%)의 규소 함유량에 도달하도록 하는 비율로 롤러 벤치 상에서 3 시간 동안 그래파이트와 추가 혼합한다. 그 후, 얻은 혼합물을 밀에 통과시켜 탈응집시킨다. 이러한 조건에서, 우수한 균질성은 얻어지나, 그래파이트는 탄소 전구체 중에 매립되지 않는다.
이렇게 얻어진 규소, 탄소 전구체 및 그래파이트의 혼합물에 열적 후처리를 다음과 같이 수행한다: 생성물을 튜브 퍼니스 내의 석영 도가니에 배치하고, 3℃/min의 가열 속도로 1,000℃까지 가열하고, 상기 온도에서 2 시간 동안 유지한 후 냉각시킨다. 이러한 과정 모두는 아르곤 대기 하에서 수행한다.
연소된 생성물을 1 시간 동안 200 rpm으로 알루미나 볼과 함께 볼 밀링하고, 325 메쉬 체 상에서 체질하여 최종 활성 물질 분말을 형성하고, 이는 추가로 활성 물질 분말 CE 1로 지칭한다.
활성 물질 분말 CE 1 중의 총 Si 함유량은 XRF에 의하여 ± 0.3 중량%의 실험 오차를 갖는 15.1 중량%인 것으로 측정된다. 활성 물질 분말 CE 1의 산소 함유량은 1.5 중량%인 것으로 측정된다.
상기 활성 물질 분말 CE 1의 경우, 형상 계수 0.4 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dmax < 250 ㎚의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 총수의 백분율은 34%인 것으로 측정된다. 형상 계수 0.5 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dmax < 250 ㎚의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면에 대하여서도 동일한 백분율이 얻어진다.
CE 1에 대한 모든 특성은 또한 하기 표 2에 제시된다.
비교예 2(본 발명에 따르지 않음)
활성 물질 분말 CE 1과 유사하게, 플라즈마 합성 후 건식 밀링 단계를 추가하여 상이한 Si 형상을 갖는 또 다른 비교예 활성 물질 분말 CE 2를 제조한다. CE 1에 비하여, 파라미터를 다음과 같이 변형하여 규소 분말을 제조한다: 무선 주파수를 45 kW로 설정하고, 전구체 주입 속도를 260 g/h로 설정하며, 켄칭을 위한 아르곤 유속을 60 N㎥/h로 설정한다. 이들 값은 또한 하기 표 1에 기록된다.
얻어진 규소 입자의 형상을 변경시키기 위하여, 건식 밀링 단계를 수행한다. 플라즈마 합성 후 얻어진 분말을 시몰로이어(Simoloyer) 고 에너지 몰 밀에서 800 rpm의 회전 속도, 20:1의 볼:분말 질량비(BPR) 및 230 분의 밀링 시간을 사용하여 밀링한다. 헵탄을 공정 제어제(PCA)로서 규소 분말에 대하여 4 중량%의 양으로 사용하여 분말이 벽 및 비드에 대하여 달라붙는 것을 방지한다. Si 분말을 아르곤 대기 하에서 밀링한다. 밀링 후 얻은 규소 분말에 대하여 측정된 입자 크기 분포 및 산소 함유량의 값은 하기 표 1에 제시된다.
건식 밀링 단계는 규소계 입자의 형상뿐 아니라 크기에도 영향을 미치는 것으로 규정되어 있는데, 이는 건식 밀링이 입자의 크기를 감소시키는 경향이 있기 때문이다. 그래서, 더 긴 밀링 시간으로부터 결과로 얻어지는 예비-결정된 Si계 입자 크기의 경우, 밀링 전에 플라즈마 공정에서 제조된 규소계 입자의 크기는 예비-결정된 Si계 입자 크기를 달성하기 위하여 증가되어야만 한다. 이는 감소된 전력과 증가된 주입 속도 및 감소된 켄칭 유속과의 조합에 의하여 이루어질 수 있다.
유사하게, 더 미세한 입자는, 예를 들면 전력 및 켄칭 유속을 증가시키고, 플라즈마 공정의 주입 속도를 감소시킴으로써, 또는 건식 밀링 단계 중에 밀링 시간 및 속도를 증가시킴으로써, 또는 이들 2가지 공정을 조합함으로써, 얻을 수 있다. 대안으로, 입자의 형상 계수는 밀링 시간 및 속도를 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
이어서, 활성 물질 분말 CE 2는 활성 물질 분말 CE 1에 대하여 기재된 바와 동일한 공정에 따라 밀링된 규소 분말을 사용하여 제조한다. 활성 물질 분말 CE 2의 총 Si 함유량은 XRF에 의하여 14.9 중량%인 것으로 측정된다. 활성 물질 분말 CE 2의 산소 함유량은 1.4 중량%인 것으로 측정된다.
활성 물질 분말 CE 2의 경우, 형상 계수 0.4 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dmax < 250 ㎚의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 총수의 백분율은 62%인 것으로 측정되고, 형상 계수 0.5 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dmax < 250 ㎚의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 총수의 백분율은 60%인 것으로 측정된다.
CE 2의 모든 특성은 또한 하기 표 2에 제시된다.
실시예 1(본 발명에 따름)
본 발명에 따른 활성 물질 분말 E 1을 제조하기 위하여, CE 2를 제조하는데 이용된 것과 유사한 공정을 이용한다.
규소 나노분말은 우선 다음과 같은 파라미터를 갖는 플라즈마 공정을 이용하여 제조한다: 무선 주파수를 40 kW로 설정하고, 전구체 주입 속도를 330 g/h로 설정하며, 켄칭을 위한 아르곤 유속을 40 N㎥/h로 설정한다. 이들 값은 또한 하기 표 1에 제시된다.
얻어진 규소계 입자의 형상을 변경시키기 위하여, 건식 밀링 단계를 수행한다. 그리하여 플라즈마 합성 후 얻은 분말을 시몰로이어 고 에너지 볼 밀에서 800 rpm의 회전 속도, 20:1의 볼: 분말 질량비(BPR) 및 495 분의 밀링 시간을 사용하여 밀링한다. 헵탄을 공정 제어제(PCA)로서 규소 분말에 대하여 4 중량%의 양으로 사용하여 분말이 벽 및 비드에 대하여 달라붙는 것을 방지한다. Si 분말을 아르곤 대기 하에서 밀링한다. 밀링 후 얻어지는 규소 분말에 대하여 측정된 입자 크기 분포 및 산소 함유량의 값은 하기 표 1에 제시된다.
이어서, 활성 물질 분말 E 1은 활성 물질 분말 CE 1에 대하여 기재된 바와 동일한 공정에 따라 상기 밀링된 규소 분말을 사용하여 제조한다. 활성 물질 분말 E 1 중의 총 Si 함유량은 XRF에 의하여 15.0 중량%인 것으로 측정된다. 활성 물질 분말 E 1의 산소 함유량은 1.4 중량%인 것으로 측정된다.
상기 활성 물질 분말 E 1의 경우, 형상 계수 0.4 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dmax < 250 ㎚의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 총수의 백분율은 79%인 것으로 측정되며, 형상 계수 0.5 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dma x< 250 ㎚의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 총수의 백분율은 77%인 것으로 측정된다.
E 1의 모든 특성은 또한 하기 표 2에 제시된다.
0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF 및 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax 를 둘 다 갖는 입자가 SEM에 의하여 제공된 시계의 적어도 65%를 구성하는 분말은 본 발명에 의한 분말로서 지칭될 수 있다. 대안으로, 0.5 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF 및 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax를 둘 다 갖는 입자가 SEM에 의하여 제공된 시계의 적어도 65%를 구성하는 분말은 동등하게 본 발명에 의한 분말로서 지칭될 수 있다. 도 1은 활성 물질 분말 E 1에 포함된 Si계 입자의 단면을 나타내는 SEM 사진(배율 ×25,000)이다.
실시예 2(본 발명에 따름)
본 발명에 따른 활성 물질 분말 E 2를 제조하기 위하여, E 1을 제조하기 위하여 기재된 것과 유사한 공정을 이용한다.
규소 나노분말은 우선 다음과 같이 파라미터를 갖는 플라즈마 공정을 이용하여 제조한다: 무선 주파수를 35 kW로 설정하고, 전구체 주입 속도를 380 g/h로 설정하며, 켄칭을 위한 아르곤 유속을 35 N㎥/h로 설정한다. 이들 값은 또한 하기 표 1에 제시된다.
얻어지는 규소계 입자의 형상을 변경시키기 위하여, 건식 밀링 단계를 950 분의 밀링 시간으로 E 1과 동일한 설정을 이용하여 수행한다. 밀링 후 얻은 규소 분말에 대하여 측정된 입자 크기 분포 및 산소 함유량의 값은 하기 표 1에 제시된다.
이어서, 활성 물질 분말 E 2는 밀링된 규소 분말을 사용하여 활성 물질 분말 CE 1에 대하여 기재된 것과 동일한 공정에 따라 제조한다. 활성 물질 분말 E 2 중의 총 Si 함유량은 XRF에 의하여 14.9 중량%인 것으로 측정된다. 활성 물질 분말 E 2의 산소 함유량은 1.4 중량%인 것으로 측정된다.
활성 물질 분말 E 2의 경우, 형상 계수 0.4 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dmax < 250 ㎚의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 총수의 백분율은 92%인 것으로 측정되며, 형상 계수 0.5 < SF < 0.8 및 10 ㎚ < dma x< 250 ㎚의 조건 을 모두 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 총수의 백분율은 86%인 것으로 측정된다.
E 2의 모든 특성은 또한 하기 표 2에 제시한다.
Figure 112019061235977-pat00003
Figure 112019061235977-pat00004
비교예 3 및 4(본 발명에 따르지 않음)및 실시예 3 및 4(본 발명에 따름)
동일한 방법을 적용하여 35.0 중량%(±0.3 중량%)의 Si 함유량을 갖는 4종의 활성 물질 분말을 얻는다. 최종 활성 물질 분말 CE 1, CE 2, E 1 및 E 2를 제조하는데 사용된 동일한 4종 중간 활성 물질 분말은 또한 활성 물질 분말 CE 1에 대하여 기재된 절차에 따라 최종 활성 물질 분말 CE 3, CE 4, E 3 및 E 4를 각각 제조하는데 사용된다. 유일한 차이점은 최종 활성 물질 분말 CE 3, CE 4, E 3 및 E 4를 제조하는데 사용된 "중간 활성 물질" 대 그래파이트의 비율이 활성 물질 분말 CE 1의 경우 15.0 중량%(±0.3 중량%) 대신에 35.0 중량%(±0.3 중량%)의 최종 Si 함유량을 달성하도록 선택된다는 점이다. 하기 표 3에 기록된 규소 분말에 관한 값들은 표 1에 보고된 값들과 유사한 반면, 표 4에 제시된 값들은 표 2에 제시된 값들과는 약간 상이하다. 논리적으로, 사용된 규소 분말은 유사하므로, 최종 활성 물질 분말 CE 3, CE 4, E 3 및 E 4에 대하여 측정된 형상 계수 및 dmax의 조건을 둘 다 충족하는 규소계 입자의 불연속 단면의 백분율은 CE 1, CE 2, E 1 및 E2에 대하여 측정된 값들과 매우 근접하다. 작은 차이는 새로운 SEM 또는 TEM 단면 샘플 제조 및 분석으로부터 야기되는 정규 변동을 반영한 것이다.
형상 계수 SF 0.4 이상 및 0.8 이하 및 dmax 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하를 둘 다 갖는 입자가 TEM에 의하여 제공된 시계의 적어도 65%를 구성하는 분말은 본 발명에 의한 분말로서 지칭될 수 있다. 대안으로, 0.5 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF 및 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax를 둘 다 갖는 입자가 SEM에 의하여 제공된 시계의 적어도 65%를 구성하는 분말은 동등하게 본 발명에 의한 분말로서 지칭될 수 있다. 도 2는 활성 물질 분말 E 4에 포함된 Si계 입자의 단면을 나타내는 TEM 사진이다.
Figure 112019061235977-pat00005
Figure 112019061235977-pat00006
전기화학적 분석
제조된 모든 활성 물질 분말의 BET 표면적을 측정한다. 이는 2.5 ㎡와 3.5 ㎡/g 사이의 범위에 있다. 제조된 활성 물질 분말 CE 1, CE 2, CE 3, CE 4, E 1, E 2, E3 및 E 4 중 어느 것에서도 SEM 또는 TEM 화상에 의하여 다공도가 관찰되지 않을 수 있다.
활성 물질 분말 CE 및 E의 전기화학적 성능은 완전 전지에서 측정된다. 결과는 하기 표 5에 제시된다.
Figure 112019061235977-pat00007
규소 함유량(약 15 중량% 및 약 35 중량%) 모두의 경우, 본 발명에 의한 활성 물질 분말을 함유하는 전지는 본 발명에 따르지 않는 활성 물질 분말을 함유하는 전지보다 유의적으로 더 우수하게 수행된다는 것을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 배터리의 음극에 사용하기 위한 활성 물질 분말로서,
    상기 활성 물질 분말은 활성 물질 입자를 포함하고, 활성 물질 입자는 규소계 입자를 포함하며, 상기 활성 물질 분말은, 평면에 의해 교차될 때, 둘레 및 면적을 갖는, 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면(discrete cross-section)이 상기 평면에 포함되도록 교차되고, 상기 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면의 적어도 65%가
    - 0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수(shape factor) SF=d디스크/dmax, 및
    - 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax
    를 둘 다 갖는 것을 특징으로 하며, 여기서
    dmax는 규소계 입자의 불연속 단면의 둘레의 2개의 가장 먼 지점 사이의 직선 거리이며, d디스크는 상기 규소계 입자의 상기 불연속 단면 중 하나와 동일한 면적을 갖는 디스크의 직경인 활성 물질 분말.
  2. 제1항에 있어서, 활성 물질 분말을 교차하는 평면에 포함된 상기 규소계 입자의 적어도 1,000개의 불연속 단면의 적어도 70%가 0.4 이상 및 0.8 이하의 형상 계수 SF=d디스크/dmax 및 10 ㎚ 이상 및 250 ㎚ 이하의 dmax를 둘 다 갖는 것인 활성 물질 분말.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 형상 계수 SF=d디스크/dmax가 0.5 이상 및 0.8 이하인 활성 물질 분말.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성 물질 분말이 매트릭스 물질을 더 포함하는 것인 활성 물질 분말.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성 물질 분말이 부피에 기초한 입자 크기 분포를 가지며, d10이 1 ㎛와 10 ㎛ 사이에 포함되고, d50이 3 ㎛와 30 ㎛ 사이에 포함되며, d90이 5 ㎛와 50 ㎛ 사이에 포함되는 것인 활성 물질 분말.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 중량%로서 표시된 활성 물질 분말의 총 중량에 대하여 산소 함유량 및 평균 규소 함유량 A를 가지며, 여기서 중량%로서 표시된 산소 함유량이 A의 20% 미만인 것을 특징으로 하는 활성 물질 분말.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 5 ㎡/g 미만의 BET 값을 갖는 것을 특징으로 하는 활성 물질 분말.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성 물질 입자가 10 부피% 미만의 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는 활성 물질 분말.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성 물질 분말이 활성 물질 분말의 총 중량에 대하여 적어도 90 중량%의 상기 활성 물질 입자를 포함하는 것인 활성 물질 분말.
  10. 제4항에 있어서, 매트릭스 물질이 탄소계 매트릭스 물질이고, 규소가 규소계 입자로서 존재하며, 규소계 입자가 매트릭스 물질 중에 매립되는 것인 활성 물질 분말.
  11. 제4항에 있어서, 매트릭스 물질이 다음의 화합물: 폴리비닐 알콜(PVA), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 수크로스, 콜-타르 피치 및 페트롤륨 피치 중 적어도 하나이거나, 또는 매트릭스 물질이 상기 화합물 중 적어도 하나의 열적 분해된 생성물인 것을 특징으로 하는 활성 물질 분말.
  12. 제4항에 있어서, 활성 물질 분말이 또한 그래파이트를 함유하며, 그래파이트가 매트릭스 물질 중에 매립되지 않는 것을 특징으로 하는 활성 물질 분말.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 규소계 입자가 적어도 80 중량%의 규소를 갖는 화학 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 활성 물질 분말.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 활성 물질 분말을 포함하는 배터리.
  15. 제14항에 따른 배터리를 포함하는 전자 디바이스.
KR1020190071099A 2018-06-15 2019-06-14 배터리의 음극에 사용하기 위한 활성 물질 분말 및 상기 활성 물질 분말을 포함하는 배터리 KR102318270B1 (ko)

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