KR20180132278A - 음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지 - Google Patents

음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SiOx(0≤x<2)를 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되는 코팅층을 포함하는 실리콘계 활물질 입자를 포함하며, 상기 코팅층은 탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층 중 어느 하나이며, 상기 코팅층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플루오린화물을 포함하는 음극 활물질에 관한 것이다.

Description

음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지{NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, NEGATIVE ELECTRODE COMPRISING THE NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL, AND LITHIUM SECONDARTY BATTERY COMPRISING THE NEGATIVE ELECTRODE}
본 발명은 음극 활물질, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지에 관한 것으로, 구체적으로 상기 음극 활물질은 SiOx(0≤x<2)를 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되는 코팅층을 포함하는 실리콘계 활물질 입자를 포함하며, 상기 코팅층은 탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층 중 어느 하나이며, 상기 코팅층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플루오린화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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 밀도, 즉 고용량의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막으로 구성된다. 음극은 양극으로부터 나온 리튬 이온을 삽입하고 탈리시키는 음극 활물질을 포함하며, 상기 음극 활물질로는 방전 용량이 큰 실리콘계 입자가 사용될 수 있다. 다만, SiOx(0≤≤x<2)등의 실리콘계 입자는 초기 효율이 낮으며, 충방전 과정에서 부피가 지나치게 변화한다. 따라서, 전지의 수명이 저하되는 문제가 발생한다.
종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 실리콘계 입자 표면에 코팅층을 형성하는 기술들이 이용되어 왔다. 구체적으로, 실리콘계 입자 표면에 탄소 코팅층을 형성시키거나(대한민국 공개특허공보 제10-2015-0112746호), 고분자 코팅층을 형성시켰다. 그러나 고분자 코팅층을 형성시키는 경우, 전지 저항이 증가하는 문제가 발생한다. 또한, 고분자 코팅층 대신 탄소 코팅층을 형성시키더라도 전지 저항의 감소 효과가 크지 않다. .
따라서, 이차 전지의 충방전 과정에서 부피 변화가 효과적으로 제어될 수 있으며, 음극의 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있는 음극 활물질의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0112746호
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 이차 전지의 충방전 과정에서 부피 변화가 효과적으로 제어될 수 있으며, 음극의 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있는 음극 활물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SiOx(0≤x<2)를 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되는 코팅층을 포함하는 실리콘계 활물질 입자를 포함하며, 상기 코팅층은 탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층 중 어느 하나이며, 상기 코팅층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플루오린화물을 포함하는 음극 활물질이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질에 있어서, 상기 실리콘계 활물질 입자의 코팅층이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플루오린화물을 포함하므로, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극의 저항을 효과적으로 감소할 수 있다. 이를 통해, 전지의 충방전 특성이 개선될 수 있다.
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 따른 음극 활물질은 SiOx(0≤x<2)를 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되는 코팅층을 포함하는 실리콘계 활물질 입자를 포함하며, 상기 코팅층은 탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층 중 어느 하나이며, 상기 코팅층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플루오린화물을 포함할 수 있다.
상기 코어는 SiOx(0≤x<2)를 포함할 수 있다. 상기 SiOx(0≤x<2)는 Si 및 SiO2가 포함된 형태일 수 있다. 즉, 상기 x는 상기 SiOx(0≤x<2) 내에 포함된 Si에 대한 O의 개수비에 해당한다. 상기 코어가 SiOx(0≤x<2)를 포함하는 경우, 이차 전지의 방전 용량이 개선될 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 SiOx는 SiO일 수 있다.
상기 SiO2는 결정성 SiO2일 수 있다. 상기 결정성 SiO2 는 석영(quartz), 크리스토발라이트(cristobalite) 또는 트리디마이트(tridymite)일 수 있다.
상기 코어의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 50㎛일 수 있으며, 구체적으로 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 평균 입경 범위를 만족하는 경우, 전해액과의 부반응이 억제되고, 상기 코어의 산화가 제어되어 초기 효율 저하가 방지될 수 있으며, 전극 제조 공정에 유리한 효과가 있다. 본 명세서에서 평균 입경(D50)은 입자의 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.
상기 코팅층은 상기 코어 상에 배치될 수 있으며, 구체적으로 상기 코어의 적어도 일부분을 덮을 수 있다.
상기 코팅층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플루오린화물을 포함할 수 있다. 상기 알칼리 금속은 Li, Na 및 K 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 상기 알칼리 토금속은 Mg, Be 및 Ca 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 플루오린화물은 LiF, NaF 및 MgF2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 코팅층이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 상기 플루오린화물을 포함함으로써, 상기 실리콘계 활물질 입자를 포함하는 전지의 저항이 효과적으로 감소할 수 있다. 이에 따라, 전지의 초기 효율 및 수명이 개선될 수 있다.
상기 플루오린화물은 상기 코팅층 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 20중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.5중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 전지의 저항이 더욱 효과적으로 감소될 수 있으며, SEI막이 안정적으로 형성될 수 있다. 상기 함량은 음극 활물질 제조 과정에서 조절이 가능하다.
상기 플루오린화물 중 적어도 일부는 상기 코어와 이격될 수 있다. 상기 플루오린화물은 코팅층 형성 시, 코팅층 형성 조성물과 함께 혼합되어 코어 상에 배치되므로, 상기 플루오린화물 중 적어도 일부는 상기 코어와 이격될 수 있다.
상기 고분자 코팅층은 상기 실리콘계 활물질 입자 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.5중량% 내지 20중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 음극 활물질의 용량과 효율 감소를 방지할 수 있으며, 상기 음극의 저항의 증가를 방지할 수 있다.
상기 코팅층은 탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층 중 어느 하나일 수 있다.
상기 탄소 코팅층이 상기 코어 상에 형성됨으로써, 상기 실리콘계 활물질 입자에 도전성이 부여되고, 상기 실리콘계 활물질 입자를 포함하는 음극 활물질을 포함한 이차전지의 초기 효율, 수명 특성 및 전지 용량 특성이 향상될 수 있다.
상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소 및 결정질 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 결정질 탄소는 상기 실리콘계 활물질 입자의 도전성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 결정질 탄소는 플로렌, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소는 상기 탄소 코팅층의 강도를 적절하게 유지시켜, 상기 코어의 팽창을 억제시킬 수 있다. 상기 비정질 탄소는 타르, 피치 및 기타 유기물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 탄화물, 또는 탄화수소를 화학기상증착법의 소스로 이용하여 형성된 탄소계 물질일 수 있다.
상기 기타 유기물의 탄화물은 수크로오스, 글루코오스, 갈락토오스, 프록토오스, 락토오스, 마노스, 리보스, 알도헥소스 또는 케도헥소스의 탄화물 및 이들의 조합에서 선택되는 유기물의 탄화물일 수 있다.
상기 탄화수소는 치환 또는 비치환된 지방족 또는 지환식 탄화수소, 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소일 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 지방족 또는 지환식 탄화수소의 지방족 또는 지환식 탄화수소는 메테린, 에테린, 에틸렌, 아세틸렌, 프로페인, 뷰태인, 뷰텐, 펜테인, 아이소뷰테인 또는 헥세인 등일 수 있다. 상기 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소의 방향족 탄화수소는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠, 다이페닐메테인, 나프탈렌, 페놀, 크레졸, 나이트로벤젠, 클로로벤젠, 인덴, 쿠마론, 파이리딘, 안트라센 또는 페난트렌 등을 들 수 있다.
상기 탄소 코팅층은 상기 실리콘계 활물질 입자 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.5중량% 내지 20중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 음극 활물질의 용량과 효율 감소를 방지할 수 있다.
상기 탄소 코팅층의 두께는 0.005㎛ 내지 0.1㎛일 수 있고, 구체적으로 0.01㎛ 내지 0.05㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 실리콘계 활물질 입자의 도전성이 개선되어, 전지의 초기 효율 및 수명이 개선되는 효과가 있다.
상기 고분자 코팅층은 폴리아닐린(polyaniline), 폴리 아크릴로 니트릴(polyacrylonitrile), 피렌(pyrene)의 동종중합체인 폴리(1-피렌메틸 메타크레이트)(poly(1-pyrenemethyl methcrylate)), 피렌의 공중합체인 폴리(1-피렌메틸 메타크레이트-코-트리에틸렌 옥사이드 메틸 에테르 메타크레이트)(poly(1-pyrenemethyl methacrylate-co-triethylene oxide methyl ether methacrylate)), 상기 피렌의 동종중합체 혹은 공중합체의 피렌 측쇄를 안트라센(anthracene)으로 변경한 고분자, 폴리파라페닐린(polyparaphenylene), 폴리아닐린(polyaniline), 카르보닐기(Carbonyl기)와 메틸벤조익 에스터(methylbenzoic ester)를 갖는 고분자 및 컨쥬게이션 결합(conjugation bond)를 갖는 폴리아세틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 카르보닐기(Carbonyl기)와 메틸벤조익 에스터(methylbenzoic ester)를 갖는 고분자는 Poly(9,9-dioctylfluorene-co-fluorenone-co-methylbenzoic ester, PFFOMB)일 수 있다. 상기 고분자 코팅층이 상기 코어 상에 형성됨으로써, 전극의 도전성을 높일 수 있고, 실리콘계 활물질 입자의 팽창과 수축에 따른 도전성 경로(path)가 단선되는 것을 방지할 수 있으며, 전해액과의 부반응이 줄어들 수 있다.
상기 고분자 코팅층은 상기 음극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.5중량% 내지 20중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 음극의 저항의 증가를 방지할 수 있다.
상기 고분자 코팅층의 두께는 0.005㎛ 내지 0.1㎛일 수 있고, 구체적으로 0.01㎛ 내지 0.05㎛일 수 있다. 상기 고분자 코팅층의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 고분자 코팅층에 의한 도전성 경로가 원활하게 확보되며, 전해액 부반응이 원활하게 제어될 수 있다.
본 실시예의 실리콘계 활물질 입자는 단일 입자 형태일 수 있다. 구체적으로 단일 입자 형태란, 상기 1차 입자가 응집해서 2차 입자 형태를 이루는 것이 아니라, 상기 1차 입자 자체가 음극 활물질이 되는 것을 의미한다. 이 때, 상기 1차 입자, 즉 상기 실리콘계 활물질 입자의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 50㎛이며, 구체적으로 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 전해액과의 반응이 과하지 않으며, 전극 제조가 용이하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 음극 활물질은, 상술한 일 실시예에 따른 음극 활물질과 동일하나, 상기 코어가 금속 화합물을 더 포함할 수 있는 점에서 차이가 있다. 이에 차이점에 대하여 설명하도록 한다.
상기 금속 화합물은 코어에 포함될 수 있다. 상기 금속 화합물은 상기 SiOx(0≤x<2)를 환원시킬 수 있는, 구체적으로는 상기 SiOx(0≤x<2) 내 이산화규소(SiO2)를 규소로 환원시킬 수 있는 환원력을 가진 금속이 산화되어 형성된 것 일 수 있다. 상기 금속 화합물은 금속 산화물 및 금속 실리케이트 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 금속 산화물은 MgO, Li2O, 및 Al2O3 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 금속 실리케이트는 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca) 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속의 실리케이트를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 금속 실리케이트는 MgSiO3, Mg2SiO4, Li2SiO3, Li4SiO4, Li2Si2O5, Al6SiO13 및 Al4SiO8 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 금속 화합물은 코어에 도핑되는 금속에 의해 형성된 것일 수 있다. 상기 금속이 코어에 도핑됨으로써, SiO 및/또는 SiO2 매트릭스가 환원될 수 있으며, 금속 화합물이 형성될 수 있다. 이에 따라, 초기 비가역으로 작용하는 SiO2의 함량이 줄어들 수 있으므로, 전지의 초기 효율이 향상될 수 있다.
상기 금속 화합물은 상기 코어의 총 중량에 대하여, 1중량% 내지 60중량%으로 포함될 수 있으며, 구체적으로 2중량% 내지 50중량%일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 전지의 초기 효율이 더욱 개선될 수 있고, 코어 내 Si 결정의 크기가 지나치게 증가하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극 활물질은, 상술한 일 실시예에 따른 음극 활물질과 동일하나, 상기 실리콘계 활물질 입자가 단일 입자가 아니라, 1차 입자 형태이며, 서로 응집하여 2차 입자를 이루는 점에서 차이가 있다. 이에 차이점에 대하여 설명하도록 한다.
상기 실리콘계 활물질 입자는 1차 입자 형태이며, 서로 응집하여 2차 입자를 이룰 수 있다. 구체적으로, 상기 실리콘계 활물질 입자들이 응집하여 2차 입자 형태를 이루는 경우 2차 입자를 구성하는 1차 입자들 사이의 공간에 의해, 전지 충방전 시 음극 활물질의 외부 방향으로의 부피 팽창이 효과적으로 제어될 수 있다.
상기 2차 입자를 구성하는 상기 실리콘계 활물질 입자(1차 입자)의 평균 입경(D50)은 0.5㎛ 내지 20㎛일 수 있으며, 구체적으로 0.5㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 충방전 C-rate 특성이 개선될 수 있으며, SEI층이 안정적으로 형성될 수 있다.
상기 실리콘계 활물질 입자들이 응집하여 형성된 2차 입자의 평균 입경(D50)은 1㎛ 내지 70㎛일 수 있으며, 구체적으로 3㎛ 내지 40㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 실리콘계 활물질 입자의 부피 팽창이 더욱 효과적으로 제어될 수 있다.
상기 2차 입자의 공극률은 1% 내지 90%일 수 있으며, 구체적으로 1% 내지 40%일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 충방전 C-rate 특성이 더욱 효과적으로 개선될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극 활물질은, 상술한 일 실시예에 따른 음극 활물질과 동일하나, 상기 실리콘계 활물질 입자가 단일 입자가 아니라, 1차 입자 형태이며, 서로 응집하여 2차 입자를 이루며, 상기 코어가 금속 화합물을 더 포함할 수 있는 점에서 차이가 있다. 상기 2차 입자 형태와 금속 화합물에 대한 설명은 상술한 바와 동일하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극 활물질은, 상술한 일 실시예에 따른 음극 활물질과 유사하나, 음극 활물질이 탄소계 활물질 입자를 더 포함한다는 점에서만 차이가 있다.
상기 탄소계 활물질 입자를 실리콘계 활물질 입자와 함께 사용함으로써, 전지의 충·방전 특성이 개선될 수 있다. 상기 탄소계 활물질 입자는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소 섬유 및 흑연화 메조카본마이크로비드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극은 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 음극 활물질은 상술한 실시예들의 음극 활물질과 동일하다. 구체적으로, 상기 음극은 집전체 및 상기 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질층은 상기 음극 활물질을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 음극 활물질층은 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다.
상기 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체로는 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. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 집전체로 사용할 수 있다. 상기 집전체의 두께는 6㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 상기 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
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; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막, 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 상술한 음극과 동일하다. 상기 음극에 대해서는 상술하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성되며, 상기 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1 + c1Mn2 - c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 양극은 Li-metal일 수도 있다.
상기 양극활물질층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.
이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
분리막으로는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
상기 전해질은 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 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 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해질을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, 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 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 고용량, 높은 율속 특성 및 사이틀 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
실시예 및 비교예
실시예 1: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
LiF 0.025g과 스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 5㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하였다. 상기 LiF는 상기 탄소 코팅층 전체 중량을 기준으로 12중량%였다.
(2) 음극의 제조
상기 제조된 실리콘계 활물질 입자과 흑연을 1:9의 중량비로 혼합한 혼합 음극 활물질, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxylmethyl cellulose, CMC) 및 스티렌 부타디엔 고무(Styrene butadiene rubber, SBR)을 95.8:1:1.7:1.5의 중량비로 혼합하여 혼합물 5g을 제조하였다. 상기 혼합물에 증류수를 28.9 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 두께가 20㎛인 음극 집전체인 구리(Cu) 금속 박막에 도포, 건조하였다. 이때 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이어서, 압연(roll press)하고 130℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조한 뒤, 1.4875cm2의 원형으로 타발하여 음극을 제조하였다.
(3) 이차 전지의 제조
제조된 음극을 1.7671㎠의 원형으로 절단한 리튬(Li) 금속 박막을 양극으로 하였다. 상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 개재하고, 메틸에틸카보네이트(EMC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 부피비가 7:3인 혼합 용액에 0.5 중량%로 용해된 비닐렌 카보네이트를 용해시키고, 1M 농도의 LiPF6가 용해된 전해액을 주입하여, 리튬 코인 하프 셀(coin half-cell)을 제조하였다.
실시예 2: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
탄소 코팅층이 형성된 상기 실시예 1의 음극 활물질 10g과 Mg 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내어 1M HCl에 1시간 동안 교반시켜서 세척하였다. 세척된 혼합 파우더를 필터링하면서, 증류수로 세척한 뒤, 60℃의 오븐에서 8시간 건조시켰다. 이를 통해, MgO, Mg2SiO4, MgSiO3를 포함하는 금속 화합물이 포함된 코어를 포함하는 음극 활물질을 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 30중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다. 상기 LiF는 상기 탄소 코팅층 전체 중량을 기준으로 12중량%였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 실리콘계 활물질 입자를 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 3: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
탄소 코팅층이 형성된 상기 실시예 1의 음극 활물질 10g과 Li 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내었다. 이를 통해, Li2SiO3, Li4SiO4, Li2Si2O5의 금속 화합물을 포함하는 코어를 포함하는 음극 활물질을 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 40중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다. 상기 LiF는 상기 탄소 코팅층 전체 중량을 기준으로 12중량%였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 실리콘계 활물질 입자를 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 4: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
LiF 0.025g과 스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하여 1차 입자를 제조하였다. 상기 LiF는 상기 탄소 코팅층 전체 중량을 기준으로 12중량%였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 실리콘계 활물질 입자를 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 5: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
LiF 0.025g과 스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하여 예비 1차 입자를 제조하였다. 상기 LiF는 상기 탄소 코팅층 전체 중량을 기준으로 12중량%였다.
탄소 코팅층이 형성된 상기 예비 1차 입자 10g과 Mg 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내어 1M HCl에 1시간 동안 교반시켜서 세척하였다. 세척된 혼합 파우더를 필터링하면서, 증류수로 세척한 뒤, 60℃의 오븐에서 8시간 건조시켰다. 이를 통해, MgO, Mg2SiO4, MgSiO3를 포함하는 금속 화합물이 포함된 코어를 포함하는 1차 입자를 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 30중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 실리콘계 활물질 입자를 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 6: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
LiF 0.025g과 스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하여 예비 1차 입자를 제조하였다. 상기 LiF는 상기 탄소 코팅층 전체 중량을 기준으로 12중량%였다.
탄소 코팅층이 형성된 상기 예비 1차 입자 10g과 Li 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내었다. 이를 통해, Li2SiO3, Li4SiO4, Li2Si2O5를 포함하는 금속 화합물이 포함된 코어를 포함하는 1차 입자를 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 40중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 실리콘계 활물질 입자를 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 7: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
LiF 0.025g과 폴리아닐린 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 5㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하고 2시간 동안 교반하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 LiF와 폴리아닐린을 포함하는 고분자 코팅층이 SiO 상에 형성된 음극 활물질을 제조하였다. 상기 LiF는 상기 고분자 코팅층 전체 중량을 기준으로 5중량%였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 실리콘계 활물질 입자를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 8: 전지의 제조
(1) 실리콘계 활물질 입자의 제조
LiF 0.025g과 폴리아닐린 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하고 2시간 동안 교반하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 LiF와 폴리아닐린을 포함하는 고분자 코팅층이 SiO 상에 형성된 1차 입자를 제조하였다. 상기 LiF는 상기 고분자 코팅층 전체 중량을 기준으로 5중량%였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 실리콘계 활물질 입자를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 5㎛인 SiO(단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 2: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
탄소 코팅층이 형성된 상기 비교예 1의 입자 10g과 Mg 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내어 1M HCl에 1시간 동안 교반시켜서 세척하였다. 세척된 혼합 파우더를 필터링하면서, 증류수로 세척한 뒤, 60℃의 오븐에서 8시간 건조시켰다. 이를 통해, MgO, Mg2SiO4, MgSiO3를 포함하는 금속 화합물이 포함된 코어를 포함하는 음극 활물질을 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 30중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질을 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 3: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
탄소 코팅층이 형성된 상기 비교예 1의 입자 10g과 Li 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내었다. 이를 통해, Li2SiO3, Li4SiO4, Li2Si2O5의 금속 화합물을 포함하는 코어를 포함하는 음극 활물질을 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 40중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질을 사용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 4: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하여 1차 입자를 제조하였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질을 사용하여, 비교예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 5: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하여 예비 1차 입자를 제조하였다.
탄소 코팅층이 형성된 상기 예비 1차 입자 10g과 Mg 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내어 1M HCl에 1시간 동안 교반시켜서 세척하였다. 세척된 혼합 파우더를 필터링하면서, 증류수로 세척한 뒤, 60℃의 오븐에서 8시간 건조시켰다. 이를 통해, MgO, Mg2SiO4, MgSiO3를 포함하는 금속 화합물이 포함된 코어를 포함하는 1차 입자를 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 30중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질을 사용하여, 비교예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 6: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
스크로오스 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 수크로오스가 혼합된 규소 입자를 형성하였다. 질소분위기 하에서 800℃에서 열처리하여 수크로오스를 탄화시켜 2nm 두께의 탄소 코팅층을 형성하여 예비 1차 입자를 제조하였다.
탄소 코팅층이 형성된 상기 예비 1차 입자 10g과 Li 파우더 0.8g을 Ar 분위기 하에서 혼합하여 혼합 파우더를 준비하였다. 상기 혼합 파우더를 튜브 반응로(tube furnace)에 넣고, Ar 가스 분위기 하에서 950℃까지 5℃/min으로 승온한 뒤, 2시간 동안 열처리하였다. 이 후, 상온까지 반응로의 온도를 낮추고, 열처리된 혼합 파우더를 꺼내었다. 이를 통해, Li2SiO3, Li4SiO4, Li2Si2O5를 포함하는 금속 화합물이 포함된 코어를 포함하는 1차 입자를 제조하였다. XRD 정량분석을 통해 측정한 결과, 상기 금속 화합물은 상기 코어 총 중량을 기준으로 40중량%로 코어에 포함된 것을 확인하였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질을 사용하여, 비교예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 7: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
폴리아닐린 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 5㎛인 SiO(단일 입자 형태)를 10g 혼합하고 2시간 동안 교반하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 폴리아닐린으로 코팅된 SiO 입자를 제조하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 8: 전지의 제조
(1) 음극 활물질의 제조
폴리아닐린 0.5g을 이소프로판올 30g에 첨가하여 용액을 제조하였다. 이 후, 상기 용액에 평균 입경(D50)이 1㎛인 SiO(코어, 단일 입자 형태)를 10g 혼합하고 2시간 동안 교반하였다. 이어서, 상기 혼합물을 120℃의 건조로에서 2시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물을 막자 사발에서 다시 분쇄하고 분급하여 폴리아닐린을 포함하는 고분자 코팅층이 SiO 상에 형성된 1차 입자를 제조하였다.
상기 1차 입자와 에탄올/물(부피비= 1:9)이 1:10의 부피비로 포함하는 용액을 기계적 균질기(mechanical homogenizer)로 30분간 10,000rpm으로 교반하여 분무 건조용 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 미니 스프레이-드라이어(제조사: Buchi, 모델명: B-290 미니 스프레이-드라이어)의 입구 온도(Inlet temperature) 180℃, 아스피레이터(aspirator) 95%, 피딩 비율(feeding rate) 12 조건 하에서 분무 건조하여 예비 2차 입자를 제조한 후, 알루미나 보트에 옮겼다. 길이 80㎝, 내경이 4.8㎝인 석영관이 설치된 튜브 퍼니스(tube furnace)의 온도를 10℃/min의 속도로 600℃로 상승시킨 후 2시간 동안 온도를 유지하면서 소성함으로써 2차 입자를 제조하였다. 제조된 2차 입자의 공극률은 1% 이며, 평균 입경(D50)은 5㎛였다. 상기 공극률은 수은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였다.
(2) 음극 및 이차 전지의 제조
상기 음극 활물질을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 음극 및 이차 전지를 제조하였다.
시험예 1: 충전 속도 특성 평가
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 8의 전지에 대해 충전 속도 특성을 평가하였고, 이를 하기 표 1에 기재하였다.
구체적으로, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 8의 전지 각각에 대해, 방전 속도를 0.2C로 고정시키고, 충전 속도를 0.2C, 1.0C, 2.0C, 3.0C로 변경하면서 충전 시 CC(Constant Current) mode의 길이가 얼마나 줄어드는지를 확인하였다.
전지 0.2C(%) 1.0C(%) 2.0C(%) 3.0C(%)
실시예 1(SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 84.19 69.94 36.32 6.07
실시예 2(Mg도핑 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 84,59 69.96 36.63 6.12
실시예 3(Li도핑 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 85.15 70.05 36.99 6.23
실시예 4(2차입자의 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 85.80 72.05 37.85 8.04
실시예 5(Mg도핑된 2차입자의 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 85.93 72.34 37.90 8.13
실시예 6(Li도핑된 2차입자의 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 86.00 72.57 37.92 8.14
실시예 7(SiO + LiF포함 고분자 코팅층) 80.01 62.34 25.36 5.82
실시예 8(2차입자의 SiO + LiF포함 고분자 코팅층) 81.02 63.73 26.78 6.89
비교예 1(SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 77.37 53.05 18.07 2.94
비교예 2(Mg도핑 SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 77.71 51.67 15.99 2.83
비교예 3(Li도핑 SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 77.82 54.33 18.69 2.94
비교예 4(2차입자의SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 78.65 54.71 19.82 3.12
비교예 5(Mg도핑된 2차입자의SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 78.66 55.01 20.41 3.25
비교예 6(Li도핑된 2차입자의SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 79.55 56.78 21.44 3.58
비교예 7(SiO + LiF불포함 고분자 코팅층) 64.34 38.22 13.45 2.01
비교예 8(2차입자의 SiO + LiF불포함 고분자 코팅층) 65.07 39.08 14.81 3.06
상기 표 1을 참조하면, 코팅층(탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층)이 LiF를 포함하는 실시예들의 경우, 동일 조건에서 코팅층이 LiF를 포함하지 않는 비교예들에 비해, 모두 CC mode의 길이가 길었다. 즉, 충전 시의 전극 저항이 작아서 충전이 보다 용이하게 일어나는 것을 알 수 있다.
시험예 2: 방전 속도 특성 평가
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 8의 전지에 대해 방전 속도 특성을 평가하였고, 이를 하기 표 1에 기재하였다.
구체적으로, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 8의 전지 각각에 대해, 충전 속도를 0.2C로 고정시키고, 방전 속도를 0.2C, 1.0C, 3.0C, 5.0C로 변경하면서 줄어드는 방전 용량(%)을 확인하였다. 한편, 0.2C 방전 속도에서의 방전 용량을 100%로 설정하였다.
전지 0.2C(%) 1.0C(%) 3.0C(%) 5.0C(%)
실시예 1(SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 100 97.52 86.77 76.37
실시예 2(Mg도핑 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 100 97.56 86.81 76.48
실시예 3(Li도핑 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 100 97.60 87.14 76.83
실시예 4(2차입자의 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 100 99.01 94.25 83.58
실시예 5(Mg도핑된 2차입자의 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 100 99.02 94.27 83.65
실시예 6(Li도핑된 2차입자의 SiO + LiF포함 탄소 코팅층) 100 99.01 94.31 84.00
실시예 7(SiO + LiF포함 고분자 코팅층) 100 95.34 81.70 68.43
실시예 8(2차입자의 SiO + LiF포함 고분자 코팅층) 100 96.01 82.78 69.34
비교예 1(SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 100 95.09 82.74 72.53
비교예 2(Mg도핑 SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 100 95.13 82.82 72.56
비교예 3(Li도핑 SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 100 95.20 83.00 72.57
비교예 4(2차입자의SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 100 96.23 84.55 75.26
비교예 5(Mg도핑된 2차입자의SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 100 96.26 84.59 75.30
비교예 6(Li도핑된 2차입자의SiO + LiF불포함 탄소 코팅층) 100 96.35 84.62 75.32
비교예 7(SiO + LiF불포함 고분자 코팅층) 100 85.36 71.83 59.26
비교예 8(2차입자의 SiO + LiF불포함 고분자 코팅층) 100 86.79 74.22 62.66
상기 표 2를 참조하면, 코팅층(탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층)이 LiF를 포함하는 실시예들의 경우, 동일 조건에서 코팅층이 LiF를 포함하지 않는 비교예들에 비해, 모두 방전 용량의 감소 속도가 느렸다. 즉, 실시예의 경우, 전극 저항이 작아서 방전 용량의 감소가 보다 더디게 일어나는 것을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. SiOx(0≤x<2)를 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되는 코팅층을 포함하는 실리콘계 활물질 입자를 포함하며,
    상기 코팅층은 탄소 코팅층 또는 고분자 코팅층 중 어느 하나이며,
    상기 코팅층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플루오린화물을 포함하는 음극 활물질.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플루오린화물은 LiF, NaF 및 MgF2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 음극 활물질.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 플루오린화물은 상기 코팅층 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 20중량%로 포함되는 음극 활물질.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 플루오린화물 중 적어도 일부는 상기 코어와 이격된 음극 활물질.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘계 활물질 입자는 단일 입자 형태이며,
    상기 실리콘계 활물질 입자의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 50㎛인 음극 활물질.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘계 활물질 입자는 1차 입자 형태이며, 서로 응집하여 2차 입자를 이루는 음극 활물질.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 실리콘계 활물질 입자의 평균 입경(D50)은 0.5㎛ 내지 20㎛인 음극 활물질.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어는 금속 화합물을 더 포함하며,
    상기 금속 화합물은 금속 산화물 및 금속 실리케이트 중 적어도 어느 하나를 포함하는 음극 활물질.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Li, Mg, Al, Ca 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물을 포함하는 음극 활물질.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 금속 실리케이트는 Li, Mg, Al, Ca 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 실리케이트를 포함하는 음극 활물질.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 금속 화합물은 상기 코어의 총 중량에 대하여 1중량% 내지 60중량%으로 포함되는 음극 활물질.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘계 활물질 입자는 1차 입자 형태이며, 서로 응집하여 2차 입자를 이루며,
    상기 코어는 금속 화합물을 더 포함하며,
    상기 금속 화합물은 금속 산화물 및 금속 실리케이트 중 적어도 어느 하나를 포함하는 음극 활물질.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층을 상기 실리콘계 활물질 입자 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 50중량%로 포함하는 음극 활물질.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소 및 결정질 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 음극 활물질.
  15. 청구항 1에 있어서,
    탄소계 활물질 입자를 더 포함하는 음극 활물질.
  16. 청구항 1 내지 15의 음극 활물질을 포함하는 음극.
  17. 청구항 16의 음극;
    양극;
    상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막; 및
    전해질을 포함하는 이차 전지.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110556529A (zh) * 2019-10-15 2019-12-10 溧阳天目先导电池材料科技有限公司 具有多层核壳结构的负极复合材料及其制备方法和应用
WO2024019429A1 (ko) * 2022-07-22 2024-01-25 주식회사 엘지에너지솔루션 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법
WO2024080573A1 (ko) * 2022-10-13 2024-04-18 주식회사 엘지에너지솔루션 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114497469B (zh) * 2020-11-11 2023-12-22 成都爱敏特新能源技术有限公司 一氧化硅-氟化钴-石墨烯复合负极材料及其制备方法
CN114539537B (zh) * 2022-02-21 2023-06-06 中化国际(控股)股份有限公司 一种锂离子电池电极材料的粘结剂及其制备方法
CN116888761A (zh) * 2023-03-03 2023-10-13 宁德时代新能源科技股份有限公司 硅基负极活性材料、二次电池及用电装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120139450A (ko) * 2011-06-17 2012-12-27 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 음극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101342601B1 (ko) * 2011-06-30 2013-12-19 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 전지
KR20150112746A (ko) 2014-03-28 2015-10-07 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법
KR20160081688A (ko) * 2014-12-31 2016-07-08 삼성전자주식회사 복합 음극 활물질, 상기 복합 음극 활물질을 포함하는 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005149957A (ja) * 2003-11-17 2005-06-09 Japan Storage Battery Co Ltd 非水電解質二次電池
KR100913177B1 (ko) * 2007-09-17 2009-08-19 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조 방법
KR101049829B1 (ko) * 2009-10-28 2011-07-15 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
US9034519B2 (en) * 2013-01-18 2015-05-19 GM Global Technology Operations LLC Ultrathin surface coating on negative electrodes to prevent transition metal deposition and methods for making and use thereof
CN103456928B (zh) * 2013-09-02 2016-10-26 东莞新能源科技有限公司 锂离子电池用复合阳极材料及其制备方法
KR102308691B1 (ko) * 2014-03-31 2021-10-05 대주전자재료 주식회사 비수전해질 이차전지용 음극재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 비수전해질 이차전지
JP6239476B2 (ja) * 2014-09-25 2017-11-29 信越化学工業株式会社 非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池
KR102519438B1 (ko) * 2015-09-03 2023-04-07 삼성에스디아이 주식회사 복합 음극 활물질, 이를 포함하는 리튬 전지, 및 상기 복합 음극 활물질의 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120139450A (ko) * 2011-06-17 2012-12-27 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 음극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101342601B1 (ko) * 2011-06-30 2013-12-19 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 전지
KR20150112746A (ko) 2014-03-28 2015-10-07 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법
KR20160081688A (ko) * 2014-12-31 2016-07-08 삼성전자주식회사 복합 음극 활물질, 상기 복합 음극 활물질을 포함하는 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110556529A (zh) * 2019-10-15 2019-12-10 溧阳天目先导电池材料科技有限公司 具有多层核壳结构的负极复合材料及其制备方法和应用
CN110556529B (zh) * 2019-10-15 2023-03-14 溧阳天目先导电池材料科技有限公司 具有多层核壳结构的负极复合材料及其制备方法和应用
WO2024019429A1 (ko) * 2022-07-22 2024-01-25 주식회사 엘지에너지솔루션 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법
WO2024080573A1 (ko) * 2022-10-13 2024-04-18 주식회사 엘지에너지솔루션 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 이를 포함하는 이차전지 및 음극 활물질의 제조방법

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