KR20220061593A - 리튬 이차전지용 음극소재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전재의 형상 및 음극 활물질과의 비율을 개선하여 초기효율 향상 및 내구열화 현상을 개선할 수 있는 리튬 이차전지용 음극소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지용 음극소재는 Si계 음극 활물질과 그래핀(graphene)으로 이루어진 주성분을 포함하고, 상기 Si계 음극 활물질의 평균입경(Sd)은 30㎚ ~ 1.0㎛이며, 상기 그래핀의 장축 길이(GdL)는 상기 Si계 음극 활물질의 평균입경(Sd)의 30배 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

리튬 이차전지용 음극소재 및 그 제조방법{Anode Materials for Secondary Batteries and Method Producing the Same}
본 발명은 리튬 이차전지용 음극소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도전재의 형상 및 음극 활물질과의 비율을 개선하여 초기효율 향상 및 내구열화 현상을 개선할 수 있는 리튬 이차전지용 음극소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 전기 자동차나 전지 전력 저장 시스템 등의 대용량 전력 저장 전지와 휴대 전화, 캠코더, 노트북 등의 휴대 전자기기의 소형의 고 성능 에너지원으로 사용되고 있다. 휴대 전자기기의 소형화와 장시간 연속 사용을 목표로 부품의 경량화와 저 소비 전력화에 대한 연구와 더불어 소형이면서 고 용량을 실현할 수 있는 이차전지가 요구되고 있다.
특히, 대표적인 이차전지인 리튬 이차전지는 니켈 망간 전지나 니켈 카드뮴 전지보다 에너지 밀도가 높고 면적당 용량이 크고, 자기 방전율이 낮으며 수명이 길다. 또한, 메모리 효과가 없어서 사용의 편리성과 장수명의 특성을 갖는다.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입(intercalations) 및 탈리(deintercalation)가 가능한 활물질로 이루어진 양극과 음극 사이에 전해질을 충전시킨 상태에서 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리 될 때의 산화와 환원 반응에 의해 전기 에너지가 생산된다.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 전해질, 분리막, 음극 등으로 구성되며, 구성요소 간의 계면 반응을 안정하게 유지하는 것이 전지의 장수명 및 신뢰성 확보를 위해 매우 중요하다.
한편, 리튬 이차전지는 통상적으로 양극에는 LiCoO2, LiMn2O4 등과 같이 리튬이 삽입되어 있는 화합물을 사용하고, 음극에는 탄소계, Si계 등의 리튬이 삽입되어 있지 않는 물질을 사용하여 제조되며, 충전시에는 양극에 삽입된 리튬 이온이 전해액을 통해 음극으로 이동하고, 방전시에는 다시 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하게 된다.
특히, Si계 물질은 리튬이온 이차전지용 고용량 음극소재로서 사용되고 있다.
하지만, 고용량을 가진 음극소재 임에도 불구하고 초기효율 저하, 내구특성저하 등 고질적인 문제로 10% 내외의 Si계 물질을 흑연과 블랜딩하여 사용하고 있다.
향후 배터리셀의 추가적인 에너지밀도 향상을 위하여 Si계 물질의 사용량을 증가시키고 나아가 Si계 물질을 주성분으로 사용하는 기술을 개발할 필요가 있다.
이에, 본 출원인은 Si계 물질의 크기 및 전기 전도기능을 부여하는 도전재 성분의 종류, 형상, 비율 등의 최적화를 통하여 배터리셀의 초기효율 및 내구특성 등을 개선할 수 있다는 것에 착안하여 본 발명을 완성하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 제10-2020-0025983호 (2020.03.10)
본 발명은 도전재의 형상 및 음극 활물질과의 비율을 개선하여 내구열화 현상을 개선할 수 있는 리튬 이차전지용 음극소재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지용 음극소재는 Si계 음극 활물질과 그래핀(graphene)으로 이루어진 주성분을 포함하고, 상기 Si계 음극 활물질의 평균입경(Sd)은 30㎚ ~ 1.0㎛이며, 상기 그래핀의 장축 길이(GdL)는 상기 Si계 음극 활물질의 평균입경(Sd)의 30배 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 그래핀의 장축 길이(GdL)는 5.0㎛ ~ 40㎛인 것이 바람직하다.
상기 Si계 음극 활물질과 그래핀(graphene)의 중량비는 4 : 6인 것이 바람직하다.
상기 주성분에 PAA, PVA, LiPAA, SBR, CMC, PEDOT:PSS 및 SDBS 중 적어도 1종 이상의 바인더가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극소재는 주성분: 80 ~ 99.5wt%와 바인더: 0.5 ~ 20wt%로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 주성분에 그래핀나노리본(GNR)이 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극소재는 주성분: 98 ~ 99.5wt%와 그래핀나노리본(GNR): 0.5 ~ 2wt%로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 음극소재는 상기 Si계 음극 활물질의 중량과 상기 그래핀(graphene) 및 그래핀나노리본(GNR)의 중량합의 비율이 4 : 6인 것이 바람직하다.
상기 그래핀나노리본(GNR)의 지름은 100 ~ 250㎚인 것이 바람직하다.
상기 그래핀의 구형도(sphericity)는 0.7 이상인 것이 바람직하다.
상기 그래핀은 Raman Spectra 측정치 피크의 ID/IG 값이 0.6 ~ 0.7이고, XRD 패턴에서 2θ = 26° 및 2θ = 43 ~ 44°에 피크가 동시에 존재하며, 전기저항 값이 1.0 X 10-3 ~ 9.9 X 10-3 Ωm인 것이 바람직하다.
상기 Si계 음극 활물질은 Si, SiO 및 Si 합금 중 어느 하나 또는 그 이상인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지용 음극소재의 제조방법은 순수(H2O)에 Si계 음극 활물질과 그래핀을 혼합하여 전극용액을 준비하는 단계와; 준비된 전극용액을 공기 제어식 전자분무법(Air-controlled electrospray)을 이용하여 전극 성형물을 준비하는 단계와; 준비된 전극 성형물을 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 전극용액을 준비하는 단계는, 순수(H2O)에 Si계 음극 활물질을 혼합하여 예비 전극용액을 준비하는 과정과; 예비 전극용액에 산화 그래핀을 추가로 혼합하여 전극용액을 준비하는 과정을 포함한다.
상기 열처리하는 단계는 상기 전극용액에 혼합된 산화 그래핀을 환원시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 음극 전극 내 Si계 음극 활물질과 전기 전도기능을 부여하는 도전재의 최적 조합을 도출하여 배터리셀의 초기효율을 우수하게 유지하면서도 내구열화 특성을 개선할 수 있다.
또한, 음극 활물질로 저가의 Si계 물질을 사용하여 음극소재의 제조 비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재를 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재를 설명하기 위한 도면이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재를 보여주는 사진이고,
도 4a 내지 도 6b는 실험 1 내지 3의 각 샘플에 대한 사이클당 전극의 용량(Specific Capacity) 그래프이며,
도 7 내지 도 11은 서로 다른 종류의 그래핀 샘플에 대한 정보를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재를 보여주는 사진이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재는 일반적인 음극소재와 마찬가지로 음극 활물질과 전기 전도기능을 부여하는 도전재 성분이 혼합되어 이루어진다.
이때 음극 활물질(20, 20a, 20b)은 Si계 음극 활물질이 사용된다. 예를 들어 Si계 음극 활물질(20, 20a, 20b)은 Si, SiO 및 Si 합금 중 어느 하나 또는 그 이상의 조합으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 음극 활물질로 Si 입자를 사용하였다.
그리고, 도전재로는 탄소 동소체 중 하나인 그래핀(graphene, 30)이 사용된다. 그래서 본 실시예에서는 Si계 음극 활물질(20, 20a, 20b)과 그래핀(30)이 혼합된 주성분을 집전체와 같은 기재(10)의 표면에 도포하여 음극을 형성시킨다.
한편, 본 실시예에서는 음극 활물질로 사용되는 Si계 입자의 평균입경(Sd)이 30㎚ ~ 1.0㎛인 것이 바람직하다.
그리고, 도전재로 사용되는 그래핀의 장축 길이(GdL)는 음극 활물질인 Si계 입자 평균입경의 30배 이상인 것을 만족하면서 5.0㎛ ~ 40㎛인 것이 바람직하다.
이때 Si계 입자의 평균입경(Sd)과 그래핀의 장축 길이(GdL)는 도 2와 같이 표현될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 음극 활물질의 크기 및 도전재의 성분, 형상 및 비율 등을 최적화하여 음극 활물질의 혼합비율을 향상시켰으며, 바람직하게는 음극 활물질인 Si 입자와 도전재인 그래핀(graphene)의 중량비를 4 : 6으로 배합하는 것이 바람직하다.
이때 그래핀의 구형도(sphericity)는 0.7 이상인 것이 바람직하다.
특히, 그래핀은 Raman Spectra 측정치 피크의 ID/IG 값이 0.6 ~ 0.7이고, XRD 패턴에서 2θ = 26° 및 2θ = 43 ~ 44°에 피크가 동시에 존재하며, 전기저항 값이 1.0 X 10-3 ~ 9.9 X 10-3 Ωm인 것을 만족하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 실시예에서 음극소재는 음극 활물질과 도전재로 이루어진 주성분에 바인더를 더 혼합할 수 있다. 이때 바인더로는 PAA, PVA, LiPAA, SBR, CMC, PEDOT:PSS 및 SDBS 중 적어도 1종 이상의 바인더가 사용될 수 있다.
또한, 주성분: 80 ~ 99.5wt%와 바인더: 0.5 ~ 20wt%를 혼합하여 음극소재를 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 실시예에서는 주성분에 혼합되는 도전재로 그래핀과 함께 그래핀나노리본(GNR)이 더 혼합될 수 있다.
이때 주성분: 98 ~ 99.5wt%와 그래핀나노리본(GNR): 0.5 ~ 2wt%를 혼합하여 음극소재를 형성하는 것이 바람직하다.
다만, 그래핀나노리본(GNR)의 혼합량 만큼 그래핀의 혼합량을 줄여서 Si 입자의 중량과 그래핀(graphene) 및 그래핀나노리본(GNR)의 중량합의 비율이 4 : 6를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 그래핀나노리본(GNR)의 지름은 100 ~ 250㎚인 것이 바람직하다.
상기와 같이 음극소재를 형성하는 음극 활물질 및 도전재의 종류, 형상, 비율 등을 한정하는 이유에 대해서는 이후에 실험 및 그 결과를 통하여 설명하도록 한다.
한편, 상기와 같이 구성되는 리튬 이차전지용 음극소재의 제조방법은 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지용 음극소재를 제조하기 위해서는 먼저 전극용액을 준비한다.
전극용액은 순수(H2O)에 Si계 음극 활물질과 그래핀을 혼합하여 준비한다.
전극용액을 준비하기 위하여 순수(H2O)에 Si계 음극 활물질을 혼합하여 예비 전극용액을 준비한다. 예비 전극용액에 대하여 초음파 분산을 1시간 실시하여 순수에 Si계 음극 활물질이 고르게 분산되도록 한다.
그리고, 준비된 예비 전극용액에 순수(H2O)와 함께 산화 그래핀을 추가로 혼합하여 전극용액을 준비한다. 마찬가지로 전극용액에 대하여 초음파 분산을 1시간 실시하여 순수에 Si계 음극 활물질과 산화 그래핀이 고르게 분산되도록 한다.
이렇게 전극용액이 준비되면, 준비된 전극용액을 공기 제어식 전자분무법(Air-controlled electrospray)을 이용하여 전극 성형물을 준비한다.
부연하자면, 전압을 부여할 수 있는 전자분무 노즐을 통하여 전극용액을 분무하면서 전자분무 노즐에 약 25KV의 전압을 인가한다. 그러면 전극용액이 에어로졸 또는 플럼(piume)과 같은 형태로 분사되면서 전자분무 노즐의 전방에 배치된 집전체와 같은 기재의 표면에 전극용액이 도포된다.
이때 전자분무 노즐로 공급되는 전극용액의 공급속도는 0.04㎖/min을 유지하고, 전자분무 노즐과 기재 사이의 거리는 20㎜를 유지하는 것이 바람직하다.
이렇게 전극용액을 기재의 표면에 도포하여 전극 성형물이 준비되면, 이를 열처리한다.
이때 열처리는 환원분위기에서 실시하여 전극용액에 혼합된 산화 그래핀을 환원시킨다. 이를 위하여 전극 성형물을 질소 분위기의 환원로에 투입하고 400℃의 온도에서 2시간 동안 열처리하여 전극 성형물을 형성하고 있는 산화 그래핀을 환원시킨다.
다음으로, 비교예 및 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.
먼저, 비교예 및 실시예에 따른 음극재 샘플을 마련하기 위하여 전술된 음극소재의 제조방법에 따라 음극을 제조한다. 이때 음극 활물질로는 Si 입자를 사용하였다.
한편, 실험 1은 Si 입자의 크기를 30 ~ 50㎚(Dmax = 50㎚, Dmin = 30㎚, D50 = 40㎚)로 하면서, 그래핀의 장축 길이(GdL)를 각각 5㎛, 10㎛ 및 40㎛로 변경하여 혼합하였다.
이렇게 마련된 각 음극재 샘플(도 1a)에 대하여 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)을 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
그리고, 실험 2는 Si 입자의 크기를 60 ~ 900㎚(Dmax = 900㎚, Dmin = 60㎚, D50 = 300㎚)로 하면서, 그래핀의 장축 길이(GdL)를 각각 5㎛, 10㎛ 및 40㎛로 변경하여 혼합하였다.
이렇게 마련된 각 음극재 샘플(도 1b)에 대하여 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)을 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
그리고, 실험 3은 Si 입자의 크기를 60 ~ 900㎚(Dmax = 900㎚, Dmin = 60㎚, D50 = 300㎚)로 하고, 그래핀의 장축 길이(GdL)를 40㎛로 하면서, 그래핀나노리본(GNR)의 혼합량을 0wt%, 1wt%, 2wt% 및 5wt%로 변경하면서 혼합하였다. 이때 그래핀나노리본(GNR)의 혼합량만큼 그래핀의 혼합량을 감량하였다.
이렇게 마련된 각 음극재 샘플에 대하여 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)을 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
구 분 GdL/Sd 1st cycle 용량
(mAh/g) 		1st cycle 효율
(%)		 비고
실험1 GdL: 5㎛ 125 2100 76 실시예
GdL: 10㎛ 250 2400 77 실시예
GdL: 40㎛ 1000 2700 76 실시예
실험2 GdL: 5㎛ 16.7 500 57 비교예
GdL: 10㎛ 33.3 1100 71 실시예
GdL: 40㎛ 133.3 1600 74 실시예
실험3 GNR: 0wt% 133.3 1700 85 비교예
GNR: 1wt% 133.3 2200 85 비교예
GNR: 2wt% 133.3 2100 84 실시예
GNR: 5wt% 133.3 2100 84 실시예
표 1에서 확인할 수 있듯이, 실험 1의 경우 모든 음극재 샘플이 GdL/Sd의 값이 30을 초과함에 따라 그래핀의 장축 길이(GdL)에 상관없이 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)이 양호한 것을 확인할 수 있었다.
반면에, 실험 2의 경우 그래핀의 장축 길이(GdL)가 증가함에 따라 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)이 증가하였지만, Si 입자의 크기가 커짐에 따라 GdL/Sd의 값이 16.7인 비교예는 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)이 상당히 낮은 것을 확인할 수 있었다.
따라서, Si 입자의 크기에 증가에 따라 그래핀 장축 길이(GdL)의 조정이 필요하였고, 실험 결과와 같이 GdL/Sd의 값을 30 이상으로 유지하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실험 3의 경우 그래핀나노리본(GNR)의 첨가에 따라 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)이 증가하였지만, 그래핀나노리본(GNR)의 혼합량이 2wt%와 5wt%에서는 오히려 1wt%를 첨가하였을 때보다 1st cycle 용량(mAh/g)과 1st cycle 효율(%)이 다소 저하된 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 그래핀나노리본(GNR)의 첨가량은 0.5 ~ 2wt%로 한정하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, 실험 1 내지 실험 3에서 마련된 각 음극재 샘플의 사이클당 전극의 용량(Specific Capacity)을 측정하였고, 그 결과를 도 4a 내지 도 6b에 나타내었다.
도 4a는 실험 1의 각 음극재 샘플에 대한 사이클당 전극의 용량(Specific Capacity) 그래프이고, 도 4b는 실험 2의 각 음극재 샘플에 대한 사이클당 전극의 용량(Specific Capacity) 그래프이며, 도 5는 실험 1 및 실험 2의 각 음극재 샘플에 대한 사이클당 전극의 용량(Specific Capacity) 그래프이고, 도 6a 및 도 6b는 실험 3의 각 음극재 샘플에 대한 사이클당 전극의 용량(Specific Capacity) 그래프이다.
도 4a 및 도 4b에서 확인할 수 있듯이, 실험 1 및 실험 2의 경우 모두 0.1C ~ 0.5C 구간의 특성을 보면 그래핀의 장축 길이(GdL)에 상관없이 용량값이 양호한 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 1.0C ~ 2C 구간의 특성을 보면 그래핀의 장축 길이(GdL)가 5㎛인 전극재 샘플의 경우 용량값이 다소 열세인 것을 확인할 수 있었다.
따라서, Si 입자의 크기에 증가에 따라 그래핀 장축 길이(GdL)의 조정이 필요하다는 것을 다시 한번 확인하였고, 실험 결과와 같이 GdL/Sd의 값을 30 이상으로 유지하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 5에서 확인할 수 있듯이, 실험 1의 경우 그래핀의 장축 길이(GdL)에 상관없이 사이클이 늘어나더라도 용량값이 저하되는 기울기가 양호한 것을 확인할 수 있었다.
하지만, 실험 2의 경우 그래핀의 장축 길이(GdL)에 상관없이 사이클이 늘어나더라도 용량값이 저하되는 기울기가 양호하였지만, 용량 산포가 큰 것을 확인할 수 있었다. 특히 그래핀 장축 길이(GdL)의 감소시 용량이 감소한 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 6a 및 도 6b에서 확인할 수 있듯이, 그래핀나노리본(GNR)의 첨가시 전체 용량 및 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 저율수명(~0.3C) 구간에서는 그래핀나노리본(GNR)를 5wt% 첨가한 음극재 샘플을 제외하고 나머지 음극재 샘플에서는 용량이 양호한 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 1.0C 구간에서는 그래핀나노리본(GNR)를 1wt% 및 2wt% 첨가한 음극재 샘플이 상대적으로 용량이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 그래핀나노리본(GNR)의 첨가량은 0.5 ~ 2wt%로 한정하는 것이 바람직하다는 것을 다시한번 확인할 수 있었다.
다음으로, 그래핀의 종류 및 특성에 대한 최적의 조건에 대하여 설명한다.
여러 형태의 그래핀 샘플을 사용하여 전술된 음극소재의 제조방법에 따라 음극을 제조하였다.
이때 각 그래핀의 샘플 외관 사진을 도 7에 나타내었다.
그리고, 각 샘플에 대한 Raman Spectra 측정치 피크의 ID/IG 값을 도 8에 나타내었고, 각 샘플에 대한 XRD 패턴을 도 9에 나타내었으며, 각 샘플에 대한 FT-IR 적외선 분광법을 실시하여 그 결과를 도 10에 나타내었다.
또한, 각 샘플의 전기저항 값 및 구형도를 측정하여 하기의 표 2에 나타내었다. 이때 샘플 D3는 흑연으로서 평가에서 제외하였다.
구분 Resistivity*10-3 (Ωm) Sphericity
D1 12.3 0.72
A1 27.4 0.526
D2 38 0.951
K1 12.6 0.545
K2 1.67 0.73
D3 1.47 -
상기와 같은 특성을 갖는 각 그래핀의 샘플을 이용하여 전술된 음극소재의 제조방법에 따라 음극 샘플을 제작한 다음 셀 용량 및 효율을 측정하였고, 그 결과를 도 11 및 표 3에 나타내었다.
구분 D1 A1 K2 D2 K1
Charge
(mAh/g) 		1725.6 2115.9 1753.3 2023.9 2066.7
Discharge (mAh/g) 1483.1 1574.3 1537.7 1599.5 1581.8
Eff. (%) 77.7 74.4 83.7 78.6 76.6
도 11 및 표 3에서 확인할 수 있듯이, 전기 저항이 낮고, 관능기(C-O-C, C=O) 가 거의 없는 샘플 K2가 높은 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 기재
20, 20a, 20b: 음극 활물질
30: 그래핀

Claims (15)

  1. Si계 음극 활물질과 그래핀(graphene)으로 이루어진 주성분을 포함하고,
    상기 Si계 음극 활물질의 평균입경(Sd)은 30㎚ ~ 1.0㎛이며,
    상기 그래핀의 장축 길이(GdL)는 상기 Si계 음극 활물질의 평균입경(Sd)의 30배 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀의 장축 길이(GdL)는 5.0㎛ ~ 40㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Si계 음극 활물질과 그래핀(graphene)의 중량비는 4 : 6인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 주성분에 PAA, PVA, LiPAA, SBR, CMC, PEDOT:PSS 및 SDBS 중 적어도 1종 이상의 바인더가 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 음극소재는 주성분: 80 ~ 99.5wt%와 바인더: 0.5 ~ 20wt%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 주성분에 그래핀나노리본(GNR)이 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 음극소재는 주성분: 98 ~ 99.5wt%와 그래핀나노리본(GNR): 0.5 ~ 2wt%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 음극소재는 상기 Si계 음극 활물질의 중량과 상기 그래핀(graphene) 및 그래핀나노리본(GNR)의 중량합의 비율이 4 : 6인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 그래핀나노리본(GNR)의 지름은 100 ~ 250㎚인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀의 구형도(sphericity)는 0.7 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀은 Raman Spectra 측정치 피크의 ID/IG 값이 0.6 ~ 0.7이고, XRD 패턴에서 2θ = 26° 및 2θ = 43 ~ 44°에 피크가 동시에 존재하며, 전기저항 값이 1.0 X 10-3 ~ 9.9 X 10-3 Ωm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 Si계 음극 활물질은 Si, SiO 및 Si 합금 중 어느 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재.
  13. 순수(H2O)에 Si계 음극 활물질과 그래핀을 혼합하여 전극용액을 준비하는 단계와;
    준비된 전극용액을 공기 제어식 전자분무법(Air-controlled electrospray)을 이용하여 전극 성형물을 준비하는 단계와;
    준비된 전극 성형물을 열처리하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극소재의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전극용액을 준비하는 단계는,
    순수(H2O)에 Si계 음극 활물질을 혼합하여 예비 전극용액을 준비하는 과정과;
    예비 전극용액에 산화 그래핀을 추가로 혼합하여 전극용액을 준비하는 과정을 포함하는 리튬 이차전지용 음극소재의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 상기 전극용액에 혼합된 산화 그래핀을 환원시키는 단계인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극소재의 제조방법.
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