이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid in understanding the present invention.
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.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
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. The terminology used herein is for the purpose of describing exemplary embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
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.As used herein, the terms "comprise", "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, component, or combination thereof, that is, one or more other features, It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof.
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. According to an embodiment of the present invention, there is provided a negative electrode active material particle including a core including a carbon-based active material and an oxygen functional group, and a shell surrounding the core and including a silicon-based active material.
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. The carbon-based active material may be spherical, the average diameter (D 50 ) may be 5.0 ㎛ to 20.0 ㎛. As the carbon-based active material, one or more selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, hard carbon, and soft carbon may be used. Specifically, when spherical natural graphite is used, silicon may be well distributed on the surface of graphite. It can have an effect.
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. The oxygen functional group may be covalently bonded to the outermost carbon atom of the carbon-based active material. The oxygen functional group has a negative charge due to oxygen having a high electronegativity, and since the silicon atoms and the electrostatic attraction of the positively charged silicon-based active material act, the carbon-based active material and the silicon-based active material exhibit excellent adhesion due to the oxygen functional group. Can be.
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. In this case, the oxygen functional group may be bonded at a ratio of 2.0 to 4.0% with respect to all covalently bondable sites of the outermost carbon atoms of the carbon-based active material. If the ratio is less than 2.0%, the oxygen-based functional groups and the oxygen-based functional groups that may exhibit electrostatic attraction are less, so that the adhesion between the carbon-based active material and the silicon-based active material is insignificant. There is a problem that the conductivity of the active material is lowered.
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. The ratio representing the extent to which the oxygen functional group is connected to the surface of the carbon-based active material may be quantitatively measured through X-ray photoelectron spectroscopy or an elemental analyzer. Specifically, the oxygen content of the surface of the carbon-based active material can be derived through X-ray photoelectron spectroscopy, and the binding ratio of the oxygen functional group to all covalently bondable sites of the outermost carbon atom of the carbon-based active material herein Corresponds to the oxygen content measured via X-ray photoelectron spectroscopy. In order to bond oxygen functional groups to the surface of the carbon-based active material at the above ratio, ultraviolet rays having a wavelength of 184.9 to 253.7 nm and an intensity of 0.02 to 0.05 W / cm 2 at a distance of 5 to 130 mm from the surface of the carbon-based active material are atmospheric pressure. It can be achieved by irradiating for 2 hours to 7 hours under ozone conditions. Here, the atmospheric pressure may mean a pressure of 1 atm, such as atmospheric pressure.
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. The oxygen functional group may be at least one of a hydrophilic group and a hydrophobic group. In particular, when the hydrophilic group and the hydrophobic group are included together, the oxygen functional group reacts with the electrolyte, thereby reducing HF generation.
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. The hydrophilic group may be at least one of a hydroxyl group and a carboxyl group, and the hydrophobic group may be at least one of an ether group and a carbonyl group, but the oxygen functional group is not limited thereto.
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. The shell including the silicon-based active material may be in the form of surrounding at least a portion of the core, specifically, in the form of surrounding the entire surface of the core, the shell may have a uniform thickness. The shell may have a thickness of 0.02 μm to 0.1 μm. When the thickness of the shell is less than 0.02 μm, a slight increase in capacity of the negative electrode active material may occur, and when the thickness is greater than 0.1 μm, a problem may occur in that adhesive strength with the silicon-based active material decreases.
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. As the silicon-based active material, at least one selected from the group consisting of a crystalline silicon active material, an amorphous silicon-based active material, a silicon oxide (SiO x , 0 <x <2), and an oxide layer-coated silicon-based active material may be used. Specifically, amorphous silicon may be used. When used, the oxygen functional group of the carbon-based active material may exhibit higher electrostatic attraction, but the silicon-based active material is not limited thereto.
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.The negative electrode active material particles may further include a coating layer surrounding the shell and including at least one of a carbon-based material and a polymer. The carbon-based material and the polymer may further improve the conductivity of the negative electrode active material, suppress the volume expansion of the negative electrode active material, and reduce the reaction with the electrolyte.
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. In this case, amorphous carbon may be used as the carbonaceous material and a conductive polymer may be used as the polymer, and the thickness of the coating layer may be 0.02 to 0.1 μm. Further, the coating layer may be 1 to 50% by weight based on the total weight of the negative electrode active material particles. If the coating layer is less than 1% by weight, there is a problem in that the volume expansion suppression and the conductivity improvement effect of the negative electrode active material are insignificant, and when it contains 50% by weight, it is difficult to detach lithium ions.
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. In one embodiment according to the invention, the step of ultraviolet-ozone treatment to the carbon-based active material (step 1); And forming a silicone-based active material shell on the ultraviolet-ozone treated carbon-based active material (step 2).
상기 단계 1에서는 탄소계 활물질에 자외선-오존 처리를 수행하여, 탄소계 활물질의 표면을 산소 기능기로 개질함으로써, 탄소계 활물질의 표면에 산화를 수행할 수 있다. In step 1, ultraviolet-ozone treatment is performed on the carbon-based active material, and the surface of the carbon-based active material may be oxidized by modifying the surface of the carbon-based active material with an oxygen functional group.
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.In this case, the UV-ozone treatment conditions are performed by irradiating ultraviolet rays having a wavelength of 150 to 270 nm and an intensity of 0.01 to 0.08 W / cm 2 at a pressure of ozone at atmospheric pressure at a distance of 1 to 150 mm from the carbon-based active material. When the UV-ozone treatment is performed under the above conditions, the adhesion of the active material with the silicon-based active material may be maintained while maintaining the conductivity of the active material. Here, the atmospheric pressure may mean a pressure of 1 atm, such as atmospheric pressure.
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.Specifically, the UV-ozone treatment conditions are ultraviolet rays having a wavelength of 184.9 to 253.7 nm and an intensity of 0.02 to 0.05 W / cm 2 at a distance of 5 to 130 mm from the carbon-based active material at an atmospheric pressure of ozone for 2 hours to By irradiating for 7 hours, the oxygen functional group may be bonded at a ratio of 2.0 to 4.0% with respect to all covalently bondable sites of the outermost carbon atoms of the carbonaceous active material.
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. In the step 2, it is a step of forming a silicon-based active material shell on the ultraviolet-oil treated carbon-based active material. The silicon-based active material coating layer of step 2 may be formed by chemical vapor deposition using at least one vapor selected from the group consisting of silane, trichlorosilane and chloride silane.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질 입자를 포함하는 음극 합제가 도포되어 있는 음극, 양극 및 전해액을 포함하는 이차 전지를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte to which a negative electrode mixture including the negative electrode active material particles is coated.
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. The secondary battery according to the present invention includes the negative electrode active material particles, and the negative electrode active material particles have a high capacity because of excellent adhesion between the carbon-based active material and the silicon-based active material due to the electrostatic attraction of the oxygen-based functional group and the silicon-based active material connected to the carbon-based active material, A high density negative electrode may be manufactured, and the secondary battery including the negative electrode may exhibit high cycle characteristics.
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. The positive electrode according to the present invention may be prepared by, for example, applying a positive electrode mixture made by mixing the positive electrode active material particles, the conductive material and the binder, a filler, and a solvent such as NMP on a positive electrode current collector, followed by drying and rolling. The negative electrode may be prepared by applying a slurry prepared by mixing a negative electrode mixture including the negative electrode active material particles of the present invention to an organic solvent on a negative electrode current collector, followed by drying and rolling.
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.Although the positive electrode active material is not particularly limited, specifically, a lithium transition metal oxide may be used. Examples of the lithium transition metal oxide include Li.Co-based composite oxides such as LiCoO 2 , Li.Ni.Co.Mn-based composite oxides such as LiNi x Co y Mn z O 2 , and Li.sub.2 such as LiNiO 2 . Ni-based composite oxide may be mentioned, such as LiMn 2 O 4 of the Li-Mn composite oxide such, may be mixed alone or a plurality of them.
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. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
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. The positive electrode or the negative electrode may have a form in which the positive electrode mixture or the negative electrode mixture is coated on a current collector. The current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical change in the battery. For example, the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can be used.
상기 전해액은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다. The electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.
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.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be used.
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.The metal salt may be a lithium salt, the lithium salt is a material that is good to dissolve in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4-phenyl Lithium borate, imide and the like can be used.
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. According to another embodiment of the present invention, a battery module including the secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided. Since the battery module and the battery pack include the secondary battery having high cycle characteristics, a power tool, an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), and a plug-in hybrid electric vehicle are included. Electric vehicles, including electric vehicles (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), or any one or more of the system for power storage can be used as a power source device.
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
<실시예 1> <Example 1>
단계 1: 탄소계 활물질의 표면에 산소 기능기 도입Step 1: Introduce Oxygen Functional Group on Surface of Carbon Based Active Material
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.5.0 g of spherical natural graphite having an average particle diameter (D 50 ) of 15 μm was injected into the UV-ozone scrubber, and ozone which blocked moisture at atmospheric pressure from ultraviolet light having a wavelength of 185 nm and a strength of 0.02 W / cm 2 at 25 ° C. and 1 atm. Under the condition of, at a distance of 130 mm, irradiation for 3 hours, to prepare a carbon-based active material bonded to the oxygen functional group -COOH or -OH.
단계 2: 실리콘계 활물질 쉘의 제조Step 2: Preparation of Silicon-Based Active Material Shell
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. The spherical natural graphite combined with the oxygen functional group prepared in step 1 was placed in a CVD chamber, silane gas was supplied, and heated at 460 ° C. to prepare an amorphous silicon coated shell having a thickness of 30 nm.
단계 3: 탄소 코팅층의 제조Step 3: Preparation of Carbon Coating Layer
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.The amorphous silicon-coated spherical natural graphite was subjected to amorphous carbon coating at 900 ° C. using acetylene gas to finally prepare a negative electrode active material. At this time, using the TGA equipment, it was confirmed that the content of the coated carbon is 5% by weight relative to the total weight of the negative electrode active material.
단계 4: 이차 전지의 제조Step 4: Preparation of the Secondary Battery
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.A negative electrode mixture was prepared by mixing the negative electrode active material particles, carbon black as a conductive material, carboxylmethyl cellulose (CMC) as a binder, and styrene butadiene rubber (SBR) at a weight ratio of 95.8: 1: 1.7: 1.5. The negative electrode mixture was coated on a copper current collector, and then dried and rolled in a vacuum oven at 130 ° C. to prepare a negative electrode. Vinylene carbonate dissolved in 0.5% by weight in a mixed solution having a mixing volume ratio of methyl ethyl carbonate (EMC) and ethylene carbonate (EC) between 7: 3 by using the separator between the cathode and the counter electrode using Li metal. Was dissolved, and an electrolyte solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 M was injected to prepare a lithium coin half cell.
<실시예 2><Example 2>
실시예 1의 단계 1에서, 자외선-오존 세정기 내에서의 오존을 3시간이 아니라 1시간 조사한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.In Step 1 of Example 1, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that ozone in the ultraviolet-ozone cleaner was irradiated for 1 hour instead of 3 hours.
<실시예 3><Example 3>
실시예 1의 단계 1에서, 자외선-오존 세정기 내에서의 오존을 3시간이 아니라 8시간 조사한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.In Step 1 of Example 1, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that ozone in the ultraviolet-ozone scrubber was irradiated for 8 hours instead of 3 hours.
<비교예 1> 산소 기능기가 없는 음극 활물질 입자의 제조Comparative Example 1 Preparation of Anode Active Material Particles Without Oxygen Functional Group
상기 실시예 1의 단계 1에서 산소 기능기를 도입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차 전지를 제조하였다. A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that no oxygen functional group was introduced in Step 1 of Example 1.
<실험예 1>Experimental Example 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.Oxygen content was measured on the surfaces of the carbon-based active materials prepared in Example 1 and Comparative Example 1 by X-ray photoelectron spectroscopy, and the results are shown in Table 1 below.
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산소 함량(%)Oxygen content (%)
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실시예 1Example 1
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2.322.32
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실시예 2Example 2
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1.041.04
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실시예 3Example 3
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5.305.30
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비교예 1Comparative Example 1
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0.050.05
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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.As shown in Table 1, the oxygen content of Example 1 was about 45 times higher than that of Comparative Example 1, and the oxygen function including oxygen on the surface of the carbon-based active material by the ultraviolet-ozone treatment of Step 1 of Example 1 It can be confirmed that the group is formed. In addition, in the case of Example 1 in which the ozone irradiation time was 3 hours and satisfied 2 hours to 7 hours, the oxygen content was 2.32%. On the other hand, Examples 2 and 3 in which the ozone irradiation time does not satisfy 2 hours to 7 hours can be seen that the oxygen content is as low as 1.04%, or as much as 5.30%.
<실험예 2> 용량 특성Experimental Example 2 Capacity Characteristics
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 이차 전지를 하기의 방법으로 평가 한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. After evaluating the secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 1 by the following method, the results are shown in Table 2 below.
충방전 평가 방법Charge / discharge evaluation method
충전 CC(정전류)/CV(정전압) (5mV/0.005C current cut-off) 조건Charge CC (Constant Current) / CV (Constant Voltage) (5mV / 0.005C current cut-off) conditions
방전 CC(정전류) 조건 1.5VDischarge CC (Constant Current) Condition 1.5 V
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.The first two cycles were charged and discharged at 0.1 C, and charged and discharged at 0.5 C from 3 to 49 times. After charging and discharging was completed in the state of 50 cycles of charging (lithium in the negative electrode), the battery was disassembled and the thickness thereof was measured. In addition, the cycling efficiency was measured through the discharged capacity versus the charged capacity per cycle, which is shown in FIG. 1.
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방전 용량[mAh/g]Discharge Capacity [mAh / g]
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초기 효율[%]Initial Efficiency [%]
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용량 유지율 (%)(49번째 방전용량/1번째 방전용량 ×100)Capacity retention rate (%) (49th discharge capacity / 1th discharge capacity × 100)
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전극 두께변화율(%)(두께 변화량/최초두께)(50th 충전)Electrode thickness change rate (%) (thickness change amount / initial thickness) (50th charge)
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실시예 1Example 1
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514514
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9191
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8484
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9090
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실시예 2Example 2
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506506
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8686
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6060
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105105
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실시예 3Example 3
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505505
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8787
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7575
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110110
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비교예 1Comparative Example 1
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503503
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8585
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5151
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149149
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표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 3이 비교예 1에 비교하여 용량 유지율 및 전극 두께 변화율이 향상된 것을 알 수 있다.As shown in Table 2, it can be seen that Examples 1 to 3 have improved capacity retention rate and electrode thickness change rate compared to Comparative Example 1.
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. Specifically, in the case of the initial efficiency, Examples 1 to 3 are higher than Comparative Example 1. In addition, Example 1 having an oxygen content of 2.32% corresponding to 2 to 4% had a high initial efficiency compared to Examples 2 and 3, which did not satisfy the above range.
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.As a result, the secondary battery according to Example 1 improves the bonding force of the silicon graphite composite by allowing oxygen functional groups to exist at the interface between the silicon and the graphite composite, and thus, the lifespan characteristics are improved, compared to the secondary battery of Comparative Example 1. It can be seen that the thickness change rate can also be reduced.
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.Comparing the cycle efficiency with reference to Figure 1, it can be seen that the cycle characteristics of Comparative Example 1 is poor compared to Examples 1 to 3. In addition, in the case of Example 2 having an oxygen content of less than 2%, the cycle characteristics were slightly worse than those in Example 1. Furthermore, for Example 3, where the oxygen content is higher than 4%, it can be seen that it is lower than the efficiency of Example 1 in most cycles.
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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of the invention.