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KR101665099B1 - Anode materials for lithium rechargeable batteries including natural graphite and metal and a preparation method thereof - Google Patents

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KR101665099B1
KR101665099B1 KR1020150101089A KR20150101089A KR101665099B1 KR 101665099 B1 KR101665099 B1 KR 101665099B1 KR 1020150101089 A KR1020150101089 A KR 1020150101089A KR 20150101089 A KR20150101089 A KR 20150101089A KR 101665099 B1 KR101665099 B1 KR 101665099B1
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KR
South Korea
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natural graphite
vapor deposition
chemical vapor
metal layer
active material
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KR1020150101089A
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이한호
방병만
이창래
이미경
Original Assignee
(주)에스제이신소재
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Abstract

본 발명은 천연흑연과 금속물질을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 천연흑연의 외부 표면 및 내부 기공 표면에 결정화 금속층을 형성하고, 상기 결정화 금속층 표면에 화학기상증착법으로 열분해된 탄소층을 코팅한 것으로, 고용량 및 고출력 특성을 갖는다. 또한, 상기 결정화 금속층은 나노 사이즈의 금속물질로써 리튬이온 이차전지의 충전 및 방전 시, 금속물질의 부피 팽창을 완화시키기며 수명 특성을 개선시키는 장점이 있다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising natural graphite and a metal material and a method for producing the same. More specifically, a crystallized metal layer is formed on the outer surface and the inner pore surface of natural graphite, and the surface of the crystallized metal layer is coated with a carbon layer pyrolyzed by a chemical vapor deposition method, and has high capacity and high output characteristics. In addition, the crystallized metal layer is a nano-sized metal material, which has the advantage of alleviating the volumetric expansion of the metal material during charging and discharging of the lithium ion secondary battery and improving the lifetime characteristics.

Description

천연흑연과 금속물질을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법{Anode materials for lithium rechargeable batteries including natural graphite and metal and a preparation method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery including a natural graphite and a metal material and an anode active material for a lithium ion secondary battery,

본 발명은 천연흑연과 금속물질을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 내부 기공을 가지고 있는 천연흑연 표면에 결정화 금속층을 형성하고 상기 결정화 금속층 표면에 화학기상증착법으로 열분해된 탄소층을 코팅하여 제조되는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising natural graphite and a metal material and a method for producing the same, which comprises forming a crystallized metal layer on a surface of natural graphite having an inner pore and thermally decomposing A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, and a method for manufacturing the negative electrode active material.

급격한 정보통신과 이동통신 기술의 발달은 다기능과 고에너지 소비의 휴대용 전자기기의 탄생을 가져왔으며, 이들 휴대용 전자기기의 전원공급원으로서 가장 많이 사용되는 것이 리튬이온 이차전지이다.The rapid development of information communication and mobile communication technology has led to the birth of portable electronic devices with multifunctionality and high energy consumption. Lithium ion secondary batteries are the most widely used source of power for these portable electronic devices.

상기 리튬이온 이차전지는 리튬 이온의 흡장 방출이 가능한 양극 활물질을 포함하고 있는 양극과, 리튬 이온의 흡장 방출이 가능한 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 사이에 미세 다공성 분리막이 개재된 전극 조립체에 리튬 이온을 함유한 비수 전해질이 포함되어 있는 전지로, 리튬이온의 인터칼레이션(Intercalation)과 디인터칼레이션(Deintercalation) 반응을 이용하여 충전과 방전이 이루어진다.The lithium ion secondary battery includes lithium ions in an electrode assembly in which a microporous separation membrane is interposed between a positive electrode containing a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions and a negative electrode containing a negative active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions Containing nonaqueous electrolyte, charging and discharging are performed by using intercalation and deintercalation of lithium ions.

한편, 메모리와 디스플레이, 박형 기술 등의 발달로 인하여 최근에는 휴대용 장비의 고집적화와 다기능화가 이루어지게 되었으며, 이러한 고집적화와 다기능화는 휴대용 장비의 에너지 소비를 증가시키는 주요인으로 작용하게 되었다. 이러한 조건을 만족하기 위해서, 현재 적용되고 있는 리튬이온 이차전지에 비해 보다 높은 용량을 가지는 전지시스템이 필요하므로 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 상태이다.On the other hand, due to the development of memory, display, and thin technology, portable devices have become highly integrated and versatile in recent years. Such high integration and multifunctionality have become important factors for increasing energy consumption of portable devices. In order to satisfy such a condition, a battery system having a capacity higher than that of a currently used lithium ion secondary battery is required, so that research is being actively conducted.

이에 등록특허공보 제 0738054호(2007년 7월 24일, 공고)는 흑연 코어 입자 및 상기 흑연 코어 입자의 표면 상에 실리콘 미립자 및 탄소 섬유가 코팅된 음극 활물질과 이를 포함하는 음극 및 리튬이온 전지가 제시되어 있다.[0005] Japanese Patent Registration No. 0738054 (published on July 24, 2007) discloses a negative electrode active material in which silicon microparticles and carbon fibers are coated on the surfaces of graphite core particles and graphite core particles, a negative electrode including the negative active material and a lithium ion battery .

이러한 리튬이온 이차전지의 음극 활물질로서 사용되는 천연흑연(Graphite)은 372 mAh/g의 이론용량밀도를 갖게 되는데, 고에너지의 휴대용 장비를 원활하게 작동하기 위해서는 보다 높은 용량을 가지는 활물질이 필요하다.Natural graphite used as a negative electrode active material of such a lithium ion secondary battery has a theoretical capacity density of 372 mAh / g. In order to operate high-energy portable equipment smoothly, a high-capacity active material is required.

리튬이온 이차전지의 가장 우수한 음극 활물질은 리튬 금속을 사용하는 것이나, 리튬 금속은 충전 및 방전시에 수지상(dendrite) 결정을 발생시키므로 높은 수분과의 반응성이 및 안전성에 문제가 있다.The most excellent anode active material of a lithium ion secondary battery uses a lithium metal, and a lithium metal generates dendrite crystals upon charging and discharging, so that there is a problem in reactivity with high moisture and safety.

흑연과 리튬 금속 이외의 활물질 재료로는 크게 비탄소계 금속, 비탄소계 산화물, 이종의 금속을 합금한 금속으로 분류할 수 있는데, 비탄소계 금속과 비탄소계 산화물의 대표적인 것으로 실리콘(Si)과 주석(Sn)을 들 수 있다.The active material other than graphite and lithium metal can be classified into a non-carbon-based metal, a non-carbon-based oxide, or a metal alloyed with a different kind of metal. Typical examples of non-carbon based and non-carbon based oxides include silicon (Si) and tin ).

특히 실리콘의 경우 리튬 이온과 반응하여 Li4.4Si를 형성할 경우, 실리콘이온 하나 당 리튬 이온 4.4 개가 반응할 때에는, 4200 mAh/g의 이론 용량밀도를 갖게되므로, 인조흑연의 이론용량밀도인 372 mAh/g 보다 높은 전기용량을 나타내게 된다.Particularly, in the case of silicon, when 4.4 Li ions per silicon ion react with lithium ions to form Li 4.4 Si, the theoretical capacity density of 4200 mAh / g is obtained. Therefore, the theoretical capacity density of artificial graphite, 372 mAh / g. < / RTI >

하지만 충전 및 방전시 발생하는 리튬실리사이드(LixSi)의 반복적인 수축 및 팽창으로 부피 변화가 발생하게 되므로, 실리콘 활물질 분말의 미분화 및 실리콘 활물질 분말과 집전체와의 전기적 접촉 불량 등의 문제점이 발생할 뿐만 아니라, 전지의 충전 및 방전 사이클이 진행됨에 따라 전지 용량이 급격하게 감소되어 사이클 수명이 짧아지는 원인이 된다.However, due to repeated shrinkage and expansion of lithium silicide (Li x Si) generated during charging and discharging, volume change occurs, and problems such as non-pulverization of the silicon active material powder and electrical contact failure between the silicon active material powder and the current collector occur In addition, as the charging and discharging cycle of the battery progresses, the capacity of the battery decreases sharply, thereby shortening the cycle life.

따라서 리튬이온 이차전지의 충전 및 방전 시 발생하는 비탄소계 물질의 부피 수축 및 팽창에 따른 스트레스를 최소화함으로써 수명 특성이 개선된 음극 활물질의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a negative electrode active material having improved lifetime characteristics by minimizing the stress due to volume shrinkage and expansion of non-carbon materials generated during charging and discharging of the lithium ion secondary battery.

등록특허공보 제 0738054호(2007년 7월 24일, 공고)Patent Publication No. 0738054 (issued on July 24, 2007)

본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내부 기공을 가지고 있는 천연흑연 표면에 결정화 금속층을 형성하고 상기 결정화 금속층 표면에 화학기상증착법으로 열분해된 탄소층을 코팅하여 리튬이온 이차전지용 음극 활물질을 제조함으로써, 상기 음극 활물질을 이차전지에 적용시 고용량 및 고출력 특성을 가지며 사이클 수명 특성이 개선되고 부피의 변화가 적은, 천연흑연과 금속물질을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to solve the problems of the conventional art by forming a crystallized metal layer on the surface of natural graphite having internal pores and coating a carbon layer pyrolyzed by chemical vapor deposition on the surface of the crystallized metal layer, A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising a natural graphite and a metal material having a high capacity and a high output characteristic when the negative electrode active material is applied to the secondary battery and having improved cycle life characteristics and less change in volume, Method.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조 방법은, 천연흑연 표면 및 상기 천연흑연의 내부 기공 표면에 1차 화학기상증착을 통해 반구(hemisphere) 형태의 아일랜드 구조를 갖는 비정질 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 비정질 금속층 위에 2차 화학기상증착을 통해 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 1차 화학기상증착은 450 ℃ 이상 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되고, 상기 2차 화학기상증착은 600 ~ 900 ℃의 온도에서 수행되며, 상기 탄소층을 형성하는 2차 화학기상증착 과정에서 탄소층이 형성되면서 동시에 상기 비정질 금속층의 적어도 일부가 결정화되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an anode active material for a lithium ion secondary battery, the method comprising the steps of: depositing a hemisphere on a surface of a natural graphite and an inner pore surface of the natural graphite, Forming an amorphous metal layer having an island structure of the type; And forming a carbon layer on the amorphous metal layer by secondary chemical vapor deposition, wherein the primary chemical vapor deposition is performed at a temperature of from 450 캜 to less than 600 캜, and the secondary chemical vapor deposition is performed at 600 To 900 < 0 > C, and a carbon layer is formed in the secondary chemical vapor deposition process for forming the carbon layer, and at the same time, at least a part of the amorphous metal layer is crystallized.

상기 천연흑연의 평균 입경은 0 ㎛를 초과하면서 50 ㎛ 이하이고, 표면적은 1 ~ 20 ㎡/g 이다. 상기 금속층은 천연흑연 100 중량부를 기준으로 1 ~ 20 중량부의 범위로 포함되고, 10 ~ 50 nm의 두께를 지니며, 실리콘(Si), 안티몬(Sb) 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 탄소층의 두께는 1 ~ 100 nm이며, 천연흑연 100 중량부를 기준으로 0.5 ~ 10 중량부의 범위로 포함된다.The natural graphite has an average particle diameter of more than 0 mu m and not more than 50 mu m and a surface area of 1 to 20 m < 2 > / g. The metal layer is contained in an amount of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of natural graphite, has a thickness of 10 to 50 nm, and is characterized by being silicon (Si), antimony (Sb), or a combination thereof. The carbon layer has a thickness of 1 to 100 nm and is contained in an amount of 0.5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of natural graphite.

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이때 상기 탄소층을 형성하는 단계는, 탄소층을 형성하면서 동시에 상기 비정질 금속층의 적어도 일부를 결정화하며, 상기 비정질 금속층을 형성하는 단계는, SiH4, SiHCl3, Si2H6 또는 SiH2Cl2의 실란(silane)계 가스를 사용하여 화학기상증착하는 것을 특징으로 한다.The forming of the carbon layer may include forming a carbon layer and simultaneously crystallizing at least a portion of the amorphous metal layer. The forming of the amorphous metal layer may include forming an amorphous metal layer using SiH 4 , SiHCl 3 , Si 2 H 6, or SiH 2 Cl 2 Based gas is used for chemical vapor deposition.

상기 1차 화학기상증착은 450 ℃ 이상 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되고, 상기 2차 화학기상증착은 700 ~ 900 ℃의 온도에서 수행되며, 2차 화학기상증착은 반응가스로 C2H2, CH4, C2H4, Toluene 또는 Xylene을 사용하고, 상기 2차 화학기상증착 대신에 졸겔법을 사용한 경우에는 전구체 물질로 citric acid, sucrose 또는 glucose를 사용한다.Wherein the first chemical vapor deposition is performed at a temperature of from 450 캜 to less than 600 캜, the second chemical vapor deposition is performed at a temperature of from 700 캜 to 900 캜, the second chemical vapor deposition is performed using C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , Toluene, or Xylene is used as a precursor, and citric acid, sucrose or glucose is used as a precursor material when a sol-gel method is used instead of the secondary chemical vapor deposition.

본 발명의 다른 실시 형태로 상기의 음극 활물질 또는 상기의 방법으로 제조된 음극 활물질을 포함하는 리튬이온 이차전지를 들 수 있다.Another embodiment of the present invention is a lithium ion secondary battery comprising the above-described negative electrode active material or a negative electrode active material produced by the above method.

본 발명에 따른 천연흑연과 금속물질을 포함하는 리튬이온 이차전지용 음극 활물질은, 천연흑연 표면 및 내부 기공 표면에 결정화 금속층을 형성하고, 상기 결정화 금속층 표면에 화학기상증착법으로 열분해된 탄소층을 코팅한 것으로, 이차전지에 적용시 고용량 및 고출력 특성을 갖는다. 또한, 상기 결정화 금속층은 나노 사이즈의 금속물질로써 리튬이온 이차전지의 충전 및 방전 시, 금속물질의 부피 팽창을 완화시키고, 수명 특성을 향상시키는 효과가 있다.The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is characterized in that a crystallized metal layer is formed on a surface of a natural graphite and an inner pore and a carbon layer pyrolyzed by chemical vapor deposition is coated on the surface of the crystallized metal layer And has high capacity and high output characteristics when applied to a secondary battery. In addition, the crystallized metal layer is a nano-sized metal material, which has the effect of alleviating the volume expansion of the metal material and improving the lifetime characteristics during charging and discharging of the lithium ion secondary battery.

도 1은 본 발명의 천연흑연 표면에 결정질 실리콘 및 탄소층을 코팅한 음극 활물질의 단면을 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 내부기공을 갖는 다공성 천연흑연 표면을 FIB(focused ion beam)로 관찰한 단면이미지이다.
도 3은 본 발명의 천연흑연 표면에 비정질 실리콘이 코팅된 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 천연흑연 표면에 비정질 실리콘을 코팅한 음극 활물질의 고배율 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명의 천연흑연 표면에 결정질 실리콘 및 탄소층이 형성된 음극 활물질의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예의 실리콘 결정 피크를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2와 비교예 1, 2, 5의 음극 활물질로 제조한 리튬이온 이차전지의 방전용량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1과 2 및 비교예 3 내지 5의 음극 활물질로 제조한 리튬이온 이차전지의 방전용량을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예와 비교예의 음극 활물질로 제조한 리튬이온 이차전지의 출력특성평가 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a negative active material coated with crystalline silicon and a carbon layer on a natural graphite surface of the present invention. FIG.
2 is a cross-sectional image of a porous natural graphite surface having an internal pore of the present invention observed with a focused ion beam (FIB).
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a negative electrode active material coated with amorphous silicon on the natural graphite surface of the present invention.
4 is a high-magnification transmission electron microscope (SEM) photograph of the negative electrode active material coated with amorphous silicon on the natural graphite surface of the present invention.
5 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a negative electrode active material having crystalline silicon and a carbon layer formed on the natural graphite surface of the present invention.
6 is a graph showing the silicon crystal peaks of Examples and Comparative Examples of the present invention.
7 is a graph showing a discharge capacity of a lithium ion secondary battery produced from the negative active material of Example 2 of the present invention and Comparative Examples 1, 2 and 5. FIG.
8 is a graph showing the discharge capacities of lithium ion secondary batteries made from the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 3 to 5 of the present invention.
9 is a graph showing an output characteristic evaluation result of a lithium ion secondary battery produced from the negative active material of the example of the present invention and the comparative example.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Prior to the description, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical concept of the present invention.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that it may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
Each step may be performed differently than the order specified unless explicitly stated in the context of the specific order. That is, each of the steps may be performed in the same order as described, or may be performed substantially concurrently or in the reverse order.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 천연흑연 표면 및 상기 천연흑연의 내부 기공 표면에 반구(hemisphere) 형태의 아일랜드 구조로 형성된 결정화 금속층이 존재하고, 상기 금속층 표면으로 졸젤법 또는 화학기상증착법으로 열분해된 탄소층이 코팅된 구조를 갖는, 도 1과 같은 리튬이온 이차전지용 음극 활물질을 제시한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a graphite substrate, comprising the steps of: forming a crystallized metal layer formed on a natural graphite surface and an inner pore surface of the natural graphite in an island structure in the form of a hemisphere, The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery as shown in Fig. 1 having a structure in which a pyrolyzed carbon layer is coated is presented.

본 발명에서 사용되는 천연흑연은 평균 입경이 50 ㎛ 이하이고, 표면적은 1 ~ 20 ㎡/g 의 범위인 것이 바람직하다. 천연흑연은 금속 물질이 떨어져 나가지 않게 지지하는 매트릭스 역할을 하면서 전자를 충분히 전달시키고 충전 및 방전 중의 부피 팽창을 조절하는 역할을 수행하는 것으로, 천연흑연의 평균 입경이 50 ㎛를 초과할 경우 비표면적이 작아지기에 금속물질 및 비정질 탄소를 코팅할 수 있는 면적이 줄어들어 고용량 및 고출력 특성을 갖기 어렵다.The natural graphite used in the present invention preferably has an average particle diameter of 50 m or less and a surface area of 1 to 20 m < 2 > / g. Natural graphite serves as a matrix for supporting the metal material so as not to fall off, and sufficiently transfers electrons and controls volume expansion during charging and discharging. When the average particle size of natural graphite exceeds 50 μm, the specific surface area It is difficult to obtain high capacity and high output characteristics because the area for coating metal material and amorphous carbon is reduced.

상기 금속층은 천연흑연 100 중량부를 기준으로 1 ~ 20 중량부의 범위로 포함되고, 10 ~ 50 nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 금속층이 상기 범위로 포함될 때 성능이 가장 우수하며, 20 중량부를 초과하여 포함될 경우 고용량을 발현할 수 있지만, 부피 팽창이 심해지고 수명특성이 저하되는 문제가 있다. 금속층이 상기 범위의 두께를 가질 경우에 충전 및 방전 시 금속의 부피 팽창을 가장 효과적으로 제어할 수 있으며, 매우 얇은 박막 형태로 인조흑연과 결합되어 있기에, 층 분리가 일어나지 않아 급속 충전 및 방전이 가능하다. The metal layer is included in an amount of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of natural graphite, and preferably has a thickness of 10 to 50 nm. When the metal layer is included in the above range, the performance is the most excellent. When the metal layer is contained in an amount exceeding 20 parts by weight, a high capacity can be exhibited, but the volume expansion becomes worse and the lifetime characteristic deteriorates. When the metal layer has the thickness in the above range, the volume expansion of the metal can be most effectively controlled during charging and discharging. Since the metal layer is bonded to the artificial graphite in the form of a very thin film, the layer separation does not occur and rapid charging and discharging are possible .

또한 상기 금속층은 천연흑연 표면에 균일하게 형성되어 있으며, 반구 형태의 아일랜드 구조로 인하여 금속의 부피 팽창을 더욱 효과적으로 제어할 수 있고, 인조흑연의 물리적, 전기적 특성을 그대로 이용할 수 있다.In addition, the metal layer is uniformly formed on the surface of natural graphite. Due to the hemispherical island structure, the volume expansion of the metal can be more effectively controlled, and the physical and electrical characteristics of artificial graphite can be utilized as it is.

상기 금속층은 실리콘(Si), 안티몬(Sb) 또는 이들의 조합인 것이 바람직하나, 전기 화학적으로 리튬을 흡수 및 방출할 수 있는 금속들은 모두 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 결정질 실리콘일 수 있는데, 상기 결정질 실리콘은 부피 팽창에 따라 결정이 깨지는 위험이 적고 안정적인 구조를 유지할 수 있다. Preferably, the metal layer is made of silicon (Si), antimony (Sb) or a combination thereof, but may include metals capable of absorbing and releasing lithium electrochemically. More preferably, it may be crystalline silicon. The crystalline silicon has a small risk of breaking crystals according to volume expansion and can maintain a stable structure.

상기 탄소층의 두께는 1 ~ 100 nm이며, 천연흑연 100 중량부를 기준으로 0.5 ~ 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 탄소층이 0.5 중량부 미만이면 금속층이 전해액과 반응하여 부산물을 형성하고 이로 인해 수명특성이 저하되며, 10 중량부를 초과하면 탄소층이 동일무게 대비 물질의 용량을 낮추게 되고, 외부표면의 비정질 탄소층이 리튬 이동에 대한 저항을 일으키는 문제점이 있다.The carbon layer may have a thickness of 1 to 100 nm and may be included in an amount of 0.5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of natural graphite. If the amount of the carbon layer is less than 0.5 parts by weight, the metal layer reacts with the electrolyte to form a by-product, thereby deteriorating the lifetime characteristics. If the carbon layer is more than 10 parts by weight, There is a problem of causing resistance to lithium movement.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 제조 방법은, 천연흑연 표면 및 상기 천연흑연의 내부 기공 표면에 1차 화학기상증착을 통해 반구(hemisphere) 형태의 아일랜드 구조를 갖는 비정질 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 금속층 위에 졸겔법 또는 2차 화학기상증착을 통해 탄소층을 형성하는 단계;를 포함한다. 상기 화학기상증착으로 천연흑연 표면에 비정질 금속층을 형성시키면 종래의 방법에 비하여 매우 균일하게 분포된 비정질 금속층을 얻을 수 있다. A method of manufacturing an anode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming an amorphous metal layer having an island structure in the form of hemisphere through a primary chemical vapor deposition on a natural graphite surface and an inner pore surface of the natural graphite, ; And forming a carbon layer on the metal layer by a sol-gel method or a secondary chemical vapor deposition. When an amorphous metal layer is formed on the surface of natural graphite by the chemical vapor deposition, a very uniformly distributed amorphous metal layer can be obtained as compared with the conventional method.

이때 상기 탄소층을 형성하는 단계에서, 졸겔법 또는 화학기상증착을 통해 탄소층을 형성하면서 동시에 상기 비정질 금속층의 적어도 일부를 결정화한다. 상기 비정질 금속층을 형성하는 단계는, SiH4, SiHCl3, Si2H6 또는 SiH2Cl2의 실란(silane)계 가스를 사용하여 화학기상증착되고, 상기와 같이 화학기상증착을 통해 천연흑연 표면에 비정질 금속층을 형성하면, 매우 균일한 분포의 비정질 금속층을 형성할 수 있다. At this time, in the step of forming the carbon layer, at least a part of the amorphous metal layer is crystallized while forming a carbon layer through a sol-gel method or chemical vapor deposition. The forming of the amorphous metal layer may be performed by chemical vapor deposition using a silane-based gas such as SiH 4 , SiHCl 3 , Si 2 H 6, or SiH 2 Cl 2 , An amorphous metal layer having a very uniform distribution can be formed.

상기 1차 화학기상증착은 450 ℃ 이상 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 것이 바람직한데, 상기 온도 범위에서 수행될 경우 고순도의 비정질 금속을 다량으로 도포할 수 있기 때문이다. 600 ℃ 이상의 높은 온도에서 1차 화학기상증착이 진행될 경우에는, 결정질 금속이 바로 증착되어 비정질 금속 증착 후 결정화하는 것보다 스트레스나 스트레인에 취약해지게 된다.The primary chemical vapor deposition is preferably performed at a temperature of 450 ° C or more and less than 600 ° C. When the deposition is performed in the temperature range, a large amount of high purity amorphous metal can be coated. When the primary chemical vapor deposition proceeds at a temperature higher than 600 ° C, the crystalline metal is directly deposited and becomes vulnerable to stress or strain rather than being crystallized after deposition of the amorphous metal.

또한 상기 2차 화학기상증착은 600 ~ 900 ℃의 온도에서 수행되며, 1분 이상 1시간 미만의 시간이 소요되며, 2차 화학기상증착은 반응가스로 C2H2, CH4, C2H4, Toluene 또는 Xylene을 사용하고, 졸겔법에서는 citric acid, sucrose 또는 glucose를 사용한다.Also, the secondary chemical vapor deposition is performed at a temperature of 600 to 900 ° C., and the time required from 1 minute to less than 1 hour is required. In the secondary chemical vapor deposition, C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , Toluene or Xylene, and in the sol-gel method citric acid, sucrose or glucose is used.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 이차전지는 상기의 음극 활물질 또는 상기의 방법으로 제조된 음극 활물질을 포함하는 리튬이온 이차전지이다.A lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is a lithium ion secondary battery including the above-described anode active material or an anode active material manufactured by the above method.

리튬이온 이차전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬이온 전지 및 리튬이온 폴리머전지로 분류될 수 있고 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. The lithium ion secondary battery can be classified into a lithium ion battery and a lithium ion polymer battery depending on the kind of a separator and an electrolyte to be used. The lithium ion secondary battery can be classified into a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a pouch shape, Type and thin film type.

상기 음극 활물질은 바인더를 포함하며, 도전재를 더 포함할 수도 있다. 상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 이때 상기 비수용성 바인더로는 폴리비닐클로라이드, 카르보실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리며, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 들 수 있다.The negative electrode active material includes a binder, and may further include a conductive material. The binder serves to adhere the anode active material particles to each other and adhere the anode active material to the current collector. As the binder, a water-insoluble binder, a water-soluble binder, or a combination thereof may be used. Examples of the water-insoluble binder include polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene Fluoride, polyethylene, polypropylene, polyamideimide, polyimide, or combinations thereof.

상기 수용성 바인더로는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 폴리비닐 알콜, 폴리아크릴산 나트륨, 프로필렌과 탄소수가 2 내지 8의 올레핀 공중합체, 메타아크릴산과 메타아크릴산아킬에스테르의 공중합체 또는 이들의 조합을 들 수 있다.Examples of the water-soluble binder include styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, polyvinyl alcohol, sodium polyacrylate, propylene and an olefin copolymer having 2 to 8 carbon atoms, a copolymer of methacrylic acid and methacrylic acid- . ≪ / RTI >

한편, 음극 활물질의 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 증점제인 셀룰로즈 계열 화합물을 더욱 포함할 수 있다. 이 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 이러한 증점제의 사용 함량은 바인더 100 중량부에 대하여 0.1 내지 3 중량부가 바람직하다.On the other hand, when a water-soluble binder is used as the binder of the negative electrode active material, it may further include a cellulose-based compound as a thickener capable of imparting viscosity. Cellulose, methyl cellulose, alkali metal salts of these, and the like may be used in combination. As the alkali metal, Na, K or Li can be used. The content of the thickener is preferably 0.1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the binder.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위하여 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질과 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질, 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.The conductive material is used for imparting conductivity to the electrode. Any conductive material can be used without causing any chemical change in the battery. Examples of the conductive material include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Black, or carbon fiber, a metal powder such as copper, nickel, aluminum, or silver or a metal powder such as metal fiber, a conductive polymer such as polyphenylene derivative, or a mixture thereof may be used .

상기 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체, 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The current collector may be selected from the group consisting of a copper foil, a nickel foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foil, a copper foil, a polymer substrate coated with a conductive metal, and a combination thereof.

상기 양극은 전류 집전체 및 이 전류 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. 상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물인 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합산화물중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 더욱 상세하게는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다.The anode includes a current collector and a cathode active material layer formed on the current collector. As the cathode active material, at least one of a composite oxide of a metal selected from cobalt, manganese, nickel, and a combination thereof, which is a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium, may be used. More specifically, a compound represented by any one of the following formulas can be used.

LiaA1-bXbD2 (0.90 ≤a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5); LiaA1-bXbO2-cDc (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE1-bXbO2-cDc (0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE2-bXbO4-cDc (0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaNi1-b-cCobXcDa (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 ≤ a ≤ 2); LiaNi1-b-cCobXcO2-aTa (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 ≤ a ≤ 2); LiaNi1-b-cCobXcO2-aT2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 ≤ a ≤ 2); LiaNi1-b-cMnbXcDa (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 ≤ a ≤ 2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-aTa (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 ≤ a ≤ 2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-aT2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 ≤ a ≤ 2); LiaNibEcGdO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); LiaNibCocMndGeO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); LiaNiGbO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaCoGbO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMnGbO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn2GbO4 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMnGbPO4 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiZO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤f ≤2); Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤f ≤2); LiFePO4 Li a A 1-b X b D 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5); Li a A 1-b X b O 2 -c D c (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05); LiE 1-b X b O 2 -c D c (0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE 2-b X b O 4 -c D c (0? B? 0.5, 0? C? 0.05); Li a Ni 1- b c Co b X c D a (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0? A? 2); Li a Ni 1- b c Co b X c O 2-a T a (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0? A? 2); Li a Ni 1- b c Co b X c O 2-a T 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0? A? 2); Li a Ni 1-bc Mn b X c D a (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0? A? 2); Li a Ni 1-bc Mn b X c O 2-a T a (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0? A? 2); Li a Ni 1-bc Mn b X c O 2-a T 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.5, 0? C? 0.05, 0? A? 2); Li a Ni b E c G d O 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.9, 0? C? 0.5, 0.001? D? 0.1); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (0.90? A? 1.8, 0? B? 0.9, 0? C? 0.5, 0? D? 0.5, 0.001? E? 0.1); Li a NiG b O 2 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); Li a CoG b O 2 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); Li a MnG b O 2 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); Li a MnG b PO 4 (0.90? A? 1.8, 0.001? B? 0.1); QO 2; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiZO 2 ; LiNiVO 4; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0? F ? 2); Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0? F ? 2); LiFePO 4

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. E는 Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. T는 F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. Q는 Ti, Mo, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. 마지막으로 J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.In the above formula, A is selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and combinations thereof. X is selected from the group consisting of Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements and combinations thereof. D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof. E is selected from the group consisting of Co, Mn, and combinations thereof. T is selected from the group consisting of F, S, P, and combinations thereof. G is selected from the group consisting of Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V and combinations thereof. Q is selected from the group consisting of Ti, Mo, Mn, and combinations thereof. Z is selected from the group consisting of Cr, V, Fe, Sc, Y, and combinations thereof. Finally, J is selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, and combinations thereof.

이때, 상기 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것을 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. At this time, a compound having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a compound having a coating layer may be mixed with the compound. The coating layer may comprise at least one coating element compound selected from the group consisting of oxides, hydroxides of coating elements, oxyhydroxides of coating elements, oxycarbonates of coating elements, and hydroxycarbonates of coating elements. As the element contained in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof may be used.

코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법인 스프레이법, 침지법 등으로 코팅할 수 있으나 특별히 이에 제한되지 않는다.The coating layer forming step may be performed by spraying or dipping, which does not adversely affect the physical properties of the cathode active material, by using these elements in the above compound, but the present invention is not limited thereto.

상기 양극 활물질 층은 바인더를 포함할 수도 있다. 상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 양극 활물질을 전류 집전체에도 잘 부착시키는 역할을 하는 것으로, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴데이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.The cathode active material layer may include a binder. The binder serves to adhere the positive electrode active material particles to each other well and to adhere the positive electrode active material to the current collector efficiently. The binder includes polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl Polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, Butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 양극 활물질 층이 바인더를 포함하는 경우에는 도전재를 더 포함할 수도 있다. 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으나, 구성되는 전지의 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하다.When the cathode active material layer includes a binder, it may further include a conductive material. The conductive material is used for imparting conductivity to the electrode and may be a metal powder such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, copper, nickel, And one or more conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used in combination. However, any electronic conductive material can be used without causing any chemical change of the battery.

상기 전류 집전체로는 알루미늄(Al)을 사용할 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.The current collector may be aluminum (Al), but is not limited thereto.

상기 음극과 양극은 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The negative electrode and the positive electrode are prepared by mixing an active material, a conductive material and a binder in a solvent to prepare an active material composition and applying the composition to an electric current collector. The method of manufacturing the electrode is well known in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted herein. As the solvent, N-methylpyrrolidone or the like can be used, but it is not limited thereto.

리튬이온 이차전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재 할 수도 있다. 상기 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리텐 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 상기 성분들을 혼합한 혼합 다층막이 사용될 수도 있다.
Depending on the type of the lithium ion secondary battery, a separator may exist between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or a multilayer film of two or more thereof may be used, or a mixed multilayer film obtained by mixing the above components may be used.

이하에서는 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 살펴보기 위해 실시예와 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Hereinafter, the technical features of the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. shall.

[[ 실험예Experimental Example 1] One]

리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 조성에 따른 효과를 알아보기 위하여 아래와 같은 방법으로 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 5의 일곱 가지 종류의 음극 활물질을 제조하였다. Seven kinds of anode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 were prepared in the following manner in order to examine the effect of the composition of the anode active material for a lithium ion secondary battery.

먼저 비교예 1은, 평균직경 20 ㎛의 천연흑연을 회전로(Rotary kiln)에 넣어 진공상태에서 내부 공기를 제거하고 질소를 투입하였다. 이후 회전로를 6 rpm으로 가동하고, 550 ℃에서 SiH4를 50 sccm(Standard cubic centimeter per minute)으로 1시간 동안 유지하는 1차 화학기상증착으로 실리콘층을 코팅하였다. 이렇게 제조된 비교예 1의 음극 활물질의 SEM 이미지는 도 3 내지 도 4와 같다.First, in Comparative Example 1, natural graphite having an average diameter of 20 占 퐉 was put into a rotary kiln, and the inside air was removed in a vacuum state and nitrogen was introduced. Thereafter, the silicon layer was coated by a first chemical vapor deposition in which the rotary furnace was operated at 6 rpm and the SiH 4 was maintained at 550 sccm (Standard cubic centimeter per minute) at 550 ° C for 1 hour. SEM images of the negative electrode active material of Comparative Example 1 thus prepared are shown in FIGS. 3 to 4.

비교예 2는 실시예 1에서 제조한 실리콘층이 코팅된 천연흑연 100 중량부를 기준으로, citric acid 50 중량부를 메탄올 500 중량부에 넣어 용해시킨 후 상기 실리콘이 증착된 흑연과 혼합하여 80 ℃에서 sol-gel 방법으로 건조하였다. 건조시킨 후 전기로(box furnace)에 넣고 질소 분위기에서 650 ℃, 5 시간 동안 열처리를 하였다.Comparative Example 2 was prepared by dissolving 50 parts by weight of citric acid in 500 parts by weight of methanol based on 100 parts by weight of natural graphite coated with the silicon layer prepared in Example 1, mixing the graphite with the graphite deposited thereon, -gel method. Dried, put into a box furnace, and heat-treated at 650 ° C for 5 hours in a nitrogen atmosphere.

비교예 3은 실시예 1에서 제조한 실리콘층이 코팅된 천연흑연을 회전로에 넣고 질소 분위기에서 4 rpm으로 가동하고 600 ℃에서 C2H2 가스를 1.5 L/min 으로 10분간 공급하는 2차 화학기상증착으로 탄소를 코팅하였다.In Comparative Example 3, the natural graphite coated with the silicon layer prepared in Example 1 was put into a rotary furnace and operated at 4 rpm in a nitrogen atmosphere, and a second step of supplying C 2 H 2 gas at 1.5 L / min at 600 ° C. for 10 minutes The carbon was coated by chemical vapor deposition.

실시예 1은 상기 비교예 3의 온도를 700 ℃로 유지하여 탄소를 코팅하고 비정질의 실리콘 중 전부 또는 일부를 결정화 하였다.In Example 1, the temperature of Comparative Example 3 was maintained at 700 ° C to coat carbon and crystallize all or part of the amorphous silicon.

실시예 2는 상기 비교예 3의 온도를 900 ℃로 유지하여 탄소를 코팅하고 비정질의 실리콘 중 전부 또는 일부를 결정화 하였다. 이렇게 제조된 실시예 1 및 2의 음극 활물질을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과 도 5와 같다. In Example 2, the temperature of Comparative Example 3 was maintained at 900 占 폚 to coat carbon, and all or part of the amorphous silicon was crystallized. The negative electrode active materials of Examples 1 and 2 thus prepared were observed with a transmission electron microscope (TEM).

도 5는 FIB(Focused Ion Beam)로 물질의 단면을 자른 후 전자투과현미경(TEM)내의 EDX(Energy Dispersive X-ray)분석을 한 이미지로, 왼쪽 하단에 검출 된 원소가 표기되어있다. 노란색 Ti는 투과전자현미경 분석을 위하여 코팅된 층이고, 그 아래 얇은 층은 탄소와 실리콘이 혼재되어있는 모습, 그 아래는 천연흑연 내부 기공에 실리콘이 코팅되어 있는 모습이다.5 is an image obtained by EDX (Energy Dispersive X-ray) analysis in an electron transmission microscope (TEM) after cutting a cross section of a material with FIB (Focused Ion Beam), and the element detected at the lower left is indicated. The yellow Ti is a coated layer for transmission electron microscopy analysis. The thin layer below it is a mixture of carbon and silicon, and below it is silicon coated with pores of natural graphite.

비교예 4는 상기 비교예 3에서 C2H2 가스 공급없이 900 ℃로 열처리만 하여 탄소의 코팅없이 비정질 실리콘의 결정화만 진행하였다.In Comparative Example 4, only the amorphous silicon was crystallized without being coated with carbon by heat treatment at 900 ° C without supplying C 2 H 2 gas in Comparative Example 3.

비교예 5는 아무런 처리를 하지 않은 평균직경 20 ㎛의 천연흑연이다.Comparative Example 5 is natural graphite having an average diameter of 20 占 퐉 without any treatment.

이렇게 제조된 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 5의 음극 활물질의 적층구조는 아래의 표 1과 같다.The laminated structure of the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 thus prepared is shown in Table 1 below.

구분division 음극 활물질의 적층구조Laminated structure of negative electrode active material 비고Remarks 실시예 1Example 1 천연흑연 + 결정질 실리콘 + 탄소층Natural graphite + crystalline silicon + carbon layer 700 ℃ CVD700 ° C CVD 실시예 2Example 2 천연흑연 + 결정질 실리콘 + 탄소층Natural graphite + crystalline silicon + carbon layer 900 ℃ CVD900 ° C CVD 비교예 1Comparative Example 1 천연흑연 + 비정질 실리콘Natural graphite + amorphous silicon -- 비교예 2Comparative Example 2 천연흑연 + 비정질 실리콘 + 탄소층Natural graphite + amorphous silicon + carbon layer sol-gelleft-hand 비교예 3Comparative Example 3 천연흑연 + 비정질 실리콘 + 탄소층Natural graphite + amorphous silicon + carbon layer 600 ℃ CVD600 ° C CVD 비교예 4Comparative Example 4 천연흑연 + 결정질 실리콘Natural graphite + crystalline silicon -- 비교예 5Comparative Example 5 천연흑연Natural graphite --

상기의 표 1에 제시된 바와 같이, 실시예 1과 2는, 1차 화학기상증착 단계에서 비정질 실리콘을 천연흑연의 기공 내부와 표면에 형성한 후, 고온의 2차 화학기상증착 단계를 거쳐 상기 비정질 실리콘이 결정화된 본 발명의 리튬이온 이차전지용 음극 활물질에 해당한다.As shown in Table 1, in Examples 1 and 2, after the amorphous silicon was formed in the pores of the natural graphite and on the surface in the first chemical vapor deposition step, the amorphous silicon was subjected to a high-temperature secondary chemical vapor deposition step, And corresponds to a negative active material for a lithium ion secondary battery of the present invention in which silicon is crystallized.

반면에 상기 비교예 1 ~ 5는, 실시예 1 및 2와의 비교를 위한 것으로, 2차 화학기상증착 공정이 수행되지 아니하거나(비교예 1, 비교예 4), 저온의 열처리(비교예 2) 또는 저온의 2차 화학기상증착 공정(비교예 3)이 수행됨으로써, 1차 화학기상증착 단계에서 형성된 비정질 실리콘이 결정화되지 아니한 음극 활물질 또는 천연흑연 자체(비교예 5)이다.
On the other hand, Comparative Examples 1 to 5 are for comparison with Examples 1 and 2, in which the second chemical vapor deposition process is not performed (Comparative Example 1, Comparative Example 4), the low temperature heat treatment (Comparative Example 2) Or a low temperature secondary chemical vapor deposition process (Comparative Example 3), whereby the amorphous silicon formed in the first chemical vapor deposition step is not crystallized, or the natural graphite itself (Comparative Example 5).

[[ 실험예Experimental Example 2] 2]

상기 실험예 1에 따라 제조된 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 5의 리튬이온 이차전지용 음극 활물질의 비표면적은 77 K의 액체 질소 분위기 하에서 질소 기체를 흡착질로 하여 흡착량을 측정하였으며, 질소흡착등온 실험 후, 질소흡착등온곡선을 통해 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적을 계산하였으며, 그 결과는 하기의 표 2와 같다.The lithium ions of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 prepared according to Experimental Example 1 The specific surface area of the negative electrode active material for the secondary battery was measured using nitrogen gas as an adsorbate under a liquid nitrogen atmosphere of 77 K. After the nitrogen adsorption isothermal test, the specific surface area of BET (Brunauer-Emmett-Teller) The results are shown in Table 2 below.

이때, BET란 물질흡착 및 화학흡착 현상을 이용하여 시료의 소재에 관계없이 분말 또는 괴상이 갖고 있는 비표면적을 측정하는 것으로서, 기체 흡착에 의한 BET를 이용하여 표면적 및 샘플 중에 존재하는 입자의 다공성을 측정할 수 있다. 흡착 기체의 분자는 진공 챔버 내에서 조절된 조건 하에, 임의의 기공 또는 결정자의 표면을 포함한 입자 표면상에 물리적으로 흡착된다.In this case, BET refers to the specific surface area of a powder or mass, regardless of the material of the sample, by utilizing the phenomenon of mass adsorption and chemisorption. By using BET by gas adsorption, the surface area and the porosity of particles existing in the sample Can be measured. The molecules of the adsorbed gas are physically adsorbed on the surface of the particles, including any pores or crystallite surfaces, under controlled conditions in a vacuum chamber.

예를 들어, BET 비표면적(BET Specific Surface Area)은, 샘플을 트리스타(Tristar) II 질소 흡착 기기를 사용하여 질소 흡착을 관찰함으로써 측정될 수 있다. 0.01 ~ 0.3 P/Po 의 부분압 범위를 이용하여 다점(multi-point) BET 측정을 수행할 수 있다. 챔버 내에 도입된 기체의 부피에 대한 함수로서 샘플 상의 기체압력을 측정함으로써 흡착 등온선을 얻을 수 있다. 이어서, 흡착 등온선의 선형 영역을 이용하여, 하기 식(1)에 의해 설명되는 바와 같이, BET 이론을 이용하여, 이용가능한 입자의 표면적에 걸쳐 단층을 형성하는 데 필요한 기체의 부피를 측정할 수 있다.
For example, the BET Specific Surface Area can be measured by observing the nitrogen adsorption of the sample using a Tristar II nitrogen adsorption machine. A multi-point BET measurement can be performed using a partial pressure range of 0.01-0.3 P / P o . The adsorption isotherm can be obtained by measuring the gas pressure on the sample as a function of the volume of gas introduced into the chamber. The linear region of the adsorption isotherm can then be used to determine the volume of gas required to form a monolayer over the surface area of the available particles, using the BET theory, as described by equation (1) below .

Figure 112015069006281-pat00001
(1)
Figure 112015069006281-pat00001
(One)

상기 식(1)에서 v는 기체의 부피이고, P는 기체의 압력이며, P0는 포화 압력을 뜻한다. 또한 vm은 단층을 형성하는 데 필요한 기체의 부피이고 c는 BET 상수를 의미한다.
In the above equation (1), v is the volume of the gas, P is the pressure of the gas, and P 0 is the saturation pressure. V m is the volume of gas required to form the monolayer and c is the BET constant.

구분division 비표면적(m2/g)Specific surface area (m 2 / g) 실시예 1Example 1 3.583.58 실시예 2Example 2 3.493.49 비교예 1Comparative Example 1 2.932.93 비교예 2Comparative Example 2 16.6216.62 비교예 3Comparative Example 3 3.683.68 비교예 4Comparative Example 4 3.363.36 비교예 5Comparative Example 5 5.285.28

상기 표 2에 따르면 비교예 1을 제외한 나머지 실시예 1과 2 및 비교예 2 내지 5의 음극 활물질의 비표면적은 3 m2/g 이상의 높은 비표면적을 나타내는 것을 알 수 있었다.
According to Table 2, the specific surface area of the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2 to 5 except for Comparative Example 1 has a high specific surface area of 3 m 2 / g or more.

[[ 실험예Experimental Example 3] 3]

상기 실험예 1에 따라 제조된 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 5의 리튬이온 이차전지용 음극 활물질에 대해서 천연흑연 상에 형성된 비정질 실리콘의 결정화 여부를 확인하기 위해 X-선 회절 분석(XRD)을 실시하였으며, 이러한 X-선 회절 분석 결과는 도 6과 같으며, 이때 광원으로는 Cu-Kαray를 사용하였다.X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on the negative active material for lithium ion secondary batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 prepared according to Experimental Example 1 to determine crystallization of amorphous silicon formed on the natural graphite phase. The results of the X-ray diffraction analysis are shown in FIG. 6. At this time, Cu-Kαray was used as a light source.

상기 도 6의 측정결과에서 알 수 있듯이, 고온에서 2차 화학기상증착 공정 또는 열처리가 수행된 실시예 1과 2 및 비교예 4의 음극 활물질에서 실리콘의 결정 피크(★로 표시됨)를 확인할 수 있었는데, 이는 1차 화학기상증착 공정을 통해 천연흑연의 기공 또는 표면에 형성된 비정질 실리콘이, 후속된 고온의 2차 화학기상증착 공정 또는 열처리 과정을 통해 적어도 일부가 결정질 실리콘으로 변화됨을 확인할 수 있었다. As can be seen from the measurement results of FIG. 6, it was confirmed that the crystal peaks of silicon (denoted by a symbol) were observed in the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Example 4 in which a secondary chemical vapor deposition process or heat treatment was performed at a high temperature It can be confirmed that the amorphous silicon formed on the pores of the natural graphite or the surface thereof through the primary chemical vapor deposition process is at least partially changed to crystalline silicon through a subsequent secondary chemical vapor deposition process or heat treatment process.

한편 비교예 3의 경우에는 비록 실시예 1과 2와 같은 방법으로 음극 활물질이 제조되었지만, 2차 화학기상증착 공정의 온도가 600 ℃의 온도에서 수행되었으므로, 700 ℃ 이상의 고온으로 화학기상증착된 실시예 1과 2는 달리 결정질 실리콘으로 변화되지 못하였음을 알 수 있었다.On the other hand, in Comparative Example 3, although the anode active material was prepared in the same manner as in Examples 1 and 2, since the temperature of the secondary chemical vapor deposition process was 600 ° C., the chemical vapor deposition It can be seen that Examples 1 and 2 did not change to crystalline silicon in different ways.

또한, 비교예 4의 경우에는 2차 화학기상증착 공정이 수행되지 아니하였지만, 1차 화학기상증착 공정을 통해 비정질 실리콘이 형성된 후, 고온의 열처리(900 ℃)를 거침으로써, 상기 비정질 실리콘이 결정화됨을 확인할 수 있으며, 비교예 2의 경우 졸겔법을 통해 비정질 실리콘이 형성된 후, 650 ℃의 저온으로 열처리되어 결정화되지 아니하였지만, 고온으로 열치리 단계가 수행될 경우에는 상기 비정질 실리콘이 결정화될 수 있음을 예측할 수 있다.
In the case of Comparative Example 4, the second chemical vapor deposition process was not performed. However, after the amorphous silicon was formed through the first chemical vapor deposition process, the amorphous silicon was subjected to a high-temperature heat treatment (900 ° C) In the case of Comparative Example 2, the amorphous silicon was formed through the sol-gel method and then was not crystallized by heat treatment at a low temperature of 650 ° C. However, if the thermal annealing step is performed at a high temperature, the amorphous silicon may be crystallized Can be predicted.

[[ 실험예Experimental Example 4] 4]

상기 실험예 1에 따라 제조된 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 5의 리튬이온 이차전지용 음극 활물질을 포함하여 제조된 리튬이온 이차전지의 용량 특성을 비교하기 위하여, 상기의 리튬이온 이차전지용 음극 활물질 : 도전재인 Super-P(Sigma Aldrich) : 바인더인 스타렌-부타디엔 러버(SBR) : 바인더인 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)를 95.8 : 1 : 1.5 : 1.7의 중량비로 혼합하여 슬러리를 제조하였다.In order to compare the capacity characteristics of the lithium ion secondary batteries produced in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 prepared in accordance with Experimental Example 1 for the lithium ion secondary battery for a lithium ion secondary battery, Active Material: Super-P (Sigma Aldrich) as a conductive material: SBR: binder, carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder was mixed at a weight ratio of 95.8: 1: 1.5: 1.7 to prepare a slurry.

상기 슬러리를 구리 호일에 도포하여 80 ℃에서 2 시간 건조 후 롤 프레스하고 110 ℃의 진공오븐에서 12 시간 추가 건조하여 극판을 제조하였다. 이러한 방법으로 제조된 CR2016 코인 하프 셀을 0.005 ~ 1.0 V에서 0.5 C로 50 회 충전 및 방전을 실시하여 사이클 수명평가를 수행한 결과 하기의 표 3, 도 7 및 8과 같다. The slurry was coated on a copper foil, dried at 80 DEG C for 2 hours, rolled and further dried in a vacuum oven at 110 DEG C for 12 hours to prepare an electrode plate. The cycle life of the CR2016 coin half cell manufactured by this method was 50 charge / discharge cycles of 0.005-1.0 V at 0.5 C, and the cycle life was evaluated. The results are shown in Tables 3, 7 and 8 below.

구분division 1번째 사이클
방전용량(mAh/g)
1st cycle
Discharge capacity (mAh / g)
50번째 사이클
방전용량(mAh/g)
50th cycle
Discharge capacity (mAh / g)
용량 유지율(%)Capacity retention rate (%)
실시예 1Example 1 503503 470470 93.493.4 실시예 2Example 2 513513 491491 95.895.8 비교예 1Comparative Example 1 508508 440440 86.586.5 비교예 2Comparative Example 2 502502 463463 92.392.3 비교예 3Comparative Example 3 526526 469469 89.289.2 비교예 4Comparative Example 4 506506 459459 90.590.5 비교예 5Comparative Example 5 371371 366366 98.798.7

도 7 과 8은 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 5의 음극 활물질을 이용한 코인 하프 셀의 방전용량에 관한 그래프로서, 충전 및 방전 사이클을 50회 반복한 후의 방전용량은 실시예 2가 가장 높은 것으로 확인되었다. 7 and 8 are graphs showing discharge capacities of coin half cells using the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5. The discharge capacity after repeating the charge and discharge cycles 50 times Respectively.

한편, 상기 표 3에서는 1번째 사이클 방전용량과 50번째 사이클 방전용량 값으로부터 하기의 식 (2)를 통해 계산된 나타난 용량 유지율을 추가로 표시하였다.
On the other hand, in Table 3, the capacity retention rate calculated from the first cycle discharge capacity and the 50th cycle discharge capacity value, which is calculated through the following equation (2), is additionally indicated.

Figure 112015069006281-pat00002
(2)
Figure 112015069006281-pat00002
(2)

표 3에 따르면, 실시예 1과 2 및 비교예 2, 4, 5에서 90 % 이상의 높은 용량 유지율을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 비교예 5의 용량 유지율이 가장 높은 것으로 나타났다. 하지만, 비교예 5의 경우에는 다른 음극 활물질(실시예1, 2 및 비교예 1~4)에 비해 현저히 낮은 방전용량 값을 보여주고 있어, 이차전지로 사용되기에 적합하지 못함을 알 수 있다.According to Table 3, it was confirmed that the capacity retention ratio of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2, 4, and 5 was higher than 90%, and the capacity retention ratio of Comparative Example 5 was the highest. However, in the case of Comparative Example 5, the discharge capacity value is remarkably lower than that of the other negative electrode active materials (Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4), indicating that it is not suitable for use as a secondary battery.

따라서 비교적 높은 방전용량 값을 가지면서, 동시에 95.8 %의 높은 용량 유지율을 보여준 실시예 2가 이차전지의 음극 활물질로 사용되기에 적합한 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
Therefore, it can be seen that Example 2 having a relatively high discharge capacity value and a high capacity retention rate of 95.8% at the same time is suitable for use as an anode active material of a secondary battery.

[[ 실험예Experimental Example 5] 5]

상기 실험예 1에 따라 제조된 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 5의 음극 활물질을 포함하여 제조된 리튬이온 이차전지의 충전 및 방전 과정에서의 부피 변화 정도를 비교하기 위해, 사이클 수명 평가 전의 극판 및 음극 활물질을 포함한 (초기)두께를 측정하고, 50회 사이클 수명평가가 종료된 후 CR2016 코인 전지를 해체하여 극판 및 활물질의 팽창된 두께를 마이크로미터로 측정하였다. 이렇게 측정된 두께값에 대해 하기의 식 (3)을 사용하여 실시예와 비교예에 대해서 팽창율을 비교하였으며, 그 결과를 표 4로 정리하였다.
In order to compare the degree of volume change in the charging and discharging process of the lithium ion secondary battery manufactured using the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 prepared according to Experimental Example 1, The (initial) thickness including the electrode plate and the negative electrode active material was measured. After the completion of the 50 cycle cycle life evaluation, the CR2016 coin battery was disassembled, and the expanded thickness of the electrode plate and the active material was measured in micrometers. For the thickness values thus measured, the expansion ratios of the examples and the comparative examples were compared using the following equation (3), and the results are summarized in Table 4.

구분division 팽창율(%)Expansion ratio (%) 실시예 1Example 1 5454 실시예 2Example 2 3838 비교예 1Comparative Example 1 5050 비교예 2Comparative Example 2 4444 비교예 3Comparative Example 3 5656 비교예 4Comparative Example 4 4444 비교예 5Comparative Example 5 1919

상기 표 4에 따르면 실시예 2 및 비교예 5에서 각각 38 %와 19 %로 낮은 팽창율을 나타내었으며, 이러한 본 발명의 실시예 2의 낮은 팽창율은 충전 및 방전과정에서 발생되는 리튬실리사이드의 지속적인 수축 및 팽창으로 인한 부피변화에 둔감하며, 충전 및 방전 사이클의 진행에 따른 이차전지의 용량 감소가 적은 장점이 있음을 의미한다.
According to Table 4, the expansion rates of Examples 2 and 5 were as low as 38% and 19%, respectively. The low expansion rate of the second embodiment of the present invention is due to the continuous shrinkage of lithium silicide generated during charging and discharging, It is insensitive to the volume change due to expansion and has a small capacity reduction of the secondary battery as the charge and discharge cycle progresses.

Figure 112015069006281-pat00003
(3)
Figure 112015069006281-pat00003
(3)

[[ 실험예Experimental Example 6] 6]

상기 실험예 4에서 제작된 리튬이온 이차전지를 0.005 ~ 1.0 V에서 0.1 ~ 7.0 C로 인가 전류를 달리하여 출력 특성을 평가한 결과 도 9와 같이 나타내었다.The output characteristics of the lithium ion secondary battery fabricated in Experimental Example 4 were evaluated by varying the applied current from 0.005 to 1.0 V at 0.1 to 7.0 C as shown in FIG.

상기 도 9의 측정 결과에 따르면 본 발명의 실시예 2의 음극 활물질을 포함하는 리튬이온 이차전지의 출력 특성이 가장 우수함을 알 수 있었다.
According to the measurement results of FIG. 9, the output characteristics of the lithium ion secondary battery including the negative electrode active material of Example 2 of the present invention are the most excellent.

이상의 실험예 2 내지 6의 결과를 전체적으로 살펴보면, 비록 천연흑연을 그대로 사용한 비교예 5의 음극 활물질이, 본 발명의 실시예 1 및 2에 비해 BET 비표면적, 용량 유지율 및 팽창율 비교 실험에서 우수한 값을 나타내었지만, 이차전지의 가장 중요한 물성인 방전용량(표 3) 및 출력 특성(도 9)에서는 낮은 값을 나타내었다.As a result, the negative electrode active material of Comparative Example 5 in which natural graphite was used as it is, has excellent values in BET specific surface area, capacity retention rate and expansion ratio comparison test as compared with Examples 1 and 2 of the present invention However, the discharge capacity (Table 3) and the output characteristics (FIG. 9), which are the most important physical properties of the secondary battery, were low.

이러한 실험 결과를 통해, 비교예 5와 같은 음극활물질은 리튬이온 이차전지에 적용되기에 전지 용량이 작다는 한계가 있고, 비교예 1 내지 4와 같이, 천연흑연에 실리콘층만 코팅되었거나(비교예 1, 4), 비정질 실리콘층이 코팅된 음극활물질(비교예 2, 3)에 비해, 본 발명의 실시예 1 및 2와 같이, 천연흑연에 결정질 실리콘 및 탄소층이 더 포함된 음극 활물질이 고용량, 고출력 특성을 갖고, 용량 유지율도 높기에 수명 특성에서도 유리함을 알 수 있다.
As a result, the negative electrode active material of Comparative Example 5 has a limited battery capacity because it is applied to a lithium ion secondary battery. As in Comparative Examples 1 to 4, only the silicon layer is coated on the natural graphite Compared with the negative active material coated with amorphous silicon layer (Comparative Examples 2 and 3), as in Examples 1 and 2 of the present invention, the negative active material containing crystalline silicon and the carbon layer in the natural graphite has a high capacity , It has a high output characteristic and a high capacity retention ratio, which is also advantageous in terms of life characteristics.

Claims (14)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 천연흑연 표면 및 상기 천연흑연의 내부 기공 표면에 1차 화학기상증착을 통해 반구(hemisphere) 형태의 아일랜드 구조를 갖는 비정질 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 비정질 금속층 위에 2차 화학기상증착을 통해 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 1차 화학기상증착은 450 ℃ 이상 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되고,
상기 2차 화학기상증착은 600 ~ 900 ℃의 온도에서 수행되어,
상기 탄소층을 형성하는 2차 화학기상증착 과정에서 탄소층이 형성되면서 동시에 상기 비정질 금속층의 적어도 일부가 결정화되는 것을 특징으로 하는, 리튬이차전지용 음극 활물질의 제조 방법.
Forming an amorphous metal layer having an island structure in the form of a hemisphere through a primary chemical vapor deposition on a natural graphite surface and an inner pore surface of the natural graphite; And
And forming a carbon layer on the amorphous metal layer through secondary chemical vapor deposition,
Wherein the primary chemical vapor deposition is performed at a temperature of from 450 캜 to less than 600 캜,
The secondary chemical vapor deposition is performed at a temperature of 600 to 900 DEG C,
Wherein a carbon layer is formed in the secondary chemical vapor deposition process for forming the carbon layer, and at the same time, at least a part of the amorphous metal layer is crystallized.
제8항에 있어서,
상기 천연흑연의 평균 입경은 0 ㎛를 초과하면서 50 ㎛ 이하이고, 표면적은 1 ~ 20 ㎡/g 인 것을 특징으로 하는, 리튬이차전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the natural graphite has an average particle diameter of more than 0 占 퐉 and not more than 50 占 퐉 and a surface area of 1 to 20 m2 / g.
제8항에 있어서,
상기 비정질 금속층을 형성하는 단계는, SiH4, SiHCl3, Si2H6 또는 SiH2Cl2의 실란(silane)계 가스를 사용하여 화학기상증착되는 것을 특징으로 하는, 리튬이차전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the forming of the amorphous metal layer is performed by chemical vapor deposition using a silane-based gas of SiH 4 , SiHCl 3 , Si 2 H 6, or SiH 2 Cl 2 . Way.
제8항에 있어서,
상기 금속층은 상기 천연흑연 100 중량부를 기준으로 1 ~ 20 중량부의 범위로 포함되고,
상기 탄소층의 함량은 상기 천연흑연 100 중량부를 기준으로 0.5 ~ 10 중량부인 것을 특징으로 하는, 리튬이차전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The metal layer is contained in an amount of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the natural graphite,
Wherein the content of the carbon layer is 0.5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the natural graphite.
제8항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 10 ~ 50 nm이고, 상기 탄소층의 두께는 1 ~ 100 nm인 것을 특징으로 하는, 리튬이차전지용 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the metal layer has a thickness of 10 to 50 nm and the carbon layer has a thickness of 1 to 100 nm.
제8항에 있어서,
상기 2차 화학기상증착은 반응가스로 C2H2, CH4, C2H4, Toluene 또는 Xylene을 사용하고, 졸겔법에서는 citric acid, sucrose 또는 glucose을 사용하는 것을 특징으로 하는, 음극 활물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the second chemical vapor deposition is performed using C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , Toluene or Xylene as a reaction gas and citric acid, sucrose or glucose as a sol-gel method. Gt;
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 음극 활물질을 포함하는 리튬이온 이차전지.

14. A lithium ion secondary battery comprising a negative electrode active material produced by the method of any one of claims 8 to 13.

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Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190013457A (en) * 2017-07-28 2019-02-11 울산과학기술원 Composite anode active material, a method of preparing the composite anode material, and Lithium secondary battery comprising the composite anode active material
US10424786B1 (en) 2018-12-19 2019-09-24 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US10508335B1 (en) 2019-02-13 2019-12-17 Nexeon Limited Process for preparing electroactive materials for metal-ion batteries
US10964940B1 (en) 2020-09-17 2021-03-30 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US10985370B2 (en) 2017-07-28 2021-04-20 Unist(Ulsan National Institute Of Science And Technology) Composite anode active material, method of preparing the same, and lithium secondary battery including anode including composite anode active material
US11011748B2 (en) 2018-11-08 2021-05-18 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US11165054B2 (en) 2018-11-08 2021-11-02 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
KR20210157453A (en) * 2019-09-24 2021-12-28 한국과학기술연구원 Porous silicon composite comprising a carbon coating layer, preparation of the same and lithium secondary battery using the same
US11905593B2 (en) 2018-12-21 2024-02-20 Nexeon Limited Process for preparing electroactive materials for metal-ion batteries
US12176521B2 (en) 2018-11-08 2024-12-24 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US12218341B2 (en) 2018-11-08 2025-02-04 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
WO2025066243A1 (en) * 2023-09-28 2025-04-03 贝特瑞新材料集团股份有限公司 Negative electrode material and preparation method therefor, and lithium ion battery

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100738054B1 (en) 2004-12-18 2007-07-12 삼성에스디아이 주식회사 Anode active material, manufacturing method thereof, and anode and lithium battery using same
KR20140022682A (en) * 2012-08-14 2014-02-25 삼성에스디아이 주식회사 Negative active material for rechargeable lithium battery, and negative electrode and rechargeable lithium battery including same
KR20140070416A (en) * 2012-11-30 2014-06-10 주식회사 엘지화학 Anode active material for lithium secondary battery, preparation method thereof, and lithium secondary battery comprising the same
KR20140147779A (en) * 2013-06-20 2014-12-30 주식회사 엘지화학 Electrode active material for lithium secondary battery with high capacity and Lithium secondary battery comprising the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100738054B1 (en) 2004-12-18 2007-07-12 삼성에스디아이 주식회사 Anode active material, manufacturing method thereof, and anode and lithium battery using same
KR20140022682A (en) * 2012-08-14 2014-02-25 삼성에스디아이 주식회사 Negative active material for rechargeable lithium battery, and negative electrode and rechargeable lithium battery including same
KR20140070416A (en) * 2012-11-30 2014-06-10 주식회사 엘지화학 Anode active material for lithium secondary battery, preparation method thereof, and lithium secondary battery comprising the same
KR20140147779A (en) * 2013-06-20 2014-12-30 주식회사 엘지화학 Electrode active material for lithium secondary battery with high capacity and Lithium secondary battery comprising the same

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11901540B2 (en) 2017-07-28 2024-02-13 Unist(Ulsan National Institute Of Science And Technology) Composite anode active material, method of preparing the same, and lithium secondary battery including anode including composite anode active material
KR102139736B1 (en) * 2017-07-28 2020-07-31 울산과학기술원 Composite anode active material, a method of preparing the composite anode material, and Lithium secondary battery comprising the composite anode active material
KR20190013457A (en) * 2017-07-28 2019-02-11 울산과학기술원 Composite anode active material, a method of preparing the composite anode material, and Lithium secondary battery comprising the composite anode active material
US10985370B2 (en) 2017-07-28 2021-04-20 Unist(Ulsan National Institute Of Science And Technology) Composite anode active material, method of preparing the same, and lithium secondary battery including anode including composite anode active material
US11688849B2 (en) 2018-11-08 2023-06-27 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US12218341B2 (en) 2018-11-08 2025-02-04 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US12176521B2 (en) 2018-11-08 2024-12-24 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US11695110B2 (en) 2018-11-08 2023-07-04 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US11011748B2 (en) 2018-11-08 2021-05-18 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US11165054B2 (en) 2018-11-08 2021-11-02 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US10938027B2 (en) 2018-12-19 2021-03-02 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US11715824B2 (en) 2018-12-19 2023-08-01 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US10658659B1 (en) 2018-12-19 2020-05-19 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US12021227B2 (en) 2018-12-19 2024-06-25 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US10424786B1 (en) 2018-12-19 2019-09-24 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US11905593B2 (en) 2018-12-21 2024-02-20 Nexeon Limited Process for preparing electroactive materials for metal-ion batteries
US10508335B1 (en) 2019-02-13 2019-12-17 Nexeon Limited Process for preparing electroactive materials for metal-ion batteries
KR102383273B1 (en) * 2019-09-24 2022-04-08 한국과학기술연구원 Porous silicon composite comprising a carbon coating layer, preparation of the same and lithium secondary battery using the same
KR20210157453A (en) * 2019-09-24 2021-12-28 한국과학기술연구원 Porous silicon composite comprising a carbon coating layer, preparation of the same and lithium secondary battery using the same
US10964940B1 (en) 2020-09-17 2021-03-30 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
WO2025066243A1 (en) * 2023-09-28 2025-04-03 贝特瑞新材料集团股份有限公司 Negative electrode material and preparation method therefor, and lithium ion battery

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