[go: up one dir, main page]

KR20160042357A - Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment - Google Patents

Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment Download PDF

Info

Publication number
KR20160042357A
KR20160042357A KR1020140136194A KR20140136194A KR20160042357A KR 20160042357 A KR20160042357 A KR 20160042357A KR 1020140136194 A KR1020140136194 A KR 1020140136194A KR 20140136194 A KR20140136194 A KR 20140136194A KR 20160042357 A KR20160042357 A KR 20160042357A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lto
source
present
powder
mixed solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020140136194A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이상민
박금재
박수진
이주은
조재필
하충완
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020140136194A priority Critical patent/KR20160042357A/en
Publication of KR20160042357A publication Critical patent/KR20160042357A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386Silicon or alloys based on silicon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/01Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

인위적인 표면보호층을 갖는 Li 이차전지용 음극재의 제조 방법이 개시된다. 본 발명은 Li 소스, Ti소스 및 Si 소스를 유기 용매에 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 건조 및 분쇄하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 600~650℃의 온도에서 열처리하여 상기 Li 소스 및 Ti 소스로부터 유래된 LTO를 합성하는 단계를 포함하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 음극과 전해액 계면에서의 부반응을 억제하기 위하여 인위적인 SEI층을 형성하여, 흡장/탈흡장 사이클링에서 장수명 및 높은 열안정성을 보장할 수 있는 리튬 이차전지의 제조가 가능하게 된다.A manufacturing method of an anode material for a Li secondary battery having an artificial surface protection layer is disclosed. The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: mixing an Li source, a Ti source, and an Si source into an organic solvent; Drying and pulverizing the mixed solution; And heat-treating the mixed solution at a temperature of 600 to 650 ° C to synthesize LTO from the Li source and Ti source. According to the present invention, an artificial SEI layer is formed in order to suppress side reactions at the interface between the negative electrode and the electrolyte, thereby making it possible to manufacture a lithium secondary battery capable of ensuring long life and high thermal stability in the occlusion / deactivation cycling.

Description

환원 분위기에서 형성된 LTO 코팅을 구비하는 Si계 음극재 제조 방법{Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment}[0001] Manufacturing Methods of Silicon Anode with LTO-Coating in Reduced Environment [

본 발명은 리튬 이차전지의 음극재 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인위적인 표면보호층을 갖는 음극재의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing an anode material for a lithium secondary battery, and more particularly, to a method for manufacturing an anode material having an artificial surface protection layer.

배터리를 사용하는 전자 장치의 소형화, 경량화 및 대용량화에 따라 고용량 컴팩트 배터리에 대한 관심이 증가하고 있으며, 리튬 이온 배터리의 사용이 증가하고 있다. As electronic devices using batteries are becoming smaller, lighter and larger, there is an increasing interest in high capacity compact batteries, and the use of lithium ion batteries is increasing.

보편적으로 상용화 된 리튬 이차전지는 유기용매와 리튬염으로 구성된 액체전해질 내에 고분자 분리막이 추가된 구조로 되어, 방전시에는 Li+ 이온이 음극에서 양극으로 이동하고 Li이 이온화 되면서 발생된 전자도 음극에서 양극으로 이동하며, 충전시에는 이와 반대로 이동한다. 이러한 Li+ 이온 이동의 구동력은 두 전극의 전위차에 따른 화학적 안정성에 의해 발생된다. 음극에서 양극으로 또 양극에서 음극으로 이동하는 Li+ 이온의 양에 의해 전지의 용량(capacity, Ah)이 결정된다.A commercially available lithium secondary battery has a structure in which a polymer separator is added in a liquid electrolyte composed of an organic solvent and a lithium salt. When discharged, Li + ions migrate from a cathode to an anode, and electrons generated as Li ionizes Moves to the anode, and moves in the opposite direction when charging. The driving force of this Li + ion movement is generated by the chemical stability depending on the potential difference between the two electrodes. The capacity (capacity, Ah) of the battery is determined by the amount of Li + ions moving from the cathode to the anode and from the anode to the cathode.

리튬 이온 배터리는 리튬치환(lithiation) 반응 시 리튬은 활성물질에 첨가되고, 탈리튬(delithiation) 반응시 리튬 이온은 활성물질로부터 제거된다. 현재 리튬이온 배터리에 적용되는 음극(anode)들의 대부분은 충전 및 방전시 리튬 삽입(intercalation) 및 탈리(de-intercalation) 기작에 의해 작동한다. 흑연, 리튬티타늄 옥사이드(LTO) 및 Si 또는 Si 합금 등이 있다. In a lithium ion battery, lithium is added to the active material during a lithium ion-exchange reaction, and lithium ions are removed from the active material during a delithiation reaction. Currently, most of the anodes that are applied to lithium-ion batteries operate by means of lithium intercalation and de-intercalation mechanisms during charging and discharging. Graphite, lithium titanium oxide (LTO) and Si or Si alloys.

리튬 삽입 또는 리튬의 탈리의 사이클링에 따라 입자 용적의 팽창 또는 감소가 유발되며, 리튬 이온과 음극 물질의 반응에 의한 새로운 상이 생성될 수 있다. 이로 인해 입자의 분해, 분쇄(pulverization) 또는 크래킹(cracking)이 발생하거나 음극과 전해액 계면에서의 부반응에 의해 자발적인 SEI(Solid Electrolyte Interphase)층이 생성되며, 이는 전극의 수명 및 열안정성에 악영향을 끼칠 수 있다.Cycling of lithium insertion or lithium elimination causes expansion or reduction of the particle volume, and a new phase due to the reaction of the lithium ion and the negative electrode material can be generated. As a result, particle decomposition, pulverization or cracking occurs, or a spontaneous SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer is formed due to a side reaction at the cathode and the electrolyte interface, which may adversely affect the lifetime and thermal stability of the electrode. .

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은리튬 이차 전지의 음극과 전해액 계면에서의 부반응을 억제하기 위하여 인위적인 SEI층을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art, it is an object of the present invention to provide a method of forming an artificial SEI layer in order to suppress side reactions at the cathode and the electrolyte interface of a lithium secondary battery.

또한 본 발명은 삽입/탈리 사이클링에서 장수명 및 높은 열안정성을 보장할 수 있는 인위적인 SEI층을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method for forming an artificial SEI layer capable of ensuring long life and high thermal stability in an insert / tear-off cycle.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, Li 소스, Ti소스 및 Si 소스를 유기 용매에 혼합하는 단계; 상기 혼합 용액을 건조 및 분쇄하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 600~650℃의 온도에서 열처리하여 상기 Li 소스 및 Ti 소스로부터 유래된 LTO를 합성하는 단계를 포함하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: mixing an Li source, a Ti source, and a Si source into an organic solvent; Drying and pulverizing the mixed solution; And heat-treating the mixed solution at a temperature of 600 to 650 ° C to synthesize LTO from the Li source and Ti source.

본 발명에서 상기 LTO는 Li4Ti5O12를 포함하는 것이 바람직하다. In the present invention, the LTO preferably includes Li 4 Ti 5 O 12 .

본 발명에서 상기 열처리 단계는 불활성 분위기에서 수행될 수 있다. 이 때, 상기 불활성 분위기는 Ar분위기인 것이 바람직하다. In the present invention, the heat treatment step may be performed in an inert atmosphere. At this time, the inert atmosphere is preferably an Ar atmosphere.

본 발명에서 상기 열처리 단계는 환원 분위기에서 수행되는 것이 바람직하고, 상기 환원 분위기는 수소와Ar의 혼합 가스 분위기일 수 있다. In the present invention, the heat treatment step is preferably performed in a reducing atmosphere, and the reducing atmosphere may be a mixed gas atmosphere of hydrogen and Ar.

본 발명에서 상기 LTO-Si 음극재는 Si 분말의 표면에 LTO가 코팅된 것일 수 있다. In the present invention, the LTO-Si negative electrode material may be coated with LTO on the surface of the Si powder.

또한 본 발명에서 상기 Si은 다공성나노 Si인 것이 바람직하다.In the present invention, the Si is preferably porous nano-Si.

본 발명에 따르면, 음극과 전해액 계면에서의 부반응을 억제하기 위하여 인위적인 SEI층을 형성한다. 이에 따라, 흡장/탈흡장 사이클링에서 장수명 및 높은 열안정성을 보장할 수 있는 리튬 이차전지의 제조가 가능하게 된다. According to the present invention, an artificial SEI layer is formed to suppress side reactions at the cathode and the electrolyte interface. This makes it possible to manufacture a lithium secondary battery that can ensure long life and high thermal stability in the occlusion / dehumidification cycling.

도 1은 본 발명의 음극재를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 전술한 음극재의 제조 방법을 개략적으로 도시한 절차도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 각각 실험예 1 및 2에 따라 제조된 Si-LTO 분말의 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1 및 2에 따라 제조된 Si-LTO 분말의 X선 회절 패턴이다.
도 5는본 발명의 실시예에 따라 제조된 전지 샘플의 충방전 전위에 따른 충방전 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 샘플의 고율 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 샘플의 사이클 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a view schematically showing an anode material of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing the above-described anode material according to an embodiment of the present invention.
3 (a) and 3 (b) are electron micrographs of Si-LTO powder prepared according to Experimental Examples 1 and 2, respectively.
4 is an X-ray diffraction pattern of Si-LTO powder prepared according to Experimental Examples 1 and 2 of the present invention.
5 is a graph showing changes in charge / discharge capacity depending on charge / discharge potentials of a battery sample manufactured according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the results of measurement of high-rate characteristics of a sample manufactured according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the results of measurement of cycle characteristics of a sample manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 음극재를 모식적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing an anode material of the present invention.

도 1을 참조하면, 음극재(100)는 실리콘 입자(110)와 그 표면에 코팅된 인위적인 SEI층(120)을 포함한다. 상기 SEI층(120)은 높은 리튬 이온전도도를 가지고 있어야 하며, 전해액 분해 반응이 일어나지 않도록 비교적 높은 산화환원(redox) 전위(~1V)를 구비한다.Referring to FIG. 1, an anode material 100 includes silicon particles 110 and an artificial SEI layer 120 coated on the surface thereof. The SEI layer 120 should have a high lithium ion conductivity and have a relatively high redox potential (~1 V) to prevent electrolyte decomposition reaction.

본 발명에서 상기 SEI층은 높은 이온 전도도로 Li 이온에 대한 충전 채널을 제공하여 Li 이온이 코어 Si에 원활히 공급되게 한다. 상기 SEI층은 LTO(Litium Titanium Oxide)로 구현된다.상기 LTO로는 충방전시 결정 구조의 변화가 저고 가역성이 우수한 Li0 .8Ti2 .2O4, Li8Ti4O12, LiTi2O4, Li4Ti5O12, Li4Ti5O12등이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 본 발명에서는 높은 이온 전도도를 갖는 Li4Ti5O12가 사용되는 것이 좋다. In the present invention, the SEI layer provides a filling channel for Li ions with a high ion conductivity, so that Li ions are supplied to the core Si smoothly. The SEI layer is implemented with LTO (Litium Titanium Oxide). The LTO has a structure in which changes in crystal structure during charging and discharging are low and reversible, Li 0 .8 Ti 2 .2 O 4 , Li 8 Ti 4 O 12 , LiTi 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O 12, and the like. More preferably, Li 4 Ti 5 O 12 having a high ionic conductivity is used in the present invention.

본 발명에서 인위적인 SEI층은 다음과 같은 기능을 수행한다. 먼저, 인위적인 SEI층은 충방전시 Li 이온과 Si과의 원하지 않는 부반응에 의한 부산물의 생성을 억제한다. 의도하지 않은 반응 부산물은 입자의 분해, 분쇄(pulverization) 또는 크래킹(cracking)을 유발하고, 또한 반응 부산물의 조성 및 두께 등의 불균일성으로 인해 전극의 안정성에 악영향을 끼칠 수 있다. 본 발명의 인위적인 SEI층은 높은 이온 전도도로 충방전 채널을 제공하며, 안정된 합성층을 제공함으로써 부반응에 의해 음극재와 Li 이온이 반응하는 것을 방지한다. In the present invention, the artificial SEI layer performs the following functions. First, an artificial SEI layer suppresses the formation of by-products due to undesired side reactions of Li ions and Si during charge and discharge. Unintended reaction byproducts cause decomposition, pulverization or cracking of the particles, and may adversely affect the stability of the electrode due to non-uniformity such as composition and thickness of reaction by-products. The artificial SEI layer of the present invention provides a charge / discharge channel with a high ionic conductivity and provides a stable composite layer, thereby preventing the anode material from reacting with Li ions due to side reactions.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 전술한 음극재의 제조 방법을 개략적으로 도시한 절차도이다. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing the above-described anode material according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 유기 용매에서 LI, Ti, Si의 소스로 Li 전구체, Ti전구체 및 나노 Si 전구체를교반하여 혼합 용액을 제조한다(S110).Referring to FIG. 2, a Li precursor, a Ti precursor, and a nano Si precursor are mixed with a source of LI, Ti, and Si in an organic solvent to prepare a mixed solution (S110).

Li 및 Ti 전구체로는 임의의 형태의 금속 전구체가 사용될 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 리튬 전구체로는 리튬아세테이트(CH3COOLi), lithium hydroxide(LiOH) 등이 사용될 수 있다, Ti 전구체로는 티타늄 프로폭사이드(Ti(OCH(CH3)2)4), Titanium butoxide 등이 사용될 수 있다. Li 및/또는 Ti 전구체에 포함된 산소는 LTO 합성을 위한 산소 소스로 작용한다. 본 발명에서는 Li, Ti 소스로 화합물 형태의 금속 전구체가 사용되는 경우를 예시하였지만, 본 발명에서 금속 분말을 직접 사용하는 것도 가능하다.본 발명에서 Si 전구체로는 다공성 Si 분말이 사용된다. 바람직하게는 상기 다공성 Si 분말은 나노 크기의 분말인 것이 바람직하다. As the Li and Ti precursors, any type of metal precursor may be used. For example, the lithium precursor in the present invention includes lithium acetate (CH 3 COOLi) lithium hydroxide (LiOH) and the like can be used. As the Ti precursor, titanium propoxide (Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 ), Titanium butoxide Etc. may be used. The oxygen contained in the Li and / or Ti precursors serves as an oxygen source for LTO synthesis. In the present invention, a metal precursor in the form of a compound is used as a Li and Ti source, but it is also possible to use a metal powder directly in the present invention. As the Si precursor in the present invention, a porous Si powder is used. Preferably, the porous Si powder is a nano-sized powder.

본 발명에서 사용되는 전구체에 따라 적절한 유기 용매가 사용될 수 있다. Suitable organic solvents may be used depending on the precursor used in the present invention.

본 발명에서, 혼합 용액의 제조에 사용되는 전구체는 다양한 방식으로 혼합될 수 있다. 예를 들어, Li 전구체와 에틸 알코올을 혼합 및 교반하고, 이어서 나노 Si 분말 및 Ti전구체가 각각 혼합 및 교반될 수 있다. 물론, 이와 달리 Li 전구체, Ti전구체 및 Si 나노 분말이 동시에 혼합 및 교반되어도 무방하다. 혼합 용액의 제조는 임의의 교반기(stirrer)에서 적절한 속도 예컨대 500~2000 rpm의 속도로 이루어질 수 있다. 혼합 용액은 상온에서 제조되어도 무방하다. In the present invention, the precursors used in the preparation of the mixed solution can be mixed in various ways. For example, the Li precursor and ethyl alcohol may be mixed and stirred, and then the nano Si powder and the Ti precursor may each be mixed and stirred. Alternatively, Li precursor, Ti precursor and Si nano powder may be mixed and stirred at the same time. The preparation of the mixed solution can be carried out at an appropriate rate, for example, 500 to 2000 rpm, on any stirrer. The mixed solution may be prepared at room temperature.

이어서, 혼합 용액을 대류 오븐과 같은 건조기에서 건조하고(S120), 건조된 혼합 분말을 유발 등을 이용하여 분쇄한다(S130). Subsequently, the mixed solution is dried in a dryer such as a convection oven (S120), and the dried mixed powder is pulverized using induction or the like (S130).

이어서, 혼합 분말을 열처리하여 Si 나노입자 표면에 LTO층이 형성된 음극재를 합성한다. 본 발명에서 합성될 LTO 조성에 따라 적절한 열처리 온도가 선택될 수 있다. 예컨대, Li4Ti5O12의 경우 열처리 온도는 600~650℃의 범위인 것이 바람직하다.Then, the mixed powder is heat-treated to synthesize an anode material having an LTO layer formed on the surface of Si nanoparticles. An appropriate heat treatment temperature can be selected according to the LTO composition to be synthesized in the present invention. For example, in the case of Li 4 Ti 5 O 12 , the heat treatment temperature is preferably in the range of 600 to 650 ° C.

또한, 본 발명에서 LTO층은 다양한 분위기에서 합성될 수 있다. 예컨대, LTO층은 Ar과 같은 불활성 가스 분위기나 수소를 포함하는 환원 분위기에서 합성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, LTO층은 환원 분위기에서 합성되는 것이 바람직하다.
Further, the LTO layer in the present invention can be synthesized in various atmospheres. For example, the LTO layer can be synthesized in an inert gas atmosphere such as Ar or a reducing atmosphere containing hydrogen. As described later, the LTO layer is preferably synthesized in a reducing atmosphere.

<실험예1><Experimental Example 1>

CH3COOLi(시그마 알드리치사)을에틸알코올에 용매로 하여 1000 rpm의 교반기로 10분간 교반하여 용액을 제조하였다. 이어서, 이 용액에 평균 입경이 100 nm인 다공성 Si 분말(시그마 알드리치사)을 혼합하여 1000 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 다음, 이 용액에 Ti(OCH(CH3)2)4(시그마 알드리치사)를 혼합하여 상온 700 rpm에서 2시간 교반하였다. 전술한 혼합 및 교반 공정은 상온에서 수행하였다. 본 실험에서 Li 전구체 내의 Li, Ti 전구체 내의 Ti 및 Si의 g수는 0.311:1.083:0.65의 비율로 칭량하였다.CH 3 COOLi (Sigma Aldrich) was used as a solvent in ethyl alcohol and stirred for 10 minutes with a stirrer at 1000 rpm to prepare a solution. Subsequently, a porous Si powder (Sigma Aldrich) having an average particle diameter of 100 nm was mixed with this solution, and the mixture was stirred at 1000 rpm for 1 hour. Next, Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 (Sigma Aldrich) was added to this solution, and the mixture was stirred at a room temperature of 700 rpm for 2 hours. The above mixing and stirring processes were carried out at room temperature. In this experiment, the g numbers of Ti and Si in Li and Ti precursors in the Li precursor were weighed at a ratio of 0.311: 1.083: 0.65.

제조된 혼합 용액을 70℃의 대류 오븐에서 12시간 건조하였다. 건조된 분말을 유발로 분쇄 및 혼합하였다. 이어서, 610℃, Ar 분위기에서 12시간 열처리하여 Si-LTO 분말을 제조하였다.
The prepared mixed solution was dried in a convection oven at 70 캜 for 12 hours. The dried powder was pulverized and mixed with triglyceride. Subsequently, the Si-LTO powder was heat-treated at 610 캜 in an Ar atmosphere for 12 hours.

<실험예2><Experimental Example 2>

실시예 1과 마찬가지 조성 및 제조 조건으로 Li 전구체, Ti전구체 및 나노 Si 분말의 혼합 용액을 제조하고 건조 및 열처리하여 Si-LTO 분말을 제조하였다. 본 실시예에서는 610℃ H2(5%)/Ar 분위기에서 12시간 열처리하여 Si-LTO 분말을 제조하였다.
Si-LTO powder was prepared by preparing a mixed solution of Li precursor, Ti precursor and nano Si powder under the same composition and manufacturing conditions as in Example 1, followed by drying and heat treatment. In this embodiment, Si-LTO powder was prepared by heat treatment at 610 ° C in H2 (5%) / Ar atmosphere for 12 hours.

도 3의 (a) 및 (b)는 각각실험예 1 및 2에 따라 제조된 Si-LTO 분말의 전자현미경 사진이다.3 (a) and 3 (b) are electron micrographs of Si-LTO powder prepared according to Experimental Examples 1 and 2, respectively.

도 3을 참조하면, 평균 입경이 130~200nm인 균일한 크기의 구형 분말이 수득됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that a spherical powder of uniform size having an average particle diameter of 130 to 200 nm is obtained.

도 4는 실험예 1 및 2에 따라 제조된 Si-LTO 분말의 X선 회절 패턴이다. 도 4의 (c)에 Si 전구체로 사용된 나노Si 분말의 XRD 패턴을 함께 나타내었다.4 is an X-ray diffraction pattern of the Si-LTO powder prepared according to Experimental Examples 1 and 2. Fig. FIG. 4 (c) also shows the XRD pattern of the nano Si powder used as the Si precursor.

도 4를 참조하면, 합성된 Si-LTO는 대부분이 Si로 이루어짐을 알 수 있고, Li4Ti5O12 피크(LTO)가 관찰되고 있다. 또한, 일부 TiO2 피크 또한 관찰되고 있다. 또한, Ti-Si-O나 Si-Li-O와 같은 Si의 합금이나 화합물 피크는 관찰되지 않았다. 그러므로, 열처리 온도에서는 원료 분말에 포함된 Ti과 Li이 Si과 반응 생성물을 생성하지 않음을 알 수 있다.
Referring to FIG. 4, it can be seen that the synthesized Si-LTO is mostly composed of Si, and Li 4 Ti 5 O 12 Peak (LTO) is observed. In addition, some TiO 2 peaks are also observed. No alloy or compound peak of Si such as Ti-Si-O or Si-Li-O was observed. Therefore, at the heat treatment temperature, it can be seen that Ti and Li contained in the raw material powder do not generate a reaction product with Si.

한편, EDS 맵핑 데이터를 관찰한 결과 Si의 표면 상에 LTO가 골고루 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
On the other hand, observing EDS mapping data, it was confirmed that LTO was uniformly coated on the surface of Si.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

실험예 1에 의해 제조된 Si-LTO 분말을음극 활물질로 하여 음극을 제조하였다. 바인더로는 PAA(Poly Acrylic Acid)-CMC(CarboxymethylcelluloseSodium Salt)를 사용하였고, 도전재로는 SPB(Super P Black)을 사용하였다. The negative electrode was prepared using the Si-LTO powder prepared in Experimental Example 1 as a negative active material. PAA (Polyacrylic Acid) -CMC (Carboxymethylcellulose Sodium Salt) was used as the binder and SPB (Super P Black) was used as the conductive material.

증류수를 용매로 음극재, 바인더 및 도전재를중량비 6:2:2로 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 집전체로 사용된 Cu 호일의 단면에 슬러리를 도포하였다. 이어서, 약 100℃의 오븐에서 2시간 동안 건조하였다. 이 때, 만들어진 극판의 두께는 대략 30~35 um였다. 제조된 Si-LTO 음극재를 직경 14mm로 성형하여 전극을 제조하였다. The slurry was prepared by mixing distilled water as a solvent with an anode material, a binder and a conductive material in a weight ratio of 6: 2: 2, and then slurry was applied to the cross section of the Cu foil used as the current collector. Then, it was dried in an oven at about 100 DEG C for 2 hours. At this time, the thickness of the formed electrode plate was approximately 30 to 35 μm. The prepared Si-LTO anode material was molded into a 14 mm diameter electrode.

직경 16mm인 Li 금속 플레이트, 분리막 및 Si-LTO 전극, 스테인레스스틸 플레이트 및 스프링을 적층하여 코인 셀(2032)을 제조하였다. 이 때, 전해질로는 EC(ethylene carbonate)/DEC(diethyl carbonate)/EMC(ethylmethyl carbonate)가 부피비로 3:5:2으로 함유되고 10wt% FEC로 이루어진 혼합물로된 1M LiPF6의 전해액을 사용하였다. A coin cell 2032 was fabricated by laminating a Li metal plate having a diameter of 16 mm, a separation membrane and a Si-LTO electrode, a stainless steel plate and a spring. At this time, a 1M LiPF 6 electrolyte solution containing a mixture of EC (ethylene carbonate) / DEC (diethyl carbonate) / EMC (ethylmethyl carbonate) in a volume ratio of 3: 5: 2 and 10 wt% FEC was used as the electrolyte .

제조된 코인 셀 샘플을 사용하여 전기화학적 특성을 측정하였다. 도요(Toyo)사의 T-3100를 사용하여, 초기 충방전특성(Cut off voltage : 0.005~2V, C-rate : 0.05C (charge/discharge)), 고율 특성(Cut off voltage : 0.01~1.2V, C-rate: 0.1C (First cycle/ 0.05C)), 전극 수명 특성(Cut off voltage : 0.01~1.2V, C-rate : 0.1C(charge/discharge))을 측정하였다.The prepared coin cell sample was used to measure electrochemical properties. (C-rate: 0.05 C (charge / discharge)) and high-rate characteristics (Cut off voltage: 0.01 to 1.2 V, (C-rate: 0.1 C (first cycle / 0.05 C)) and electrode life characteristics (cut off voltage: 0.01 to 1.2 V, C-rate: 0.1 C (charge / discharge)).

또한, 충전 전후의 전극 두께의 변화를 측정하여 전극 팽창율을 계산하였다. 팽창율 측정에서 충전 조건은 컷 오프 전압(Cut off voltage)은 0.005V, C-rate는 0.05C로 하였다.
The change in electrode thickness before and after charging was measured to calculate the rate of electrode expansion. In the expansion rate measurement, the cut off voltage and the C-rate were set to 0.005 V and 0.05 C, respectively.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

실험예 2에 의해 제조된 Si-LTO 분말을 음극 활물질로 한 점을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 음극 및 코인 셀 샘플을 제조하고 그 특성을 측정하였다.
A negative electrode and a coin cell sample were prepared and the characteristics thereof were measured in the same manner as in Example 1, except that the Si-LTO powder prepared in Experimental Example 2 was used as a negative electrode active material.

<비교예><Comparative Example>

실시예와의 비교를 위하여, Si-LTO를 대신하여 Si 나노 분말로 음극 활물질로 제조한 점을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 음극 및 코인 셀 샘플을 제조하고, 그 특성을 측정하였다.
For comparison with the examples, negative electrode and coin cell samples were prepared and measured for their properties, as in Example 1, except that instead of Si-LTO, the Si nanopowder was made of the negative electrode active material.

표 1은 실시예 및 비교예의 초기 충방전 용량과 충방전 효율을 나타낸 표이고, 도5는충방전 전위에 따른 충방전 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.Table 1 shows the initial charge / discharge capacities and charge / discharge efficiencies of Examples and Comparative Examples, and FIG. 5 is a graph showing changes in charge / discharge capacity according to the charge discharge potential.

구분division 충전 용량
(mAh/g)
Charging capacity
(mAh / g)
방전 용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh / g)
효율(%)efficiency(%)
비교예Comparative Example 1938.511938.51 1733.071733.07 89.489.4 실시예 1Example 1 1364.641364.64 1251.621251.62 91.791.7 실시예 2Example 2 1351.901351.90 1237.511237.51 91.491.4

표 1로부터 실시예 1의 샘플(LTO-nano Si) 및 실시예 2의 샘플(R-LRO-nano Si)이 비교예의 샘플(Ref. nano-Si)에 비해 높은 초기 효율을 나타냄을 알 수 있다. It can be seen from Table 1 that the sample of Example 1 (LTO-nano Si) and the sample of Example 2 (R-LRO-nano Si) show higher initial efficiency than the sample of Comparative Example (Ref. Nano-Si) .

도 6은 실시예 및 비교예 샘플의 고율 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the results of measurement of the high rate characteristics of the samples of the example and the comparative example.

고율 특성(10C/0.2C)은 실시예1(LTO-nano Si) 및 실시예2(R-LRO-nano Si)의 경우 비교예(ref. Nano-Si)에 비해 각각 33.6% 및 40.5% 개선된 결과를 나타내었다. 특히 환원 분위기 열처리에서 제조된 실시예2의 경우 실시예1에 비해 우수한 고율 특성을 나타냄을 알 수 있다. The high-rate characteristics (10C / 0.2C) were 33.6% and 40.5% higher than those of the comparative example (ref. Nano-Si) in Example 1 (LTO-nano Si) and Example 2 (R-LRO- Respectively. In particular, Example 2 produced by a heat treatment in a reducing atmosphere shows excellent high-rate characteristics as compared with Example 1.

도 7은 실시예 및 비교예 샘플의 사이클 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the results of measurement of cycle characteristics of the samples of the examples and comparative examples.

도 7로부터 환원 열처리를 진행한 실시예2(R-LTO-nano-Si) 샘플의 경우 전극 수명 특성이 가장 우수한 것을 알 수 있다. From FIG. 7, it can be seen that the electrode lifetime characteristics are most excellent in the case of the sample 2 (R-LTO-nano-Si) subjected to the reduction heat treatment.

표 2는 충전 전후의 전극 팽창율 측정 결과를 표이다. 표 2를 참조하면, 전극 팽창율(%)은 실시예2<실시예1<비교예의 순으로 나타났다. 단위 충전량으로 정규화 한 팽창율((%/mAhg-1))은 이와 같은 경향을 잘 보여주고 있다. 즉, RTO 코팅에 의해 전극의 팽창이 억제되며, 환원 분위기에서 합성한 실시예2의 경우에는 불활성 분위기에서 합성한 실시예1에 비해 개선된 특성을 나타내고 있다.Table 2 shows the results of measurement of the rate of electrode expansion before and after charging. Referring to Table 2, the rate of electrode expansion (%) was in the order of Example 2 <Example 1 <Comparative Example. The expansion ratio ((% / mAhg -1 )) normalized by the unit charge amount shows such tendency. That is, expansion of the electrode is suppressed by the RTO coating, and in the case of Example 2 synthesized in a reducing atmosphere, it shows improved characteristics as compared with Example 1 synthesized in an inert atmosphere.

샘플Sample 충전량
(mAh/g)
Charge amount
(mAh / g)
충전전 두께
(㎛)
Thickness before filling
(탆)
충전후 두께
(㎛)
Thickness after filling
(탆)
팽창율(%)Expansion ratio (%) 팽창율
(%/mAhg-1)
Expansion ratio
(% / mAhg- 1 )
비교예Comparative Example 19541954 4040 9191 127.5127.5 0.0650.065 실시예1Example 1 13831383 4545 6767 48.948.9 0.0350.035 실시예2Example 2 13781378 4646 6464 39.539.5 0.0280.028

Claims (8)

Li 소스, Ti소스 및 Si 소스를 유기 용매에 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 건조 및 분쇄하는 단계; 및
상기 혼합 용액을 600~650℃의 온도에서 열처리하여 상기 Li 소스 및 Ti 소스로부터 유래된 LTO를 합성하는 단계를 포함하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.
Mixing an Li source, a Ti source, and an Si source into an organic solvent;
Drying and pulverizing the mixed solution; And
And heat-treating the mixed solution at a temperature of 600 to 650 ° C to synthesize LTO from the Li source and the Ti source.
제1항에 있어서,
상기 LTO는 Li4Ti5O12인 것을 특징으로 하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the LTO is Li 4 Ti 5 O 12 .
제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는 불활성 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment step is performed in an inert atmosphere. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 15. &lt; / RTI &gt;
제3항에 있어서, 상기 불활성 분위기는 Ar분위기인 것을 특징으로 하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.4. The method for producing an LTO-Si-based anode material according to claim 3, wherein the inert atmosphere is an Ar atmosphere. 제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는 환원 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment step is performed in a reducing atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 열처리 단계의 환원 분위기는 수소와 Ar의 혼합 가스 분위기인 것을 특징으로 하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reducing atmosphere in the heat treatment step is a mixed gas atmosphere of hydrogen and Ar.
제1항에 있어서,
상기 LTO-Si 음극재는 Si 분말의 표면에 LTO가 코팅된 것을 특징으로 하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the LTO-Si negative electrode material is coated with LTO on the surface of the Si powder.
제1항에 있어서,
상기 Si은 다공성나노 Si인 것을 특징으로 하는 LTO-Si계 음극재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the Si is porous nano Si. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
KR1020140136194A 2014-10-08 2014-10-08 Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment Withdrawn KR20160042357A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140136194A KR20160042357A (en) 2014-10-08 2014-10-08 Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140136194A KR20160042357A (en) 2014-10-08 2014-10-08 Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160042357A true KR20160042357A (en) 2016-04-19

Family

ID=55917082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140136194A Withdrawn KR20160042357A (en) 2014-10-08 2014-10-08 Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160042357A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180056246A (en) * 2016-11-18 2018-05-28 한국전기연구원 Manufacturing methods of composite cathode material for lithium secondary batteries and composite cathode material manufactured by the method
CN111180663A (en) * 2018-11-13 2020-05-19 北方奥钛纳米技术有限公司 Negative electrode material and preparation method thereof, negative plate and lithium ion battery
CN115925438A (en) * 2022-11-02 2023-04-07 南大恩洁优环境技术(江苏)股份公司 Preparation method of high-temperature-resistant corrosion-resistant composite coating for RTO (room temperature vulcanization)
KR20250021820A (en) 2023-08-07 2025-02-14 (주) 딥스마텍 Negative electrode material for secondary battery including polymer protective layer and manufacturing method thereof
KR20250137816A (en) 2024-03-12 2025-09-19 경상국립대학교산학협력단 Lithium ion battery anode composition containing a coating layer, method of manufacturing the same, and lithium secondary battery comprising the same

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180056246A (en) * 2016-11-18 2018-05-28 한국전기연구원 Manufacturing methods of composite cathode material for lithium secondary batteries and composite cathode material manufactured by the method
CN111180663A (en) * 2018-11-13 2020-05-19 北方奥钛纳米技术有限公司 Negative electrode material and preparation method thereof, negative plate and lithium ion battery
CN115925438A (en) * 2022-11-02 2023-04-07 南大恩洁优环境技术(江苏)股份公司 Preparation method of high-temperature-resistant corrosion-resistant composite coating for RTO (room temperature vulcanization)
CN115925438B (en) * 2022-11-02 2023-10-13 南大恩洁优环境技术(江苏)股份公司 Preparation method of high-temperature-resistant corrosion-resistant composite coating for RTO
KR20250021820A (en) 2023-08-07 2025-02-14 (주) 딥스마텍 Negative electrode material for secondary battery including polymer protective layer and manufacturing method thereof
KR20250137816A (en) 2024-03-12 2025-09-19 경상국립대학교산학협력단 Lithium ion battery anode composition containing a coating layer, method of manufacturing the same, and lithium secondary battery comprising the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6543726B2 (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery, method of manufacturing the same, and lithium secondary battery including the same
KR100493960B1 (en) Preparation method for porous silicon and nano-sized silicon powder, and application for anode material in lithium secondary batteries
JP5716093B2 (en) Positive electrode active material for lithium ion capacitor and method for producing the same
JP6057402B2 (en) Electrode active material, method for producing the same, and lithium ion battery
KR101383360B1 (en) Positive active material for lithium ion capacitor and preparation method thereof
KR102157404B1 (en) Lmfp cathode materials with improved electrochemical performance
US20120135311A1 (en) Li4Ti5O12, Li(4-alpha)ZalphaTi5O12 OR Li4ZbetaTi(5-beta)O12 PARTICLES, PROCESSES FOR OBTAINING SAME AND USE AS ELECTROCHEMICAL GENERATORS
KR101972187B1 (en) Structurally stable active material for battery electrodes
CN109952671A (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery, method for producing the same, electrode comprising the same, and lithium secondary battery comprising the same
CN111095626B (en) Negative active material for lithium secondary battery and method for preparing same
KR20160032664A (en) All solid lithium ion secondary battery
JP5478693B2 (en) Positive electrode active material for secondary battery and method for producing the same
KR20120010211A (en) Porous silicon-based compound or porous silicon, a method of manufacturing the same, and a negative electrode active material and a lithium secondary battery for a lithium secondary battery comprising the same
JP2012185979A (en) Method for manufacturing electrode active material
KR20030032220A (en) Negative active material for lithium secondary battery and method of preparing same
KR101554944B1 (en) The preparing method of lithium iron phosphate cathode active materials, the lithium iron phosphate cathod acive materials thereby and the secondary battery using the same
JP5716269B2 (en) Positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery
KR20200029803A (en) Positive electrode active material for rechargable lithium battery, method for manufacturing the same, and rechargable lithium battery including the same
CN116417617B (en) Positive electrode material, positive electrode sheet, sodium ion secondary battery and electricity utilization device
KR102176590B1 (en) Method of preparing anode active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery
KR20160144831A (en) Composite for anode active material, anode including the composite, lithium secondary battery including the anode, and method of preparing the composite
KR20160042357A (en) Manufacturing Methods of Silicon Anode withLTO-Coating in Reduced Environment
KR102479063B1 (en) Porous Silicon Or Silicon Alloy Anode With Coating For Intercalation/ De-intercalation Of Lithium Ions And Manufacturing Methods Thereof
WO2013146207A1 (en) Electrode active material, lithium-ion battery, electrode active material discharge state detection method, and electrode active material manufacturing method
JP6143216B2 (en) Method for producing positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

St.27 status event code: A-0-1-A10-A12-nap-PA0109

PN2301 Change of applicant

St.27 status event code: A-3-3-R10-R13-asn-PN2301

St.27 status event code: A-3-3-R10-R11-asn-PN2301

PG1501 Laying open of application

St.27 status event code: A-1-1-Q10-Q12-nap-PG1501

P22-X000 Classification modified

St.27 status event code: A-2-2-P10-P22-nap-X000

PC1203 Withdrawal of no request for examination

St.27 status event code: N-1-6-B10-B12-nap-PC1203

WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid
R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-3-3-R10-R18-oth-X000

P22-X000 Classification modified

St.27 status event code: A-2-2-P10-P22-nap-X000

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-3-3-R10-R18-oth-X000

P22-X000 Classification modified

St.27 status event code: A-2-2-P10-P22-nap-X000