리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
NEGATIVE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGABLE LITHIUM BATTERY, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND RECHARGABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME
특허 요약
리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 다수의 실리콘 나노 입자가 집합된 2차 입자; 및 상기 2차 입자 내 공극에 분포된 금속 입자;를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
청구항
번호청구항
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제1항에 있어서, 상기 2차 입자에 대한 상기 금속 입자의 중량 비율(실리콘 나노 입자: 금속 입자)은,10:1 내지 1:10인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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제1항에 있어서, 상기 코팅층의 두께는,5 내지 50 ㎚인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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제1항에 있어서, 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 기공도는,상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 전체 부피(100 부피%)에서, 상기 공극이 30 내지 60 부피%인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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제1항에 있어서, 상기 리튬 이차 전지용 음극 활물질 내 공극의 직경은,50 내지 500 ㎚인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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제1항에 있어서.상기 실리콘 나노 입자의 직경은,50 내지 150 ㎚인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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다수의 실리콘 나노 입자가 집합된 2차 입자; 상기 2차 입자 내 공극에 분포된 다수의 금속 입자; 및상기 2차 입자의 표면에 위치하는 코팅층;을 포함하되,상기 다수의 금속 입자는, 다수의 구리(Cu) 입자 및 다수의 철(Fe) 입자를 포함하고,상기 다수의 금속 입자 중 일부는, 상기 다수의 실리콘 나노 입자 중 일부와 합금을 형성한 것이고,상기 코팅층은, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀(graphene)을 포함하는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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제1항에 있어서, 상기 2차 입자의 직경은,1 내지 10 ㎛인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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제1항에 있어서, 상기 2차 입자 및 상기 금속 입자의 총 중량 100 중량부에 대해, 상기 코팅층은 5 내지 15 중량부인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질.

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실리콘 나노 입자를 준비하는 단계;상기 실리콘 나노 입자와 금속 전구체 물질을 혼합하는 단계;상기 혼합된 실리콘 나노 입자와 금속 전구체 물질을 열간 분무하여 산화금속-실리콘 복합체를 수득하는 단계; 및 상기 산화금속-실리콘 복합체를 열처리하여, 음극 활물질을 수득하는 단계; 및상기 수득된 음극 활물질의 표면에, 탄소계 물질을 포함하는 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하되,상기 금속 전구체 물질은, 구리(Cu) 화합물 및 철(Fe) 화합물을 포함하는 것이고,상기 혼합된 실리콘 나노 입자와 금속 전구체 물질을 열간 분무하여 산화금속-실리콘 복합체를 수득하는 단계;에서, 다수의 실리콘 나노 입자가 집합된 2차 입자가 형성되고, 상기 2차 입자 내 공극에 다수의 산화금속 입자가 분포된 산화금속-실리콘 복합체가 수득되고,상기 산화금속-실리콘 복합체를 열처리하여 음극 활물질을 수득하는 단계; 에서, 상기 산화금속-실리콘 복합체 내 다수의 산화금속 입자가 다수의 금속 입자로 환원됨과 동시에, 상기 다수의 금속 입자 중 일부가 상기 다수의 실리콘 나노 입자 중 일부와 합금을 형성하여, 상기 음극 활물질로 수득되고,상기 다수의 금속 입자는 다수의 구리(Cu) 입자 및 다수의 철(Fe) 입자를 포함하며상기 수득된 음극 활물질의 표면에, 탄소계 물질을 포함하는 코팅층을 형성시키는 단계;를에서, 상기 다수의 구리(Cu) 입자가 그래핀(graphene)을 성장시키는 촉매로 기능하고, 상기 다수의 철(Fe) 입자는 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 성장시키는 촉매로 기능하여, 그래핀 및 탄소 나노튜브를 포함하는 코팅층이 형성되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제15항에 있어서, 상기 실리콘 나노 입자와 금속 전구체 물질을 혼합하는 단계; 에서,상기 실리콘 나노 입자에 대한 금속 전구체 물질의 중량비는(금속 전구체 물질: 실리콘 나노 입자),10:1 내지 1:10인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제15항에 있어서, 상기 혼합된 실리콘 나노 입자와 금속 전구체 물질을 열간 분무하여 산화금속-실리콘 복합체를 수득하는 단계;는,150 내지 300 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제15항에 있어서, 상기 산화금속-실리콘 복합체를 열처리하여, 음극 활물질을 수득하는 단계;는,350 내지 450 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제15항에 있어서, 상기 실리콘 나노 입자를 준비하는 단계;는,상기 실리콘 나노 입자의 원료 물질을 열분해(thermal decomposition)하는 단계;인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제15항에 있어서, 상기 실리콘 나노 입자의 원료 물질은,SiH4인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제15항에 있어서, 상기 수득된 음극 활물질의 표면에, 탄소계 물질을 포함하는 코팅층을 형성시키는 단계;는,탄소계 전구체를 사용하여 화학적 기상 증착법(CVD process)으로 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제23항에 있어서, 상기 수득된 음극 활물질의 표면에, 탄소계 물질을 포함하는 코팅층을 형성시키는 단계;는,850 내지 950 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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음극;양극; 및전해질;을 포함하고,상기 음극은, 제1항, 제5항 내지 제9항, 및 제11항 내지 제12항 중 어느 하나에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 것인,리튬 이차 전지.