리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
NEGATIVE ELECTRODE 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 것으로서, 구체적으로, 비정질 탄소로 이루어진 코어; 상기 코어의 표면 상에 위치하고, 무정형(amorphous) 실리콘 및 결정형(Crystalline) 실리콘을 포함하는 실리콘 막; 및 상기 실리콘 막의 표면 상에 형성된 탄소계 코팅층;을 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 제공할 수 있고, 비정질 탄소로 이루어진 코어를 제조하는 단계; 상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계; 상기 중간체를 열처리하여, 상기 중간체의 표면에 탄소계 코팅층을 형성함과 동시에, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막의 일부에 결정형(Crystalline) 실리콘을 생성하는 단계; 및 [코어 - 무정형(amorphous) 실리콘 및 결정형(Crystalline) 실리콘을 포함하는 실리콘 막 - 탄소계 코팅층]의 구조를 이루는 최종 물질을 수득하는 단계;를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공할 수 있으며, 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
청구항
번호청구항
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제12항에 있어서,상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계;는,상기 코어의 표면 상에 실란(SiH4)을 증착시켜, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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비정질 탄소로 이루어진 코어를 제조하는 단계;상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계;상기 중간체를 열처리하여, 상기 중간체의 표면에 탄소계 코팅층을 형성함과 동시에, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막의 일부에 결정형(Crystalline) 실리콘을 생성하는 단계; 및[코어 - 무정형(amorphous) 실리콘 및 결정형(Crystalline) 실리콘을 포함하는 실리콘 막 - 탄소계 코팅층]의 구조를 이루는 최종 물질을 수득하는 단계;를 포함하며,상기 중간체를 열처리하여, 상기 중간체의 표면에 탄소계 코팅층을 형성함과 동시에, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막의 일부에 결정형(Crystalline) 실리콘을 생성하는 단계;는, 탄화수소 및 알곤(Ar)이 혼합된 기체 분위기에서 수행되는 것이고, 상기 혼합된 기체는 1 내지 20 중량%의 탄화수소 및 80 내지 99 중량%의 알곤(Ar)이 혼합된 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 최종 물질 내 실리콘 막은, 무정형(amorphous) 실리콘 막에 결정형(Crystalline) 실리콘이 분포된 형태인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 최종 물질 내 실리콘 막은, 무정형(amorphous) 실리콘 막의 표면에 결정형(Crystalline) 실리콘이 위치하는 형태인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 중간체를 열처리하여, 상기 중간체의 표면에 탄소계 코팅층을 형성함과 동시에, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막의 일부에 결정형(Crystalline) 실리콘을 생성하는 단계;는,탄화수소의 열분해에 의해 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제15항에 있어서,상기 탄화수소는,아세틸렌(C2H2), 메탄(CH4), 톨루엔(C7H8), 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 하나 이상인 것인, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 중간체를 열처리하여, 상기 중간체의 표면에 탄소계 코팅층을 형성함과 동시에, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막의 일부에 결정형(Crystalline) 실리콘을 생성하는 단계;는,3 분 내지 1시간 동안 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 중간체를 열처리하여, 상기 중간체의 표면에 탄소계 코팅층을 형성함과 동시에, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막의 일부에 결정형(Crystalline) 실리콘을 생성하는 단계;는,700 내지 950 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 중간체를 열처리하여, 상기 중간체의 표면에 탄소계 코팅층을 형성함과 동시에, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막의 일부에 결정형(Crystalline) 실리콘을 생성하는 단계;는,탄화수소 및 알곤(Ar)이 혼합된 기체 분위기에서 수행되는 것이고,상기 혼합된 기체의 유량은 50 내지 500 sccm인 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계;는,상기 코어의 표면 상에 실란(Silane)계 화합물을 증착시켜, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계;는,디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8), 테트라실란(Si4H10), 펜타실란 (Si5H12), 헥사실란(Si6H14), 헵타실란(Si7H16), 옥타실란(Si8H18), 노나실란(Si9H20), 데카실란(Si10H22), 및 이들의 혼합물을 포함하는, 고차 직쇄 실란(Higher Order Linear Silane) 군;2-실릴-트리실란(SiH3-Si(H)(SiH3)-SiH3), 2,2-디실릴-트리실란(SiH3-Si(SiH3)2-SiH3), 2-실릴-테트라실란(SiH3-Si(H)(SiH3)-SiH2-SiH3), 2,3-디실릴테트라실란(SiH3-SiH(SiH3)-SiH(SiH3)-SiH-3), 2,2-디실릴테트라실란(SiH3-Si(SiH3)2-SiH2-SiH3), 3-실릴펜타실란(SiH3-SiH2-SiH(SiH3)-SiH2-SiH3), 2-실릴펜타실란(SiH3-SiH(SiH3)-SiH2-SiH2-SiH3), 2,3-디실릴펜타실란(SiH3-SiH(SiH3)-SiH(SiH3)-SiH2-SiH3), 2,4-디실릴펜타실란(SiH3-SiH(SiH3)-SiH2-SiH(SiH3)-SiH3), 2-실릴헥사실란(SiH3-SiH(SiH3)-(SiH2)3SiH3), 3-실릴헥사실란(SiH3-SiH2-SiH(SiH3)-(SiH2)2SiH3),2,2-디실릴펜타실란(SiH3-Si(SiH3)2-(SiH2)2-SiH3), 3,3-디실릴펜타실란(SiH3-SiH2-Si(SiH3)2-SiH2-SiH3), 2,2,3-트리실릴테트라실란(SiH3-Si(SiH3)2-SiH(SiH3)- SiH3), 2-실릴헵타실란(SiH3-SiH(SiH3)-(SiH2)4-SiH3, 3-실릴헵타실란(SiH3-SiH2-SiH(SiH3)-(SiH2)3-SiH3, 4-실릴헵타실란(SiH3-(SiH2)2-SiH(SiH3)-(SiH2)2-SiH3, 2,2-디실릴헥사실란(SiH3-Si(SiH3)2-(SiH2)3-SiH3), 2,3-디실릴헥사실란(SiH3-SiH(SiH3)-SiH(SiH3)-(SiH2)2-SiH3), 2,4-디실릴헥사실란(SiH3-SiH(SiH3)-SiH2-SiH(SiH3)-SiH2-SiH3, 2,5-디실릴헥사실란 SiH3-SiH(SiH3)-(SiH2)2-SiH(SiH3)-SiH3, 3,3-디실릴헥사실란(SiH3-SiH2-Si(SiH3)2-(SiH2)2-SiH3), 3,4-디실릴헥사실란(SiH3-SiH2-SiH(SiH3)-SiH(SiH3)-SiH2-SiH3),2,2,3-트리실릴펜타실란(SiH3-Si(SiH3)2-SiH(SiH3)-SiH2-SiH3), 2,2,4-트리실릴펜타실란(SiH3-Si(SiH3)2-SiH2-SiH(SiH3)- SiH3), 2,3,3-트리실릴펜타실란(SiH3-SiH(SiH3)-Si(SiH3)2-SiH2-SiH3), 2,3,4-트리실릴펜타실란(SiH3-SiH(SiH3)-SiH(SiH3)-SiH(SiH3)-SiH3), 2,2,3,3-테트라실릴테트라실란(SiH3-Si(SiH3)2-Si(SiH3)2-SiH3), 및 이들의 혼합물을 포함하는, 고차 측쇄 실란(Higher Order Side Chain Silane) 군;시클로트리실란(Si3H6), 시클로테트라실란(Si4H8), 시클로펜타실란(Si5H10), 시클로헥사실란(Si6H10), 및 이들의 혼합물을 포함하는, 시클릭 실란(Cyclic Silane) 군;실릴 시클로테트라실란(SiH3-Si4H7), 1,2-디실릴 시클로펜타실란((SiH3)2-Si5H8), 실릴 시클로헥사실란(SiH3-Si6H11), 1,3-디실릴 시클로헥사실란((SiH3)2-Si6H10), 및 이들의 혼합물을 포함하는, 실릴 치환된 시클릭 실란(Silyl-Substituted Cyclic Silane) 군;2-테트라실렌(SiH3-SiH=SiH-SiH3), 2,3-디실릴테트라실-2-엔(SiH3-Si(SiH3)=Si(SiH3)-SiH3), 2,3-디실릴펜타실-2-엔(SiH3-Si(SiH3)=Si(SiH3)-SiH2-SiH3), 2,5-디실릴헥사실-2-엔(SiH3-Si(SiH3)=SiH-SiH2-SiH(SiH3)-SiH3), 2,3,4-트리실릴헥사실-2-엔(SiH3-Si(SiH3)=Si(SiH3)-SiH(SiH3)-SiH2-SiH3), 및 이들의 혼합물을 포함하는, 실릴 치환된 실렌(Silyl-Substituted Silylene) 군;SiwH2w+2-zXz(단, X= F, Cl, Br, 또는 I, 1≤w≤20, 1≤z≤2w+2)로 표시되는 화합물, 또는, SiaH2a-bX'b로 표시되는 화합물(단, X' = F, Cl, Br, 또는 I, 2≤a≤20, 1≤b≤2a), 및 이들의 혼합물을 포함하는, 할로겐 치환된 실렌(Halogen-Substituted Silylene) 군; 및 클로로시클로펜타실란(Si5H9Cl), 도데카클로로시클로헥사실란(Si6Cl12), 1-클로로-1-플루오로시클로펜타실란(Si5H8FCl), 및 이들의 혼합물을 포함하는, 할로겐 치환된 시클릭 실란(Halogen-Substituted Cyclic Silane) 군;으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 사용하여, 상기 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계;는,3 내지 100 중량%의 실란, 0.01 내지 5 중량%의 첨가제, 및 나머지는 수소 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성으로,상기 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계;는,화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD), 저압 화학적 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD), 열선 화학적 기상 증착(Hot Wire Chemical Vapor Deposition: HWCVD), 이니시에이티드 화학적 기상 증착(Initiated Chemical Vapor Deposition: ICVD) 및 감압 화학적 기상 증착(SubAtmospheric Chemical Vapor Deposition: SA-CVD) 중 어느 하나의 방법에 의해 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,상기 코어의 표면 상에 무정형(amorphous) 실리콘 막을 형성하여, 중간체로 수득하는 단계;는,300 내지 700 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,비정질 탄소로 이루어진 코어를 제조하는 단계;는,전분(starch), 호정(dextrin), 글리코겐(glycogen), 셀룰로오스(cellulose), 펙틴(pectin), 아가로즈(agarose), 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 천연 다당류 고분자를 이용하여 수행되는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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제12항에 있어서,비정질 탄소로 이루어진 코어를 제조하는 단계;는,천연 다당류 고분자를 필름 형태로 형성하는 단계; 및상기 형성된 필름을 열처리하여, 탄화시키는 단계;를 포함하는 것인,리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.

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