리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지
Silicon/carbon anode composite for lithium secondary battery, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery comprising the same
특허 요약
본 발명은 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명의 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체는 실리콘 마이크로입자의 표면에 고분자 또는 피치로 표면 코팅한 후 이를 탄소재의 표면에 메카노퓨전법을 이용하여 물리화학적으로 결합시켜 실리콘/탄소 음극복합체를 제조함으로써 추가적인 열처리가 없어 공정이 용이하고, 리튬이온의 탈리 및 삽입에 의한 실리콘의 부피 팽창을 방지하여 전지의 용량 및 수명 특성을 현저히 향상시킬 수 있다.
청구항
번호청구항
1

탄소재; 및상기 탄소재의 표면에 결합된 실리콘 나노입자;를 포함하고,상기 실리콘 나노입자는 고분자 또는 피치로 표면 코팅된 것이고,상기 실리콘 나노입자는 실리콘(Si)이고,상기 실리콘 나노입자 : 고분자 또는 피치의 중량비는 1: 0.005 내지 0.3인 것이고,상기 고분자 또는 피치는 상기 실리콘 나노입자의 표면에 1 내지 5 nm의 두께로 코팅된 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체.

2

제1항에 있어서,상기 탄소재는 인조흑연, 천연흑연(natural graphite), 케천 블랙(ketchen black), 카본블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 슈퍼 피(super P) 및 그래핀(graphene)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체.

3

제1항에 있어서,상기 실리콘 나노입자는 상기 탄소재의 표면에 1 내지 70 중량%로 코팅된 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체.

4

제1항에 있어서,상기 실리콘 나노입자는 평균 입도가 10 내지 800 nm인 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체.

5

삭제

6

삭제

7

제1항에 있어서,상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐 알코올, 폴리아크릴아미드, 폴리(메틸메타크릴레이트) 및 폴리(메틸에테르아크릴레이트)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체.

8

제1항에 있어서,상기 피치는 석탄계 피치, 석유계 피치 및 코크스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체.

9

제1항에 있어서,상기 실리콘/탄소 음극복합체는 1000 내지 5000 rpm에서 10 내지 60분 동안 메카노퓨전(mechanofusion)에 의한 물리화학적 결합에 의해 상기 탄소재의 표면에 실리콘 나노입자가 결합된 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체.

10

제1항 내지 제4항 및 제7항 내지 제9항 중에서 선택된 어느 한 항의 실리콘/탄소 음극복합체를 포함하는 리튬이차전지용 음극 활물질.

11

제10항에 따른 음극 활물질을 포함하는 리튬이차전지용 음극.

12

제11항에 따른 음극을 포함하는 리튬이차전지.

13

제12항에 따른 리튬이차전지를 포함하는 장치로서,상기 장치는 통신장치, 운송장치 및 에너지저장 장치 중에서 선택되는 어느 하나인 장치.

14

제11항에 따른 리튬이차전지용 음극을 포함하는 전기 디바이스로서, 상기 전기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장장치 중에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.

15

고분자 용액 또는 피치 용액에 실리콘 마이크로입자를 투입한 후 분쇄하여 혼합물을 제조하는 단계;상기 분쇄된 혼합물을 원심분리한 후 건조하여 고분자 또는 피치로 표면 코팅된 실리콘 나노입자를 제조하는 단계; 및탄소재 상에 상기 고분자 또는 피치로 표면 코팅된 실리콘 나노입자를 코팅시켜 실리콘/탄소 음극복합체를 제조하는 단계;를 포함하고,상기 실리콘 나노입자는 실리콘(Si)이고,상기 실리콘 나노입자 : 고분자 또는 피치의 중량비는 1: 0.005 내지 0.3인 것이고,상기 고분자 또는 피치는 상기 실리콘 나노입자의 표면에 1 내지 5 nm의 두께로 코팅된 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체의 제조방법.

16

삭제

17

제15항에 있어서,상기 고분자 또는 피치로 표면 코팅된 실리콘 나노입자를 제조하는 단계에서 건조는 50 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 수행하는 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체의 제조방법.

18

제15항에 있어서,상기 실리콘/탄소 음극복합체를 제조하는 단계는 1000 내지 5000 rpm에서 10 내지 60분 동안 메카노퓨전을 수행하는 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체의 제조방법.

19

제15항에 있어서,상기 탄소재는 평균 입경이 5 내지 15 ㎛인 구형 형태의 천연흑연 또는 인조흑연이고,상기 실리콘 나노입자는 상기 탄소재의 표면에 3 내지 50 중량%로 코팅되고,상기 실리콘 나노입자는 고분자로 표면 코팅된 것이고,상기 실리콘 나노입자는 평균 입도가 370 내지 610 nm이고,상기 혼합물은 실리콘 나노입자 : 고분자의 중량비가 1: 0.008 내지 0.07이고,상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴이고,상기 실리콘/탄소 음극복합체를 제조하는 단계는 1900 내지 3800 rpm에서 20 내지 40 분 동안 메카노퓨전을 수행하여 물리화학적 결합에 의해 상기 탄소재의 표면에 실리콘 나노입자가 결합된 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체의 제조방법.

20

제19항에 있어서,상기 실리콘 나노입자는 상기 탄소재의 표면에 5 내지 30 중량%로 코팅되고,상기 실리콘 나노입자는 평균 입도가 450 내지 530 nm이고,상기 혼합물은 실리콘 나노입자 : 고분자의 중량비가 1: 0.01 내지 0.04이고,상기 고분자 또는 피치로 표면 코팅된 실리콘 나노입자를 제조하는 단계에서 건조는 50 내지 100 ℃의 온도에서 3 내지 5 시간 동안 수행하고,상기 실리콘/탄소 음극복합체를 제조하는 단계는 2700 내지 3300 rpm에서 25 내지 35 분 동안 메카노퓨전을 수행하여 물리화학적 결합에 의해 상기 탄소재의 표면에 실리콘 나노입자가 결합된 것인 리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체의 제조방법.