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KR20250042660A - Negative Electrode Active Material for Secondary Battery - Google Patents

Negative Electrode Active Material for Secondary Battery Download PDF

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KR20250042660A
KR20250042660A KR1020240123446A KR20240123446A KR20250042660A KR 20250042660 A KR20250042660 A KR 20250042660A KR 1020240123446 A KR1020240123446 A KR 1020240123446A KR 20240123446 A KR20240123446 A KR 20240123446A KR 20250042660 A KR20250042660 A KR 20250042660A
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KR
South Korea
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negative electrode
electrode material
silicon
secondary battery
curvature
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Pending
Application number
KR1020240123446A
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Korean (ko)
Inventor
최선호
이재우
조문규
박진기
전정훈
Original Assignee
주식회사 포스코실리콘솔루션
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.)
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Publication date
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Abstract

일 개시에 따른 이차전지용 음극재는 원소 성분을 기준하여 실리콘(Si)을 함유하는 모재 및 상기 모재 상에 위치하며 탄소(C)를 함유하는 표면층을 포함하는 입자상이며, (1-Con)/Con·100을 규정되는 굴곡화율 AR이 1.00 이하이며, 이때, Con은 음극재 입자의 볼록한 겉표면의 둘레(convex perimeter)를 음극재 입자의 실제 둘레(perimeter)로 나눈 굴곡도이다.A secondary battery negative electrode material according to the present invention is a particle-shaped material including a base material containing silicon (Si) based on elemental components and a surface layer containing carbon (C) positioned on the base material, and having a curvature ratio AR defined by (1-Con)/Con 100 of 1.00 or less, wherein Con is a curvature obtained by dividing the perimeter of a convex outer surface of a negative electrode particle (convex perimeter) by the actual perimeter (perimeter) of the negative electrode particle.

Description

이차전지용 음극재{Negative Electrode Active Material for Secondary Battery} Negative Electrode Active Material for Secondary Battery}

본 발명은 이차전지용 음극재에 관한 것으로, 상세하게, 리튬 이차전지용 실리콘계 음극재에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode material for a secondary battery, and more specifically, to a silicon-based negative electrode material for a lithium secondary battery.

전자제품, 전기/하이브리드 차량, 항공우주/드론 등 다양한 산업 분야에서 장수명, 고에너지 밀도 및 고전력 밀도의 이차전지에 대한 수요가 계속 증가하고 있다. Demand for long-life, high-energy-density, and high-power-density secondary batteries continues to grow across a variety of industries, including electronics, electric/hybrid vehicles, and aerospace/drones.

상업적으로 사용되는 대표적인 음극재는 그라파이트이나 그라파이트의 이론적 최대 용량은 372mAh/g에 불과하다. 이에, 고에너지 밀도의 이차전지를 구현하기 위해 황(최대 용량 1675mAh/g)등과 같은 칼코겐계, 실리콘(최대 용량4200mAh/g)이나 실리콘산화물(최대 용량 1500mAh/g)등과 같은 실리콘계, 전이금속 산화물등을 이차전지 음극재로 사용하고자 하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며, 여러 물질들 중 실리콘계 음극재가 가장 주목받고 있다. The most representative commercially used negative electrode material is graphite, but the theoretical maximum capacity of graphite is only 372 mAh/g. Accordingly, in order to implement high-energy density secondary batteries, research is continuously being conducted to use chalcogens such as sulfur (maximum capacity 1675 mAh/g), silicon such as silicon (maximum capacity 4200 mAh/g) or silicon oxide (maximum capacity 1500 mAh/g), and transition metal oxides as secondary battery negative electrode materials, and among various materials, silicon-based negative electrode materials are receiving the most attention.

그러나, 실리콘계 음극재의 경우, 충방전 사이클링이 반복되며 큰 부피 변화가 발생하여 절연, 입자 탈리, 접촉저항의 증가등에 의해 전지 특성이 급격하게 열화되는 문제점이 있으며, 리튬실리케이트나 산화리튬등과 같은 비가역 생성물들에 의해 리튬이 손실되며 초기 충방전 효율이 급격히 감소하는 문제점이 있다. However, in the case of silicon-based negative electrode materials, there is a problem that battery characteristics rapidly deteriorate due to insulation, particle detachment, and increased contact resistance as large volume changes occur with repeated charge/discharge cycling, and there is a problem that lithium is lost due to irreversible products such as lithium silicate or lithium oxide, and the initial charge/discharge efficiency rapidly decreases.

이러한 실리콘계 음극재의 문제점을 해결하기 위해 실리콘을 와이어 등의 형태로 나노화하고 이를 탄소재와 복합화하는 기술이나 실리콘산화물에 이종금속을 도핑하여 복합 산화물상을 형성하거나 실리콘산화물을 전-리튬화(pre-lithiation)시키는 기술등이 제안된 바 있다. To solve the problems of these silicon-based cathode materials, technologies have been proposed, such as nano-forming silicon into wires and composites with carbon materials, doping silicon oxide with a different metal to form a composite oxide phase, or pre-lithiating silicon oxide.

그러나, 실리콘계 음극재 관련, 나노화, 복합화, 조성의 제어등이 기술 개발의 주를 이루는 반면, 실리콘계 음극재의 모폴로지(morphology) 자체가 물성에 미치는 영항에 관한 연구는 거의 이루어지지 않은 실정이다.However, while the development of technology related to silicon-based cathode materials is mainly focused on nano-fabrication, composites, and composition control, there has been little research on the influence of the morphology of silicon-based cathode materials on their physical properties.

미국 공개특허 제2020-0176758호U.S. Patent Publication No. 2020-0176758

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 향상된 용량 유지 특성(capacity retention)을 갖는 이차전지용 음극재를 제공하는 것이다.According to one embodiment of the present invention, a negative electrode material for a secondary battery having improved capacity retention characteristics is provided.

본 발명의 과제는 상술한 내용으로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the above-described contents. Those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs will have no difficulty in understanding additional tasks of the present invention from the overall contents of this specification.

본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지용 음극재는 원소 성분을 기준하여 실리콘(Si)을 함유하는 모재 및 상기 모재 상에 위치하며 탄소(C)를 함유하는 표면층을 포함하는 입자상이며, 하기 식 1로 산출되는 굴곡화율이 1.00 이하이다.According to one embodiment of the present invention, a negative electrode material for a secondary battery is a particle-shaped material including a base material containing silicon (Si) based on elemental components and a surface layer located on the base material and containing carbon (C), and has a bending ratio of 1.00 or less calculated by the following equation 1.

(식 1)(Formula 1)

식 1에서, AR은 굴곡화율이며, Con은 음극재 입자의 볼록한 겉표면의 둘레(convex perimeter)를 음극재 입자의 실제 둘레(perimeter)로 나눈 굴곡도이다.In Equation 1, AR is the curvature ratio, and Con is the curvature calculated by dividing the perimeter of the convex outer surface of the negative electrode particle (convex perimeter) by the actual perimeter of the negative electrode particle (perimeter).

일 구체예에 있어, 상기 굴곡화율은 0.55 이하일 수 있다.In one specific example, the bending ratio may be 0.55 or less.

일 구체예에 있어, 상기 음극재는 하기 I) 내지 II) 중 하나 이상을 만족할 수 있다.In one specific example, the cathode material may satisfy one or more of the following I) to II).

I) 상기 굴곡도의 표준편차 값 ≤ 0.050 I) Standard deviation value of the above curvature ≤ 0.050

II) 상기 0.9×Con 이상에 속하는 굴곡도를 갖는 입자의 비율이 90% 이상II) The proportion of particles having a curvature of 0.9×Con or higher is 90% or more.

일 구체예에 있어, 상기 음극재의 구형화도는 0.55 이상일 수 있다.In one specific example, the sphericity of the negative electrode material may be 0.55 or more.

일 구체예에 있어, 상기 음극재는 각진 형상일 수 있다.In one specific example, the cathode material may have an angular shape.

일 구체예에 있어, 상기 음극재의 평균 입경(D50)은 1㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.In one specific example, the average particle diameter (D 50 ) of the negative electrode material may be 1 ㎛ to 30 ㎛.

일 구체예에 있어, 상기 표면층은 비정질 탄소층을 포함할 수 있다.In one specific example, the surface layer may include an amorphous carbon layer.

일 구체예에 있어, 상기 표면층의 두께는 1 내지 50 nm일 수 있다.In one specific example, the thickness of the surface layer may be 1 to 50 nm.

본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 이차전지용 음극재는 입자상의 실리콘계 음극재이며, 카운터 전극이 금속 리튬 포일인 반쪽전지를 이용한 하기 충방전 사이클 조건에 따른 충방전 테스트시 식 2를 만족한다.According to another embodiment of the present invention, a secondary battery negative electrode material is a particulate silicon-based negative electrode material, and satisfies Equation 2 during a charge/discharge test under the following charge/discharge cycle conditions using a half-cell in which a counter electrode is a metal lithium foil.

충방전 사이클 조건 : CC/CV, Cut-off 전압 0.005V~1.000V, 0.5C-rateCharge/discharge cycle conditions: CC/CV, cut-off voltage 0.005V~1.000V, 0.5C-rate

(식 2)(Formula 2)

95 % < Cj/C1*100 95 % < C j /C 1 *100

식 2에서 C1은 첫 번째 충방전 사이클에서의 방전 용량(mAh/g)이며 Cj는 j번째 충방전 사이클에서의 방전 용량이고, j는 10 이상 및 80이하에 속하는 임의의 자연수이다.In Equation 2, C 1 is the discharge capacity (mAh/g) in the first charge/discharge cycle, C j is the discharge capacity in the jth charge/discharge cycle, and j is an arbitrary natural number greater than or equal to 10 and less than or equal to 80.

전술한 이차전지용 음극재의 일 구체예에 있어, 상기 모재는 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 황화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 합금, 이들의 혼합물(mixture) 또는 이들의 복합체(composite)를 포함할 수 있다.In one specific example of the negative electrode material for the secondary battery described above, the base material may include silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon sulfide, silicon carbide, silicon alloy, a mixture thereof, or a composite thereof.

전술한 이차전지용 음극재의 일 구체예에 있어, 상기 모재는 알칼리금속, 알칼리토금속 및 전이후금속 군에서 하나 이상 선택되는 도핑원소(D)를 더 함유할 수 있다.In one specific example of the negative electrode material for the secondary battery described above, the base material may further contain a doping element (D) selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, and transition metals.

전술한 이차전지용 음극재의 일 구체예에 있어, 상기 모재는 원소 성분을 기준하여, 실리콘(Si), 도핑원소(D) 및 산소(O)를 함유하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 분산 함입된 실리콘 나노입자;를 포함할 수 있다.In one specific example of the negative electrode material for the secondary battery described above, the base material may include, based on elemental components, a matrix containing silicon (Si), a doping element (D), and oxygen (O); and silicon nanoparticles dispersed and incorporated in the matrix.

본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지용 음극은 전술한 이차전지용 음극재를 함유한다.A negative electrode for a secondary battery according to one embodiment of the present invention contains the negative electrode material for a secondary battery described above.

본 발명의 일 실시형태에 따른 이차전지는 전술한 음극을 포함한다.A secondary battery according to one embodiment of the present invention includes the negative electrode described above.

일 개시에 따른 음극재는 실리콘계 모재 및 탄소 표면층을 포함하는 입자상의 음극재이며, 그 모폴로지에 의해 향상된 전기화학적 특성을 가질 수 있다.The cathode material according to the invention is a particulate cathode material including a silicon-based matrix and a carbon surface layer, and may have improved electrochemical properties due to its morphology.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.The various advantageous and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above-described contents, and will be more easily understood in the process of explaining specific embodiments of the present invention.

도 1은 실시예에서 제조된 음극재를 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 실시예에서 제조된 음극재에서 표면층을 관찰한 투과전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 및 비교예에서 제조된 음극재의 충방전 사이클에 따른 용량 유지율을 도시한 도면이다.
Figure 1 is a scanning electron microscope photograph observing the negative electrode material manufactured in the example.
Figure 2 is a transmission electron microscope photograph of the surface layer of the negative electrode material manufactured in the example.
Figure 3 is a diagram showing the capacity retention rate according to the charge/discharge cycle of the negative electrode materials manufactured in the examples and comparative examples.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. Furthermore, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to a person having average knowledge in the art.

본 발명의 실시형태들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시형태들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of their functions in the present invention, and these may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definitions should be made based on the contents throughout this specification. The terms used in the detailed description are only for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and should never be limited. Unless clearly used otherwise, the singular form includes the plural meaning.

본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.In this description, expressions such as "including" or "having" are intended to refer to certain features, numbers, steps, operations, elements, portions or combinations thereof, and should not be construed to exclude the presence or possibility of one or more other features, numbers, steps, operations, elements, portions or combinations thereof other than those described.

본 발명의 명세서에서 특별히 달리 규정하지 아니하는 한, % 단위는 중량%를 의미한다.Unless otherwise specifically stated in the specification of the present invention, the % unit means weight %.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when we say that a part is 'connected' to another part, this includes not only cases where it is 'directly connected', but also cases where it is 'indirectly connected' with other elements in between.

아래에서는 본 발명의 각 실시형태 또는 실시예를 통하여 본 발명이 상세히 설명될 것이다. 본 명세서에 기재되어 있는 각 실시형태 또는 실시예는 단지 하나의 실시형태 또는 실시예에 한정하여 설명하는 것에 그치지 않고 다른 실시형태 또는 실시예와의 조합도 가능하다는 점에 유의할 필요가 있다. 따라서 특허청구범위의 청구항 인용은 실시형태에 대한 하나의 예시에 해당하는 것일 뿐 본 발명의 기술적 사상이 인용된 청구항과의 조합으로만 해석되어서는 안되며, 다양한 청구항과의 조합도 본 발명의 기술적 사상의 범주에 포함된다.Below, the present invention will be described in detail through each embodiment or example of the present invention. It should be noted that each embodiment or example described in this specification is not limited to only one embodiment or example, and combinations with other embodiments or examples are also possible. Therefore, the citation of a claim in the scope of the patent claims is only an example of an embodiment, and the technical idea of the present invention should not be interpreted only as a combination with the cited claim, and the combination with various claims is also included in the scope of the technical idea of the present invention.

본 출원인은 입자상의 실리콘계 음극재에서, 음극재의 전기화학적 특성이 입자상의 모폴로지, 특히 굴곡도 그 자체에 의해 매우 민감하고 크게 영향을 받음을 확인하였다. 이를 기반으로 연구를 심화한 결과, 음극재의 전기화학적 특성을 크게 향상시킬 수 있는 모폴로지를 확립하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. The present applicant has confirmed that in a particulate silicon-based negative electrode material, the electrochemical properties of the negative electrode material are very sensitive and greatly affected by the morphology of the particle, especially the degree of curvature itself. Based on this, the applicant has intensified the research and established a morphology that can greatly improve the electrochemical properties of the negative electrode material, thereby completing the present invention.

본 개시의 일 양태(양태 I)에 따른 이차전지용 음극재는 원소 성분을 기준하여 실리콘(Si)을 함유하는 모재 및 모재 상에 위치하며 탄소(C)를 함유하는 표면층을 포함하는 입자상이며, 하기 식 1로 산출되는 굴곡화율이 1.00 이하이다.According to one aspect (Aspect I) of the present disclosure, a negative electrode material for a secondary battery is a particle-shaped material including a base material containing silicon (Si) based on elemental components and a surface layer containing carbon (C) positioned on the base material, and has a bending ratio of 1.00 or less calculated by the following Equation 1.

(식 1)(Formula 1)

식 1에서, AR은 굴곡화율이며, Con은 음극재 입자의 볼록한 겉표면의 둘레(convex perimeter, LCP)를 음극재 입자의 실제 둘레(perimeter, LP)로 나눈 비(LCP/LP)인 굴곡도이다.In Equation 1, AR is the tortuosity, and Con is the tortuosity, which is the ratio of the perimeter of the convex outer surface of the cathode particle (convex perimeter, L CP ) to the actual perimeter of the cathode particle (perimeter, L P ) (L CP /L P ).

알려진 바와 같이, 볼록한 겉표면의 둘레(convex perimeter)는 측정하고자 하는 3차원 입자를 2D 이미지로 캡쳐한 이미지에서 입자의 윤곽을 늘어나는 가상의 탄성밴드로 둘러싼다고 가정했을 때의 탄성밴드의 길이로 정의되고, 실제 둘레(perimeter)는 2D 이미지로 캡쳐한 이미지에서 실제 입자의 둘레 길이를 의미한다. 이때, 볼록한 겉표면의 둘레(convex perimeter) 산출에 사용된 캡쳐 이미지와 실제 둘레 산출에 사용된 캡쳐 이미지는 동일 이미지일 수 있음은 물론이다.As is known, the convex perimeter of the convex surface is defined as the length of an elastic band that surrounds the outline of the particle in a 2D image captured by a 3D particle to be measured, assuming that the elastic band is a virtual elastic band that stretches, and the actual perimeter means the perimeter length of the actual particle in the 2D image captured by the 2D image. In this case, it goes without saying that the captured image used to calculate the convex perimeter of the convex surface and the captured image used to calculate the actual perimeter may be the same image.

굴곡도의 값은 0 내지 1의 실수일 수 있는데, 굴곡도 값이 0에 가까울수록 요철이 많거나 및/또는 요철의 단차가 큰 입자 윤곽(contour)을 가짐을 의미한다. 굴곡화율은 식 1에 따라 굴곡도에 의해 규정되는 값으로, 입자상 음극재의 볼록한 겉표면의 둘레 대비 실제 둘레와 볼록한 겉표면의 둘레간의 차이에 대한 비율을 의미한다. 이에, 실제 둘레와 볼록한 겉표면의 둘레가 유사할수록 0에 가까운 굴곡화율 값을 가지며 실제 둘레와 볼록한 겉표면의 둘레 차이가 커질수록 보다 큰 굴곡화율 값을 가지게 된다. The value of the tortuosity can be a real number between 0 and 1, and the closer the tortuosity value is to 0, the more unevenness and/or the particle contour has a large step difference between the unevenness. The tortuosity is a value defined by the tortuosity according to Equation 1, and means the ratio of the difference between the actual circumference and the circumference of the convex outer surface of the particle-shaped negative electrode material to the circumference of the convex outer surface. Accordingly, the closer the actual circumference and the circumference of the convex outer surface are to each other, the closer the tortuosity value is to 0, and the larger the difference between the actual circumference and the circumference of the convex outer surface is, the larger the tortuosity value is.

입자상 음극재의 굴곡도(평균값 및 분포 포함)는 모재 자체의 굴곡도(평균값 및 분포 포함)와 상이할 수 있으며, 동일한 모재의 굴곡도에서도 음극재는 다양한 범위의 굴곡도를 가질 수 있다(후술하는 비교예 및 실시예 참고). 이때, 모재 자체의 굴곡도는 표면층이 형성되기 전 모재로 사용되는 분말상 물질의 평균 굴곡도를 의미한다. The curvature (including the average value and distribution) of the particulate negative electrode material may differ from the curvature (including the average value and distribution) of the parent material itself, and even in the curvature of the same parent material, the negative electrode material may have a wide range of curvatures (see the comparative examples and examples described below). In this case, the curvature of the parent material itself means the average curvature of the powder material used as the parent material before the surface layer is formed.

음극재는 모재와 표면층을 포함하는 입자상(이하, 단지 '입자'로도 통칭됨)의 집합체일 수 있다. The cathode material may be an aggregate of particles (hereinafter, also simply referred to as 'particles') including a base material and a surface layer.

입자의 집합체는 입자의 '군'을 의미할 수 있으며, 이때, '군'은 적어도 '군'을 이루는 입자의 수에 의해 집합체의 전기 화학적 특성이 유의미하게 변화되지 않는 정도의 크기를 가짐을 의미한다. 일정하고 안정적인 전기화학적 특성 구현 측면에서, 입자의 집합체는 적어도 1g 이상, 구체적으로 10g 이상, 보다 구체적으로 50g 이상, 보다 더 구체적으로 적어도 100g 이상의 중량을 이루는 입자 집단을 의미할 수 있다. An aggregate of particles may mean a 'group' of particles, and at this time, the 'group' means that it has a size that the electrochemical characteristics of the aggregate are not significantly changed by at least the number of particles forming the 'group'. In terms of implementing constant and stable electrochemical characteristics, an aggregate of particles may mean a group of particles having a weight of at least 1 g or more, specifically 10 g or more, more specifically 50 g or more, and even more specifically at least 100 g or more.

실험적 측면에서 달리 규정하면, 입자의 집합체는 입자의 '군'을 의미할 수 있으며, 입자의 '군'은 신뢰성 있는 측정값(평균 크기, 굴곡도 값등)이 얻어질 수 있는 정도의 크기, 즉 '군'을 이루는 입자의 수에 의해 측정값이 유의미하게 달라지지 않는 정도의 크기를 갖는 입자 집단을 의미할 수 있다. In experimental terms, a collection of particles can mean a 'group' of particles, and a 'group' of particles can mean a group of particles that is of a size that allows reliable measurements (such as average size, curvature values) to be obtained, i.e., a size that does not significantly change the measurements depending on the number of particles forming the 'group'.

굴곡도의 값(식 1의 Con)은 적어도 100개 이상, 일반적으로 500개 이상, 실질적으로 1000개 이상의 입자 각각의 굴곡도를 확보하고 확보된 굴곡도 값들을 평균 낸 통계적인 평균값일 수 있다. The value of the curvature (Con in Equation 1) may be a statistical average value obtained by securing the curvature of each of at least 100 particles, typically 500 particles, and practically 1000 particles or more, and averaging the secured curvature values.

실험적으로, 굴곡도는 굴곡도 측정에 통상적으로 사용되는 상업적 기기들을 이용하여 측정 가능하다. 상업적 기기의 일 예로, Malvern Panalytical사의 morphologi 4등을 들 수 있다.Experimentally, the curvature can be measured using commercial instruments commonly used for measuring curvature. An example of a commercial instrument is the morphologi 4 from Malvern Panalytical.

이차전지용 음극재에서 굴곡화율은 1.00 이하이다. 음극재가 1.00 이하의 굴곡화율을 가짐으로써, 음극재는 우수한 전기화학적 특성, 상세하게 우수한 용량 유지 특성(capacity retention)을 나타낼 수 있다. In the negative electrode material for secondary batteries, the flexure ratio is 1.00 or less. When the negative electrode material has a flexure ratio of 1.00 or less, the negative electrode material can exhibit excellent electrochemical properties, specifically excellent capacity retention properties.

선행 실험을 통해, 실질적으로 동일한 조성과 실질적으로 동일한 미세구조(microstructure)를 갖는 음극재라 할지라도, 굴곡화율 값의 작은 변화로도 용량 유지 특성이 크게 달라짐을 확인하였다. Through preliminary experiments, it was confirmed that even if the negative electrode material has substantially the same composition and substantially the same microstructure, the capacity retention characteristics change significantly even with a small change in the bending ratio value.

일 예로, 실질적으로 동일한 조성과 실질적으로 동일한 미세구조(microstructure)을 가지며 굴곡화율이 0.8 수준과 1.2 수준으로, 그 굴곡화율 차가 0.4에 불과한 경우에도, 1.2 수준의 굴곡화율을 갖는 음극재의 경우 100번째 충방전 사이클에서의 방전용량 유지율은 50% 미만으로 열악한 전기화학적 특성을 나타낸다. 반면, 0.8 수준의 굴곡화율을 갖는 음극재의 경우, 100번째 충방전 사이클에서 80% 이상의 향상된 방전용량 유지율을 나타낼 수 있다. For example, even when the negative electrode material has substantially the same composition and substantially the same microstructure and has a curvature ratio of 0.8 and 1.2, and the difference in the curvature ratios is only 0.4, the negative electrode material having a curvature ratio of 1.2 exhibits poor electrochemical characteristics, such as a discharge capacity retention ratio of less than 50% at the 100th charge/discharge cycle. On the other hand, the negative electrode material having a curvature ratio of 0.8 can exhibit an improved discharge capacity retention ratio of more than 80% at the 100th charge/discharge cycle.

상술한 바와 같이, 음극재의 굴곡화율은 1.00 이하일 수 있고, 구체적으로, 0.90 이하, 0.80 이하, 0.70 이하, 0.65 이하, 0.60 이하, 0.55 이하, 0.50 이하, 0.45 이하, 0.40 이하 또는 0.35 이하일 수 있다. 실질적으로, 음극재의 굴곡화율은 0.10 이상, 보다 실질적으로 0.15 이상, 보다 더 실질적으로 0.20 이상일 수 있다. As described above, the flexure ratio of the negative electrode material may be 1.00 or less, and specifically, 0.90 or less, 0.80 or less, 0.70 or less, 0.65 or less, 0.60 or less, 0.55 or less, 0.50 or less, 0.45 or less, 0.40 or less, or 0.35 or less. In practice, the flexure ratio of the negative electrode material may be 0.10 or more, more substantially 0.15 or more, and even more substantially 0.20 or more.

유리한 일 예에서, 음극재의 굴곡화율은 0.55 이하일 수 있다. 0.55 이하의 굴곡화율을 갖는 음극재는 50번째 충방전 사이클에서 95% 이상의 방전용량 유지율을 나타낼 수 있다.In an advantageous example, the flexure ratio of the negative electrode material may be 0.55 or less. A negative electrode material having a flexure ratio of 0.55 or less may exhibit a discharge capacity retention rate of 95% or more at the 50th charge/discharge cycle.

보다 유리한 일 예에서, 음극재의 굴곡화율은 0.35 이하일 수 있다. 0.35이하의 굴곡화율을 갖는 음극재는 100번째 충방전 사이클에서 95% 이상, 구체적으로 98% 이상, 보다 구체적으로 100% 이상, 보다 더 구체적으로 100%를 초과하는 방전용량 유지율을 나타낼 수 있다.In a more advantageous example, the flexure ratio of the negative electrode material may be 0.35 or less. A negative electrode material having a flexure ratio of 0.35 or less may exhibit a discharge capacity retention ratio of 95% or more, specifically 98% or more, more specifically 100% or more, and even more specifically more than 100% at the 100th charge/discharge cycle.

일 구체예에서, 음극재는 하기 조건 I) 내지 II) 중 하나 이상을 만족할 수 있다. 하기 조건 I)과 II)는 음극재의 굴곡도 분포에 관련된 것으로, 굴곡도 분포는 굴곡도를 변수(x축)로 가지며 전체 입자 중 해당 굴곡도를 갖는 입자 수의 비율(%)(y축)을 나타낸 분포도에 상응할 수 있다.In one specific example, the negative electrode material may satisfy one or more of the following conditions I) to II). The following conditions I) and II) are related to the tortuosity distribution of the negative electrode material, and the tortuosity distribution may correspond to a distribution diagram that has the tortuosity as a variable (x-axis) and represents the ratio (%) of the number of particles having the corresponding tortuosity among all particles (y-axis).

조건 I) 굴곡도의 표준편차 값 ≤ 0.050 Condition I) Standard deviation value of curvature ≤ 0.050

조건 II) 0.90×굴곡도(Con) 이상에 속하는 굴곡도를 갖는 입자의 비율이 90% 이상Condition II) The proportion of particles with a curvature greater than or equal to 0.90× curvature (Con) is 90% or more.

굴곡도(Con)의 표준편차 값은 0.050 이하일 수 있다. 굴곡도의 표준편차가 전술한 바와 같이 작은 경우, 낮은 굴곡도를 갖는 입자들의 분율이 감소하며, 낮은 굴곡도를 갖는 입자들에 의한 유의미한 영향이 배제될 수 있다.The standard deviation value of the curvature (Con) can be less than 0.050. When the standard deviation of the curvature is small as described above, the fraction of particles with low curvature decreases, and a significant influence by particles with low curvature can be excluded.

작은 굴곡도(높은 굴곡화율)를 갖는 입자에 의한 악영향을 방지하는 측면에서, 굴곡도(Con)의 표준편차 값은 0.050 이하, 0.040 이하, 0.035 이하, 0.030 이하, 0.025 이하, 0.020 이하, 또는 0.015 이하일 수 있다. 굴곡도 표준편차 값은 실질적으로 0.001 이상, 또는 0.005 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In order to prevent adverse effects by particles having a small degree of curvature (high degree of curvature), the standard deviation value of the degree of curvature (Con) may be 0.050 or less, 0.040 or less, 0.035 or less, 0.030 or less, 0.025 or less, 0.020 or less, or 0.015 or less. The standard deviation value of the degree of curvature may be substantially 0.001 or more, or 0.005 or more, but is not limited thereto.

조건 II) 또한, 작은 굴곡도를 갖는 입자에 의한 악영향을 방지할 수 있는 조건이다. 조건 II)를 만족하는 경우, 설사 작은 굴곡도를 갖는 입자가 존재할지라도, 전체적인 음극재의 전기화학적 특성에 작은 굴곡도를 갖는 입자가 유의미한 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. Condition II) In addition, it is a condition that can prevent the adverse effects caused by particles with small curvature. If Condition II) is satisfied, even if particles with small curvature exist, it is possible to prevent particles with small curvature from having a significant effect on the overall electrochemical characteristics of the negative electrode material.

구체적으로, 음극재는 0.90×굴곡도(Con) 이상에 속하는 굴곡도를 갖는 입자, 보다 구체적으로 0.91×굴곡도(Con) 이상, 0.92×굴곡도(Con) 이상, 0.93×굴곡도(Con) 이상, 0.94×굴곡도(Con) 이상, 0.95×굴곡도(Con) 이상, 0.96×굴곡도(Con) 이상, 또는 0.97×굴곡도(Con) 이상에 속하는 굴곡도를 갖는 입자의 비율이 90% 이상일 수 있다.Specifically, the negative electrode material may have a proportion of particles having a curvature of 0.90× the curvature (Con) or greater, more specifically, particles having a curvature of 0.91× the curvature (Con) or greater, 0.92× the curvature (Con) or greater, 0.93× the curvature (Con) or greater, 0.94× the curvature (Con) or greater, 0.95× the curvature (Con) or greater, 0.96× the curvature (Con) or greater, or 0.97× the curvature (Con) or greater of 90% or greater.

음극재는 조건 I), 조건 II), 또는 조건 I)과 II)를 모두 만족할 수 있다. The cathode material can satisfy condition I), condition II), or both condition I) and II).

나아가, 0.55 이하의 굴곡화율을 갖는 음극재가 조건 I) 및/또는 조건 II)를 만족하는 경우, 50번째 충방전 사이클에서 첫번째 충방전 사이클에서의 방전용량(C1)보다 큰 방전용량을 나타낼 수 있고, 이와 함께 또는 이와 독립적으로, 20번째 충방전 사이클에서 첫번째 충방전 사이클에서의 방전용량(C1)보다 큰 방전용량을 나타낼 수 있을 정도로, 방전용량 유지 특성이 향상될 수 있다. Furthermore, when a negative electrode material having a bending ratio of 0.55 or less satisfies condition I) and/or condition II), the discharge capacity retention characteristics can be improved to the extent that the negative electrode material can exhibit a discharge capacity greater than the discharge capacity (C1) in the first charge/discharge cycle in the 50th charge/discharge cycle, and together with or independently of this, the negative electrode material can exhibit a discharge capacity greater than the discharge capacity (C1) in the first charge/discharge cycle in the 20th charge/discharge cycle.

또한 0.35 이하의 굴곡화율을 갖는 음극재가 적어도, 조건 I) 및/또는 조건 II)를 만족하는 경우, 10번째에서 80번째까지의 충방전 사이클 영역(전 영역)에서 첫번째 충방전 사이클에서의 방전용량(C1)보다 큰 방전용량을 나타낼 수 있다.In addition, when a cathode material having a flexure ratio of 0.35 or less satisfies at least Condition I) and/or Condition II), it can exhibit a discharge capacity greater than the discharge capacity (C1) in the first charge/discharge cycle in the 10th to 80th charge/discharge cycle range (entire range).

굴곡화율에 기반한 모폴로지 특성에 의해, 음극재는 현저하게 향상된 충방전 사이클 특성을 나타낼 수 있다.By virtue of the morphological characteristics based on the bending rate, the negative electrode material can exhibit significantly improved charge/discharge cycle characteristics.

전기화학적 특성 측면에서, 본 개시의 다른 일 양태(양태 II)에 따른 이차전지용 음극재는 입자상의 실리콘계 음극재이며, 카운터 전극이 금속 리튬 포일인 반쪽전지를 이용한 하기 충방전 사이클 조건에 따른 충방전 테스트시 식 2를 만족한다. 이때, 입자상의 실리콘계 음극재는 원소 성분을 기준하여 실리콘(Si)을 함유하는 모재 및 모재 상에 위치하며 탄소(C)를 함유하는 표면층을 포함하는 입자상을 의미할 수 있다.In terms of electrochemical properties, the negative electrode material for a secondary battery according to another aspect (Aspect II) of the present disclosure is a particulate silicon-based negative electrode material, which satisfies Equation 2 during a charge/discharge test under the following charge/discharge cycle conditions using a half-cell having a counter electrode of a metal lithium foil. At this time, the particulate silicon-based negative electrode material may mean a particle including a base material containing silicon (Si) based on elemental components and a surface layer located on the base material and containing carbon (C).

충방전 사이클 조건 : CC/CV, Cut-off 전압 0.005V~1.000V, 0.05C-rateCharge/discharge cycle conditions: CC/CV, cut-off voltage 0.005V~1.000V, 0.05C-rate

(식 2)(Formula 2)

95 % < Cj/C1*100 95 % < Cj/C1*100

식 2에서 C1은 첫 번째 충방전 사이클에서의 방전 용량(mAh/g)이며 Cj는 j번째 충방전 사이클에서의 방전 용량이고, j는 10 이상 및 80 이하에 속하는 임의의 자연수이다. j가 10 이상 및 80 이하에 속하는 임의의 자연수임에 따라, 식 2는 10번째에서 80번째까지의 충방전 사이클 영역에서 방전 용량이 초기 방전 용량인 C1 대비 95% 이상인 것을 의미한다. In Equation 2, C1 is the discharge capacity (mAh/g) in the first charge/discharge cycle, Cj is the discharge capacity in the jth charge/discharge cycle, and j is any natural number greater than or equal to 10 and less than or equal to 80. Since j is any natural number greater than or equal to 10 and less than or equal to 80, Equation 2 means that the discharge capacity in the 10th to 80th charge/discharge cycle range is greater than 95% of the initial discharge capacity C1.

구체적으로 j는 10 이상 및 90 이하에 속하는 임의의 자연수, 보다 구체적으로 j는 10 이상 및 100 이하에 속하는 임의의 자연수일 수 있다. 이는 10번째에서 90번째, 보다 구체적으로 10번째에서 100번째까지의 충방전 사이클 영역에서 초기 방전 용량인 C1 기준 95% 이상의 큰 방전 용량을 나타낼 수 있음을 의미한다. 보다 구체적으로, Cj/C1*100는 98% 이상, 보다 더 구체적으로 Cj/C1*100는 100% 이상일 수 있으며, 실질적으로 120% 이하, 보다 더 실질적으로 110% 이하일 수 있다. Specifically, j can be any natural number greater than or equal to 10 and less than or equal to 90, more specifically, j can be any natural number greater than or equal to 10 and less than or equal to 100. This means that the battery can exhibit a large discharge capacity of 95% or greater than or equal to the initial discharge capacity C1 in the charge/discharge cycle range from the 10th to the 90th, more specifically from the 10th to the 100th. More specifically, Cj/C1*100 can be 98% or greater, more specifically, Cj/C1*100 can be 100% or greater, and can be substantially 120% or less, and even more substantially 110% or less.

음극재의 전기화학적 특성을 살피기 위한 반쪽전지는 화성 공정(formation)이 수행된 반쪽전지일 수 있다. 반쪽전지는 음극 집전체 및 집전체의 적어도 일 면에 위치하며 일 실시예에 따른 음극재를 포함하는 음극활물질층을 포함하는 음극; 금속 리튬 포일인 대극; 음극과 대극 사이에 개재된 분리막; 및 에틸렌카보네이트와 디에틸카보네이트가 1 : 1의 부피비로 혼합된 혼합용매에 1M 농도로 LiPF6가 용해된 전해질;이 구비된 셀일 수 있다. 반쪽 전지의 전기화학적 특성은 상온에서 측정된 것일 수 있다. 화성 공정은 CC/CV, Cut-off 전압 0.005V~1.500V, 0.1C-rate의 조건으로 충방전이 수행되는 1차 공정 및 CC/CV, Cut-off 전압 0.005V~1.000V, 0.1C-rate의 조건으로 충방전이 수행되는 2차 공정을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명이 테스트 전지(반쪽 전지)의 화성 공정 조건에 의해 한정될 수 없음은 물론이며, 종래 음극재의 전기화학적 물성을 테스트하기 위해 사용되는 전지에서 통상적으로 수행되는 화성 공정이면 족하다. 보다 상세한 반쪽전지의 구성 및 측정 조건등은 실시예에 따른다.A half-cell for examining the electrochemical characteristics of a negative electrode material may be a half-cell in which a formation process has been performed. The half-cell may be a cell equipped with: an anode including a negative electrode collector and a negative electrode active material layer positioned on at least one surface of the current collector and including the negative electrode material according to one embodiment; a counter electrode being a metal lithium foil; a separator interposed between the negative electrode and the counter electrode; and an electrolyte in which LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1 M in a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1:1. The electrochemical characteristics of the half-cell may be measured at room temperature. The chemical reaction process may include a first process in which charge and discharge are performed under the conditions of CC/CV, cut-off voltage of 0.005 V to 1,500 V, and 0.1 C-rate, and a second process in which charge and discharge are performed under the conditions of CC/CV, cut-off voltage of 0.005 V to 1,000 V, and 0.1 C-rate. However, it should be understood that the present invention is not limited by the chemical reaction process conditions of a test cell (half cell), and a chemical reaction process that is typically performed in a cell used to test the electrochemical properties of a conventional negative electrode material is sufficient. More detailed configurations of half cells and measurement conditions, etc. are provided in the examples.

이하, 특별히 일 양태를 한정하여 상술하지 않는 한, 후술하는 내용은 상술한 각 양태에 모두 해당된다. Hereinafter, unless specifically limited to one aspect, the following description applies to all aspects described above.

일 구체예에서, 음극재는 모서리(edge)를 갖는 형상, 즉, 각진 형상의 입자일 수 있다. 이러한 각진 입자에서, 전기화학적 특성이 굴곡화율에 의해 민감하게 변화될 수 있다. In one specific example, the cathode material may be a particle having an edge, i.e., an angular shape. In such angular particles, the electrochemical properties may be sensitively changed by the bending rate.

각진 형상은 주사전자현미경을 이용한 음극재 형상 관찰시, 적어도 두 면이 서로 접하며 모서리를 형성하는 형상일 수 있다. 모서리를 형성하는 두 면은 서로 독립적으로 평면이나 곡면일 수 있다. 특별히 한정되지 않으나, 각진 형상에서, 입자 내 모서리를 형성하는 두 면 중 적어도 한 면은 곡면일 수 있다. 곡면은 오목하거나, 볼록하거나, 오목한 영역과 볼록한 영역을 모두 갖는 면일 수 있다. 또한, 곡면은 힐 앤 밸리(hill and valley) 구조나 계단 구조와 같은 미세 요철을 가질 수 있으며, 이러한 미세 요철에 의해 면의 곡률이 형성될 수 있다. 모서리를 형성하는 두 면 중 다른 한 면은 곡면이거나 평면일 수 있다. 음극재 형상 관찰시 주사전자현미경의 배율은 3000배 내지 8000배 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The angular shape may be a shape in which at least two surfaces contact each other and form a corner when observing the shape of the negative electrode material using a scanning electron microscope. The two surfaces forming the corner may be independently flat or curved. Although not particularly limited, in the angular shape, at least one of the two surfaces forming the corner within the particle may be a curved surface. The curved surface may be concave, convex, or a surface having both concave and convex regions. In addition, the curved surface may have micro-roughnesses such as a hill and valley structure or a step structure, and the curvature of the surface may be formed by these micro-roughnesses. The other of the two surfaces forming the corner may be a curved surface or a flat surface. When observing the shape of the negative electrode material, the magnification of the scanning electron microscope may be 3000 to 8000 times, but is not limited thereto.

제조방법적 측면에서, 각진 형상의 입자는 파쇄에 의해 수득된 입자일 수 있고, 모서리를 형성하는 두 면 중 적어도 한 면은 파단면일 수 있다.In terms of the manufacturing method, the angular-shaped particles may be particles obtained by crushing, and at least one of the two faces forming the edge may be a fracture surface.

각진 형상의 굴곡화율과 각이지지 않은 형상의 굴곡화율은, 동일한 굴곡화율 값을 갖더라도, 전기화학적 특성에 미치는 영향이 상이할 수 있다. 일 예로, 음극재로 음극활물질층을 형성할 때, 입자가 동일한 값의 굴곡화율을 갖더라도, 구 형상과 각진 형상의 형상 차이에 의해, 공간 채움 구조, 인접 요소와의 접촉정도, 동일 부피 대비 표면적등이 서로 달라지게 된다.Even if the curvature of an angular shape and the curvature of a non-angular shape have the same curvature value, their effects on electrochemical characteristics may be different. For example, when forming an anode active material layer with an anode material, even if the particles have the same curvature value, the space-filling structure, the degree of contact with adjacent elements, and the surface area per unit volume may be different due to the shape difference between a spherical shape and an angular shape.

상술한 굴곡화율에 의해 전기화학적 특성이 공고하게 향상될 수 있도록, 굴곡화율은 각진 형상을 갖는 입자의 굴곡화율일 수 있다.In order for the electrochemical properties to be strongly improved by the above-described bending rate, the bending rate may be a bending rate of particles having an angular shape.

일 구체예에서, 음극재의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다. 평균 입경은 누적 체적 기준 메디안 직경(D50)에 해당할 수 있다. 누적 체적 기준 D50은 입자의 직경 순서로 누적한 분포곡선(누적 분포곡선)에서 누적 부피%가 50부피%인 지점에서의 입경을 의미한다. 실험적으로, D50을 포함한 누적 분포곡선은 레이저 회절 방식이나 동적 광산란 방식을 이용하는 통상의 입도 분석기에 의해 수득될 수 있다.In one specific example, the average particle diameter (D 50 ) of the negative electrode material may be 1 ㎛ to 30 ㎛. The average particle diameter may correspond to a median diameter (D 50 ) based on a cumulative volume. The cumulative volume-based D 50 refers to a particle diameter at a point where the cumulative volume % is 50 vol % in a distribution curve (cumulative distribution curve) accumulated in order of particle diameters. Experimentally, a cumulative distribution curve including D 50 can be obtained by a conventional particle size analyzer using a laser diffraction method or a dynamic light scattering method.

음극재의 D50은 1 ㎛ 내지 30 ㎛, 구체적으로 2 ㎛ 내지 20 ㎛, 2 ㎛ 내지 15 ㎛, 2 ㎛ 내지 10 ㎛, 또는 3 ㎛ 내지 8 ㎛일 수 있다. 상술한 굴곡화율을 갖는 음극재가 이러한 D50값을 갖는 경우, 음극 활물질층의 형성시 안정적인 통전성이 확보되면서도 충방전에 관여하는 금속 이온(일 예로, 리튬 이온)의 확산 시간을 감소시켜, 보다 향상되고 안정적인 충방전 사이클 특성을 나타낼 수 있다.The D50 of the negative electrode material may be 1 ㎛ to 30 ㎛, specifically 2 ㎛ to 20 ㎛, 2 ㎛ to 15 ㎛, 2 ㎛ to 10 ㎛, or 3 ㎛ to 8 ㎛. When the negative electrode material having the above-described bending rate has such a D50 value, stable electrical conductivity is secured when the negative electrode active material layer is formed, while reducing the diffusion time of metal ions (e.g., lithium ions) involved in charge and discharge, thereby exhibiting more improved and stable charge and discharge cycle characteristics.

일 구체예에서, 음극재는 1차 입자(primary particle), 2차 입자(secondary particle) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 즉, 음극재는 1차 입자들, 2차 입자들 또는 1차 입자와 2차 입자가 혼합된 입자들일 수 있다. 1차 입자는 단일 입자를 의미할 수 있으며, 2차 입자는 둘 이상의 입자들이 응집된 응집체를 의미할 수 있다. 응집체를 이루는 둘 이상의 모재가 직접적으로 계면을 이루며 접하고 있는 경우도, 후술하는 바와 같이 표면층의 탄소성분이 응집체를 이루는 둘 이상의 모재 사이에 존재하는 경우도 응집체로 분류될 수 있다.In one specific example, the negative electrode material may be a primary particle, a secondary particle, or a mixture thereof. That is, the negative electrode material may be primary particles, secondary particles, or particles in which primary particles and secondary particles are mixed. The primary particle may mean a single particle, and the secondary particle may mean an aggregate in which two or more particles are aggregated. A case where two or more parent materials forming the aggregate are in direct contact with each other to form an interface, or a case where a carbon component of a surface layer exists between two or more parent materials forming the aggregate, as described below, may be classified as an aggregate.

일 구체예에서, 음극재의 구형화도는 0.55 이상일 수 있으며, 구체적으로 0.55 내지 0.95, 보다 구체적으로 0.70 내지 0.93, 보다 더 구체적으로 0.80 내지 0.90일 수 있다. 구형화도는 3차원 입자인 음극재의 투영된 이미지(2D image)를 기준으로, 투영된 이미지와 동일한 면적을 갖는 원의 원주를 투영된 이미지의 둘레(둘레 길이)로 나눈 비로 규정될 수 있다. 높은 구형화도를 갖는 음극재는 고밀도화에 유리하며, 전해질과의 안정적이며 균질한 접촉을 가능하게 하고, 전지 충방전 반응시 수반되는 부피 변화에 의해 발생하는 응력이 국부적으로 집중되는 것을 방지하고 향상된 내구성을 나타낼 수 있다. In one specific example, the sphericity of the negative electrode material may be 0.55 or more, specifically 0.55 to 0.95, more specifically 0.70 to 0.93, and even more specifically 0.80 to 0.90. The sphericity may be defined as a ratio of a circumference of a circle having the same area as a projected image (2D image) of the negative electrode material, which is a three-dimensional particle, divided by the perimeter (perimeter length) of the projected image. A negative electrode material having a high sphericity is advantageous for high densification, enables stable and homogeneous contact with the electrolyte, prevents stress caused by volume change accompanying a battery charge/discharge reaction from being locally concentrated, and exhibits improved durability.

일 구체예에서, 탄소(C)를 함유하는 표면층은 모재 상에 위치할 수 있으며, 표면층은 모재 표면의 일부 내지 전부를 덮을 수 있다. 실질적으로, 표면층은 모재 표면이 음극재(입자)의 표면으로 노출되지 않도록 모재를 온전히 감쌀 수 있다. 이때, 표면층은 하나 또는 둘 이상의 모재를 감쌀 수 있다. 표면층이 하나의 모재를 감쌀 때, 입자는 1차 입자로 간주될 수 있으며, 표면층이 둘 이상의 모재를 감쌀 때 입자는 2차 입자로 간주될 수 있다. In one specific embodiment, a surface layer containing carbon (C) may be positioned on the substrate, and the surface layer may cover part or all of the substrate surface. In practice, the surface layer may completely surround the substrate so that the substrate surface is not exposed to the surface of the cathode material (particle). At this time, the surface layer may surround one or more substrates. When the surface layer surrounds one substrate, the particle may be considered a primary particle, and when the surface layer surrounds two or more substrates, the particle may be considered a secondary particle.

탄소를 함유하는 표면층은 탄소층을 포함할 수 있다. 모재는 탄소층에 의해 감싸일 수 있으며, 이때, 모재와 탄소층은 서로 접한 상태일 수 있다. 탄소층은 비정질 탄소층, 결정질 탄소층, 비정질 탄소와 결정질 탄소가 혼재하는 복합층을 포함할 수 있다. 표면층은 단일한 탄소층 또는 서로 상이한 물성을 갖는 탄소층들이 적층된 다층 구조의 탄소다중층을 포함할 수 있다. The surface layer containing carbon may include a carbon layer. The parent material may be wrapped by the carbon layer, and at this time, the parent material and the carbon layer may be in contact with each other. The carbon layer may include an amorphous carbon layer, a crystalline carbon layer, or a composite layer in which amorphous carbon and crystalline carbon are mixed. The surface layer may include a single carbon layer or a carbon multilayer having a multilayer structure in which carbon layers having different physical properties are laminated.

구체예로, 탄소층은 비정질 탄소층일 수 있다. 비정질 탄소층에 의한 저항성분을 최소화하면서도 모재 표면을 안정적으로 감싸는 측면에서, 비정질 탄소층의 두께는 1 내지 50 nm 수준, 구체적으로 1 내지 40 nm 수준, 보다 구체적으로 4 내지 30 nm 수준일 수 있다. 실험적으로, 비정질 탄소층의 두께는 투과전자현미경(TEM), 주사투과전자현미경(STEM)등 미세조직 관찰 장치를 통해 얻어지는 이미지를 이용하여 랜덤하게 10곳 이상, 실질적으로 10 내지 20 곳의 위치에서 탄소층의 두께를 측정하여 그 평균값을 취한 것일 수 있다. For example, the carbon layer may be an amorphous carbon layer. In order to stably wrap the surface of the parent material while minimizing the resistance component due to the amorphous carbon layer, the thickness of the amorphous carbon layer may be 1 to 50 nm, specifically 1 to 40 nm, and more specifically 4 to 30 nm. Experimentally, the thickness of the amorphous carbon layer may be obtained by randomly measuring the thickness of the carbon layer at 10 or more locations, or practically 10 to 20 locations, using an image obtained through a microstructure observation device such as a transmission electron microscope (TEM) or a scanning transmission electron microscope (STEM), and taking the average value.

일 구체예에서 표면층은 액상(상온 액상) 탄소전구물질로부터 유래한 것일 수 있다. 구체적으로, 표면층은 20 내지 60 dyne/cm의 표면장력, 구체적으로 25 내지 50 dyne/cm의 표면장력을 갖는 액상 탄소전구물질로부터 유래한 것일 수 있다. 이러한 표면 장력을 갖는 액상은, 표면에너지 감소를 구동력으로 모재를 안정적으로 감쌀 수 있어 유리하다. 전술한 바와 같이, 액상 탄소전구물질과 입자상의 모재를 혼합하여 모재에 표면층을 형성함으로써, 모재를 온전히 감싸는 표면층이 용이하게 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 탄화를 위한 열처리시, 액상 탄소전구물질과 모재를 포함하는 혼합물의 밀도를 통해 음극재의 굴곡도가 조절될 수 있다. In one specific example, the surface layer may be derived from a liquid (room temperature liquid) carbon precursor. Specifically, the surface layer may be derived from a liquid carbon precursor having a surface tension of 20 to 60 dyne/cm, specifically, a surface tension of 25 to 50 dyne/cm. A liquid having such a surface tension is advantageous in that it can stably wrap the parent material with a decrease in surface energy as a driving force. As described above, by forming a surface layer on the parent material by mixing the liquid carbon precursor and the particulate parent material, a surface layer that completely wraps the parent material can be easily formed. In addition, during heat treatment for carbonization, the degree of curvature of the negative electrode material can be controlled through the density of the mixture including the liquid carbon precursor and the parent material.

20 내지 60 dyne/cm의 표면장력을 갖는 액상 탄소전구물질의 예로, 콜타르(Coal Tar), 석유계 잔사유(PFO: Pyrolyzed fuel oil)등을 들 수 있으며, 실질적으로는 콜타르를 들 수 있다. 그러나, 액상 탄소전구물질이 20 내지 60 dyne/cm의 표면장력을 갖는 액상 탄소전구물질로 한정되는 것은 아니며, 종래 실리콘계 음극활물질에 탄소 표면층을 형성하기 위해 통상적으로 사용되는 액상 물질이어도 무방하다. Examples of liquid carbon precursors having a surface tension of 20 to 60 dyne/cm include coal tar, pyrolyzed fuel oil (PFO), etc., and coal tar is practically the example. However, the liquid carbon precursor is not limited to a liquid carbon precursor having a surface tension of 20 to 60 dyne/cm, and may be a liquid substance commonly used to form a carbon surface layer on a conventional silicon-based negative electrode active material.

음극재에 함유된 표면층의 함량은 음극재 총 중량을 기준으로 0.10 내지 3.00 중량%, 구체적으로 0.15 내지 2.00 중량%, 보다 구체적으로 0.15 내지 1.70중량%일 수 있다. The content of the surface layer contained in the negative electrode material may be 0.10 to 3.00 wt%, specifically 0.15 to 2.00 wt%, and more specifically 0.15 to 1.70 wt%, based on the total weight of the negative electrode material.

일 구체예에서, 모재는 원소 성분을 기준하여 실리콘을 함유하는 모재, 달리 상술하면 실리콘계 모재일 수 있다. In one specific example, the parent material may be a parent material containing silicon based on elemental composition, or alternatively, a silicon-based parent material.

실리콘계 모재는 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘과 이종 원소 간의 복합 산화물(실리콘 복합 산화물로도 통칭), 실리콘 질화물, 실리콘 황화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 합금, 이들의 혼합물(mixture) 또는 이들의 복합체(composite)를 포함할 수 있다. 이때, 이들의 복합체(composite)의 구체 예로, 실리콘과 실리콘 산화물간의 복합체, 실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 복합 산화물간의 복합체, 실리콘 탄화물과 실리콘간의 복합체등을 들 수 있다. 실리콘 합금은 실리콘과 이종 금속(일 예로, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb 및 Mg 군에서 선택된 1종 이상)간의 합금(금속간 화합물 포함)을 포함할 수 있다. 실리콘과 이종 원소 간의 복합 산화물인 실리콘 복합 산화물은 실리콘;과 알칼리금속과 알칼리토금속 및 전이후금속 군에서 1종 이상 선택되는 금속;간의 복합 산화물을 포함할 수 있다. 이때, 실리콘계 모재가 복합체일 때, 반드시 실리콘을 함유하는 물질간의 복합체만으로 한정되어 해석되어서는 안된다. 일 예로, 모재가 복합체인 경우, 복합체는 실리콘-탄소 복합체를 포함할 수 있으며, 실리콘-탄소 복합체는 흑연계 탄소, 비흑연계 탄소 및 그래핀이나 탄소나노튜브등을 포함하는 탄소 나노구조체군에서 하나 이상 선택되는 탄소성분과 금속 실리콘간의 복합체를 포함할 수 있다. The silicon-based matrix may include silicon, silicon oxide, a composite oxide between silicon and a heterogeneous element (also called silicon composite oxide), silicon nitride, silicon sulfide, silicon carbide, a silicon alloy, a mixture thereof, or a composite thereof. At this time, specific examples of the composite include a composite between silicon and silicon oxide, a composite between silicon, silicon oxide, and silicon composite oxide, a composite between silicon carbide and silicon, etc. The silicon alloy may include an alloy (including an intermetallic compound) between silicon and a heterogeneous metal (for example, at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, and Mg). The silicon composite oxide, which is a composite oxide between silicon and a heterogeneous element, may include a composite oxide between silicon and at least one metal selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a post-transition metal. At this time, when the silicon-based matrix is a composite, it should not be interpreted as being limited to a composite between only materials containing silicon. For example, when the parent material is a composite, the composite may include a silicon-carbon composite, and the silicon-carbon composite may include a composite between metal silicon and a carbon component selected from the group consisting of graphitic carbon, non-graphitic carbon, and carbon nanostructures such as graphene or carbon nanotubes.

일 구체예에서, 모재(실리콘계 모재)는 원소 성분 기준, 실리콘, 산소, 알칼리금속과 알칼리토금속 및 전이후금속 군에서 하나 이상 선택되는 도핑원소(D)를 함유할 수 있다. 실리콘은 원소 실리콘 상태의 실리콘 성분과 산화물 상태의 실리콘 성분을 포함할 수 있으며, 산화물 상태의 실리콘 성분은, 실리콘 단독의 산화물 상태, 실리콘과 도핑원소의 복합 산화물 상태 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 도핑원소는 산화물 상태의 도핑원소 성분을 포함할 수 있으며, 산화물 상태의 도핑원소는 도핑원소 단독의 산화물 상태, 실리콘과 도핑원소의 복합 산화물 상태 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. In one specific embodiment, the parent material (silicon-based parent material) may contain a doping element (D) selected from the group consisting of silicon, oxygen, alkali metals, alkaline earth metals, and post-transition metals, based on the elemental components. The silicon may include a silicon component in an elemental silicon state and a silicon component in an oxide state, and the silicon component in an oxide state may include an oxide state of silicon alone, a composite oxide state of silicon and the doping element, or all of them. The doping element may include a doping element component in an oxide state, and the doping element in an oxide state may include an oxide state of the doping element alone, a composite oxide state of silicon and the doping element, or all of them.

화합물 성분 기준, 모재(실리콘계 모재)는 실리콘 산화물, 도핑원소와 실리콘의 복합 산화물 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있으며, 이와 함께 원소(금속) 실리콘(Si)을 함유할 수 있다. Based on the compound composition, the parent material (silicon-based parent material) may contain silicon oxide, a composite oxide of a doping element and silicon, or a mixture thereof, and may also contain elemental (metallic) silicon (Si).

실리콘 산화물은 SiOx(x는 0.1 내지 2의 실수, 구체적으로 0.5 내지 2의 실수)를 만족할 수 있으며, 서로 다른 x를 갖는 제1실리콘 산화물과 제2실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 일 예로, 모재에 함유되는 실리콘 산화물은 SiOx1(x1은 1.8 내지 2의 실수)의 제1실리콘 산화물과 SiOx2(x2는 0.8 내지 1.2의 실수)의 제2실리콘 산화물을 포함할 수 있다. The silicon oxide can satisfy SiO x (x is a real number from 0.1 to 2, specifically, a real number from 0.5 to 2), and can include a first silicon oxide and a second silicon oxide having different x. For example, the silicon oxide contained in the base material can include a first silicon oxide of SiO x1 (x1 is a real number from 1.8 to 2) and a second silicon oxide of SiO x2 (x2 is a real number from 0.8 to 1.2).

복합 산화물은 DlSimOn(D는 도핑 원소이며, l은 1 내지 6의 실수, m은 0.5 내지 2의 실수, n은 D와 Si 각각의 산화수와 l 및 m에 따라 전하중성을 만족하는 실수)를 만족할 수 있다. The complex oxide can satisfy D l Si m O n (D is a doping element, l is a real number from 1 to 6, m is a real number from 0.5 to 2, and n is a real number satisfying the charge neutrality according to the oxidation numbers of D and Si, respectively, and l and m).

도핑원소(D)는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)에서 하나 이상 선택될 수 있다. 이에, 복합 산화물은 실리콘(Si);과 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)에서 하나 이상 선택된 원소;간의 산화물일 수 있다. 구체적으로, 도핑 원소는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 군, 보다 구체적으로 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba)에서 하나 이상 선택되는 원소일 수 있고, 보다 더 구체적으로 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba)에서 하나 이상 선택되는 원소일 수 있다. 비근한 일 예로, D가 Mg인 경우, 복합 산화물은 MgSiO3 및 Mg2SiO4에서 하나 이상 선택되는 산화물등을 포함할 수 있으나, 본 발명에서 도핑 원소와 복합 산화물이 반드시 Mg와 Mg-Si간의 산화물로 한정되는 것은 아니다. The doping element (D) may be selected from at least one of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), and bismuth (Bi). Accordingly, the composite oxide may be an oxide between silicon (Si); and at least one element selected from lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), and bismuth (Bi). Specifically, the doping element may be at least one element selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals, more specifically, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba), and even more specifically, at least one element selected from magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba). As a related example, when D is Mg, the composite oxide may include at least one oxide selected from MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 , but the doping element and the composite oxide in the present invention are not necessarily limited to oxides between Mg and Mg-Si.

미세 구조 기준, 모재(실리콘계 모재)는 실리콘 산화물; 알칼리금속과 알칼리토금속 및 전이후금속 군에서 하나 이상 선택되는 도핑원소와 실리콘의 복합산화물; 또는 이들의 혼합물;을 함유하는 매트릭스와 실리콘 나노입자를 포함하는 분산상을 함유할 수 있다. 분산상은 매트릭스 내에 균일하게 분산 함입되어 위치할 수 있다. 매트릭스는 모재에서 나노입자상의 실리콘이 분산되는 고체상의 매질을 의미할 수 있으며, 분산상인 금속 실리콘(Si)을 제외한 물질(들)을 의미할 수 있다. Based on the microstructure, the parent material (silicon-based parent material) may contain a matrix containing silicon oxide; a composite oxide of silicon and a doping element selected from the group consisting of an alkali metal, an alkaline earth metal, and a post-transition metal; or a mixture thereof; and a dispersed phase including silicon nanoparticles. The dispersed phase may be uniformly dispersed and incorporated into the matrix. The matrix may mean a solid medium in which silicon in the form of nanoparticles is dispersed in the parent material, and may mean material(s) excluding metallic silicon (Si), which is the dispersed phase.

일 구체예에서, 매트릭스는 실리콘 산화물과 복합산화물을 모두 함유할 수 있으며, 매트릭스는 실리콘 산화물 100 중량부 기준 복합산화물의 중량부를 A로 하고, 음극재에서 중량% 기준 도핑원소의 농도를 B로 할 때, A/B가 2 내지 50, 2 내지 40, 2 내지 30, 또는 2 내지 20을 만족할 수 있다. In one specific embodiment, the matrix may contain both silicon oxide and a composite oxide, and the matrix may satisfy A/B of 2 to 50, 2 to 40, 2 to 30, or 2 to 20, when A is the weight part of the composite oxide based on 100 parts by weight of silicon oxide and B is the concentration of the doping element based on weight % in the cathode material.

일 구체예에서, 실리콘 나노입자는 결정질, 비정질, 또는 결정질과 비정질이 혼재하는 복합상일 수 있으며, 실질적으로 결정질일 수 있다. 실리콘 나노입자의 평균 직경은 100 나노미터 오더 내지 101 나노미터 오더, 구체적으로 1 내지 50 nm, 2 내지 40 nm, 2 내지 35 nm, 2 내지 30 nm, 2 내지 20 nm 또는 2 내지 15 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one specific embodiment, the silicon nanoparticles can be crystalline, amorphous, or a composite of crystalline and amorphous, and can be substantially crystalline. The average diameter of the silicon nanoparticles can be on the order of 100 nanometers to the order of 10 1 nanometers, specifically, but not limited to, 1 to 50 nm, 2 to 40 nm, 2 to 35 nm, 2 to 30 nm, 2 to 20 nm, or 2 to 15 nm.

일 구체예에서, 매트릭스는 결정질, 비정질 또는 결정질과 비정질이 혼재하는 복합상일 수 있다. 상세하게, 매트릭스는 결정질 또는 결정질과 비정질이 혼재하는 복합상일 수 있다. 구체적으로, 매트릭스는 비정질, 결정질 또는 비정질과 결정질이 혼재하는 실리콘 산화물 및 결정질의 복합산화물을 포함할 수 있다. In one specific embodiment, the matrix can be crystalline, amorphous, or a composite phase in which crystalline and amorphous are mixed. In particular, the matrix can be crystalline or a composite phase in which crystalline and amorphous are mixed. Specifically, the matrix can include amorphous, crystalline, or a composite oxide of silicon oxide and crystalline oxide in which amorphous and crystalline are mixed.

일 구체예에서, 모재(실리콘계 모재)는 나노입자상 실리콘 15 내지 50중량% 및 잔부의 매트릭스를 함유할 수 있다. In one specific embodiment, the parent material (silicon-based parent material) may contain 15 to 50 wt% of nanoparticle silicon and the remainder of a matrix.

일 구체예에서, 음극재는 이차전지용 음극재일 수 있으며, 이때, 이차전지는 리튬 이차전지를 포함할 수 있다. 리튬 이차전지는 분리막과 전해질 종류 기준, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있으며, 형태 기준, 원통형, 각형, 코인형 또는 파우치형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one specific example, the negative electrode material may be a negative electrode material for a secondary battery, and in this case, the secondary battery may include a lithium secondary battery. The lithium secondary battery may be a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, or a lithium polymer battery based on the type of separator and electrolyte, and may be cylindrical, square, coin-shaped, or pouch-shaped, but is not limited thereto.

그러나, 본 발명의 일 구체예에 따른 음극재가 반드시 리튬 이차전지용 음극재로 한정되는 것은 아니다. 일 구체예에 따른 음극재는 나트륨 전지, 알루미늄 전지, 마그네슘 전지, 칼슘 전지, 아연 전지등의 이차전지의 활물질로 활용될 수 있으며, 슈퍼 캐패시터, 염료감응 태양전지, 연료전지등 종래 실리콘계 물질이 사용되는 다른 에너지 저장/생성 장치에도 활용될 수 있다. However, the negative electrode material according to one specific example of the present invention is not necessarily limited to the negative electrode material for a lithium secondary battery. The negative electrode material according to one specific example can be utilized as an active material for secondary batteries such as a sodium battery, an aluminum battery, a magnesium battery, a calcium battery, a zinc battery, etc., and can also be utilized in other energy storage/generation devices such as a super capacitor, a dye-sensitized solar cell, a fuel cell, etc., in which conventional silicon-based materials are used.

본 개시는 이차전지용 음극재의 제조방법을 포함한다. 제조방법을 상술함에 있어, 제조되는 음극재는 전술한 이차전지용 음극재와 유사 내지 동일하다. 이에, 이차전지용 음극재의 제조방법은 음극재에서 전술한 모든 내용을 포함한다.The present disclosure includes a method for manufacturing a negative electrode material for a secondary battery. When describing the manufacturing method, the negative electrode material manufactured is similar to or identical to the negative electrode material for a secondary battery described above. Accordingly, the method for manufacturing a negative electrode material for a secondary battery includes all of the contents described above in the negative electrode material.

일 구체예에 따른 이차전지용 음극재의 제조방법은 0.1torr 이하의 진공 하에 실리콘(Si) 및 산화실리콘(SiO2)이 혼합된 원료를 1350 내지 1750℃의 온도로 가열하여 기화시키고 350 내지 450℃의 포집판에서 응축(기화 가스의 응축)시켜 포집물을 수득하는 단계; 수득된 포집물을 불활성 분위기 하 850 내지 950℃의 온도, 구체적으로 880 내지 920℃의 온도에서 10 내지 20시간 동안, 구체적으로 13 내지 18시간 동안 열처리하여 열처리물을 수득하는 단계; 수득된 열처리물을 분쇄하여 분쇄물을 수득하는 단계; 분쇄물과 탄소전구물질이 혼합된 혼합물을 0.70 g/cm3 이하의 밀도(충진 밀도) 조건에서 불활성 분위기 하 850 내지 950℃의 온도, 구체적으로 880 내지 920℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안, 구체적으로 1 내지 3시간 동안 탄화 처리하여 음극재를 제조하는 단계를 포함한다. 이때, 탄화 처리에 의해 원소 성분을 기준하여 실리콘(Si)을 함유하는 모재 및 상기 모재 상에 위치하며 탄소(C)를 함유하는 표면층을 포함하는 입자상이며, 전술한 식 1로 산출되는 굴곡화율이 1.00 이하인 음극재가 제조될 수 있다.A method for manufacturing a negative electrode material for a secondary battery according to one specific example comprises the steps of: heating a raw material mixed with silicon (Si) and silicon oxide (SiO 2 ) to a temperature of 1,350 to 1,750°C under a vacuum of 0.1 torr or less to vaporize and condensing (condensing vaporized gas) on a collecting plate at 350 to 450°C to obtain a collected product; heat-treating the obtained collected product under an inert atmosphere at a temperature of 850 to 950°C, specifically, a temperature of 880 to 920°C, for 10 to 20 hours, specifically, 13 to 18 hours to obtain a heat-treated product; and pulverizing the obtained heat-treated product to obtain a pulverized product. A method of manufacturing a negative electrode material includes a step of manufacturing a negative electrode material by carbonizing a mixture of a pulverized material and a carbon precursor under conditions of a density (packing density) of 0.70 g/cm 3 or less at a temperature of 850 to 950° C., specifically, a temperature of 880 to 920° C., for 1 to 5 hours, specifically, 1 to 3 hours, in an inert atmosphere. At this time, through the carbonization treatment, an negative electrode material can be manufactured in a particle form including a base material containing silicon (Si) based on an elemental component and a surface layer located on the base material containing carbon (C), and having a curvature ratio of 1.00 or less calculated by the above-described Equation 1.

원료는 실리콘 및 산화실리콘과 함께 도핑원소(D)의 산화물을 더 포함할 수 있다. 도핑원소의 산화물에서, 도핑원소는 전술한 음극재에서 상술한 바와 유사 내지 동일할 수 있다. 상세하게, 도핑원소의 산화물은 알칼리금속, 알칼리토금속 및 전이후금속 군에서 하나 이상 선택되는 도핑원소의 산화물일 수 있으며, 보다 상세하게, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 비스무트(Bi)에서 하나 이상 선택되는 도핑원소의 산화물일 수 있다.The raw material may further include an oxide of a doping element (D) together with silicon and silicon oxide. In the oxide of the doping element, the doping element may be similar to or identical to that described above in the above-described negative electrode material. Specifically, the oxide of the doping element may be an oxide of a doping element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals and post-transition metals, and more specifically, may be an oxide of a doping element selected from lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn) and bismuth (Bi).

원료에 함유된 실리콘 : 산화실리콘의 몰비는 1 : 0.60 내지 0.90, 보다 구체적으로 1 : 0.70 내지 0.80일 수 있다. 원료가 실리콘, 산화실리콘 및 도핑원소의 산화물의 혼합물인 경우, 원료에 함유된 실리콘 : 도핑원소의 산화물의 몰비는 1 : 0.10 내지 0.40, 보다 구체적으로 1 : 0.15 내지 0.30일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The molar ratio of silicon contained in the raw material: silicon oxide may be 1:0.60 to 0.90, more specifically 1:0.70 to 0.80. When the raw material is a mixture of silicon, silicon oxide, and oxide of a doping element, the molar ratio of silicon contained in the raw material: oxide of a doping element may be 1:0.10 to 0.40, more specifically 1:0.15 to 0.30, but is not necessarily limited thereto.

원료의 기화 및 포집 후, 포집물을 열처리하여 수득된 열처리물은 기계적으로 분쇄될 수 있다. 수득된 열처리물은 분쇄에 의해 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 수준의 평균 크기를 갖는 입자로 입자화될 수 있다.After vaporization and capture of the raw material, the captured material is heat-treated, and the heat-treated material obtained can be mechanically pulverized. The obtained heat-treated material can be granulated into particles having an average size of 1 ㎛ to 30 ㎛ by pulverization.

분쇄물은 탄소전구물질과 혼합되어 탄화처리될 수 있다. 탄소전구물질은 상온에서 액상인 액상 탄소전구물질일 수 있으며, 유리하게, 20 내지 60 dyne/cm의 표면장력을 갖는 액상 탄소전구물질일 수 있다. 구체예로, 탄소전구물질은 콜타르(Coal Tar), 석유계 잔사유(PFO: Pyrolyzed fuel oil)등일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The pulverized material can be mixed with a carbon precursor and subjected to carbonization. The carbon precursor can be a liquid carbon precursor that is liquid at room temperature, and advantageously, can be a liquid carbon precursor having a surface tension of 20 to 60 dyne/cm. As a specific example, the carbon precursor can be coal tar, pyrolyzed fuel oil (PFO), etc., but is not necessarily limited thereto.

탄화처리시, 분쇄물과 탄소전구물질, 유리하게 분쇄물과 액상 탄소전구물질이 혼합된 혼합물은 0.70 g/cm3 이하의 밀도(충진 밀도) 조건을 만족하는 상태에서 불활성 분위기 하 탄화처리될 수 있다. 상세하게, 분쇄물과 액상 탄소전구물질이 혼합된 혼합물은 0.40 내지 0.70 g/cc, 유리하게 0.45 내지 0.70 g/cc, 보다 유리하게 0.45 내지 0.60 g/cc, 보다 더 유리하게 0.50 내지 0.60 g/cc의 충진 밀도를 만족하는 상태에서 불활성 분위기 하 탄화처리될 수 있다. 이때, 불활성 분위기는 아르곤, 질소, 헬륨, 네온 또는 이들의 혼합가스일 수 있다. In the carbonization treatment, the mixture of the pulverized material and the carbon precursor, or advantageously the pulverized material and the liquid carbon precursor, can be carbonized under an inert atmosphere while satisfying the condition of a density (packing density) of 0.70 g/cm 3 or less. Specifically, the mixture of the pulverized material and the liquid carbon precursor can be carbonized under an inert atmosphere while satisfying a packing density of 0.40 to 0.70 g/cc, advantageously 0.45 to 0.70 g/cc, more advantageously 0.45 to 0.60 g/cc, and even more advantageously 0.50 to 0.60 g/cc. At this time, the inert atmosphere can be argon, nitrogen, helium, neon, or a mixed gas thereof.

발명은 상술한 음극재를 함유하는 음극을 포함한다. The invention includes a cathode containing the cathode material described above.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 음극재를 함유하는 음극을 포함한다.The present invention includes a negative electrode containing a negative electrode material manufactured by the above-described manufacturing method.

구체적으로, 음극은 이차전지용 음극, 구체적으로 리튬 이차전지용 음극일 수 있다. 음극은 집전체; 집전체의 적어도 일면에 위치하며 상술한 음극재를 함유하는 음극활물질층을 포함할 수 있으며, 음극활물질층은 필요시, 상술한 음극재와 함께 이차전지 음극에 통상적으로 사용되는 바인더 및 도전재를 더 포함할 수 있으며, 필요시 비 실리콘계 음극활물질(리튬 이차전지의 일 예로, 흑연등)을 더 포함할 수 있다. Specifically, the negative electrode may be an negative electrode for a secondary battery, specifically, an negative electrode for a lithium secondary battery. The negative electrode may include a current collector; a negative electrode active material layer located on at least one surface of the current collector and containing the above-described negative electrode material, and the negative electrode active material layer may further include a binder and a conductive material commonly used in a secondary battery negative electrode together with the above-described negative electrode material, if necessary, and may further include a non-silicon-based negative electrode active material (an example of a lithium secondary battery is graphite, etc.) if necessary.

본 발명은 상술한 음극을 포함하는 이차전지를 포함한다. 이차전지는 양극 집전체 및 양극 집전체의 적어도 일 면에 위치하는 양극활물질층을 포함하는 양극; 상술한 음극; 양극과 음극 사이에 개재된 분리막; 및 전지의 충방전에 관여하는 활성 이온(일 예로, 리튬 이온)을 전도하는 전해질;을 포함할 수 있다. 양극 집전체, 음극 집전체, 양극 활물질층의 양극활물질이나 조성, 분리막 및 전해질의 용매나 전해질염 또는 전해질염의 농도 등은 구체 이차전지 별, 해당 이차전지에서 통상적으로 채택되는 물질이나 조성이면 족하다. The present invention includes a secondary battery including the above-described negative electrode. The secondary battery may include a positive electrode including a positive electrode collector and a positive electrode active material layer positioned on at least one surface of the positive electrode collector; the above-described negative electrode; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte that conducts active ions (for example, lithium ions) involved in charging and discharging of the battery. The positive electrode collector, the negative electrode collector, the positive electrode active material or composition of the positive electrode active material layer, the solvent of the separator and the electrolyte or the electrolyte salt or the concentration of the electrolyte salt may be any material or composition commonly adopted for each specific secondary battery or in the relevant secondary battery.

본 발명은 일 구체예에 따른 음극재를 포함하는 이차전지에 의해 전력이 생성되는 전력공급원을 포함한다. 전력공급원의 일 예로, 전지 모듈이나 전지 팩, ESS(Energy Storage System)등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The present invention includes a power supply source that generates power by a secondary battery including a cathode material according to one specific example. Examples of the power supply source include, but are not limited to, a battery module, a battery pack, or an ESS (Energy Storage System).

본 발명은 일 구체예에 따른 음극재를 포함하는 이차전지가 구비되는 전력공급원에 의해 전력이 공급되는 장치를 포함한다. 이러한 장치의 일 예로, 자동차(하이브리드 자동자, 전기자동차등), 휴대용 전자통신기기(무선단말기, 노트북등)등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The present invention includes a device that is supplied with power by a power supply source equipped with a secondary battery including a cathode material according to one specific example. Examples of such devices include, but are not limited to, automobiles (hybrid automobiles, electric automobiles, etc.), portable electronic communication devices (wireless terminals, laptops, etc.).

(제조예)(Manufacturing example)

Si, SiO2, MgO 분말을 각각 6(Si):4.5(SiO2):1.5(MgO)의 몰비로 분말 혼합기에 투입 후 균질 혼합하여 원료를 제조하였다.Si, SiO 2 , and MgO powders were placed in a powder mixer at a molar ratio of 6 (Si): 4.5 (SiO 2 ): 1.5 (MgO), respectively, and then homogeneously mixed to prepare raw materials.

상기 원료를 0.1torr 이하 진공 챔버 내의 도가니에 26 kg 담은 후 1,400°C로 가열하여 기화시킨 후, 400°C의 포집판에서 응축시켜 포집물(마그네슘 도핑 실리콘 산화물)을 수득하였다.The above raw material was placed in a crucible (26 kg) in a vacuum chamber at 0.1 torr or less, heated to 1,400°C to vaporize, and then condensed on a collecting plate at 400°C to obtain a collected product (magnesium-doped silicon oxide).

수득된 포집물을 900°C에서 15시간동안 Ar 분위기에서 열처리하여 열처리물(벌크형 모재)을 제조하고, 제조된 열처리물을 분쇄하여 입자화(D50 = 6.5 ㎛)한 후, 20 내지 60 dyne/cm의 표면장력을 갖는 액상 탄소전구물질과 분쇄물을 혼합하고 탄화처리하여 음극재를 제조하였다. 상세하게, 액상 탄소전구물질로 제철공장에서 원료탄의 건류 시 생성되는 상온 액체상태의 콜타르(Coal Tar, 비중=1.1-1.3 g/cc, 900 ℃ 탄화 시 탄화수율 약 25%)를 사용하였다. 혼합시, 열처리물을 분쇄하여 제조된 분쇄물 100 중량부와 콜타르 12 중량부를 혼합하였으며, 탄화처리를 위해 알루미나 보트에 담아 1기압 질소 분위기에서 900℃로 120 분 동안 열처리하였다. 이때, 분쇄물과 콜타르의 혼합물을 알루미나 보트에 장입하고, 탭핑기(Quanta chrom, Dual-tap)를 이용하여 10~300회로 탭핑 횟수를 조절하여 충진밀도를 조절하였다. 실시예 1은 분쇄물과 콜타르 혼합물의 충진 밀도가 0.67g/cc였으며, 실시예 2는 분쇄물과 콜타르 혼합물의 충진 밀도가 0.58 g/cc였고, 실시예 3은 분쇄물과 콜타르 혼합물의 충진 밀도가 0.51g/cc였으며, 비교예는 분쇄물과 콜타르 혼합물의 충진 밀도가 0.85 g/cc였다.The obtained capture material was heat-treated at 900°C for 15 hours in an Ar atmosphere to produce a heat-treated product (bulk base material), and the heat-treated product was pulverized to particle size (D 50 = 6.5 μm). Then, a liquid carbon precursor having a surface tension of 20 to 60 dyne/cm was mixed with the pulverized product, and carbonization was performed to produce a cathode material. Specifically, coal tar (specific gravity = 1.1-1.3 g/cc, carbonization yield about 25% when carbonized at 900°C) in a room temperature liquid state, which is generated during the dry distillation of raw coal in a steel mill, was used as the liquid carbon precursor. When mixing, 100 parts by weight of the pulverized product prepared by pulverizing the heat-treated product and 12 parts by weight of coal tar were mixed, and the mixture was placed in an alumina boat for carbonization and heat-treated at 900°C for 120 minutes in a 1-atm nitrogen atmosphere. At this time, the mixture of the pulverized material and coal tar was charged into the alumina boat, and the number of tappings was adjusted from 10 to 300 times using a tapping machine (Quanta chrom, Dual-tap) to control the packing density. In Example 1, the packing density of the mixture of the pulverized material and coal tar was 0.67 g/cc, in Example 2, the packing density of the mixture of the pulverized material and coal tar was 0.58 g/cc, in Example 3, the packing density of the mixture of the pulverized material and coal tar was 0.51 g/cc, and in the comparative example, the packing density of the mixture of the pulverized material and coal tar was 0.85 g/cc.

실시예에서 제조된 음극재의 물성, 상세한 설명 및 청구범위에 기재된 물성은 하기 '분석 및 측정 방법'에 따라 측정된 것이다.The properties of the negative electrode material manufactured in the examples, the detailed description, and the properties described in the claims were measured according to the following 'Analysis and Measurement Method'.

(분석 및 측정 방법)(Analysis and Measurement Methods)

D50 D 50

분석 대상 물질 0.01g을 에탄올에 현탁시키고, 제조된 현택액을 1분간 초음파 처리한 후, 통상의 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치(Microtrac S3500)로 누적 체적 직경 분포를 측정하였다. 분석 대상 물질의 메디안 직경 D50은 누적 체적 직경 분포에서 누적 체적이 50%인 위치에서의 직경을 의미한다. 0.01 g of the target substance was suspended in ethanol, and the prepared suspension was sonicated for 1 minute. Then, the cumulative volume diameter distribution was measured using a conventional laser diffraction particle size distribution measuring device (Microtrac S3500). The median diameter D 50 of the target substance refers to the diameter at the position where the cumulative volume is 50% in the cumulative volume diameter distribution.

구형화도Spherical shape

구형화도는 에탄올 5 mL에 분석 대상 물질 0.01 g을 초음파 분산시킨 후, 입자 형태 분석에 통상적으로 사용되는 분석기(Flowcam 8100, Fluid Imaging Technologies)를 이용하여 측정되었다. 일 물질의 구형화도는 구형화도의 평균값을 의미하며, 구형화도의 평균값은 적어도 500개 이상, 일반적으로 1000개 이상의 입자 각각의 구형화도를 확보하고 확보된 구형화도 값들을 평균 낸 통계적인 평균값이다.Sphericity was measured using an analyzer (Flowcam 8100, Fluid Imaging Technologies) commonly used for particle shape analysis after ultrasonically dispersing 0.01 g of the analyte in 5 mL of ethanol. The sphericity of a substance refers to the average value of the sphericity, and the average value of the sphericity is a statistical average value obtained by securing the sphericity of each of at least 500 or more, typically 1,000 or more particles and averaging the secured sphericity values.

굴곡도Curvature

굴곡도는 에탄올 5 mL에 분석 대상 물질 0.01 g을 초음파 분산시킨 후, 입형 분석기(morphologi 4, Malvern Panalytical)를 이용하여 측정되었다. 일 물질의 굴곡도(Con)는 입자별 굴곡도(들)의 평균값을 의미하며, 굴곡도의 평균값은 적어도 500개 이상, 일반적으로 1000개 이상의 입자 각각의 굴곡도를 확보하고 확보된 굴곡도 값들을 평균 낸 통계적인 평균값이다. 일 물질의 굴곡도의 표준편차 값 및 일 물질에서 굴곡도(Con)×0.9 이상의 굴곡도 값을 갖는 입자의 비율(입자수 기반 비율)은 일 물질의 굴곡도(통계적인 평균값) 산출에 사용된 입자별 굴곡도 데이터를 기반으로 입형 분석기에 데이터 처리 및 분석 프로그램으로 구비되는 통상의 프로그램에 의해 산출될 수 있다. The tortuosity was measured using a particle shape analyzer (morphologi 4, Malvern Panalytical) after ultrasonically dispersing 0.01 g of the analyte in 5 mL of ethanol. The tortuosity (Con) of a substance means the average of the tortuosity(s) of each particle, and the average of the tortuosity is a statistical average value obtained by securing the tortuosity of each particle of at least 500 or more, typically 1,000 or more, and averaging the secured tortuosity values. The standard deviation value of the tortuosity of a substance and the ratio of particles in a substance having a tortuosity value of at least tortuosity (Con) × 0.9 (ratio based on the number of particles) can be calculated by a conventional program equipped with a particle shape analyzer as a data processing and analysis program based on the tortuosity data of each particle used to calculate the tortuosity (statistical average value) of a substance.

실시예 및 비교예에서 제조된 음극재의 굴곡화율, 굴곡도의 표준편차 및 굴곡도(Con)x0.9 이상에 속하는 입자 비율을 측정하여, 그 결과를 아래의 표 1에 정리하였다.The bending rate, standard deviation of bending degree, and particle ratio belonging to bending degree (Con) x 0.9 or higher of the negative electrode materials manufactured in the examples and comparative examples were measured, and the results are summarized in Table 1 below.

(표 1)(Table 1)

표 1의 굴곡화율에서 알 수 있듯이, 동일한 조성 및 구조를 갖는 입자상의 모재에 동일한 탄소전구물질을 이용한 표면층이 형성된 경우에도 탄화 처리시 입자상 모재와 탄소전구물질이 혼합된 혼합물의 충진 밀도에 따라 제조된 음극재의 굴곡화율과 굴곡도(Con)x0.9 이상에 속하는 입자 비율(%)이 달라짐을 알 수 있다.As can be seen from the curvature ratio in Table 1, even when a surface layer is formed using the same carbon precursor on a particulate matrix having the same composition and structure, the curvature ratio of the manufactured negative electrode material and the particle ratio (%) belonging to the curvature (Con) x 0.9 or higher can be seen to differ depending on the packing density of the mixture in which the particulate matrix and the carbon precursor are mixed during the carbonization treatment.

도 1은 실시예 3에서 제조된 음극재를 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 실시예 1, 2 및 3과 비교예에서 제조된 음극재는 실질적으로 유사한 평균 크기(D50)을 가졌으며, 실시예 1, 2 및 3과 비교예에서 제조된 음극재의 평균 크기(D50)은 6.1 내지 6.9 ㎛ 수준이었다.Figure 1 is a scanning electron microscope photograph of the negative electrode material manufactured in Example 3. The negative electrode materials manufactured in Examples 1, 2, and 3 and the comparative example had substantially similar average sizes (D 50 ), and the average sizes (D 50 ) of the negative electrode materials manufactured in Examples 1, 2, and 3 and the comparative example were on the order of 6.1 to 6.9 ㎛.

또한, 음극재는 벌크를 분쇄하여 입자화한 분쇄물에 표면층을 형성하여 제조됨에 따라, 도 1에서 알 수 있듯이, 분쇄에 의한 파단면에 의해 에지가 존재하는 각진 형상을 가짐을 알 수 있다. In addition, since the cathode material is manufactured by forming a surface layer on a pulverized product that has been pulverized into particles by pulverizing the bulk, as can be seen in Fig. 1, it can be seen that it has an angular shape with an edge due to the fracture surface caused by the pulverization.

실시예 1, 2 및 3과 비교예에서 제조된 음극재의 구형화도 또한 D50과 마찬가지로 실질적으로 서로 유사했으며, 실시예 1, 2 및 3과 비교예에서 제조된 음극재의 구형화도는 0.8 내지 0.9 수준이었다.The sphericity of the negative electrode materials manufactured in Examples 1, 2, and 3 and the Comparative Example was also substantially similar to that of D 50 , and the sphericity of the negative electrode materials manufactured in Examples 1, 2, and 3 and the Comparative Example was at the level of 0.8 to 0.9.

도 2는 실시예 3에서 제조된 음극재에서 모재에 코팅된 비정질 탄소층을 관찰한 투과전자현미경 사진이다. 도 2의 투과전자현미경 관찰 결과와 같이, 모재 표면이 4 내지 30 nm 두께의 비정질 탄소에 의해 덮인 것을 확인하였다. Fig. 2 is a transmission electron microscope photograph showing an amorphous carbon layer coated on a base material in a cathode material manufactured in Example 3. As shown in the transmission electron microscope observation results of Fig. 2, it was confirmed that the surface of the base material was covered with amorphous carbon having a thickness of 4 to 30 nm.

실시예 및 비교예에서 각각 제조된 음극재를 활물질로 사용하여 활물질:도전재(carbon black):CMC(Carboxymethyl cellulose): SBR(Styrene Butadiene Rubber)을 중량비 8:1:0.5:0.5로 혼합하고 17 ㎛ 두께의 구리호일에 도포한 후 90°C에서 40분간 건조하였다. 건조 후 직경 14mm로 타발하고 직경 16mm의 금속 리튬을 대극으로 사용하며 직경 18 mm의 분리막을 사이에 두고 전해액을 채워 CR2032 동전형 반쪽전지를 제작하였다. 전해액은 EC(Ethylene carbonate)/DEC(Diethyl carbonate)를 부피비 1:1로 혼합한 용매에 1M의 LiPF6를 용해시키고 3wt%의 FEC(fluoroethylene carbonate)를 첨가제로 사용하였다. 화성 공정은 제조된 전지를 0.1C의 정전류로 0.005V까지 충전(lithiation)하고 0.01C에 도달할 때까지 0.005V 정전압 충전한 후 0.1C의 정전류로 1.5V까지 방전(de-lithiation)한 후(제1화성 스텝), 다시 0.1C의 정전류로 0.005V까지 충전(lithiation)하고 0.01C에 도달할 때까지 0.005V 정전압 충전한 후 0.1C의 정전류로 1.0V까지 방전(de-lithiation)(제2화성 스텝)하여 수행하였다. In each of the examples and comparative examples, the manufactured negative electrode materials were used as active materials, and the active material:conductive material (carbon black):CMC (Carboxymethyl cellulose):SBR (Styrene Butadiene Rubber) were mixed in a weight ratio of 8:1:0.5:0.5 and applied to a 17 ㎛ thick copper foil, and then dried at 90°C for 40 minutes. After drying, a CR2032 coin-type half-cell was manufactured by stamping out a diameter of 14 mm, using metallic lithium with a diameter of 16 mm as a counter electrode, interposing a separator with a diameter of 18 mm and filling the electrolyte. The electrolyte was prepared by dissolving 1 M LiPF 6 in a solvent containing EC (Ethylene carbonate)/DEC (Diethyl carbonate) in a volume ratio of 1:1, and using 3 wt% FEC (fluoroethylene carbonate) as an additive. The Martian process was performed by charging (lithiating) the manufactured battery to 0.005 V with a constant current of 0.1 C, charging at a constant voltage of 0.005 V until it reached 0.01 C, discharging (delithiating) to 1.5 V with a constant current of 0.1 C (first charring step), charging (lithiating) again to 0.005 V with a constant current of 0.1 C, charging at a constant voltage of 0.005 V until it reached 0.01 C, and discharging (delithiating) to 1.0 V with a constant current of 0.1 C (second charring step).

화성(formation) 공정이 수행된 반쪽 전지를 0.5C의 정전류로 0.005V까지 충전(lithiation)하고 0.05C에 도달할 때까지 0.005V 정전압 충전한 후 0.5C의 정전류로 1.0V까지 방전(de-lithiation)하여 충방전 사이클 특성을 평가하고, 충방전 사이클에 따른 방전 용량 유지율을 도 3으로 도시하였다.The half-cell on which the formation process was performed was charged (lithiated) to 0.005 V with a constant current of 0.5 C, charged at a constant voltage of 0.005 V until it reached 0.05 C, and then discharged (delithiated) to 1.0 V with a constant current of 0.5 C to evaluate the charge/discharge cycle characteristics, and the discharge capacity retention rate according to the charge/discharge cycle is shown in Fig. 3.

도 3에서 알 수 있듯이, 실시예 내지 비교예에서 제조된 음극재는 실질적으로 동일한 조성과 미세구조를 갖는 모재와 실질적으로 동일한 표면층을 가지나, 음극재의 구체 모폴로지에 따라 방전 용량 유지율이 현저하게 달라짐을 알 수 있으며, 작은 굴곡화율을 갖는 실시예 1 내지 3의 음극재가 현저하게 우수한 방전 용량 유지율을 나타냄을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 3, the negative electrode materials manufactured in the examples and comparative examples have substantially the same surface layer as the base material having substantially the same composition and microstructure, but it can be seen that the discharge capacity retention rate significantly differs depending on the spherical morphology of the negative electrode material, and it can be seen that the negative electrode materials of Examples 1 to 3 having a small bending rate exhibit significantly superior discharge capacity retention rate.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. Although the present invention has been described with reference to specific matters, limited examples, and drawings, these have been provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above examples, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and variations may be made from these descriptions.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the idea of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all things that are equivalent or equivalent to the claims described below as well as the claims are included in the scope of the idea of the present invention.

Claims (13)

원소 성분을 기준하여 실리콘(Si)을 함유하는 모재 및 상기 모재 상에 위치하며 탄소(C)를 함유하는 표면층을 포함하는 입자상이며,
하기 식 1로 산출되는 굴곡화율이 1.00 이하인 이차전지용 음극재.
(식 1)

(식 1에서, AR은 굴곡화율이며, Con은 음극재 입자의 볼록한 겉표면의 둘레(convex perimeter)를 음극재 입자의 실제 둘레(perimeter)로 나눈 굴곡도이다)
A particle-like material including a base material containing silicon (Si) based on elemental composition and a surface layer located on the base material and containing carbon (C).
A negative electrode material for a secondary battery having a bending ratio of 1.00 or less, calculated by the following equation 1.
(Formula 1)

(In Equation 1, AR is the curvature ratio, and Con is the curvature obtained by dividing the perimeter of the convex outer surface of the negative electrode particle (convex perimeter) by the actual perimeter of the negative electrode particle (perimeter).)
제 1항에 있어서,
상기 굴곡화율이 0.55 이하인, 이차전지용 음극재.
In paragraph 1,
A negative electrode material for a secondary battery having a bending ratio of 0.55 or less.
제 1항에 있어서,
상기 음극재는 하기 I) 내지 II) 중 하나 이상을 만족하는, 이차전지용 음극재.
I) 상기 굴곡도의 표준편차 값 ≤ 0.050
II) 상기 0.9×Con 이상에 속하는 굴곡도를 갖는 입자의 비율이 90% 이상
In paragraph 1,
The above negative electrode material is a negative electrode material for a secondary battery, satisfying at least one of the following I) to II).
I) Standard deviation value of the above curvature ≤ 0.050
II) The proportion of particles having a curvature of 0.9×Con or higher is 90% or more.
제 1항에 있어서,
상기 음극재의 구형화도는 0.55 이상인, 이차전지용 음극재.
In paragraph 1,
A negative electrode material for a secondary battery, wherein the sphericity of the above negative electrode material is 0.55 or more.
제 1항에 있어서,
상기 음극재는 각진 형상인 이차전지용 음극재.
In paragraph 1,
The above negative electrode material is a negative electrode material for a secondary battery having an angular shape.
제 1항에 있어서,
상기 음극재의 평균 입경(D50)은 1㎛ 내지 30㎛인 이차전지용 음극재.
In paragraph 1,
A negative electrode material for a secondary battery having an average particle diameter (D 50 ) of 1 ㎛ to 30 ㎛.
제 1항에 있어서,
상기 표면층은 비정질 탄소층을 포함하는 이차전지용 음극재.
In paragraph 1,
The above surface layer is a negative electrode material for a secondary battery including an amorphous carbon layer.
제 7항에 있어서,
상기 표면층의 두께는 1 내지 50 nm인 이차전지용 음극재.
In Article 7,
A negative electrode material for a secondary battery having a thickness of the surface layer of 1 to 50 nm.
입자상의 실리콘계 음극재이며, 카운터 전극이 금속 리튬 포일인 반쪽전지를 이용한 하기 충방전 사이클 조건에 따른 충방전 테스트시 식 2를 만족하는 이차전지용 음극재.
충방전 사이클 조건 : CC/CV, Cut-off 전압 0.005V~1.000V, 0.5C-rate
(식 2)
95 % < Cj/C1*100
(식 2에서 C1은 첫 번째 충방전 사이클에서의 방전 용량(mAh/g)이며 Cj는 j번째 충방전 사이클에서의 방전 용량이고, j는 10 이상 및 80이하에 속하는 임의의 자연수이다)
A secondary battery negative electrode material that satisfies Equation 2 when subjected to a charge-discharge test according to the following charge-discharge cycle conditions using a half-cell having a particulate silicon-based negative electrode material and a counter electrode made of metal lithium foil.
Charge/discharge cycle conditions: CC/CV, cut-off voltage 0.005V~1.000V, 0.5C-rate
(Formula 2)
95 % < C j /C 1 *100
(In Equation 2, C 1 is the discharge capacity (mAh/g) in the first charge/discharge cycle, C j is the discharge capacity in the jth charge/discharge cycle, and j is an arbitrary natural number greater than or equal to 10 and less than or equal to 80.)
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모재는 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 황화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 합금, 이들의 혼합물(mixture) 또는 이들의 복합체(composite)를 포함하는 이차전지용 음극재.
In any one of claims 1 to 9,
The above-mentioned parent material is a negative electrode material for a secondary battery including silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon sulfide, silicon carbide, silicon alloy, a mixture thereof, or a composite thereof.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모재는 알칼리금속, 알칼리토금속 및 전이후금속 군에서 하나 이상 선택되는 도핑원소(D)를 더 함유하는 이차전지용 음극재.
In any one of claims 1 to 9,
The above-mentioned parent material is a negative electrode material for a secondary battery, which further contains a doping element (D) selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, and transition metals.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모재는 원소 성분을 기준하여, 실리콘(Si), 도핑원소(D) 및 산소(O)를 함유하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 분산 함입된 실리콘 나노입자;를 포함하는 이차전지용 음극재.
In any one of claims 1 to 9,
The above-mentioned parent material is a secondary battery negative electrode material including a matrix containing silicon (Si), a doping element (D), and oxygen (O) based on elemental composition; and silicon nanoparticles dispersed and incorporated in the matrix.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 음극재를 함유하는 이차전지용 음극.A secondary battery negative electrode containing a secondary battery negative electrode material according to any one of claims 1 to 9.
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