KR101281946B1 - Anode active material comprising soft carbon particle with controlled pore distribution and litium secondary battery with improved low-temperature output properties - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특정 크기의 기공이 증가된 이흑연화성 탄소(soft carbon) 입자 에 관한 것으로, 보다 구체적으로 결정 변화 물질이 도입되어, 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적이 증가하여 리튬 이온의 흡장이 최적화된 이흑연화성 탄소 입자 및 이를 포함하여 저온 출력이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명에서는 결정 변화 물질의 도입과 특정 조건에서의 열처리를 통하여 이흑연화성 탄소 입자에서 미세 기공을 형성할 수 있으며, 상기 미세 기공에 의하여 이차 전지의 저온 출력을 개선할 수 있다.
The present invention relates to soft carbon particles in which pores of a certain size are increased. More specifically, crystal change materials are introduced to increase the pore volume of 1 to 10 nm to optimize occlusion of lithium ions. The present invention relates to a digraphitizable carbon particle and a lithium secondary battery having improved low temperature output.
In the present invention, micropores may be formed in the digraphitizable carbon particles through introduction of a crystal change material and heat treatment under specific conditions, and the low temperature output of the secondary battery may be improved by the micropores.

Description

기공 분포가 조절된 이흑연화성 탄소 입자로 이루어진 음극 활물질 및 이를 포함하여 저온 출력이 향상된 리튬 이차 전지{ANODE ACTIVE MATERIAL COMPRISING SOFT CARBON PARTICLE WITH CONTROLLED PORE DISTRIBUTION AND LITIUM SECONDARY BATTERY WITH IMPROVED LOW-TEMPERATURE OUTPUT PROPERTIES}ANODE ACTIVE MATERIAL COMPRISING SOFT CARBON PARTICLE WITH CONTROLLED PORE DISTRIBUTION AND LITIUM SECONDARY BATTERY WITH IMPROVED LOW-TEMPERATURE OUTPUT PROPERTIES}

본 발명은 특정 크기의 기공이 증가된 이흑연화성 탄소(soft carbon) 입자 에 관한 것으로, 보다 구체적으로 결정 변화 물질이 도입되어, 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적이 증가하여 리튬 이온의 흡장이 최적화된 이흑연화성 탄소 입자 및 이를 포함하여 저온 출력이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
The present invention relates to soft carbon particles in which pores of a certain size are increased. More specifically, crystal change materials are introduced to increase the pore volume of 1 to 10 nm to optimize occlusion of lithium ions. The present invention relates to a digraphitizable carbon particle and a lithium secondary battery having improved low temperature output.

휴대 전화나 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기가 발달함에 따라 그 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 또, 지구 온난화 문제 및 화석연료의 사용으로 인해 발생하는 문제를 감소시키기 위하여, 하이브리드 전기자동차(HEV), 전기모터로 구동되는 전기자동차(EV)가 개발되고, 이의 동력원으로서 이차 전지의 사용이 현실화되고 있다. 그에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고, 특히, 높은 에너지 밀도, 높은 방전전압 및 출력을 가지는 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높아지는 추세이다.BACKGROUND ART Portable electronic devices such as portable telephones and notebook computers have been developed, and the demand for secondary batteries as their energy sources is rapidly increasing. In addition, in order to reduce problems caused by global warming and the use of fossil fuels, hybrid electric vehicles (EVs) and electric motor-driven electric vehicles (EVs) have been developed and the use of secondary batteries . Accordingly, a lot of research has been conducted on a secondary battery that can meet various demands, and in particular, there is a trend of increasing demand for a lithium secondary battery having a high energy density, a high discharge voltage, and an output.

리튬 이차 전지는 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극 활물질은 주로 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등으로 이루어져 있으며, 음극 활물질은 주로 탄소계 물질로 이루어져 있다.The lithium secondary battery has a structure in which a non-aqueous electrolyte containing lithium salt is impregnated in an electrode assembly having a porous separator interposed between a positive electrode and a negative electrode on which an active material is coated on a current collector. The positive electrode active material is mainly composed of lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel oxide, lithium composite oxide and the like, and the negative electrode active material is mainly composed of a carbon-based material.

탄소계 물질은 흑연화 되기 쉬운 층상 결정구조(graphene structure)를 갖는 이흑연화 탄소(soft carbon)와, 흑연화 되기 어려운 난흑연화 탄소(hard carbon)와, 천연흑연과 같이 층상 결정 구조가 완전히 이루어진 흑연(graphite)으로 분류한다.Carbonaceous materials are composed of soft carbon having a layered crystal structure that is easily graphitized, hard carbon that is difficult to graphitize, and a layered crystal structure such as natural graphite. Classify as graphite.

음극 활물질로 주로 사용되고 있는 층상 결정인 흑연계 물질로 이루어진 음극은 이론적 최대 용량의 증대에 한계가 있어, 빠르게 변모하는 차세대 모바일 기기의 에너지원으로서 충분한 역할을 감당하기 어려운 실정이다.A negative electrode made of a graphite-based material, which is a layered crystal mainly used as a negative electrode active material, has a limit in increasing the theoretical maximum capacity, and thus it is difficult to play a sufficient role as an energy source of a rapidly changing next-generation mobile device.

또한 이흑연화 탄소와 같은 비정질 탄소계 화합물은 방전 용량이 280 내지 450 mAh/g으로 매우 높은데 반하여, 초기 효율이 70 내지 80% 정도로 매우 낮으므로, 비가역 용량이 크고 부피 밀도 및 전기전도도가 낮아서 에너지 밀도가 좋지 못한 문제점이 있다. 이러한 각각의 단점을 보완하기 위하여, 흑연계 탄소계 화합물 및 비정질의 탄소계 화합물의 혼합 음극 활물질로 전극을 제조하는 연구가 시도되고 있다.In addition, the amorphous carbon-based compound such as carbon dioxide is very high discharge capacity of 280 to 450 mAh / g, while the initial efficiency is very low, such as 70 to 80%, has a high irreversible capacity, low bulk density and electrical conductivity, energy density Has a bad problem. In order to compensate for each of these disadvantages, a research has been attempted to produce an electrode with a mixed negative electrode active material of a graphite-based carbon compound and an amorphous carbon-based compound.

상기 연구와 관련하여, 한국공개특허 제2011-0033995호에서는 비정질 탄소계 화합물과 인편상의 결정질 탄소계 화합물을 포함하는 혼합물로 이루어진 전극 합제용 음극재 및 이를 포함하는 고출력 리튬 이차전지를 개시하고 있다. In connection with the above research, Korean Patent Laid-Open No. 2011-0033995 discloses a negative electrode material for electrode mixture composed of a mixture containing an amorphous carbonaceous compound and a flake-like crystalline carbonaceous compound, and a high output lithium secondary battery including the same.

그러나 상기 특허는 비정질 탄소계 화합물의 소프트 카본과 인편상의 결정질 탄소계 화합물의 혼합 비율을 조절함으로써 소프트 카본 사이의 빈 공간을 결정질 탄소계 화합물이 채워주어 에너지 밀도를 높이고, 그에 따라 우수한 전지 특성을 얻고자 한 것으로 비정질 탄소계 화합물 자체의 단점을 해결하지는 못한 것으로 판단된다. However, the patent controls the mixing ratio of the soft carbon and the flaky crystalline carbon compound of the amorphous carbon compound to fill the empty space between the soft carbon compound to increase the energy density, thereby obtaining excellent battery characteristics This does not seem to solve the disadvantage of the amorphous carbon-based compound itself.

따라서, 이흑연화성 탄소 입자에서 입자의 기공 분포를 조절하여 리튬 이온이 흡장될 수 있는 활성화 사이트를 최적화하고자 하는 시도는 현재까지 알려진 바가 없다.
Thus, no attempt has been made to optimize the activation site where lithium ions can be occluded by controlling the pore distribution of the particles in the digraphitizable carbon particles.

이에 본 발명자들은, 리튬 이차 전지의 음극 활물질로 적용될 수 있는 이흑연화성 탄소 입자에서 리튬 이온이 흡장될 수 있는 활성화 사이트를 최적화하기 위하여 연구, 노력한 결과, 이종 원소를 포함하는 결정 변화 물질이 특정 조건에서 이흑연화성 탄소 입자에 도입되면, 리튬 이온의 흡장이 최적화되는 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적이 증가하여 전지의 저온 출력을 개선할 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have studied and tried to optimize the activation site where lithium ions may be occluded in the digraphitizable carbon particles that can be applied as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. When introduced into the digraphitizable carbon particles, the present invention has been completed by discovering that the pore volume of 1 to 10 nm in size that optimizes occlusion of lithium ions is increased to improve the low temperature output of the battery.

따라서, 본 발명의 목적은 특정 크기의 기공 체적이 증가된 이흑연화성 탄소 입자, 이를 포함하는 음극합제 및 전기화학 셀을 제공하기 위한 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a digraphitizable carbon particles having an increased pore volume of a specific size, a negative electrode mixture and an electrochemical cell comprising the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이흑연화성 탄소 입자는 결정 변화 물질이 도입되어, 10 ~ 35 nm 크기의 기공 체적(B)에 대한 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적(A)의 비율(A/B)이 0.5 ~ 15 범위에 있는 것을 특징으로 한다. Digraphitized carbon particles of the present invention for achieving the above object is a crystal change material is introduced, the ratio of the pore volume (A) of 1 to 10 nm size to the pore volume (B) of 10 to 35 nm size (A / B) is in the range of 0.5 to 15.

또한 본 발명은 상기 이흑연화성 탄소 입자를 음극 활물질로 사용한 음극합제 및 이를 포함하는 전기화학 셀을 특징으로 한다.
In another aspect, the present invention is characterized by a negative electrode mixture using the digraphitizable carbon particles as a negative electrode active material and an electrochemical cell comprising the same.

본 발명의 이흑연화성 탄소 입자는 리튬 이온을 흡장할 수 있는 적합한 크기의 기공이 선택적으로 증가하여, 리튬 이차 전지의 음극 활물질로 적용되는 경우 전지의 용량을 크게 개선할 수 있다. 특히 결정 변화 물질의 도입과 특정 조건에서의 열처리를 통하여 이흑연화성 탄소 입자에서 미세 기공을 형성할 수 있으며, 상기 미세 기공에 의하여 이차 전지의 저온 출력을 개선할 수 있는 장점이 있다.
The digraphitizable carbon particles of the present invention selectively increase pores of a suitable size capable of occluding lithium ions, thereby greatly improving the battery capacity when applied as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. In particular, micropores may be formed in the graphitized carbon particles through introduction of a crystal change material and heat treatment under specific conditions, and the micropores may improve the low temperature output of the secondary battery.

도 1은 본 발명의 이흑연화성 탄소 입자에서 기공 크기에 따른 체적을 나타낸 기공 분포 그래프이다. 1 is a pore distribution graph showing the volume according to the pore size in the digraphitizable carbon particles of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

이하 본 발명의 이흑연화성 탄소 입자, 이를 포함하는 전기화학 셀(리튬 이차 전지)에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, the digraphitizable carbon particles of the present invention and an electrochemical cell (lithium secondary battery) including the same will be described in detail.

이흑연화성Graphite 탄소 입자 Carbon particles

본 발명의 이흑연화성 탄소 입자는 결정 변화 물질이 도입되어, 10 ~ 35 nm 크기의 기공 체적(B)에 대한 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적(A)의 비율(A/B)이 0.5 ~ 15 범위로 존재하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 2 ~ 12 범위로 존재한다. In the digraphitizable carbon particles of the present invention, a crystal change material is introduced, so that the ratio (A / B) of pore volume (A) of 1 to 10 nm to pore volume (B) of 10 to 35 nm is 0.5 to It is characterized by being in the range of 15, preferably in the range of 2 to 12.

구체적으로 각 기공 체적을 살펴보면, 상기 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적은 입자 중량당 1.0 × 10-3 ~ 5.0 × 10-2 cc/g 이고, 10 ~ 35 nm 크기의 기공 체적이 입자 중량당 0.5 × 10-3 ~ 1.0 × 10-2 cc/g 범위로 존재한다. 보다 바람직하게는 1 ~ 10 nm 범위의 기공 체적이 입자 중량당 2.0 × 10-3 ~ 2.0 × 10-2 cc/g 이고, 10 ~ 35 nm 범위의 기공 체적이 입자 중량당 1.0 × 10-3 ~ 7.0 × 10-3 cc/g로 존재하며, 상기 기공의 체적 값은 질소 흡탈착법을 통하여 측정한 값이다. 상기 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적이 증가할수록 용량은 증대 되나, 상기 한정된 체적을 초과하면 사이클 특성이 저하될 우려가 있다. Specifically, looking at each pore volume, the pore volume of 1 ~ 10 nm size is 1.0 × 10 -3 ~ 5.0 × 10 -2 cc / g per particle weight, pore volume of 10 ~ 35 nm size is 0.5 per particle weight It exists in the range of x 10 -3 to 1.0 x 10 -2 cc / g. More preferably, the pore volume in the range of 1 to 10 nm is 2.0 × 10 -3 to 2.0 × 10 -2 cc / g per particle weight, and the pore volume in the range of 10 to 35 nm is 1.0 × 10 -3 to particle weight. It is present at 7.0 × 10 -3 cc / g, the volume value of the pore is measured by nitrogen adsorption and desorption method. The capacity increases as the pore volume of the size of 1 to 10 nm is increased, but if the volume exceeds the limited volume, there is a fear that the cycle characteristics are lowered.

일반적으로 이흑연화성 탄소 입자는 10 ~ 35nm 크기의 기공 체적이 입자 중량당 1.0 × 10-3 ~ 1.0 × 10-2 cc/g로 나타나며, 10 nm 이하 크기의 미세 기공(micropore)는 존재하지 아니한다. Generally, the graphitized carbon particles have a pore volume of 10 to 35 nm in size of 1.0 × 10 -3 to 1.0 × 10 -2 cc / g per particle weight, and no micropores of size of 10 nm or less exist. .

또한, 결정질 탄소계 화합물은 탄소의 층상 구조에 리튬 이온이 흡장 및 탈리하는 경로가 대략 2차원으로 한정되어 있는 반면에, 비정질 탄소계 화합물은 리튬 이온이 삽입되기 위한 경로가 그와 같이 한정적이지 않고 상대적으로 많으므로, 우수한 레이트 특성을 발휘한다. 따라서 비정질 탄소계 화합물에 해당하는 이흑연화성 탄소 입자는 우수한 레이트 특성을 가지나, 비가역 용량이 20 ~ 30% 정도로 높은 단점이 있다. In addition, the crystalline carbon-based compound has a path in which lithium ions are occluded and desorbed in a layered structure of carbon in approximately two dimensions, whereas in the amorphous carbon-based compound, the path for insertion of lithium ions is not so limited. Since it is relatively large, it exhibits an excellent rate characteristic. Therefore, the graphitizable carbon particles corresponding to the amorphous carbon-based compound have excellent rate characteristics, but have a disadvantage in that the irreversible capacity is as high as 20 to 30%.

그러나 본 발명의 이흑연화성 탄소 입자는 탄소 이외의 이종 원소를 포함하는 결정 변화 물질이 도입되어 입자의 결정성의 변화를 일으키게 되어 종래 나타나지 않았던 10nm 크기 이하의 기공을 형성한다. 또한 열처리 공정의 초기 온도를 조절하여, 결정 변화 물질이 탄소와 결합하면서 부산물로 나오는 가스 탈리에 의한 기공형성을 극대화 하여 10nm 크기 이하의 기공의 체적을 최적화 한다. 상기 기공에서는 리튬 이온이 용이하게 흡장 및 탈리될 수 있으므로, 종래 전지의 용량을 향상시킬 수 있다. However, in the digraphitizable carbon particles of the present invention, a crystal change material containing heterogeneous elements other than carbon is introduced to cause a change in crystallinity of the particles, thereby forming pores having a size of 10 nm or less, which has not previously appeared. In addition, by adjusting the initial temperature of the heat treatment process, the crystal change material is bonded with carbon to optimize the volume of the pores having a size of 10 nm or less by maximizing the pore formation due to gas desorption as a by-product. In the pores, since lithium ions can be easily occluded and desorbed, the capacity of a conventional battery can be improved.

상기 이흑연화성 탄소 입자의 제조에 사용되는 원료 전구체는 석유 코크스, 석탄 코크스, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이즈 피치, 메조카본 마이크로 비즈 및 염화비닐계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 탄소원자들이 무정형 결정구조를 가지며 우수한 레이트 특성을 발휘하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 보다 구체적으로 상기 탄소 전구체는 공기 또는 불활성 가스 분위기 하에서 상기 피치 등을 열처리하여 부분적으로 흑연화하고 이를 분쇄하여 제조될 수 있다. The raw material precursor used for the production of the digraphitizable carbon particles is at least one selected from the group consisting of petroleum coke, coal coke, coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesophase pitch, mesocarbon microbeads and vinyl chloride-based resin. Although not limited thereto, the carbon atoms are not particularly limited as long as the carbon atoms have an amorphous crystal structure and exhibit excellent rate characteristics. More specifically, the carbon precursor may be prepared by partially graphitizing and pulverizing the pitch by heat treatment of the pitch and the like under an air or inert gas atmosphere.

상기 분쇄는 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 진동 밀(vibration mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 로터 밀(rotor mill) 등과 같은 밀링기를 이용하여 상기 원료들을 밀링함으로써 수행될 수 있다. 상기 밀링은 건식 공정, 또는 습식 공정, 또는 건식 및 습식이 조합된 공정으로 진행될 수 있다. 상기 분쇄 공정에서 분쇄 속도, 압력, 시간 등으로 입자의 평균 입경 및 입도 분포도를 조절할 수 있다.The grinding may be performed using a mill such as a ball mill, an attention mill, a vibration mill, a disk mill, a jet mill, a rotor mill, or the like. By milling the raw materials. The milling can be a dry process, a wet process, or a combined dry and wet process. The average particle diameter and particle size distribution of the particles can be controlled by the pulverization speed, pressure, time, and the like in the pulverization process.

본 발명의 이흑연화성 탄소 입자는 결정 변화 물질이 도입되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 결정 변화 물질이란 탄소 성분과 화학적 반응을 유발하지 않으면서도 탄소 입자 내 물리적 결정성의 변화를 일으킬 수 있는 화합물을 말한다. 상기 결정 변화 물질은 결정성의 변화를 일으킬 수 있는 화합물이라면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn)을 포함하는 전이금속 화합물, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 질소(N), 규소(Si), 인(P), 비소(As)를 포함하는 3족, 4족 및 5족 원소 화합물, 나트륨(Na) 칼륨(Ka) 마그네슘(Mg) 칼슘(Ca)을 포함하는 알칼리금속 화합물 또는 알칼리 토금속 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 원소를 포함하는 화합물을 사용할 수 있다. The digraphitizable carbon particles of the present invention are characterized in that a crystal change material is introduced. In the present invention, the crystal change material refers to a compound capable of causing a change in physical crystallinity in the carbon particles without causing a chemical reaction with the carbon component. The crystal change material is not particularly limited as long as it is a compound capable of causing a change in crystallinity, and preferably includes manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and zinc (Zn). Group 3, 4, including a transition metal compound, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), nitrogen (N), silicon (Si), phosphorus (P), arsenic (As) Compounds containing at least one element selected from the group consisting of group and group 5 element compounds, alkali metal compounds including sodium (Na) potassium (Ka) magnesium (Mg) calcium (Ca) or alkaline earth metal compounds can be used. .

특히 붕소(B)를 포함하는 화합물로는 붕산염, 붕소산, 산화붕소, 산화붕소, 질화붕소, 염화붕소 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 인(P)을 포함하는 화합물로는 인화수소, 오산화인, 인산, 과인산염, 옥소산 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 질소(N)을 포함하는 화합물로는 암모니아, 아세토니트릴, 아크릴로니트릴, 피리딘 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. In particular, the compound containing boron (B) may be used one or more selected from the group consisting of borate, boric acid, boron oxide, boron oxide, boron nitride, boron chloride, etc., the compound containing the phosphorus (P) As the furnace, one or more selected from the group consisting of hydrogen phosphide, phosphorus pentoxide, phosphoric acid, superphosphate, oxo acid, and the like may be used, and the compound containing nitrogen (N) may be ammonia, acetonitrile, acrylonitrile, pyridine, or the like. One or more selected from the group consisting of can be used.

상기 결정 변화 물질 내 이종 원소는 탄소와는 화학적 반응은 진행하지 아니하나, 탄소 원자 사이에 위치하여 구조를 변형시키고 그에 따라 표면에 기공을 형성시키는 역할을 한다. The heterogeneous element in the crystal change material does not undergo chemical reaction with carbon, but is positioned between carbon atoms to modify the structure and thus form pores on the surface.

상기 결정 변화 물질은 입자 전체 중량을 기준으로 0.1 ~ 20 중량%가 도입되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1 ~ 10 중량%로 도입되는 것이 좋다. 상기 범위 미만으로 사용되면 결정 변화 효과가 미미하여 기공이 증가하지 아니하게 되며, 상기 범위를 초과하여 사용되면 이종 원소에 따른 전지 특성의 저하가 나타날 수 있어 바람직하지 아니하다. The crystal change material is preferably introduced in an amount of 0.1 to 20% by weight, more preferably 1 to 10% by weight, based on the total weight of the particles. If it is used in less than the above-mentioned range, the effect of crystal change is insignificant so that the pores do not increase. If it is used in the above-mentioned range, deterioration of battery characteristics due to heterogeneous elements may appear, which is not preferable.

본 발명의 이흑연화성 탄소 입자는 탄소 전구체와 결정 변화 물질을 혼합한 뒤 이를 가열하여 얻을 수 있다. 보다 바람직하게는 용매 하에서 상기 탄소 전구체와 결정 변화 물질은 용매 하에서 균일하게 분산시킨 후 이를 건조하고 가열하여 제조될 수 있다.  The digraphitizable carbon particles of the present invention may be obtained by mixing a carbon precursor and a crystal change material and heating the same. More preferably, the carbon precursor and the crystal change material may be prepared by uniformly dispersing the solvent under a solvent and then drying and heating the same.

이 때, 상기 열처리는 초기 온도를 300 ~ 700℃로 하여 5 ~ 20 ℃/min 의 속도로 승온하여 진행하는 것이 바람직하며, 1,000 ℃ 이하의 최종 온도에서 약 1 ~ 5 시간 동안 가열하는 것이 좋다. 상기 도입 온도가 300 ℃ 미만이면, 결정 변화 물질의 도입이 충분하게 이루어지지 못하며, 결정 변화 물질의 도입에 의해 발생하는 가스의 탈리에 의한 미세 기공이 형성되지 못하는 문제가 있으며, 최종 온도가 1,000℃를 초과하여 이루어지는 경우 10 nm 크기 이하의 미세 기공이 붕괴되어 결정 변화 물질의 도입에 따른 기공 확대의 효과가 나타나지 않는 문제가 있다. At this time, the heat treatment is preferably carried out by increasing the temperature at a rate of 5 ~ 20 ℃ / min at an initial temperature of 300 ~ 700 ℃, it is preferable to heat for about 1 to 5 hours at a final temperature of 1,000 ℃ or less. If the introduction temperature is less than 300 ℃, the introduction of the crystal change material is not sufficient, there is a problem that the fine pores due to the desorption of the gas generated by the introduction of the crystal change material is not formed, the final temperature is 1,000 ℃ If it is made in excess of the fine pores of 10 nm or less is collapsed there is a problem that the effect of pore enlargement due to the introduction of the crystal change material does not appear.

또한, 탄소 성분의 산화를 방지할 수 있도록 진공 또는 불활성 분위기 하에서 수행될 수 있으며, 예를 들어 질소 또는 아르곤 분위기 하에서 수행될 수 있다.
Further, it may be carried out under a vacuum or an inert atmosphere so as to prevent oxidation of the carbon component, and may be carried out, for example, under a nitrogen or argon atmosphere.

전기화학 셀(리튬 이차 전지)Electrochemical cell (lithium secondary battery)

한편, 본 발명은 상기한 음극 활물질을 이용한 전기화학 셀, 그 일 예로서 리튬 이차 전지를 제공할 수 있는데, 이에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, the present invention can provide an electrochemical cell using the above-mentioned negative electrode active material, for example, a lithium secondary battery, which will be described in detail below.

본 발명의 일 실시예에 따른 음극합제는 상기 이흑연화성 탄소 입자의 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 것으로 구성되어 있다.A negative electrode mixture according to an embodiment of the present invention is composed of a negative active material, a binder and a conductive material of the graphitizable carbon particles.

상기 바인더는 음극활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 ~ 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists the bonding between the negative electrode active material and the conductive material and the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the negative electrode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, Polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluorine rubber, various copolymers, and the like.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌블랙(acetylene black), 서멀블랙(thermal black), 채널블랙(channel black), 퍼니스블랙(furnace black), 흑연 등의 탄소류나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery. Examples of the conductive material include carbon black, acetylene black, thermal black, conductive fibers such as carbon black or metal fibers such as channel black, furnace black and graphite; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.

상기 음극 합제는 선택적으로 충진제, 접착 촉진제 등을 포함할 수 있다.The negative electrode material mixture may optionally include a filler, an adhesion promoter, and the like.

상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 보조성분으로서, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 섬유상 폴리에틸렌, 섬유상 폴리프로필렌 등의 섬유상 올레핀계 중합체; 유리 섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The filler is an auxiliary component for suppressing the expansion of the electrode. The filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing any chemical change in the battery, and examples thereof include fibrous olefinic polymers such as fibrous polyethylene and fibrous polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.

상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산(oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다. The adhesion promoter may be added in an amount of 10% by weight or less based on the binder, for example, oxalic acid, adipic acid, Formic acid, acrylic acid derivatives, itaconic acid derivatives, and the like.

또한, 상기 음극 합제가 집전체 상에 도포되어 있는 음극은 예를 들어, 상기 음극 합제를 집전체에 코팅하여 제조할 수 있다. 구체적으로, 음극 합제를 소정의 용매에 첨가하여 슬러리를 제조한 후, 이를 금속 호일 등의 집전체 상에 도포하고 건조 및 압연하여 소정의 시트형 전극을 제조할 수 있다.The negative electrode to which the negative electrode mixture is applied on the current collector can be produced, for example, by coating the current collector with the negative electrode mixture. Specifically, a predetermined sheet-like electrode can be produced by applying a negative electrode mixture to a predetermined solvent to prepare a slurry, applying the slurry to a current collector such as a metal foil, and drying and rolling the slurry.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 셀은 상기 음극합제가 집전체 상에 도포되어 있는 음극을 포함하는 것으로 구성되어 있다.The electrochemical cell according to an embodiment of the present invention is configured such that the negative electrode mixture includes a negative electrode coated on a current collector.

일반적으로 음극은 음극합제를 N-메틸피롤리돈(NMP) 등의 용매에 첨가하여 슬러리 형태로 제조한 후, 이를 집전체 상에 도포하여 건조 및 압연함으로써 제조된다. Generally, the negative electrode is prepared by adding a negative electrode mixture to a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a slurry, and then applying the same to a current collector to dry and roll it.

상기 슬러리의 제조시 사용되는 용매의 바람직한 예로는 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 소듐 카르복시메틸셀룰로스(CMC, sodium carbonxymethylcellulose), 아세톤 등을 들 수 있으며, 이러한 용매는 음극합제 전체 중량을 기준으로 400 중량%까지 사용할 수 있고, 건조 과정에서 제거된다.Preferred examples of the solvent used in the preparation of the slurry include dimethyl sulfoxide (DMSO), alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), sodium carboxymethylcellulose (CMC, sodium carbonxymethylcellulose), acetone, and the like. The solvent may be used in an amount of up to 400 wt% based on the total weight of the negative electrode mixture and is removed during the drying process.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such an anode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, and the anode current collector may be made of a material such as copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. In addition, like the positive electrode current collector, fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.

상기 음극합제 페이스트를 음극 집전체 상에 고르게 도포하는 방법은 재료의 특성 등을 감안하여 공지의 방법 중에 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 페이스트를 집전체 위에 분배시킨 후, 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는, 분배와 분산 과정을 하나의 공정으로 실행하는 방법을 사용할 수 있다. 이밖에 다이캐스팅, 콤마코팅, 스크린 프린팅 등의 방법을 택할 수도 있으며, 또는 별도의 기재 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 집전체와 접합시킬 수도 있다. 집전체 위에 도포된 페이스트의 건조는 50℃ 내지 200℃의 진공오븐에서 12 내지 72 시간 동안 건조시키는 것이 바람직하다.The method of uniformly applying the negative electrode material mixture paste on the negative electrode collector may be selected from known methods in consideration of the characteristics of materials and the like or may be carried out by a new appropriate method. For example, it is preferable to distribute the paste on the current collector and uniformly disperse the paste using a doctor blade or the like. In some cases, a method of performing the distribution and dispersion processes in one process may be used. In addition, a method such as die casting, comma coating, screen printing, or the like may be employed, or may be molded on a separate substrate and then bonded to the current collector by pressing or lamination. Drying of the paste applied on the current collector is preferably dried for 12 to 72 hours in a vacuum oven at 50 ℃ to 200 ℃.

상기 전기화학 셀은 전기화학반응을 통해 전기를 제공하는 디바이스로서, 바람직하게는 리튬염 함유 비수 전해질을 포함하고 있는 리튬 이차 전지일 수 있다.The electrochemical cell is a device for providing electricity through an electrochemical reaction, and may be a lithium secondary battery including a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt.

상기 리튬 이차 전지는 상기 음극과 양극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조로 제조될 수 있다.The lithium secondary battery may have a structure in which a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte solution is impregnated in an electrode assembly having a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode.

본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 성분들은 다음과 같다Other components of the lithium secondary battery according to the present invention are as follows

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.The positive electrode is prepared, for example, by coating a mixture of a positive electrode active material, a conductive material and a binder on a positive electrode current collector, and then drying the mixture. Optionally, a filler may be further added to the mixture.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소결 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 상기 양극활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식Li1 + yMn2 -yO4(여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2VO7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 -yMO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y =0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 -yMO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4;디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 사용할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The cathode current collector generally has a thickness of 3 to 500 mu m. The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon or a surface of aluminum or stainless steel Treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like may be used. The current collector may have fine irregularities on the surface thereof to increase the adhesive force of the cathode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible. The cathode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with a transition metal or higher; Lithium manganese oxides such as Li 1 + y Mn 2 -y O 4 (where y is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 and LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 VO 7 ; A Ni-site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1 -y MO 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga and y = 0.01 to 0.3); Formula LiMn 2 -y MO 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and y = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (wherein M = Fe, Co, Ni, Lithium manganese composite oxide represented by Cu or Zn); A LiMn 2 O 4 disulfide compound in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like can be used, but are not limited thereto.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. As such a separation membrane, for example, a sheet or a nonwoven fabric made of an olefin-based polymer such as polypropylene which is chemically resistant and hydrophobic, glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.

상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.The lithium salt-containing nonaqueous electrolyte solution is composed of an electrolyte solution and a lithium salt. As the electrolyte solution, a nonaqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte may be used.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란,1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be used.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride A polymer including an acid dissociation group, and the like can be used.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.As the inorganic solid electrolyte, for example, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4- LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li Nitrides, halides, sulfates, and the like of 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4- Li 2 S-SiS 2, and the like can be used.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide .

또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어,피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료,N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
For the purpose of improving the charge / discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolytic solution is preferably mixed with an organic solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability, or a carbon dioxide gas may be further added to improve high-temperature storage characteristics.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 이흑연화성 탄소 입자에 관하여 관하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the digraphitizable carbon particles of the present invention will be described in detail through preferred examples and comparative examples of the present invention.

이하의 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
The following examples and comparative examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예Example 1 One

석유계 코크스 분말 형태로 분쇄하여 얻은 비정질 탄소 전구체에 결정 변화 물질로서 오산화인을 전체 조성에서 5.0 중량%가 되도록 용매 증류수에 분산시키고, 이를 혼합한 후 이를 건조하여 건조물을 얻었다. 다음 상기 건조물을 초기 온도 300 ℃ 에서 10 ℃/min 의 승온 속도로 가열하여 900 ℃까지 승온한 후, 900 ℃에서 1 시간 동안 열처리하여 이흑연화성 탄소 입자를 제조하였다.
Phosphorous pentoxide was dispersed in solvent distilled water so as to be 5.0 wt% in the total composition as a crystal change material in the amorphous carbon precursor obtained by grinding in the form of petroleum coke powder, and then mixed and dried to obtain a dried product. Next, the dried material was heated at an initial temperature of 300 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, and then heated up to 900 ° C., and then heat-treated at 900 ° C. for 1 hour to prepare digraphitizable carbon particles.

실시예Example 2 2

석유계 코크스 분말 형태로 분쇄하여 얻은 비정질 탄소 전구체에 결정 변화 물질로서 오산화인을 전체 조성에서 5.0 중량%가 되도록 용매 증류수에 분산시키고, 이를 혼합한 후 이를 건조하여 건조물을 얻었다. 다음 상기 건조물을 초기 온도 500 ℃ 에서 10 ℃/min 의 승온 속도로 가열하여 900 ℃까지 승온한 후, 900 ℃에서 1 시간 동안 열처리하여 이흑연화성 탄소 입자를 제조하였다.
Phosphorous pentoxide as a crystal change material was dispersed in an amorphous carbon precursor obtained by pulverizing into a petroleum coke powder in a solvent distilled water so as to be 5.0% by weight in the total composition, mixed and dried to obtain a dried product. Next, the dried material was heated at an initial temperature of 500 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, and then heated up to 900 ° C., and then heat-treated at 900 ° C. for 1 hour to prepare digraphitizable carbon particles.

실시예Example 3 3

석유계 코크스 분말 형태로 분쇄하여 얻은 비정질 탄소 전구체에 결정 변화 물질로서 오산화인을 전체 조성에서 5.0 중량%가 되도록 용매 증류수에 분산시키고, 이를 혼합한 후 이를 건조하여 건조물을 얻었다. 다음 상기 건조물을 초기 온도 700 ℃ 에서 10 ℃/min 의 승온 속도로 가열하여 900 ℃까지 승온한 후, 900 ℃에서 1 시간 동안 열처리하여 이흑연화성 탄소 입자를 제조하였다.
Phosphorous pentoxide as a crystal change material was dispersed in an amorphous carbon precursor obtained by pulverizing into a petroleum coke powder in a solvent distilled water so as to be 5.0% by weight in the total composition, mixed and dried to obtain a dried product. Next, the dried material was heated at an initial temperature of 700 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min, and then heated up to 900 ° C., and then heat-treated at 900 ° C. for 1 hour to prepare digraphitizable carbon particles.

비교예Comparative example 1 One

석유계 코크스 분말 형태로 분쇄하여 얻은 비정질 탄소 전구체에 결정 변화 물질로서 오산화인을 전체 조성에서 5.0 중량%가 되도록 용매 증류수에 분산시키고, 이를 혼합한 후 이를 건조하여 건조물을 얻었다. 다음 상기 건조물을 도입 온도 25 ℃ 에서 10 ℃/min 의 승온 속도로 가열하여 900 ℃까지 승온한 후, 900 ℃에서 1 시간 동안 열처리하여 이흑연화성 탄소 입자를 제조하였다.
Phosphorous pentoxide as a crystal change material was dispersed in an amorphous carbon precursor obtained by pulverizing into a petroleum coke powder in a solvent distilled water so as to be 5.0% by weight in the total composition, mixed and dried to obtain a dried product. Next, the dried material was heated at an introduction temperature of 25 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min, and then heated up to 900 ° C., and then heat-treated at 900 ° C. for 1 hour to prepare digraphitizable carbon particles.

실험예Experimental Example 1 :  One : 이흑연화성Graphite 탄소 입자의 기공 분포 Pore distribution of carbon particles

이흑연화성 탄소 입자의 기공 분포는 질소가스의 흡착을 이용하여 확인하였다. 상기 실시예 및 비교예의 탄소 입자를 압력 10 mmHg, 온도 250℃ 에서 3시간 동안 열처리를 하여 표면에 흡착되어 있는 가스를 모두 탈착하였다. 이후 질소로 77K 에서 비정질탄소의 마이크로 메조포어를 분석하는 QSDFT(Quenched Solid Density Functional Therory) 방법을 이용하여 35 nm 크기 이하의 기공 분포를 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다. 이 때, 미세 기공 비율은 10 nm 이하의 기공 체적(A)을 10 ~ 35 nm의 기공 체적(B) 값으로 나눈 값을 의미한다.The pore distribution of the digraphitizable carbon particles was confirmed by adsorption of nitrogen gas. The carbon particles of Examples and Comparative Examples were heat treated at a pressure of 10 mmHg at a temperature of 250 ° C. for 3 hours to desorb all the gases adsorbed on the surface. Then, pore distribution of 35 nm or less was analyzed by using a QSDFT (Quenched Solid Density Functional Therory) method for analyzing micro mesopores of amorphous carbon at 77 K with nitrogen, and the results are shown in Table 1 and FIG. 1. In this case, the fine pore ratio means a value obtained by dividing the pore volume A of 10 nm or less by the pore volume B value of 10 to 35 nm.

1 ~ 10 nm 기공 체적 (cc/g) (A)1 to 10 nm pore volume (cc / g) (A) 10 ~35 nm 기공 체적 (cc/g) (B)10 to 35 nm pore volume (cc / g) (B) 미세 기공 비율(A/B)Micropore Ratio (A / B) 실시예 1Example 1 2.01 × 10-3 2.01 × 10 -3 2.18 × 10-3 2.18 × 10 -3 0.920.92 실시예 2Example 2 15.3 × 10-3 15.3 × 10 -3 1.33 × 10-3 1.33 × 10 -3 11.511.5 실시예 3Example 3 3.47 × 10-3 3.47 × 10 -3 1.4 × 10-3 1.4 × 10 -3 2.472.47 비교예Comparative example 00 6.2 × 10-3 6.2 × 10 -3 00

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 비교예와는 달리 실시예의 이흑연화성 탄소 입자는 1 ~ 10 nm 크기의 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다.
As shown in Table 1, unlike the comparative example, it can be seen that the digraphitizable carbon particles of Examples are formed with pores having a size of 1 to 10 nm.

실험예Experimental Example 2 : 리튬 이차 전지의  2: Lithium secondary battery 충방전Charging and discharging 효율 측정 Measure efficiency

상기 실시예 및 비교예의 음극 활물질을 적용한 리튬 이차 전지의 충방전 효율을 측정하고자 하기와 같이 실험을 진행하였다. Experiments were carried out in order to measure the charge / discharge efficiency of a lithium secondary battery to which the negative electrode active materials of the examples and comparative examples were applied.

먼저 음극 극판은 결합제로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 10 중량%를 N-메틸 피롤리돈 용매에 용해시킨 후, 상기 실시예 및 비교예의 음극 활물질 분말 90 중량%와 혼합하여 슬러리로 만들고, Cu 호일 집전체에 캐스팅(코팅)하여 도포하였고, 이를 롤 프레스로 압연하여 음극을 제조하였다. 상기 제조된 음극 극판을 120℃의 오븐에서 건조하였다.First, the negative electrode plate was dissolved in 10% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder in an N-methyl pyrrolidone solvent, and then mixed with 90% by weight of the negative electrode active material powders of Examples and Comparative Examples to make a slurry, and a Cu foil current collector. It was applied by casting on (coating), which was rolled by a roll press to prepare a negative electrode. The negative electrode plate thus prepared was dried in an oven at 120 ° C.

제조된 음극 활물질 극판과 대극으로 리튬 금속 포일을 사용하고 전해액으로서 1M LiPF6/에틸렌 카보네이트/디메틸 카보네이트를 사용하여 코인형 리튬 이차 전지를 제조하였다.A coin-type lithium secondary battery was manufactured using lithium metal foil as a counter electrode and a prepared negative electrode active material electrode plate and using 1M LiPF 6 / ethylene carbonate / dimethyl carbonate as an electrolyte.

다음 실온 (25℃) 분위기하에 5시간율(0.2C)로 정전류 정전압 충전 후, 5시간율(0.2C)로 방전 종지 전압 1.5V에 이를 때까지 방전하고, 재차 같은 조건으로 충전했다. 이후 5시간율(0.2C)로 정전류 정전압 충전 후, 고율(5.0C)로 방전 종지 전압 1.5V에 이를 때까지 방전하여, 상온 고율 출력을 측정 하였다. 이후 이를 저온(-20℃) 분위기하에 5시간율(0.2C)로 정전류 정전압 충전 후, 고율(5.0C)로 방전 종지 전압 1.5V에 이를 때까지 방전하여 저온 고율 출력을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 저온 출력은 하기 수학식 1과 같이 나타낸다.
Then, after constant-current constant voltage charging at a rate of 5 hours (0.2C) under a room temperature (25 ° C) atmosphere, it was discharged at a rate of 5 hours (0.2C) until the end voltage of discharge reached 1.5V, and again charged under the same conditions. After 5 hours (0.2C) constant current constant voltage charging, and discharged until the end voltage reached 1.5V at a high rate (5.0C), the room temperature high rate output was measured. Then, after charging the constant current constant voltage at a rate of 5 hours (0.2C) under a low temperature (-20 ° C) atmosphere, the battery was discharged at a high rate (5.0C) until the end voltage of discharge reached 1.5V, and the low temperature high rate output was measured. It is shown in Table 2 below. The low temperature output is represented by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112011095647355-pat00001

Figure 112011095647355-pat00001

저온 출력 (%)Low temperature discharge (%) 실시예 1Example 1 4242 실시예 2Example 2 5959 실시예 3Example 3 4747 비교예Comparative example 2929

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예의 이흑연화성 탄소 입자는 1 ~ 10 nm 크기의 미세 기공을 가지지 않는 비교예의 입자보다 우수한 저온 출력을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2, it was confirmed that the digraphitizable carbon particles of Example showed a lower temperature output than the particles of the comparative example does not have fine pores of 1 ~ 10 nm size.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. . Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.

Claims (9)

결정 변화 물질이 도입되어, 10 ~ 35 nm 크기의 기공 체적(B)에 대한 1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적(A)의 비율(A/B)이 0.5 ~ 15 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는 이흑연화성 탄소(soft carbon) 입자.
Crystal change material is introduced, characterized in that the ratio (A / B) of the pore volume (A) of 1 to 10 nm size to the pore volume (B) of 10 to 35 nm size is present in the range of 0.5 to 15 Soft carbon particles.
제 1 항에 있어서,
1 ~ 10 nm 크기의 기공 체적은 입자 중량당 1.0 × 10-3 ~ 5.0 × 10-2 cc/g 이고, 10 ~ 35 nm 크기의 기공 체적이 입자 중량당 0.5 × 10-3 ~ 1.0 × 10-2 cc/g 범위에 있는 것을 특징으로 하는 이흑연화성 탄소 입자.
The method of claim 1,
The pore volume of 1 to 10 nm size is 1.0 × 10 -3 to 5.0 × 10 -2 cc / g per particle weight, and the pore volume of 10 to 35 nm size is 0.5 × 10 -3 to 1.0 × 10 per particle weight. Digraphitizable carbon particles, characterized in that in the range of 2 cc / g.
제 1 항에 있어서,
상기 결정 변화 물질은 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn)을 포함하는 전이금속 화합물, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 질소(N), 규소(Si), 인(P), 비소(As)를 포함하는 3족, 4족 및 5족 원소 화합물, 나트륨(Na) 칼륨(Ka) 마그네슘(Mg) 칼슘(Ca)을 포함하는 알칼리금속 화합물 또는 알칼리 토금속 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 이흑연화성 탄소 입자.
The method of claim 1,
The crystal change material is a transition metal compound including manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) Group 3, 4 and 5 elemental compounds, including indium (In), nitrogen (N), silicon (Si), phosphorus (P), arsenic (As), sodium (Na) potassium (Ka) magnesium (Mg A digraphitizable carbon particle comprising at least one element selected from the group consisting of alkali metal compounds or alkaline earth metal compounds comprising calcium (Ca).
제 3 항에 있어서,
상기 결정 변화 물질은 붕소(B), 인(P) 또는 질소(N)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이흑연화성 탄소 입자.
The method of claim 3, wherein
The crystal change material is boron (B), phosphorus (P) or nitrogen (N) characterized in that the graphitizable carbon particles.
제 1 항에 있어서,
상기 이흑연화성 탄소 입자의 원료 전구체가 석유 코크스, 석탄 코크스, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이즈 피치, 메조카본 마이크로 비즈 및 염화비닐계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 제조되는 것을 특징으로 하는 이흑연화성 탄소 입자.
The method of claim 1,
The precursor precursor of the digraphitizable carbon particles is produced by at least one selected from the group consisting of petroleum coke, coal coke, coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, mesocarbon microbeads and vinyl chloride resin Digraphitizable carbon particles.
제 1 항에 있어서,
상기 결정 변화 물질은 입자 전체 중량을 기준으로 0.1 ~ 20 중량%가 도입되는 것을 특징으로 하는 이흑연화성 탄소 입자.
The method of claim 1,
The crystal change material is a graphitizable carbon particles, characterized in that the introduction of 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the particles.
제 1 항 내지 제 6 항 중 선택된 어느 한 항의 이흑연화성 탄소 입자로 이루어진 음극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극합제.
A negative electrode mixture comprising a negative electrode active material consisting of the digraphitizable carbon particles of any one of claims 1 to 6.
제 7 항에 따른 음극합제가 집전체 상에 도포되어 있는 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
The lithium secondary battery according to claim 7, wherein the negative electrode mixture comprises a negative electrode coated on a current collector.
석유 코크스, 석탄 코크스, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이즈 피치, 메조카본 마이크로 비즈 및 염화비닐계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 제조된 탄소 전구체를 결정 변화 물질과 혼합하여 혼합물을 얻는 단계; 및
상기 혼합물을 300 ~ 700℃의 초기 온도에서 승온하여 탄화하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조방법.
Mixing a carbon precursor prepared from at least one selected from the group consisting of petroleum coke, coal coke, coal-based pitch, petroleum-based pitch, mesophase pitch, mesocarbon microbeads and vinyl chloride-based resin with a crystal change material to obtain a mixture ; And
Carbonizing the mixture at an initial temperature of 300 to 700 ° C .;
Method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising a.
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