리튬이차전지용 실리콘/탄소 음극복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지

나노 고분자 코팅 실리콘을 메카노퓨전으로 흑연에 결합한 탈리 방지 음극복합체

본 기술은 실리콘 나노입자 표면을 고분자 또는 피치로 1~5 nm 두께만큼 미리 코팅한 뒤, 이를 흑연 등 탄소재 표면에 메카노퓨전(Mechanofusion) 공법으로 물리화학적으로 결합시킨 음극 복합체 기술입니다.

실리콘계 음극 활물질은 충방전 시 부피가 크게 팽창하면서 미분화(pulverization)가 일어나고, 집전체에서 떨어져 나가 활물질 간 접촉이 끊기며 전지 성능이 저하되는 문제가 있었습니다. 또한 실리콘과 흑연의 표면에너지 차이 때문에 단순 혼합만으로는 균일한 표면 코팅이 어려운 한계가 존재했습니다.

본 기술은 실리콘 입자를 PAN 등 고분자 또는 피치 용액과 함께 분쇄해 나노입자 표면에 1~5 nm 두께의 접착층을 만들고, 이를 1000~5000 rpm 조건의 메카노퓨전 장비로 탄소재 표면에 물리화학적으로 결합하도록 구성됩니다. 이를 통해 실리콘의 이탈을 막고 복합체의 구조적 안정성을 확보합니다. 이 기술은 흑연-실리콘 혼합 음극을 채택하는 전기차·전력 저장장치용 리튬이차전지에 적용될 수 있어, 반복 팽창 속에서도 실리콘이 흑연에서 떨어져 나가지 않아 사이클 수명을 길게 유지할 수 있습니다.

‍

‍

Key Features:

• 인조흑연, 천연흑연, 카본블랙 및 그래핀 등에서 선택되어 실리콘 나노입자가 표면에 결합되는 탄소재
• 고분자 또는 피치가 1 내지 5 nm 두께로 표면 코팅되고 평균 입도가 10 내지 800 nm인 실리콘 나노입자
• 실리콘 나노입자 대비 1 : 0.005 내지 0.3 중량비로 사용되는 폴리아크릴로니트릴 등의 코팅 고분자
• 1000 내지 5000 rpm에서 10 내지 60분 동안 메카노퓨전을 수행하여 탄소재 표면에 실리콘 나노입자를 물리화학적으로 결합시키는 단계

‍

본 발명은 과학기술정보통신부의 소재 한계 극복형 친환경 카본프리 수소생산용 텐덤 시스템 개발 및 대면적 소자 실증 BrainLink사업단 지원을 통해 개발되었습니다.

‍