特許 6069622 炭素‐シリコン複合体及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6069622

(24)【登録日】2017年1月13日

(45)【発行日】2017年2月1日

(54)【発明の名称】炭素‐シリコン複合体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 32/984 20170101AFI20170123BHJP

   H01M 4/38 20060101ALI20170123BHJP

   H01M 4/587 20100101ALI20170123BHJP

   H01M 4/36 20060101ALI20170123BHJP

   H01M 4/133 20100101ALI20170123BHJP

   H01M 4/1393 20100101ALI20170123BHJP

【ＦＩ】

   C01B31/36 601B

   H01M4/38 Z

   H01M4/587

   H01M4/36 A

   H01M4/36 E

   H01M4/133

   H01M4/1393

【請求項の数】18

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-133289(P2015-133289)

(22)【出願日】2015年7月2日

(65)【公開番号】特開2016-13967(P2016-13967A)

(43)【公開日】2016年1月28日

【審査請求日】2015年7月2日

(31)【優先権主張番号】10-2014-0083301

(32)【優先日】2014年7月3日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】513280854

【氏名又は名称】オーシーアイ カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＯＣＩ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100156410

【弁理士】

【氏名又は名称】山内 輝和

(72)【発明者】

【氏名】チョン・ソンホ

(72)【発明者】

【氏名】キム・ヨソプ

(72)【発明者】

【氏名】チョン・ウネ

(72)【発明者】

【氏名】ハ・ジョンヒョン

【審査官】 廣野 知子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２８５３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０７４２４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１１９２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２７９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１６５６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３４５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０７３７６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０３８６０９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３１／００−３１／３６

Ｈ０１Ｍ ４／００−４／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）Ｓｉスラリーと、高分子モノマーと、架橋剤と、を含むＳｉ‐高分子マトリックススラリーを準備する段階と、
（ｂ）Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーに対して熱処理工程を行って、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを製造する段階と、
（ｃ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを粉砕して、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を製造する段階と、
（ｄ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階と、を含む、炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項2】

前記（ａ）において、Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉは、粒子分布で５０％累積質量粒子径分布直径をＤ５０としたとき、２ｎｍ＜Ｄ５０＜１８０ｎｍである、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項3】

前記（ａ）において、高分子モノマーは、アクリル酸（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、アクリレート（ａｃｒｙｌａｔｅ）、メチルメタクリル酸（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、メチルメタクリレート（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリルアミド（ａｃｒｙａｍｉｄｅ）、ビニルアセテート（ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）、マイレン酸（ｍａｌｅｉｃ ａｃｉｄ）、スチレン（ｓｔｙｒｅｎｅ）、アクリロニトリル（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、フェノール（ｐｈｅｎｏｌ）、エチレングリコール（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）、ラウリルメタクリレート（ｌａｕｒｙｌ
ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）及びビニルジフルオライド（ｖｉｎｙｌ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）からなる群から選択される一つ以上である、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項4】

前記（ａ）において、架橋剤は、エチレングリコールジメタクリレート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、エチレングリコールジアクリレート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、ジエチレングリコールジメタクリレート（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ジエチレングリコールジアクリレート（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、トリエチレングリコールジアクリレート（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、テトラエチレングリコールジアクリレート（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、Ｎ，Ｎ‐メチレンビスアクリルアミド（Ｎ，Ｎ‐ｍｅｔｈｙｌｅｎｅｂｉｓａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）、Ｎ，Ｎ‐（１，２‐ジヒドロキシエチレン）ビスアクリルアミド（Ｎ，Ｎ‐（１，２‐ｄｉｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）ｂｉｓａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）及びジビニルベンゼン（ｄｉｖｉｎｙｌｂｅｎｚｅｎｅ）からなる群から選択される一つ以上である、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項5】

前記（ａ）において、Ｓｉスラリー：高分子モノマー：架橋剤は、１０：５〜１０：１〜５の重量比を有する、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項6】

前記（ｂ）において、熱処理工程は、常圧下で、３００〜５００℃で０．５〜５時間行われる、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項7】

前記（ｂ）において、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスは、前記架橋剤によって架橋結合された網状構造を有する、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項8】

前記（ｄ）において、第１炭素原料は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含む、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項9】

（ｅ）前記炭素‐シリコン複合体と第２炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階をさらに含む、請求項１に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項10】

前記（ｅ）において、第２炭素原料は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含む、請求項９に記載の炭素‐シリコン複合体の製造方法。

【請求項11】

網目構造を有するＳｉ−高分子炭化マトリックスから形成されたＳｉ−高分子炭化マトリックス粒子と、
第１炭素原料とからなる第１炭素マトリックスと、を含み、
前記Ｓｉ−高分子炭化マトリックスは、均一に分散しているＳｉ粒子を含み、
前記Ｓｉ−高分子炭化マトリックス粒子は、前記第１炭素マトリックス内に捕捉されて分散されることを特徴とする、炭素‐シリコン複合体。

【請求項12】

Ｓｉに対するＣの質量比が、１：９９〜１０：９０である、請求項１１に記載の炭素‐シリコン複合体。

【請求項13】

前記高分子炭化マトリックス粒子が、前記第１炭素マトリックスより高い空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有する、請求項１１に記載の炭素‐シリコン複合体。

【請求項14】

前記第１炭素マトリックスは、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ炭化物、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含む、請求項１１に記載の炭素‐シリコン複合体。

【請求項15】

第２炭素粒子をさらに含む、請求項１１に記載の炭素‐シリコン複合体。

【請求項16】

前記第２炭素粒子は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ炭化物、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含む、請求項１５に記載の炭素‐シリコン複合体。

【請求項17】

請求項１１に記載の炭素‐シリコン複合体と、導電材と、結合材と、増粘剤と、を含む負極スラリーを負極集電体にコーティングしてなる、二次電池用負極。

【請求項18】

請求項１７に記載の二次電池用負極を含む、二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭素‐シリコン複合体及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩＴ機器及び自動車のバッテリー用に使用されるためには、高容量を具現することができるリチウム二次電池の負極材料を必要とする。そのため、高容量のリチウム二次電池の負極材料として、シリコンが注目されている。例えば、純粋なシリコンは、４２００ｍＡｈ／ｇの高い理論容量を有すると知られている。

【0003】

しかし、シリコンは、炭素系材料に比べてサイクル特性が低下することから、未だに実用化に至っておらず、その理由は、負極活物質として、前記シリコンのような無機質粒子をそのままリチウムの吸蔵及び放出物質として使用した場合、充放電過程で体積変化によって活物質間の導電性が低下したり、負極集電体から負極活物質が剥離されるためである。すなわち、負極活物質に含まれたシリコンのような無機質粒子は、充電によりリチウムを吸蔵し、その体積が約３００〜４００％に至るほど膨張する。また、放電によりリチウムが放出されると、前記無機質粒子は収縮し、このような充放電サイクルを繰り返すと、無機質粒子と負極活物質との間に生じる空間によって電気的絶縁が発生する可能性があり、寿命が急激に低下する特性を有することになるため、二次電池に使用するには深刻な問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】なし

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、二次電池の充電容量及び寿命特性をより向上させるために、二次電池用負極活物質としての炭素‐シリコン複合体、及び、（ａ）Ｓｉスラリーと、高分子モノマーと、架橋剤と、を含むＳｉ‐高分子マトリックススラリーを準備する段階と、（ｂ）Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーに対して熱処理工程を行って、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを製造する段階と、（ｃ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを粉砕して、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を製造する段階と、（ｄ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階と、を含む炭素‐シリコン複合体の製造方法などを提供することを目的とする。

【0006】

しかし、本発明が解決しようとする技術的課題は、上記で言及した課題に制限されず、言及されていない他の課題は、以下の記載より、当業者が明確に理解することができる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、（ａ）Ｓｉスラリーと、高分子モノマーと、架橋剤と、を含むＳｉ‐高分子マトリックススラリーを準備する段階と、（ｂ）Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーに対して熱処理工程を行って、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを製造する段階と、（ｃ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを粉砕して、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を製造する段階と、（ｄ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階と、を含む炭素‐シリコン複合体の製造方法を提供する。

【0008】

前記（ａ）において、Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉは、粒子分布で５０％累積質量粒子径分布直径をＤ５０としたとき、２ｎｍ＜Ｄ５０＜１８０ｎｍであってもよい。

【0009】

前記（ａ）において、高分子モノマーは、アクリル酸（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、アクリレート（ａｃｒｙｌａｔｅ）、メチルメタクリル酸（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、メチルメタクリレート（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリルアミド（ａｃｒｙａｍｉｄｅ）、ビニルアセテート（ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）、マイレン酸（ｍａｌｅｉｃ ａｃｉｄ）、スチレン（ｓｔｙｒｅｎｅ）、アクリロニトリル（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、フェノール（ｐｈｅｎｏｌ）、エチレングリコール（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）、ラウリルメタクリレート（ｌａｕｒｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）及びビニルジフルオライド（ｖｉｎｙｌ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）からなる群から選択される一つ以上であってもよい。

【0010】

前記（ａ）において、架橋剤は、エチレングリコールジメタクリレート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、エチレングリコールジアクリレート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、ジエチレングリコールジメタクリレート（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ジエチレングリコールジアクリレート（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、トリエチレングリコールジアクリレート（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、テトラエチレングリコールジアクリレート（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、Ｎ，Ｎ‐メチレンビスアクリルアミド（Ｎ，Ｎ‐ｍｅｔｈｙｌｅｎｅｂｉｓａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）、Ｎ，Ｎ‐（１，２‐ジヒドロキシエチレン）ビスアクリルアミド（Ｎ，Ｎ‐（１，２‐ｄｉｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）ｂｉｓａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）及びジビニルベンゼン（ｄｉｖｉｎｙｌｂｅｎｚｅｎｅ）からなる群から選択される一つ以上であってもよい。

【0011】

前記（ａ）において、Ｓｉスラリー：高分子モノマー：架橋剤は、１０：５〜１０：１〜５の重量比を有することができる。

【0012】

前記（ｂ）において、熱処理工程は、常圧下で、３００〜５００℃で０．５〜５時間行われることができる。

【0013】

前記（ｂ）において、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスは、前記架橋剤によって架橋結合された網状構造を有することができる。

【0014】

前記（ｄ）において、第１炭素原料は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことができる。

【0015】

（ｅ）前記炭素‐シリコン複合体と第２炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階をさらに含むことができる。

【0016】

前記（ｅ）において、第２炭素原料は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことができる。

【0017】

本発明の一具現例において、Ｓｉスラリーと、高分子モノマーと、架橋剤と、を含むＳｉ‐高分子マトリックススラリーから形成されたＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と、第１炭素マトリックスと、を含み、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子は、前記第１炭素マトリックス内に捕捉されて分散されることを特徴とする炭素‐シリコン複合体を提供する。

【0018】

前記炭素‐シリコン複合体は、Ｓｉに対するＣの質量比が、１：９９〜１０：９０であってもよい。

【0019】

前記高分子炭化マトリックス粒子が、前記第１炭素マトリックスより高い空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有することができる。

【0020】

前記第１炭素マトリックスは、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ炭化物、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことができる。

【0021】

前記炭素‐シリコン複合体に第２炭素粒子をさらに含むことができる。

【0022】

前記第２炭素粒子は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ炭化物、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことができる。

【0023】

本発明の他の具現例において、前記炭素‐シリコン複合体と、導電材と、結合材と、増粘剤と、を含む負極スラリーを負極集電体にコーティングしてなる二次電池用負極を提供する。

【0024】

本発明のさらに他の具現例において、前記二次電池用負極を含む二次電池を提供する。

【発明の効果】

【0025】

本発明のＳｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉが、非常に均一に分散されて含まれることから、これから形成されたＳｉ‐高分子炭化マトリックスは、架橋剤によって架橋結合された網状構造を有することができ、これを含む炭素‐シリコン複合体を二次電池用負極活物質として使用する場合、二次電池の充電容量及び寿命特性をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】エネルギー分散型分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ‐ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を使用して得られた実施例１及び比較例１で製造された炭素‐シリコン複合体中のＳｉに対するＥＤＳイメージである。

【図2】実施例１及び比較例１で製造された炭素‐シリコン複合体を用いて二次電池用負極を製造した後、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓ Ｉｏｎ Ｂｅａｎ）で切断した切断面に対する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）イメージである。

【図3】実施例１及び比較例１〜２で製造された二次電池に対し、サイクル数による放電容量を測定した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の具現例を詳細に説明する。ただし、これは例示として提示されるものであって、これにより本発明が制限されず、本発明は、後述する請求項の範疇により定義されるだけである。

【0028】

（炭素‐シリコン複合体の製造方法）
本発明は、（ａ）Ｓｉスラリーと、高分子モノマーと、架橋剤と、を含むＳｉ‐高分子マトリックススラリーを準備する段階と、（ｂ）Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーに対して熱処理工程を行って、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを製造する段階と、（ｃ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを粉砕して、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を製造する段階と、（ｄ）前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階と、を含む炭素‐シリコン複合体の製造方法を提供する。

【0029】

前記（ａ）は、Ｓｉスラリーと、高分子モノマーと、架橋剤と、を含むＳｉ‐高分子マトリックススラリーを準備する段階であって、前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーは、Ｓｉスラリーを準備し、準備したＳｉスラリーに高分子モノマー及び架橋剤を添加して分散させることで製造されることができる。

【0030】

この際、前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーは、前記Ｓｉ‐高分子マトリックス粒子を含むスラリーを意味し、前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉは、非常に均一に分散されて含まれることを特徴とする。

【0031】

前記Ｓｉスラリーは、Ｓｉ粒子と、分散媒と、を含むスラリーを意味し、前記Ｓｉ粒子は、２ｎｍ〜２００ｎｍの直径を有する球形であってもよく、前記分散媒は、Ｓｉスラリーの分散性及び安定性をより向上させるための溶媒であって、Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、水、メタノール、エタノール、シクロヘキサノール、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン、アセトン、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）及びこれらの組み合わせからなる群から選択される一つ以上であることが好ましいが、これに限定されない。この際、Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒又はテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）溶媒を使用した場合、より優れた分散性及び安定性を有する。

【0032】

前記高分子モノマーは、高分子を形成するための出発物質であり、Ｓｉの緩衝作用のためのものであって、アクリル酸（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、アクリレート（ａｃｒｙｌａｔｅ）、メチルメタクリル酸（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、メチルメタクリレート（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリルアミド（ａｃｒｙａｍｉｄｅ）、ビニルアセテート（ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）、マイレン酸（ｍａｌｅｉｃ ａｃｉｄ）、スチレン（ｓｔｙｒｅｎｅ）、アクリロニトリル（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、フェノール（ｐｈｅｎｏｌ）、エチレングリコール（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）、ラウリルメタクリレート（ｌａｕｒｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ） 及びビニルジフルオライド（ｖｉｎｙｌ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）からなる群から選択される一つ以上であることが好ましいが、これに限定されない。本発明では、高分子モノマーとしてアクリル酸（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）を使用した。

【0033】

前記架橋剤は、前記高分子モノマーから形成された高分子を互いに架橋結合させることにより、Ｓｉ‐高分子マトリックス粒子が網状構造を有するようにする役割をするものであって、エチレングリコールジメタクリレート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、エチレングリコールジアクリレート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、ジエチレングリコールジメタクリレート（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ジエチレングリコールジアクリレート（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、トリエチレングリコールジアクリレート（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、テトラエチレングリコールジアクリレート（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ）、Ｎ，Ｎ‐メチレンビスアクリルアミド（Ｎ，Ｎ‐ｍｅｔｈｙｌｅｎｅｂｉｓａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）、Ｎ，Ｎ‐（１，２‐ジヒドロキシエチレン）ビスアクリルアミド（Ｎ，Ｎ‐（１，２‐ｄｉｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）ｂｉｓａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）及びジビニルベンゼン（ｄｉｖｉｎｙｌｂｅｎｚｅｎｅ）からなる群から選択される一つ以上であることが好ましいが、これに限定されない。本発明では、架橋剤としてエチレングリコールジメタクリレート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）を使用した。

【0034】

前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーは、添加剤をさらに含むことができる。この際、添加剤として使用される開始剤は、ラジカル重合開始剤であってもよく、１，１´‐アゾビス（シクロヘキサンカルボニトリル）（１，１´‐Ａｚｏｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｌｅ）：ＡＢＣＮ）、アゾビスブチロニトリル（Ａｚｏｂｉｓｉｓｏｂｕｔｙｒｏｎｉｔｒｉｌｅ：ＡＩＢＮ）、ベンゾフェノン、２，２‐ジメトキシ‐２‐フェニルアセトフェノン及びベンゾイルパーオキサイドからなる群から選択される一つ以上であることが好ましいが、これに限定されない。本発明では、ラジカル重合開始剤として、１，１´‐アゾビス（シクロヘキサンカルボニトリル）（１，１´‐Ａｚｏｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｌｅ）：ＡＢＣＮ）を使用した。

【0035】

前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉ‐高分子マトリックスは、前記架橋剤によって架橋結合された網状構造を有することができる。本明細書において、「網状構造（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」とは、架橋点を有する無定形高分子物質のマイクロ模型として考案された構造であり、結び目とそれを連結する鎖で構成されるものを意味する。

【0036】

この際、Ｓｉは、このような網状構造の高分子マトリックス内に分散されているものであって、このような網状構造の高分子マトリックスは、Ｓｉの緩衝作用をするための物質として好適である。

【0037】

また、高分子マトリックスにより、Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉは、非常に均一に分散されて含まれることができる。この際、高分子マトリックスは、架橋剤による架橋結合により、ゲル（ｇｅｌ）タイプの高分子マトリックスに形成されることができる。

【0038】

また、前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉは、粒子分布で５０％の累積質量粒子径分布直径をＤ５０としたとき、２ｎｍ＜Ｄ５０＜１８０ｎｍであることが好ましいが、これに限定されない。この際、前記高分子マトリックスは、前記架橋剤によって架橋結合された網状構造を有することにより、別の高分子マトリックスを含んでいないＳｉ粒子スラリーに比べて前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉが分散性に優れることから、粒子同士の凝集現象が減少して、前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリー中のＳｉは、Ｄ５０が小さく、且つ粒子間のサイズ偏差が小さい均一な分布を有することになり、結果、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスが、第１炭素マトリックス内でより均一且つ良好に分散されることができる。

【0039】

前記Ｓｉスラリー：高分子モノマー：架橋剤は、１０：５〜１０：１〜５の重量比を有することが好ましく、１０：５：１の重量比を有することがより好ましいが、これに限定されない。

【0040】

前記（ｂ）は、Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーに対して熱処理工程を行って、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを製造する段階である。

【0041】

この際、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスは、Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーに対して熱処理工程を行って製造されたものであって、前記架橋剤によって架橋結合された網状構造のみ残すことを特徴とする。

【0042】

すなわち、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスは、架橋剤によって架橋結合された網状構造を有することにより、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が第１炭素マトリックスとともに複合体を形成する製造過程中にＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が凝集しないようにして、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が大きく凝集して形成されず、且つ第１炭素マトリックス内に均一且つ良好に分散されるように形成されることができる。したがって、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスで二次電池用負極活物質を製造する場合、二次電池は、初期充電容量を著しく高め、且つ数回のサイクル後にも充填容量低下の問題を著しく改善して、寿命特性をより向上させることができる。

【0043】

また、前記熱処理工程は、前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーを５０〜６００℃の温度で熱処理して行われることができ、圧力条件として０．５ｂａｒ〜１０ｂａｒで低圧乃至高圧条件で、目的に応じて行われることができ、熱処理工程は、０．５〜５時間行われることができる。前記熱処理工程は、目的とする用途に応じて、一つの段階で行われてもよく、多段階で行われてもよい。

【0044】

好ましくは、前記熱処理工程は、常圧下で、３００〜５００℃で０．５〜５時間行われ、より好ましくは、前記熱処理工程は、常圧下で、４００℃で１時間行われる。

【0045】

前記（ｃ）は、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを粉砕して、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を製造する段階であって、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを粉砕することにより、製造されるＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が第１炭素原料に均一に混合されるようにする。

【0046】

前記（ｄ）は、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階である。

【0047】

この際、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を粒子状に混合し、前記第１炭素原料は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましいが、これに限定されない。具体的に、前記第１炭素原料は、一般的に、石炭系コールタールピッチ又は石油系ピッチを商業的に入手して使用することができる。前記第１炭素原料は、後続する炭化工程により炭化されて、結晶質炭素、非晶質炭素又はこれらすべてを含む炭素マトリックスとして形成される。前記第１炭素原料は、伝導性及び非伝導性の場合を区別せずに、すべて使用されることができる。

【0048】

前記混合溶液中のＳｉに対するＣの質量比が１：９９〜１０：９０になるように、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を混合することができる。前記範囲内の質量比でＳｉとＣが含まれるように、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と第１炭素原料を適切な含有量で混合する。これにより製造された前記炭素‐シリコン複合体は、二次電池の負極活物質の用途に適用する場合、高容量のシリコン特性を効果的に発揮させ、且つ充放電の際に体積膨張の問題を緩和することで、二次電池の寿命特性を向上させることができる。

【0049】

本発明において、「炭化工程（Ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ）」とは、炭素原料を高温で焼成して無機物として炭素を残存させる工程を意味し、前記炭化工程により、第１炭素原料が第１炭素マトリックスを形成する。

【0050】

例えば、前記炭化工程において、前記第１炭素マトリックスの炭化収率は、４０〜８０重量％であってもよい。このような炭素‐シリコン複合体を製造する方法のうち炭化工程の炭化収率を高めることで揮発分の発生を低減することができ、その処理が容易となり、環境にやさしい工程になることができる。

【0051】

前記炭化工程は、前記混合溶液を４００〜１４００℃の温度で熱処理して行われることができ、圧力条件として１ｂａｒ〜１５ｂａｒで低圧乃至高圧条件で、目的に応じて行われることができ、炭化工程は、１〜２４時間行われることができる。前記炭化工程は、目的とする用途に応じて、一つの段階で行われてもよく、多段階で行われてもよい。

【0052】

（ｅ）前記炭素‐シリコン複合体と第２炭素原料を混合した後、炭化工程を行う段階をさらに含むことができる。

【0053】

この際、前記炭素‐シリコン複合体と第２炭素原料を粒子状に混合し、前記第２炭素原料は、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましいが、これに限定されない。

【0054】

前記炭化工程により、第２炭素原料が第２炭素粒子を形成することができ、前記炭化工程の具体的な条件は、上述の（ｄ）において言及したとおりである。

【0055】

（炭素‐シリコン複合体）
なお、本発明は、Ｓｉスラリーと、高分子モノマーと、架橋剤と、を含むＳｉ‐高分子マトリックススラリーから形成されたＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子と、第１炭素マトリックスと、を含み、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子は、前記第１炭素マトリックス内に捕捉されて分散されることを特徴とする炭素‐シリコン複合体を提供する。

【0056】

前記第１炭素マトリックスは、第１炭素原料から形成されたものであって、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ炭化物、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましいが、これに限定されない。

【0057】

前記炭素‐シリコン複合体は、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が第１炭素マトリックスとともに複合体を形成する製造過程中にＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が凝集しないようにして、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が大きく凝集して形成されず、且つ第１炭素マトリックス内に均一且つ良好に分散されるように形成される。このように、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子は、前記炭素‐シリコン複合体の第１炭素マトリックスの全体にわたり均一に分散されて形成されることができる。このような炭素‐シリコン複合体は、二次電池の負極活物質の用途に適用する場合、高容量のシリコン特性を効果的に発揮させ、且つ充放電の際に体積膨張の問題を緩和することで、二次電池の寿命特性を向上させることができる。

【0058】

前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子がより均一且つ良好に分散された炭素‐シリコン複合体は、同一含有量のシリコンを含んでも、より優れた容量を具現することができる。例えば、シリコン理論容量の約８０％以上に具現されることができる。

【0059】

具体的に、前記炭素‐シリコン複合体は、球形又は球形に近い粒子に形成されることができ、前記炭素‐シリコン複合体の粒子径が０．５μｍ〜５０μｍであってもよい。前記範囲の粒子径を有する炭素‐シリコン複合体は、二次電池の負極活物質として適用する場合、高容量のシリコン特性による充電容量を効果的に発揮させ、且つ充放電の際に体積膨張の問題を緩和することで、二次電池の寿命特性を向上させることができる。

【0060】

前記炭素‐シリコン複合体は、Ｓｉに対するＣの質量比が、１：９９〜１０：９０であってもよい。前記炭素‐シリコン複合体は、前記数値範囲内でも高含有量でＳｉを含有することができるという利点があり、高含有量のＳｉを含有し、且つＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が良好に分散されていることから、Ｓｉを負極活物質として使用する場合に問題となる充放電の際の体積膨張の問題を改善することができる。

【0061】

前記炭素‐シリコン複合体は、例えば、二次電池の性能を低下させうる酸化物をほとんど含まないため、酸素含有量が非常に低い。具体的に、前記炭素‐シリコン複合体は、酸素含有量が０重量％〜１重量％であってもよい。また、前記第１炭素マトリックスは、他の不純物及び副産物の化合物をほとんど含まず、ほぼ炭素で構成されており、具体的に、前記第１炭素マトリックス中の炭素含有量が、７０重量％〜１００重量％であってもよい。

【0062】

上述のように、前記炭素‐シリコン複合体は、第１炭素マトリックスの内部の全領域にＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が分布し、表面側だけでなく内部にも良好に分散されて存在する。内部にも良好に分散されて存在するということは、具体的に、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が、前記炭素‐シリコン複合体の半径の５％に該当する深さ以上の内部に捕捉されて存在することを意味することができる。より具体的に、前記炭素‐シリコン複合体の半径の１％〜１００％に該当する深さに前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が存在するという点で、半径の５％未満の深さに該当する表面側にのみＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が分布される炭素‐シリコン複合体とは区別される。当然、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が、前記炭素‐シリコン複合体の半径の１％〜１００％に該当する深さに存在するということが、前記炭素‐シリコン複合体の半径の０％〜１％に該当する深さに存在するという意味を排除することではない。

【0063】

また、通常、炭化工程を行う際に原料として使用されたＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子同士が凝集してＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が塊になることから、前記炭素‐シリコン複合体は、前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子同士が凝集して形成されたＳｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子を含むことができる。

【0064】

本明細書において、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子の分散が均一且つ良好に行われたということは、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が第１炭素マトリックスの全体にわたり均一に分布することを意味し、また、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子が均一に形成されて、各Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子の直径の統計学的分析の面で偏差値が小さいことを意味し、具体的に、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子の直径の最大値として、処理水準以下の結果が得られることを意味する。

【0065】

すなわち、前記炭素‐シリコン複合体は、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が良好に分散され、これに伴い、このようなＳｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子も相対的に小くなる。具体的に、前記第１炭素マトリックス内で前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が凝集して形成されたＳｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子の直径が２０μｍ以下に形成されることができる。

【0066】

また、前記高分子マトリックス粒子の場合、炭化の際に前記高分子マトリックス粒子内の炭素以外の酸素又は水素などの他の不純物及び副産物の化合物は炭化されず気化されて、炭素以外の酸素又は水素などの他の不純物及び副産物の化合物が存在していた場所は空間として残り、これにより、前記高分子炭化マトリックス粒子は、ほぼ炭素のみからなる前記第１炭素マトリックスに比べて高い空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有することができる。

【0067】

具体的に、前記高分子マトリックス粒子の炭化収率は５％〜３０％であることが好ましく、前記第１炭素マトリックスの炭化収率は４０％〜８０％であることが好ましいが、これに限定されない。前記第１炭素マトリックスは、他の不純物及び副産物の化合物をほとんど含まず、ほぼ炭素のみからなっており、炭化の際に炭化収率に著しく優れ、前記高分子マトリックス粒子は、炭素以外の酸素又は水素などの他の不純物及び副産物の化合物を含んでおり、炭化の際に炭化収率に劣る。

【0068】

本明細書において、粒子の直径とは、粒子の重心を通過する直線が、粒子の表面と接して定義される二つの点の間の距離を意味する。

【0069】

前記粒子の直径は、公知の方法にしたがって様々な方法で測定されることができ、例えば、Ｘ‐線回折分析（ＸＲＤ）を利用したり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）イメージを分析して測定されることができる。

【0070】

さらに、前記炭素‐シリコン複合体は、球形又は球形に近い粒子状に形成され、前記第２炭素粒子とともに球形化されることができる。この際、前記炭素‐シリコン複合体と前記第２炭素粒子との間に空隙が形成されて含まれることができる。

【0071】

前記炭素‐シリコン複合体と前記第２粒子を球形化するために公知の様々な方法及び機器を使用することができる。

【0072】

前記第２炭素粒子は、第２炭素原料から形成されたものであって、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、ピッチ炭化物、焼成されたコークス、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましいが、これに限定されない。

【0073】

好ましくは、前記第１炭素マトリックスは、非晶質炭素であり、前記第２炭素粒子は、結晶質炭素であってもよい。例えば、前記第２炭素粒子が黒鉛である場合、板状又は切片状であってもよく、球形に形成された前記炭素‐シリコン複合体とともに球形化されて、重なっている第２炭素粒子の間に球形の炭素‐シリコン複合体が捕捉されて分散された状態に球形化されることができる。前記第２炭素粒子が黒鉛である場合、具体的に、平坦面での平均直径が０．５μｍ〜５００μｍで、厚さが０．０１μｍ〜１００μｍである板状又は切片状であってもよい。

【0074】

前記炭素‐シリコン複合体は、追加的に、最外層として非晶質炭素コーティング層をさらに含むことができる。

【0075】

（二次電池用負極）
本発明は、前記炭素‐シリコン複合体と、導電材と、結合材と、増粘剤と、を含む負極スラリーを負極集電体にコーティングしてなる二次電池用負極を提供する。

【0076】

前記二次電池用負極は、前記炭素‐シリコン複合体と、導電材と、結合材と、増粘剤と、を含む負極スラリーを負極集電体にコーティングし、乾燥及び圧延して形成される。

【0077】

前記導電材としては、炭素系物質、金属物質、金属酸化物及び電気伝導性高分子からなる群から選択される一つ以上が使用されることができ、具体的に、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンファイバー、フラーレン、銅、ニッケル、アルミニウム、銀、酸化コバルト、酸化チタン、ポリフェニレン誘導体、ポリチオフェン、ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール及びポリアニリンなどが使用されることができる。

【0078】

前記結合材としては、スチレン‐ブタジエンゴム（ＳＢＲ、Ｓｔｙｒｅｎｅ‐Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ、Ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ‐ｃｏ‐ＨＦＰ）、ポリビニリデンフルオライド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄe）、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）などの各種のバインダー高分子が使用されることができ、前記増粘剤は、粘度調節のためのものであって、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース及びヒドロキシプロピルセルロースなどが使用されることができる。

【0079】

前記負極集電体としては、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、又はこれらの合金などが使用されることができ、これらのうち銅又は銅合金が最も好ましい。

【0080】

（二次電池）
本発明は、前記二次電池用負極を含む二次電池を提供する。

【0081】

前記二次電池は、二次電池用負極活物質として、ナノサイズのＳｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が非常に均一に分散されて含まれた炭素‐シリコン複合体を使用したところ、充電容量及び寿命特性がより向上したことを特徴とする。

【0082】

前記二次電池は、前記二次電池用負極と、正極活物質を含む正極と、分離膜と、電解液と、を含んで形成される。

【0083】

前記正極活物質として使用される材料としては、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮＩＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２など、リチウムを吸蔵、放出することができる化合物などが使用されることができる。

【0084】

前記負極と正極との間で前記電極を絶縁させる分離膜としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系多孔性フィルムが使用されることができる。

【0085】

また、前記電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、２‐メチルテトラヒドロフラン、γ‐ブチロラクトン、ジオキソラン、４‐メチルジオキソラン、Ｎ，Ｎ‐ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、１，２‐ジメトキシエタン、スルホラン、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ニトロベンゼン、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジエチレングリコール、又はジメチルエーテルなどの一つ以上の非プロトン性溶媒に、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＯ_４、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＮ（Ｃ_ｘＦ_２ｘ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｙＦ_２ｙ＋１ＳＯ_２）（ただし、ｘ、ｙは、自然数）、ＬｉＣｌ、ＬｉＩなどのリチウム塩からなる一つ以上の電解質を混合して溶解したものが使用されることができる。

【0086】

前記二次電池の多数を電気的に連結して含む中大型電池モジュール又は電池パックを提供することができるが、前記中大型電池モジュール又は電池パックは、パワーツール（Ｐｏｗｅｒ Ｔｏｏｌ）；電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）と、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）と、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ‐ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）と、を含む電気自動車；電気トラック；電気商用車；又は電力貯蔵用システムのいずれか一つ以上の中大型デバイス電源として用いられることができる。

【0087】

以下、本発明を容易に理解するために、好ましい実施例を提示する。しかし、下記の実施例は、本発明をより容易に理解するために提供されるものであって、下記実施例により本発明の内容が限定されるものではない。

【0088】

［実施例］
（実施例１）
（Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子の製造）
平均粒径が５０ｎｍであるＳｉ粒子１ｇをＮ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）分散媒９ｇに分散させて、Ｓｉスラリーを準備した。準備したＳｉスラリーに、アクリル酸５ｇ、エチレングリコールジメタクリレート１ｇ、１，１´‐アゾビス（シクロヘキサンカルボニトリル）０．５ｇを添加した後、７０℃の温度で１２時間攪拌して、Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーを準備した。

【0089】

この際、Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーに対して動的光散乱法（Ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）（測定機器：ＥＬＳ‐Ｚ２、Ｏｔｓｕｋａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製）によってＳｉの分布特性を測定した結果、Ｄ５０は１２０ｎｍである。

【0090】

準備したＳｉ‐高分子マトリックススラリーに対して、電気炉で４００℃の温度で１時間さらに熱処理を行って、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックスを製造し、２５０ｒｐｍで３０分間プラネタリーミルを用いて粉砕して、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を製造した。

【0091】

（炭素‐シリコン複合体の製造）
前記Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子に３５０℃で蒸発された石炭系ピッチを粒子状で約１２時間混合した。石炭系ピッチ：Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を９７．５：２．５の重量比で混合した。次に、１０℃／ｍｉｎで昇温して９００℃の温度で５時間炭化を行って、炭素‐シリコン複合体を形成した。形成された炭素‐シリコン複合体を２５０ｒｐｍで１時間プラネタリーミルを用いて粉砕した後、分級過程を経て５０μｍ以下の粒径を有する粒子のみを選別した粉末を得た。

【0092】

（二次電池用負極の製造）
前記炭素‐シリコン複合体粉末を負極活物質として使用し、負極活物質：カーボンブラック（ＣＢ）：カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）：スチレンブタジエン（ＳＢＲ）を９１：５：２：２の重量比で水に混合して、負極スラリー用組成物を製造した。これを銅集電体にコーティングし、１１０℃オーブンで約１時間乾燥及び圧延して二次電池用負極を製造した。

【0093】

（二次電池の製造）
前記二次電池用負極、分離膜、電解液（エチレンカーボネート：ジメチルカーボネート（１：１の重量比）の混合溶媒として、１．０Ｍ ＬｉＰＦ_６添加）、リチウム電極の順に積層して、コインセル（ｃｏｉｎ ｃｅｌｌ）形態の二次電池を製造した。

【0094】

（比較例１）
前記Ｓｉ‐高分子マトリックススラリーの代わりにＳｉスラリーを単独で使用した以外は、実施例１と同じ方法で炭素‐シリコン複合体粉末及びこれを適用した二次電池用負極と二次電池を製造した。

【0095】

（比較例２）
前記炭素‐シリコン複合体粉末の代わりに３５０℃で蒸発された石炭系ピッチを単独で使用した以外は、実施例１と同じ方法で炭素‐シリコン複合体粉末及びこれを適用した二次電池用負極と二次電池を製造した。

【0096】

図１はエネルギー分散型分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ‐ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を使用して得られた実施例１及び比較例１で製造された炭素‐シリコン複合体中のシリコンに対するＥＤＳイメージである。

【0097】

図１に示すように、炭素‐シリコン複合体をエネルギー分散型分光器（ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定した結果、実施例１で製造された炭素‐シリコン複合体は、Ｓｉ：Ｃを２．５：９７．５の重量比で含むことを確認することができた。また、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が、第１炭素マトリックスの内部に全体的に均一に分散されて形成され、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子は、直径が約２０μｍ以下に形成されることを確認することができた。

【0098】

一方、比較例１で製造された炭素‐シリコン複合体は、Ｓｉ：Ｃを２．５：９７．５の重量比で含むことを確認することができた。また、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が第１炭素マトリックスの内部に凝集して形成され、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス塊粒子は、直径が約２０μｍを超えて形成されることを確認することができた。

【0099】

図２は実施例１及び比較例１で製造された炭素‐シリコン複合体を用いて二次電池用負極を製造した後、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓ Ｉｏｎ Ｂｅａｎ）で切断した切断面に対する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）イメージである。

【0100】

図２に示すように、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓ Ｉｏｎ Ｂｅａｎ）で切断した切断面に対する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果、実施例１で製造された炭素‐シリコン複合体は、第１炭素マトリックスの内部に空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）の低い部分が均一に形成され、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が、第１炭素マトリックスの内部に全体的に均一に分散されて形成されることを確認することができた。

【0101】

一方、比較例１で製造された炭素‐シリコン複合体は、第１炭素マトリックスの内部に空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）の低い部分が不均一に形成され、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子が、第１炭素マトリックスの内部に凝集して形成されることを確認することができた。

【0102】

（実験例）
実施例１及び比較例１〜２で製造された二次電池に対して、下記の条件で充放電実験を行った。

【0103】

１ｇ重量当たり３００ｍＡを１Ｃと仮定したとき、充電条件として０．２Ｃで０．０１Ｖまで定電流、０．０１Ｖで０．０１Ｃまで定電圧で制御し、放電条件として０．２Ｃで１．５Ｖまで定電流で測定した。

【0104】

図３は実施例１及び比較例１〜２で製造された二次電池に対して、サイクル数による放電容量を測定した結果を示すグラフであり、初期充電容量（ｍＡｈ／ｇ）の結果、及び初期充電容量に対する２１サイクル後の充電容量維持率を％に換算した２１サイクル後の充電容量維持率（％）の結果を下記表１に記載した。

【0105】

【表1】

【0106】

図３及び表１を参照すると、実施例１で製造された二次電池は、Ｓｉ‐高分子炭化マトリックス粒子を含む炭素‐シリコン複合体を負極活物質として使用したところ、高容量のシリコンにより初期充電容量が著しく高く、且つ２１サイクル後にも充電容量低下の問題を著しく改善したことを確認することができる一方、比較例１で製造された二次電池は、２１サイクル後、充電容量が大幅に低下して、シリコン使用の際に典型的に発生する容量低下の問題が現れた。

【0107】

一方、比較例２で製造された二次電池は、シリコンを含まないことから、シリコンに起因したサイクルによる容量低下の問題はあまり発生しなかったが、実施例１及び比較例１に比べて初期充電容量が著しく低いことを確認することができた。

【0108】

上述の本発明の説明は、例示のためのものであって、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態に容易に変形することができることを理解することができる。したがって、以上で記述した実施例は、すべての面において例示的なものであって限定的なものではないことを理解すべきである。

【図3】

【図1】

【図2】