Conducting single crystal silicon particles coated by ultrathin metal silicide film high capacity lithium anode materials including the same and manufacturing method thereof

摘要

본 발명은 다이아몬드 결정 구조를 구성하는 실리콘 원자를 3족 또는 5족에서 선택된 원소들이 치환하여 도핑됨에 따라 높은 전기전도도 특성을 갖는 단결정 실리콘 잉곳 (Ingot)을 다이싱 하는 과정에서 파쇄되어 부산물로 얻어진 금속 실리사이드가 포함된 실리콘 복합체 입자, 이를 포함하는 고용량 이차전지 음극활물질 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 3족 또는 5족 원소가 도핑된 실리콘 단결정 주괴 (잉곳, Ingot)를 얇은 웨이퍼로 슬라이싱 (Slicing)하는 과정에서 다이아몬드 블레이드를 구성하는 금속 매트릭스와 실리콘이 기계적인 마모 과정에서 발생하는 마찰열에 의해 서로 반응하여 금속 실리사이드를 형성하게 된다. 3족 및 5족 원소의 첨가에 의해 전자 내지는 정공 농도가 증가됨에 따라 진성 실리콘에 비해 높은 전기전도도 특성을 가지며, 마모 과정에서 형성된 금속 실리사이드 내지는 금속-실리콘 합금 (Alloy) 형성에 의해 실리콘 입자의 표면 전기전도도는 더욱 증가하여, 우수한 고율 특성을 갖는 이차전지 음극활물질을 제공한다. 치환형 불순물 원소 첨가와 금속 실리사이드 내지는 금속-실리콘 합금 형성에 의해 단결정 실리콘 입자의 내부 전도도 뿐만 아니라 전도성 금속 실리사이드의 코팅에 의한 표면전도도 증가로 우수한 표면 및 벌크 전도도 특성을 가져 고율 특성과 사이클 특성이 우수한 이차전지 음극활물질 및 이를 이용한 음극을 제공하는 효과를 갖는다. 특히 금속 실리사이드는 실리콘 음극활물질의 충방전 과정에서 발생하는 과도한 부피 팽창을 억제하는 효과가 있어서 사이클 특성이 더욱 개선될 수 있다. 태양전지용 전도성 실리콘 잉곳을 생산하는 과정에서 대량으로 만들어지는 폐자원이기 때문에, 이차전지용 고용량 실리콘 복합체로 적용하는 경우 자원의 재활용 (Recycling) 효과를 갖는다.