KR101508423B1 - 리튬 금속이 도핑된 산화물계 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

리튬 금속이 도핑된 산화물계 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 본 발명의 고체 전해질에 의하면, 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질에 리튬 금속이 도핑되어 있기 때문에 이온 전도도가 우수할 뿐만 아니라, 이를 포함하는 리튬 이차전지는 고체 전해질 내에서 리튬 이온의 이동도가 용이하여 안정적인 리튬의 확산이 가능할 뿐만 아니라, 충방전에 의한 비가역 부분이 최소화되어 충방전 상태에서 안정하다.

Description

리튬 금속이 도핑된 산화물계 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{OXIDE SOLID ELECTROLYTE DOPED LITHIUM METAL, PREPARATION METHOD OF THEREOF, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRSING THE SAME}
본 발명은 리튬 금속이 도핑된 산화물계 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 전기 자동차 내지는 하이브리드카의 제품이 출시되면서, 대용량 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있는데, 자동차 등에 탑재되는 이차 전지는 용량 및 충방전 사이클 특성도 중요하지만, 자동차의 특성상 전지의 안정성 확보 및 내구성 향상이 필수적이다.
종래의 유기 전해액을 활용한 기존의 리튬 이온 이차전지는 충전 과다 또는 차량 사고 등에 의해 내부 합선 등의 이상 발생 시에, 전해액이 고온화되어 휘발하는바, 화재 또는 폭발의 위험성이 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 여러 방면의 기술이 개발되고 있지만, 전해질로서 액체 대신 고체를 사용한 전지, 즉, 고체 전해질 전지가 가장 유력한 대안이 되고 있다.
또한, PDA, 디지털카메라, 노트북 컴퓨터, 휴대전화 등 전자기기의 소형화, 경량화, 휴대화 경향에 따라, 소자의 크기가 작아진 것에 부합되는 초소형 전지의 필요성이 날로 증대되고 있는데, 초소형 시스템의 전원으로 사용되는 박막전지의 모든 구성 요소는 고체이고, 전해질 역시 고체 전해질을 사용한다.
이처럼 전지의 전해액을 대신한 고체 전해질에 대한 수요와 관심은 점차 증대되고 있는 추세이다.
고체 전해질은 재료에 따라 산화물계 고체 전해질과 비산화물계 고체 전해질로 나눌 수 있고, 구조에 따라 결정질계와 비정질계 전해질로 나눌 수 있다.
산화물계 전해질은 전해질의 일부가 수분과의 반응성(hygroscopic)이 있을 수 있으나 대부분 대기 중에서 안정하다. 또한, 제조공정이 용이하고, 분해전압이 상대적으로 높고, 박막화가 용이하다. 그러나, 상기 산화물계 전해질은 이온 전도도가 10-9 내지 10-7 S/㎝로 다른 전해질에 비하여 상대적으로 낮은 문제가 있다.
비산화물계 전해질은 이온 전도도가 10-5 내지 10-3 S/㎝로 다른 전해질에 비하여 상대적으로 높다. 그러나, 대기 중에서 수분과 반응하고, 취급이 용이하지 않고, 박막화가 어렵고, 분해전압이 상대적으로 낮은 문제가 있다.
결정질계 전해질은 이온 전도도가 10-5 내지 10-3 S/㎝로 다른 전해질에 비하여 상대적으로 높다. 그러나 결정화를 위한 고온의 열처리 공정이 필요하고, 전이금속 환원에 의해 전자전도가 발생할 확률이 높다. 또한 고온 작동 전지에 주로 사용되는 한계가 있다.
비정질계 전해질은 등방성 전도도(isotropic conductivity)가 우수하고 밀도(density)가 높은 박막을 얻기 용이하며, 결정립계(grain boundary)가 생기지 않는다. 또한, 특정한 조성만을 갖는 결정질계 전해질에 비해 조성을 연속적으로 제어할 수 있어 조성의 변화에 따른 최적의 이온 전도도를 얻을 수 있다. 비정질계 전해질은 벌크(bulk) 형태의 유리 펠렛(glassy pellet)으로 제작 시 조성을 균일하게 제어하기가 다른 전해질에 비해 상대적으로 어렵다.
그러나 산화물 타겟의 스퍼터링에 의해 박막으로 성장시킬 경우, 비정질을 쉽게 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 단위막 내의 조성을 균일하게 제어할 수 있다. 상기와 같은 고체 전해질의 종류별 특성으로 인하여, 박막전지에는 산화물계와 비정질계의 특성을 모두 만족하는 고체 전해질을 채용하는 것이 바람직하다고 여겨졌다.
그러나, 이러한 고체 전해질을 이차 전지에 사용하는 경우, 안정성 측면과 박막화 측면에서 매우 큰 장점은 있지만, 고체 전해질의 경우 이온 전도도, 특히 전해질로 사용될 경우 중요한 특성인 리튬 확산속도가 액체 전해액의 이온 전도도에 비해 낮다는 문제점이 여전히 지적되고 있다.
본 발명은 상기와 같이 과거로부터 요청되어 온 기술적 과제 해결을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제점을 해결한 이온 전도도를 향상시킨 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.
상기 해결하고자 하는 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질을 제공한다.
또한, 본 발명은 음극; 상기 음극 상에 상기 고체 전해질; 및 상기 고체 전해질 상에 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명의 고체 전해질에 의하면, 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질에 리튬 금속이 도핑되어 있기 때문에 이온 전도도가 우수할 뿐만 아니라, 이를 포함하는 리튬 이차전지는 고체 전해질 내에서 리튬 이온의 이동도가 향상되어 안정적인 리튬의 확산이 가능할 뿐만 아니라, 충방전에 의한 비가역 부분이 최소화되어 충방전 상태에서 안정하다.
도 1은 본 발명의 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차전지의 모식도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일 실시예를 따른 고체 전해질은 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해질에 의하면, 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질에 리튬 금속이 도핑되어 있기 때문에, 이온 전도도가 우수할 뿐만 아니라, 이를 포함하는 리튬 이차전지는 고체 전해질 내에서 리튬 이온의 이동도가 향상되어 안정적인 리튬의 확산이 가능할 뿐만 아니라, 충방전에 의한 비가역 부분이 최소화되어 충방전 상태에서 안정하다.
일반적으로 고체 전해질에 리튬 금속이 도핑 형태가 아닌 화합물의 형태로 포함될 경우, 상기 고체 전해질이 산소 및 수분과의 반응으로 표면의 특성이 변화될 수 있고, 제조 공정에 있어서 화합물 형태로 제조하기 위해서 고온 및 고압 조건을 필요로 하기 때문에 공정면에서 어려움이 있다. 그러나, 고체 전해질에 리튬 금속이 도핑된 형태로 포함 될 경우, 안정적인 충방전이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질에 도핑된 리튬 금속의 함유율은 전이금속 산화물 또는 금속 산화물에 대하여 10 내지 50 원자%, 바람직하게는 20 내지 30 원자%가 바람직하다.
상기 도핑된 리튬 금속의 함유율을 만족하면, 이온 전도도가 높고 고체 전해질로서 우수한 특성을 나타내지만, 도핑된 리튬 금속의 함유율이 10 원자% 미만인 경우, 이온 전도도가 급격히 낮아지는 문제가 있고, 50 원자%를 초과하는 경우 과량의 리튬으로 인해 리튬 금속이 저항 접촉(ohmic contact)으로 인해 전도성 물질이 되어 충방전에 어려움이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전이금속은 본 발명의 효과를 만족하는 범위에서 다양한 전이금속을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 탄탈(Ta), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소일 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴(Mo), 탄탈(Ta), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소, 더욱 바람직하게는 몰리브덴(Mo)이 좋다.
본 발명의 일 실시예에 따라 사용 가능한 금속도 본 발명의 효과를 만족하는 범위에서 다양한 금속을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 게르마늄(Ge) 및 갈륨(Ga)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질은 MoO3 -x:Li, W2O3 -x:Li, Ta2O5 -x:Li, Al2O3 -x:Li, HfO2 -x:Li, ZrO2-x:Li, ZnO1 -x:Li 및 GeSe:Li (0<x<1.5)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물, 바람직하게는 MoO3 -x:Li, HfO2 -x:Li 및 ZnO1 -x:Li (0<x<1.5)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물, 가장 바람직하게는 MoO3 -x:Li이 좋다. 상기 MoO3 -x:Li는 다공성이어서 리튬 이온의 이동을 더욱 향상시킬 수 있으므로 더욱 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해질은 박막 형태로 구현될 수 있으며, 박막의 두께는 적절히 제어할 수 있지만, 바람직하게는 0.01 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 좋다.
상기 박막의 두께가 0.01 ㎛ 미만인 경우 이차 전지의 쇼트를 유발할 가능성이 있으며, 박막 제조에 있어서 어려움이 있다. 또한, 10 ㎛를 초과하는 경우 전지의 저항이 커져 전지의 성능이 저하되는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체 전해질의 제조방법은 다음과 같다:
Li 및 전이금속 또는 금속을 포함하는 고체 전해질 산화물을 제조하는 단계; 상기 고체 전해질 산화물을 진공증착법을 이용하여 기판에 증착시켜 리튬 금속이 도핑된 전이금속 산화물 또는 금속 산화물 고체 전해질을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 고체 전해질을 제조하기 위해서, 고체 전해질 산화물은 상기 진공증착법에 있어서 소스(타겟) 역할을 할 수 있다. 상기 고체 전해질 산화물의 예로는 리튬이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물을 사용할 수 있으며, 예를 들면, MoO3:Li, W2O3:Li, Ta2O5:Li, Al2O3:Li, HfO2:Li, ZrO2:Li 및 ZnO:Li로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 진공 증착시 소스로서 사용되는 상기 고체 전해질 산화물, 및 리튬 전이금속 또는 리튬 금속은 당업계에 사용되는 제조방법을 이용하여 제조하거나, 시판된 것을 구입하여 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 상기 고체 전해질을 제조하기 위해서, 상기 고체 전해질 산화물은 리튬 전이금속 또는 리튬 금속에 산소를 공급하여 제조할 수 있다. 즉, 리튬 전이금속 또는 리튬 금속, 예를 들면 LiMo, LiW, LiTa, LiHf, LiZn 및 GeSe:Li로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물에 산소를 공급하여 제조할 수 있다.
상기 진공증착법은 스퍼터링법(sputtering method), 펄스 진공 증착법(pulse laser deposition method: PLD), 열증착법(thermal evaporation method), 전자빔 증착법(electron-beam evaporation method), 분자빔 에피턱셜법(molecular beam epitaxy method), 활성화 반응성 증착법(activated reactive evaporation method: ARE), 레이저 어블레이션법(laser ablation method) 또는 이온 플레이팅법(ion plating method)을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링법이 좋다.
상기 진공증착법의 분위기는, 예를 들면, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 또는 이들의 2종 이상을 조합시킨 혼합 기체 등의, 리튬과 반응하지 않는 기체로 이루어져도 좋다. 특히, 리튬의 수분에 의한 열화가 일어나지 않도록, 상기 분위기를 구성하는 기체의 순도는 99.99% 이상인 것이 바람직하다.
한편, 상기 진공증착법에 있어서의 백그라운드의 진공도는 1.33×10-4Pa(1×10-6Torr) 이하인 것이 바람직하다.
상기 증착을 위한 기판으로는 백금 기판, 음극용 기판, 운모 기판, 알루미나 기판, 실리콘 웨이퍼 기판 및 실리콘옥사이드 웨이퍼 기판으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이때, 상기 음극용 기판은 본 발명의 효과를 저해하지 않는 한, 당 분야에서 통상적으로 사용되는 음극용 기판을 이용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질은 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질에 리튬 금속이 도핑되어 있기 때문에 이온 전도도가 10-5 S/cm 내지 10-3S/cm으로 매우 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 나타낸 바와 같이 음극; 상기 음극 상에 리튬이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질; 및 상기 고체 전해질 상에 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체 전해질은 상기 리튬 이차전지 내에서 0.01 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.01 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.01 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하, 가장 바람직하게는 0.01 ㎛ 이상 0.1 ㎛ 이하의 두께로 위치하는 것이 바람직하다.
상기 양극 및 음극은 각각의 양극 및 음극 집전체 상에 양극 활물질 및 음극 활물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 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, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 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, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
한편, 상기 양극 활물질은 망간계 스피넬(spinel) 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 보다 구체적으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(여기에서, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - YCoYO2, LiCo1 - YMnYO2, LiNi1 - YMnYO2 (여기에서, 0≤Y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(여기에서, 0<Z<2) 일 수 있다.
한편, 상기 음극 활물질로는 Si계 또는 Sn계는 Si 단독; Si와 탄소성 물질이 기계적 합금되어 형성된 Si-C 복합체(Si-C composite); Si와 금속이 기계적 합금되어 형성된 복합체; 탄소-Si 나노 복합체; Si 산화물 및 탄소가 코팅된 Si 또는 Si 산화물, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체와 같은 탄소계 음극 활물질이 단독으로 또는 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 전지 케이스는 당분야에서 통상적으로 사용되는 것이 채택될 수 있고, 전지의 용도에 따른 외형에 제한이 없으며, 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.

Claims (14)

  1. 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 리튬이차전지용 고체 전해질로서, 상기 고체 전해질은 MoO3-x:Li, W2O3-x:Li, Ta2O5-x:Li, Al2O3-x:Li, HfO2-x:Li, ZrO2-x:Li, ZnO1-x:Li 및 GeSe:Li (0<x<1.5)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑된 리튬 금속의 함유율은 전이금속 산화물 또는 금속 산화물에 대하여 10 내지 50 원자%인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 전해질은 박막 형태이며, 상기 박막의 두께는 0.01 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 전해질의 이온 전도도는 10-5 S/cm 내지 10-3 S/cm인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질.
  8. Li 및 전이금속 또는 금속을 포함하는 고체 전해질 산화물을 제조하는 단계;
    상기 고체 전해질 산화물을 진공증착법을 이용하여 기판에 증착시켜 리튬 금속이 도핑된 전이금속 또는 금속 산화물계 고체 전해질을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 고체 전해질은 MoO3-x:Li, W2O3-x:Li, Ta2O5-x:Li, Al2O3-x:Li, HfO2-x:Li, ZrO2-x:Li, ZnO1-x:Li 및 GeSe:Li (0<x<1.5)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고체 전해질 산화물은 MoO3:Li, W2O3:Li, Ta2O5:Li, Al2O3:Li, HfO2:Li, ZrO2:Li 및 ZnO:Li로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 고체 전해질 산화물은 LiMo, LiW , LiTa, LiHf, LiZn 및 GeSe:Li로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물에 산소를 공급하여 제조된 것임을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 진공증착법은 스퍼터링법(sputtering method), 펄스 진공 증착법(pulse laser deposition method: PLD), 열증착법(thermal evaporation method), 전자빔 증착법(electron-beam evaporation method), 분자빔 에피턱셜법(molecular beam epitaxy method), 활성화 반응성 증착법(activated reactive evaporation method: ARE), 레이저 어블레이션법(laser ablation method) 또는 이온 플레이팅법(ion plating method)인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 진공증착법은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 또는 이들의 2종 이상을 조합시킨 혼합 기체 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질의 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판은 백금 기판, 음극용 기판, 운모 기판, 알루미나 기판, 실리콘 웨이퍼 기판 및 실리콘옥사이드 웨이퍼 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 고체 전해질의 제조방법.
  14. 음극; 상기 음극 상에 제 1 항의 리튬이차전지용 고체 전해질; 및 상기 고체 전해질 상에 양극을 포함하는 리튬 이차전지.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002203593A (ja) * 2000-10-23 2002-07-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 無機固体電解質薄膜およびそれを用いたリチウム電池部材
KR20100004363A (ko) * 2008-07-03 2010-01-13 광주과학기술원 산화물막과 고체 전해질막을 구비하는 저항 변화 메모리소자, 및 이의 동작방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002203593A (ja) * 2000-10-23 2002-07-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 無機固体電解質薄膜およびそれを用いたリチウム電池部材
KR20100004363A (ko) * 2008-07-03 2010-01-13 광주과학기술원 산화물막과 고체 전해질막을 구비하는 저항 변화 메모리소자, 및 이의 동작방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11631914B2 (en) 2019-11-29 2023-04-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Solid electrolyte, preparation method thereof, lithium air battery including the same, and electrochemical device including the same

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