KR101601511B1 - 복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 고체전해질층 내부에 구비된 다공성 부직포를 포함하며, 고체전해질층이 균일한 두께를 가지도록 제작되는 효과가 있는 복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법을 제공한다.

Description

복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법{HYBRID TYPE OF SOLID ELECTROLYTE LAYER AND MAKING METHODS THEREOF}

본 발명은 복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체전해질층 내부에 다공성 부직포가 구비됨으로써, 고체전해질층 및 리튬 이차 전지의 제작이 용이해지는 복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

현재 널리 사용되고 있는 리튬 이차 전지는 가연성의 유기 용매를 함유한 전해액을 사용하기 때문에 리튬 이차 전지에 충격이 가해질 경우, 유기 용매가 리튬 이차 전지 외부로 누수될 가능성이 있고, 유기 용매가 리튬 이차 전지 외부로 누수될 경우 안전상 문제를 야기할 수 있었다.

따라서, 리튬 이차 전지의 기본 구조 이외에 유기 용매의 누수를 막고, 누수되더라도 안전사고를 예방하기 위한 안전구조가 리튬 이차 전지에 추가적으로 적용되어야 하는 단점이 있었다.

이러한 리튬 이차 전지의 단점을 극복하고자, 유기 용매를 함유한 전해액을, 양극와 음극 사이에 장착되는, 고체전해질층으로 대체한 전고체전지가 개발되었다.

고체전해질층은, 고체상태에서 이온 이동이 가능한 화합물이, 슬러지 상태가 되도록, 용매에 혼합되고, 슬러지가 양극 또는 음극 위에 도포된 뒤, 건조되어 양극 또는 음극 위에 코팅됨으로써, 형성되었었다.

그러나, 위와 같이 형성되었던 종래 고체전해질층은, 슬러리 상태로 양극 또는 음극에 도포되었으므로, 양극 또는 음극에 존재하는 공극 사이로 스며들어 원하는 두께를 형성하는 것이 어려웠었고, 슬러리에 포함된 용매에 의하여 양극 또는 음극의 형태를 변화시킬 여지가 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0017105호(2014.02.11.)

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 원하는 두께를 형성할 수 있으며, 양극 또는 음극의 형태를 변화시키지 않는 복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법을 제공하는 것이다.

위와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 복합형 고체전해질층은, 고체전해질층 내부에 구비된 다공성 부직포를 포함한다.

위와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 복합형 고체전해질층 제작방법은, 무기전해질 분말을 바인더 용액에 투입하고 혼합하여 고체전해질 슬러리를 제조하는 단계 및, 고체전해질 슬러리에 다공성 부직포를 담그는 단계를 포함한다.

위와 같은 본 발명의 복합형 고체전해질층 및 그 제작 방법에 따르면, 고체전해질층이 균일한 두께를 가지도록 제작되는 효과가 있다.

또한, 고체전해질층이 양극 및 음극과 별도로 제작되므로, 고체전해질 슬러리에 포함된 용매에 의하여 양극 또는 음극의 형태가 변형되는 것이 방지된다.

또한, 고체전해질층, 양극, 음극이 별도로 제작되므로, 대량 생산이 용이하고, 리튬 이차 전지의 제작이 용이 해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 복합형 고체전해질층의 요부 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예의 복합형 고체전해질층 제작방법의 절차도이다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합형 고체전해질층은, 리튬 이차 전지(500)에 장착되는 고체전해질층(200)에 있어서, 고체전해질층(200) 내부에 구비된 다공성 또는 그물망 형태의 부직포(100)를 포함한다. 부직포(100)는, 공극율이 50퍼센트 이상인 것이 바람직하다.

고체전해질층(200)은, 리튬 이차 전지(500)에 구비된 양극(300)과 음극(400) 사이에 개재되며, 양극(300)과 음극(400) 사이에 전하가 이동되도록 고체 상태에서 이온 이동되는 무기전해질 및, 고체전해질층(200)을 양극(300)과 음극(400)에 결착시키는 바인더를 포함하며, 무기전해질 및 바인더가 9대1 비율로 혼합된다.

무기전해질은, 10^-4 S/cm 이상의 리튬 이온 전도도도를 가지며, 결정질 또는 비정질구조이고, 산화물계 또는 황화물계의 무기 전해질을 포함한다.

무기전해질은, Li3n, LISICON(LITHIUM SUPER IONIC CONDUCTOR), LIPON(Li3+yPO4-xNx), Thio-LISICON(Li3.25Ge0.25P0.75S4), Li2S, Li2S-P2S5, Li2S-Sis2, Li2S-GeS2, Li2S-B2S5, Li2S-Al2S5 및 Li2O-Al2O3-TiO2-P2o5(LATP) 중 어느 하나가 사용된다.

바인더는, 불소계, 디엔계, 아크릴계, 실리콘계 화합물이 중합된, 고분자 화합물이다. 바인더는 분말 형태의 Super P, 로드 형태의 Denka 또는 로드 형태의 VGCF 사용될 수 있다.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 복합형 고체전해질층(200)은, 양극(300)과 음극(400) 사이에 개재됨으로써 리튬 이차 전지(500)에 장착된다. 양극(300) 및 음극(400)은 슬러리 상태에서 고체화되어 제작된다.

양극(300)은, 양극활물질 분말, 전해질 분말, 카본 도전재 분말, 전극내 결착을 위한 바인더가 70:30:5:5의 조성비로 혼합된 혼합물이 유기용매에 투입되어 슬러리를 이루고, 슬러리가 굳어져 제작된다.

이때, 양극활물질 분말로, LiCoO2 분말이 사용되며, 전해질 분말로써, 비정질계 황화물 고체전해질인 Li2S와 P2S5이 75:25의 조성비로 혼합된 후, 고에너지 밀링법을 사용하여 얻어진 분말이 사용된다. 고에너지 밀링 가공 중에 공기와의 접촉을 피하기 위해서 질소분위기의 글로브박스 내에서 고에너지 밀링이 진행된다.

바인더는 불소계, 디엔계, 아크릴계, 실리콘계 화합물의 중합체가 사용될 수 있다. 바인더는 분말형태의 Super P, 로드 형태의 Denka 또는 로드 형태의 VGCF가 사용되는 것이 바람직하다.

양극활물질 분말, 전해질 분말, 카본 도전재 분말, 바인더가 특정 조성비로 혼합된 혼합물은, 유기용매에 투입되고 일정시간 동안 믹싱되어 균일하게 분산된 슬러리를 형성하게 된다. 이때, 슬러리는 800 cPs 내지 1200 cPs의 점도를 갖도록 혼합물의 투입량이 조절되는 것이 바람직하다.

또한, 유기용매는, 슬러리의 건조속도나, 주변환경을 감안하여, 시클로펜탄, 시클로헥산 등의 고리형 지방족 탄화수소류 또는 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소류가 단독 또는 2종 이상이 혼합되어 형성된다. 이때, 본 발명의 일실시예에서와 같이, 황화물계 전해질이 사용될 경우, 화학 반응성의 관점에서 방향족 탄화수소계의 비극성 용매가 사용되는 것이 바람직하다.

음극(400)은, 음극활물질 분말, 전해질 분말, 카본 도전재 분말, 전극내 결착을 위한 바인더가 70:30:5:5의 조성비로 혼합된 혼합물이 유기용매에 투입되어 슬러리를 이루고, 슬러리가 굳어져 제작된다.

음극활물질은 카본류의 천연흑연, 인조흑연, 소프트카본 및 하드카본이 적용가능하며, 전해질 분말, 카본 도전재 분말, 바인더는 양극(300) 제조를 위한 구성과 동일하다.

음극활물질 분말, 전해질 분말, 카본 도전재 분말, 바인더가 특정 조성비로 혼합된 혼합물은, 유기용매에 투입되고 일정시간 동안 믹싱되어 균일하게 분산된 슬러리를 형성하게 된다. 이때, 슬러리는 800 cPs 내지 1200 cPs의 점도를 갖도록 혼합물의 투입량이 조절되는 것이 바람직하다.

또한, 유기용매는, 슬러리의 건조속도나, 주변환경을 감안하여, 시클로펜탄, 시클로헥산 등의 고리형 지방족 탄화수소류 또는 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소류가 단독 또는 2종 이상이 혼합되어 형성된다.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 복합형 고체전해질층(200), 도 2에 도시된 절차도에 따라 제작된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합형 고체전해질층(200) 제작 방법은, 무기전해질 분말을 바인더 용액에 투입하고 혼합하여 고체전해질 슬러리를 제조하는 단계(S100) 및, 고체전해질 슬러리에 다공성 또는 그물망 형태의 부직포(100)를 담그는 단계(S200)를 포함한다.

또한, 부직포(100)를 고체전해질 슬러리로부터 꺼내는 단계(S300) 및, 부직포(100)를 준비된 판 위에 올려놓고, 상온에서 건조시켜 고체전해질층(200)을 형성하는 단계(S400)를 더 포함한다.

부직포(100)는 가로 100밀리미터, 세로 100밀리미터, 두께 100마이크로미터가 되도록 제작된다. 부직포(100)의 두께는 100 마이크로미터 이하가 되는 것이 바람직하며, 다수개의 부직포(100)가 적층되어 고체전해질층(200)을 형성하는 것이 바람직하다.

바인더 용액은, 바인더 분말이 유기용매에 혼합되어 제조되고, 바인더 분말이 20퍼센트 이상 고체로 존재하는 고형분으로 제작된다. 유기용매는, 고리형 지방족 탄화수소류 또는 방향족 탄화수소류 중 어느 하나이거나, 혼합되어 사용된다.

위와 같이 제작되는 고체전해질층(200)은 소정 너비로 가공되어 리튬 이차 전지(500) 제작에 사용된다. 고체전해질층(200)의 가공은, 고체전해질층(200)을 소정 너비로 절단하는 단계(S500)와, 소정두께가 되도록 고체전해질층(200)을 압연하는 단계(S600)와, 압연된 고체전해질층(200)을 양극(300)과 음극(400) 사이에 끼우는 단계(S700)와, 적층된 양극(300), 고체전해질층(200) 및 음극(400)을 압연하는 단계(S800)를 포함한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 부직포 200: 고체전해질층
300: 양극 400: 음극
500 리튬 이차 전지
S100: 고체전해질 슬러리를 제조하는 단계
S200: 부직포를 담그는 단계
S300: 부직포를 고체전해질 슬러리로부터 꺼내는 단계
S400: 건조시켜 고체전해질층을 형성하는 단계
S500: 고체전해질층을 소정 너비로 절단하는 단계
S600: 고체전해질층을 압연하는 단계
S700: 고체전해질층을 양극과 음극 사이에 끼우는 단계
S800: 양극, 고체전해질층 및 음극을 압연하는 단계

Claims (12)

1. 리튬 이차 전지에 장착되는 고체전해질층에 있어서,
   상기 고체전해질층 내부에 구비된 다공성 또는 그물망 형태의 부직포를 포함하되;
   상기 고체전해질층은,
   상기 리튬 이차 전지에 구비된 양극과 음극 사이에 개재되며,
   상기 양극과 상기 음극 사이에 전하가 이동되도록 고체 상태에서 이온 이동되는 무기전해질; 및
   상기 고체전해질층을 상기 양극과 상기 음극에 결착시키는 바인더를 포함하고, 상기 무기전해질 및 상기 바인더가 9대1 비율로 혼합되며,
   상기 바인더는 불소계, 디엔계, 아크릴계, 실리콘계 화합물이 중합되는 것을 특징으로 하는 복합형 고체전해질층.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 부직포는,
   공극율이 50퍼센트 이상인 복합형 고체전해질층.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 고체전해질층은,
   10^-4 S/cm 이상의 리튬 이온 전도도도를 가지며,
   결정질 또는 비정질구조이고, 산화물계 또는 황화물계의 무기 전해질을 포함하는 복합형 고체전해질층.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 고체전해질층은,
   10^-4 S/cm 이상의 리튬 이온 전도도도를 가지며,
   Li3n, LISICON(LITHIUM SUPER IONIC CONDUCTOR), LIPON(Li3+yPO4-xNx), Thio-LISICON(Li3.25Ge0.25P0.75S4), Li2S, Li2S-P2S5, Li2S-Sis2, Li2S-GeS2, Li2S-B2S5, Li2S-Al2S5 및 Li2O-Al2O3-TiO2-P2o5(LATP) 중 어느 하나의 무기 전해질을 포함하는 복합형 고체전해질층.
   
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