KR101627848B1 - Solid electrolyte for all solid state rechargeable lithium battery, method for preparing the same, and all solid state rechargeable lithium battery including the same - Google Patents

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Abstract

하기 화학식 1로 표시되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지가 제공된다.
[화학식 1]
Li5 +x(M1)3(M2)2O12 - yNy
상기 화학식 1에서, M1, M2, x 및 y의 정의는 명세서에 기재된 바와 같다.
There is provided a solid electrolyte for a lithium secondary battery represented by the following Chemical Formula 1, a process for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the same.
[Chemical Formula 1]
Li 5 + x (M 1 ) 3 (M 2 ) 2 O 12 - y N y
In Formula 1, the definitions of M 1 , M 2 , x and y are as described in the specification.

Description

리튬 이차 전지용 고체 전해질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{SOLID ELECTROLYTE FOR ALL SOLID STATE RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND ALL SOLID STATE RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid electrolyte for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the lithium secondary battery. BACKGROUND ART [0002]

본 기재는 리튬 이차 전지용 고체 전해질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the solid electrolyte.

기존의 리튬 이온 전지는 기본적으로 액체 전해질을 사용하고 있기 때문에 폭발 및 발화에 대한 안전성 문제가 지속적으로 발생하고 있고, 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으나 아직까지 이를 근본적으로 해결할 방법은 도출하고 있지 못하는 실정이다. 일반적으로 산화물계 양극활물질을 사용하고 있는 리튬 이온 전지의 경우 양극이 과충전되거나 전지의 단락 등 순간적으로 전지 온도가 상승하게 되면 양극활물질이 분해가 되면서 산소를 발생하게 되며, 이때 전해질로 사용하는 유기용매가 발화하여 스웰링(swelling), 폭발이나 화재를 발생시키게 된다. 이러한 안전성 문제를 해결하는 방법 중에서 최근 가장 각광받는 방법 중의 하나는 폭발/발화가 근본적으로 발생하지 않도록 fuel에 해당하는 유기전해질을 고체전해질로 바꾸어주는 것이다. Conventional lithium-ion batteries use liquid electrolytes basically, and safety problems about explosion and ignition are constantly occurring. To solve these problems, many researches have been made, but there are still ways to solve them fundamentally I can not. Generally, in the case of a lithium ion battery using an oxide-based cathode active material, when the temperature of the battery instantaneously rises due to overcharge of the anode or short-circuit of the battery, the cathode active material decomposes and oxygen is generated. In this case, Which may cause swelling, explosion or fire. One of the most popular ways to solve this safety problem is to convert the organic electrolyte, which is a fuel, into a solid electrolyte so that explosion / ignition is not fundamentally generated.

고체전해질을 사용하면 1) 폭발/발화에 대한 근본원인을 차단함으로써 안전성 문제를 해결할 수 있고, 2) 전위창이 넓어 고전압 양극재 사용, 금속리튬을 음극재로 사용이 가능함에 따라 현 리튬이온전지 대비 이론적으로 2-3배 에너지밀도 증대가 가능하다. 3) 또한, 제조공정상에서도 현 LiB의 degassing 공정이 생략 가능함에 따라 공정 수율을 향상시킬 수 있고 단순화를 통해 원가 절감을 실현할 수 있다.
The use of a solid electrolyte can solve safety problems by blocking the root cause of explosion / ignition, 2) it is possible to use a high voltage cathode material and a metal lithium as an anode material because of wide potential window, Theoretically, it is possible to increase the energy density 2-3 times. 3) In addition, since the present LiB degassing process can be omitted in the manufacturing process, the process yield can be improved and cost reduction can be realized through simplification.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 산화물계 고체전해질의 경우 낮은 이온 전도도로 인해 전지로의 상용화가 거의 불가능하였다. 이를 획기적으로 개선한 아이디어는 미국 OakRidge 국립연구소의 J.Bates박사가 제안한 것으로, Li3PO4 타겟을 질소분위기하에서 반응성 스퍼터링을 이용하여 산소 일부를 질소로 치환하여(Li3PO3 .4N0 .17) 이온 전도도를 10-8S/cm에서 10-6S/cm로 100배 증가시킨 것인데, 스퍼터링을 이용한 박막전지의 상용화를 앞당기는데 크게 이바지 하였다. 이는 미국등록특허 US5597660에 잘 기술되어 있다. However, despite these advantages, commercialization of the oxide-based solid electrolyte into the battery was almost impossible due to its low ionic conductivity. The idea of this remarkable improvement was proposed by Dr. J.Bates of Oak Ridge National Laboratory, USA, and Li 3 PO 4 The target was ion- exchanged with nitrogen (Li 3 PO 3 .4 N 0 .17 ) by reactive sputtering under a nitrogen atmosphere to increase the ionic conductivity by 100 times at 10 -8 S / cm to 10 -6 S / cm However, it greatly contributed to accelerating the commercialization of thin film batteries using sputtering. This is well described in U.S. Pat. No. 5,597,660.

또한, Li3BO3 소재의 타겟을 이용하여 동일한 질소분위기하에서 반응성 스퍼터링으로 질소치환한 Li3BO2 .5N0 .13의 경우, 200배의 이온전도도의 증가를 가져왔다 (KR 1047865). In addition, Li 3 BO 3 In the case of Li 3 BO 2 .5 N 0 .13 , which was replaced with nitrogen by reactive sputtering under the same nitrogen atmosphere using the target of the material, the ion conductivity was increased 200 times (KR 1047865).

그러나 이러한 전해질의 제조방법은 진공증착에 의한 것으로 스마트카드나 MEMS구동용 파워소스 등의 제한된 응용분야에 적용할 수 밖에 없다. 대용량의 전고체전지를 구현하기 위해서는 양극활물질 장입량을 증가시켜야 하며, 이를 위해서는 분말상태의 전해질과 양극활물질을 함께 소결하는 방식으로 전지를 제조하여야 함을 의미한다. However, such a method of producing an electrolyte is by vacuum deposition and can not be applied to a limited application field such as a smart card or a power source for MEMS driving. In order to realize a large-capacity all-solid-state battery, it is necessary to increase the amount of the cathode active material to be charged, which means that the battery must be manufactured by sintering the powdered electrolyte and the cathode active material together.

본 발명에서는 최근 전고체 전지의 고체산화물 이온전도체로 가장 유망한 소재로 대두되고 있는 Garnet형 고체전해질을 이용하여 리튬 이온이 보다 쉽게 이동할 수 있는 통로를 제공하는 물질 및 이의 제조방법을 제시하고자 한다.The present invention proposes a material providing a passage through which lithium ions can move more easily using a Garnet solid electrolyte, which is the most promising solid oxide ion conductor of all solid state batteries, and a manufacturing method thereof.

본 발명의 일 구현예는 이온 전도성이 향상된 리튬 이차 전지용 고체 전해질을 제공하기 위한 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a solid electrolyte for a lithium secondary battery improved in ion conductivity.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a method for producing the solid electrolyte for a lithium secondary battery.

본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 리튬 이차 전지용 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the solid electrolyte for the lithium secondary battery.

본 발명의 일 구현예는 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질을 제공한다. One embodiment of the present invention provides a solid electrolyte for a lithium secondary battery represented by the following general formula (1) .

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Li5 +x(M1)3(M2)2O12 - yNy Li 5 + x (M 1 ) 3 (M 2 ) 2 O 12 - y N y

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

M1은 La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,M 1 is selected from the group consisting of La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr,

M2는 Zr, Nb, Ta, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,M 2 is Zr, Nb, Ta, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge,

0 < x ≤ 2 이며, 0.001 < y < 3 이다.0 < x? 2, and 0.001 < y <

상기 M1은 La이고, 상기 M2는 Zr이고, 상기 x는 2이고, 상기 y는 0.005 < y < 2 일 수 있다.M 1 is La, M 2 is Zr, x is 2, and y may be 0.005 <y <2.

상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.The formula (1) may be represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

Li7La3Zr2O10 .8N1 .2 Li 7 La 3 Zr 2 O 10 .8 N 1 .2

상기 리튬 이차 전지용 고체 전해질은 이온 전도도가 8.0 X 10-5 S/cm 이상일 수 있다.The solid electrolyte for a lithium secondary battery may have an ionic conductivity of 8.0 X 10 &lt; -5 &gt; S / cm or more.

본 발명의 다른 일 구현예는 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2로부터 고체 전해질 분말을 제조하는 단계; 상기 고체 전해질 분말 및 요소(urea)로부터 질소 치환된 고체 전해질 분말을 제조하는 단계; 및 상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 펠릿(pellet)으로 제조하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention is a process for producing a solid electrolyte comprising the steps of: preparing a solid electrolyte powder from Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 ; Preparing a solid electrolyte powder substituted with nitrogen from the solid electrolyte powder and the urea; And a step of preparing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder with a pellet. The present invention also provides a method for producing a solid electrolyte for a lithium secondary battery.

상기 고체 전해질 분말을 제조하는 단계는 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2을 혼합하는 단계(혼합 단계); 상기 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2의 혼합물을 분쇄하는 단계(분쇄 단계); 제1 소성 단계; 및 제2 소성 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the solid electrolyte powder includes mixing Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 (mixing step); Crushing a mixture of Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 (pulverizing step); A first firing step; And a second firing step.

상기 혼합 단계는 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2을 각각 3.7 내지 4.4 : 1.4 내지 1.6 : 1.9 내지 2.1의 몰비로 혼합할 수 있다.The mixing step may mix Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 in a molar ratio of 3.7 to 4.4: 1.4 to 1.6: 1.9 to 2.1, respectively.

상기 혼합 단계 이전에 상기 La2O3를 건조하는 단계(건조 단계)를 더 포함할 수 있다.And drying the La 2 O 3 (drying step) before the mixing step.

상기 건조 단계는 700 내지 1000℃에서 12 내지 24 시간 동안 수행될 수 있다.The drying step may be performed at 700 to 1000 ° C for 12 to 24 hours.

상기 혼합 단계는 암모니아 분산제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.The mixing step may further include adding an ammonia dispersant.

상기 제1 소성 단계는 850 내지 950℃에서 2 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.The first baking step may be performed at 850 to 950 ° C for 2 to 5 hours.

상기 제2 소성 단계는 1,100 내지 1,250℃에서 2 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.The second baking step may be performed at 1,100 to 1,250 ° C for 2 to 5 hours.

상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 제조하는 단계는The step of producing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder

상기 고체 전해질 분말 및 요소를 혼합하는 단계; 분쇄 단계; 제1 소성 단계; 및 제2 소성 단계를 포함할 수 있다.Mixing the solid electrolyte powder and the urea; Crushing step; A first firing step; And a second firing step.

상기 고체 전해질 분말 및 요소를 혼합하는 단계는 상기 고체 전해질 분말 및 요소를 1 내지 7 : 4 내지 6의 중량비로 혼합하여 수행될 수 있다.The step of mixing the solid electrolyte powder and the urea can be performed by mixing the solid electrolyte powder and the urea in a weight ratio of 1: 7: 4 to 6:

상기 분쇄 단계는 볼밀(ball mill), 몰탈(mortar), 분급기(sieve), 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 죠크러셔(jaw crusher), 해쇄기(crusher), 또는 이들의 조합을 사용하는 방법에 의해 수행될 수 있다.The pulverizing step may be a ball mill, a mortar, a sieve, an attrition mill, a disk mill, a jet mill, a jaw crusher, , A crusher, or a combination thereof.

상기 제1 소성 단계는 400 내지 500℃의 온도에서 2 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.The first baking step may be performed at a temperature of 400 to 500 ° C for 2 to 6 hours.

상기 제2 소성 단계는 750 내지 850℃의 온도에서 3 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.The second baking step may be performed at a temperature of 750 to 850 캜 for 3 to 6 hours.

상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 펠릿(pellet)으로 제조하는 단계는 압축 단계, 분쇄 단계, 및 소성 단계를 포함할 수 있다.The step of producing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder with a pellet may include a compression step, a crushing step, and a firing step.

상기 압축 단계는 1 내지 3 톤/cm2의 강도로 수행될 수 있다.The compressing step may be carried out with an intensity of 1 to 3 tons / cm &lt; 2 &gt;.

상기 소성 단계는 800 내지 950℃의 온도에서 3 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.The firing step may be performed at a temperature of 800 to 950 DEG C for 3 to 6 hours.

본 발명의 또 다른 일 구현예는 양극과 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 고체 전해질 층을 포함하고, 상기 고체 전해질 층은 전술한 고체 전해질을 포함하는 전고체 리튬 이차 전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a pre-solid lithium secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode, wherein the solid electrolyte layer comprises the solid electrolyte described above.

상기 고체 전해질 층은 0.1 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다.The solid electrolyte layer may have a thickness of 0.1 to 1 mm.

이온 전도성이 향상된 리튬 이차 전지용 고체 전해질을 구현하고, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. A solid electrolyte for a lithium secondary battery improved in ion conductivity, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary battery including the solid electrolyte can be realized.

도 1은 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 고체 전해질 펠릿의 사진이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 고체 전해질의 XRD 측정 결과이다.
도 4는 상온에서 측정된 임피던스를 도시한 그래프이다.
도 5는 CNLS fitting에 사용한 등가회로이다.
1 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery according to one embodiment.
2 is a photograph of a solid electrolyte pellet for a lithium secondary battery according to an embodiment.
Fig. 3 shows XRD measurement results of the solid electrolyte according to Example 1 and Comparative Example 1. Fig.
4 is a graph showing the impedance measured at room temperature.
5 is an equivalent circuit used for CNLS fitting.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다.  다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.The solid electrolyte for a lithium secondary battery according to one embodiment may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Li5 +x(M1)3(M2)2O12 - yNy Li 5 + x (M 1 ) 3 (M 2 ) 2 O 12 - y N y

상기 화학식 1에서, M1은 La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, M2는 Zr, Nb, Ta, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 0 < x ≤ 2 이며, 0.001 < y < 3 이다.In Formula 1, M 1 is selected from the group consisting of La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr, and combinations thereof, M 2 is Zr, 0 < x? 2, and 0.001 < y < 3.

상기 리튬 이차 전지용 고체 전해질은 산화물 고체 전해질로서, Li, La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr, Zr, Nb, Ta, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge 등을 포함하는 가넷형(garnet-type) 구조이다.The solid electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the solid electrolyte for the lithium secondary battery is an oxide solid electrolyte, and the solid electrolyte is selected from the group consisting of Li, La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr, Zr, Nb, Ta, Sb, Sn, Hf, Ga, Ge, and the like.

특히, 산소 일부가 질소로 치환된 구조를 가짐으로써, 가넷형 구조 내에 크로스링킹(crosslinking) 효과가 증대되어 보다 치밀한 구조의 고체 전해질을 구현할 수 있다. 이러한 치밀한 구조로 인하여 Li 이온의 전도성 향상이 기대되고, 실제로 8.0 X 10-5 이상의 이온 전도도가 측정되어, 산소가 질소로 치환되지 않은 통상적인 가넷형 구조(측정값: 6.0 X 10-6) 대비 10배 이상 이온 전도도가 향상되는 것이 확인되었다. 즉, 질소 치환으로 인하여 이온 전도도가 크게 개선됨을 알 수 있다.Particularly, by having a structure in which a part of oxygen is substituted with nitrogen, the crosslinking effect is increased in the Garnet-type structure, so that a solid electrolyte having a dense structure can be realized. Due to this compact structure improves the conductivity of the Li ion is expected, in fact the 8.0 X 10 -5 or more ionic conductivity is measured, conventional garnet structure the oxygen is not replaced with nitrogen (measured value: 6.0 X 10 -6) compared It was confirmed that the ionic conductivity was improved 10 times or more. That is, it can be seen that ion conductivity is greatly improved due to nitrogen substitution.

구체적으로 상기 M1은 La이고, 상기 M2는 Zr이고, 상기 x는 2이며, 상기 y는 0.005 < y < 2 일 수 있다. y값이 상기 범위 내인 경우, 최적의 크로스링킹 구조를 구현할 수 있게 되므로, Li 이온의 전해질 내 이동이 효율적으로 일어날 수 있다.Specifically, M 1 is La, M 2 is Zr, x is 2, and y may be 0.005 <y <2. When the y value is within the above range, an optimum cross linking structure can be realized, so that the movement of Li ions in the electrolyte can be efficiently performed.

고체 전해질에 있어서 Li, La 및 Zr의 비율은 가넷형 구조를 갖는 고체 전해질 재료를 얻을 수 있는 비율이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상적으로는 몰 기준으로 Li : La : Zr = 7 : 3 : 2 이다. 그러나, 이 비율은 다소 변동될 수 있는 것이므로, Li : La : Zr = 7 : 2.8 내지 3.2 : 1.8 내지 2.2 를 의미한다.The ratio of Li, La, and Zr in the solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a ratio that a solid electrolyte material having a Garnett structure can be obtained. Usually, Li: La: Zr = 7: 3: 2 . However, since this ratio is somewhat variable, it means Li: La: Zr = 7: 2.8 to 3.2: 1.8 to 2.2.

예컨대, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.For example, the formula (1) may be represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

Li7La3Zr2O10 .8N1 .2 Li 7 La 3 Zr 2 O 10 .8 N 1 .2

Li의 함량이 상기 범위 내인 경우, 고온 소결시 Li의 증발로 인한 부족현상방지 효과를 얻을 수 있다.When the content of Li is within the above range, it is possible to obtain an effect of preventing deficiency due to evaporation of Li during high-temperature sintering.

본 발명의 다른 일 구현예에서는 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2로부터 고체 전해질 분말을 제조하는 단계; 상기 고체 전해질 분말 및 요소(urea)로부터 질소 치환된 고체 전해질 분말을 제조하는 단계; 및 상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 펠릿(pellet)으로 제조하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법을 제공할 수 있다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a solid electrolyte, comprising the steps of: preparing a solid electrolyte powder from Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 ; Preparing a solid electrolyte powder substituted with nitrogen from the solid electrolyte powder and the urea; And a step of preparing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder with a pellet.

상기 제조 방법에서, 요소로부터 질소 치환을 도입하는 요소법을 적용함으로써, 기존 플라즈마 질화 처리법 대비 비교적 저렴한 비용으로 질소 치환을 시도할 수 있고, 진공 공정을 사용하지 않아도 되므로 제조 공정의 단순화로 양산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 양극 활물질과 고체 전해질 분말을 함께 소결하는 방식으로 전지를 제조하는 것이 가능하므로, 대용량의 전고체 전지를 구현하기 위해 필요한 요건, 즉 양극 활물질의 장입량을 증가시키는 것이 용이하다.In the above manufacturing method, by applying the element method of introducing nitrogen substitution from the element, nitrogen substitution can be attempted at a relatively low cost compared with the conventional plasma nitriding method, and since the vacuum process is not used, the mass production is improved by simplifying the manufacturing process . In addition, since the battery can be manufactured by sintering the positive electrode active material and the solid electrolyte powder, it is easy to increase the amount of the positive electrode active material, which is necessary for realizing a large capacity all-solid battery.

상기 고체 전해질 분말을 제조하는 단계는 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2을 혼합하는 단계(혼합 단계); 상기 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2의 혼합물을 분쇄하는 단계(분쇄 단계); 제1 소성 단계; 및 제2 소성 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the solid electrolyte powder includes mixing Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 (mixing step); Crushing a mixture of Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 (pulverizing step); A first firing step; And a second firing step.

상기 혼합 단계는 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2을 각각 3.7 내지 4.4 : 1.4 내지 1.6 : 1.9 내지 2.1의 몰비로 혼합할 수 있다.The mixing step may mix Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 in a molar ratio of 3.7 to 4.4: 1.4 to 1.6: 1.9 to 2.1, respectively.

상기 혼합 몰비에서 Li2CO3의 양은 목적하는 고체 전해질의 조성, 즉 Li7La3Zr2를 제조하기 위한 Li2CO3의 이론양보다 약 5 내지 10 중량% 과량으로 포함되도록 설계되어야 한다. 이는 고체 전해질의 제조 과정, 구체적으로 소성 과정에서 Li이 소실되기 때문이며, 소실되는 Li의 양을 고려하여 최종 조성에서 Li: La: Zr = 7:3:2의 몰비를 유지할 수 있도록 제조하기 위함이다.The amount of Li 2 CO 3 in the mixed molar ratio should be designed so as to be contained in an amount of about 5 to 10% by weight over the theoretical amount of Li 2 CO 3 for producing the desired solid electrolyte, that is, Li 7 La 3 Zr 2 . This is because Li is lost in the course of the production of the solid electrolyte, specifically in the firing process, and in order to maintain the molar ratio of Li: La: Zr = 7: 3: 2 in the final composition in consideration of the amount of Li to be eliminated .

상기 혼합 단계 이전에 상기 La2O3를 건조하는 단계(건조 단계)를 더 포함할 수 있다. 각 분말을 혼합하기 전에 La2O3를 700 내지 1000℃에서 12 내지 24 시간 동안 건조함으로써 상기 La2O3에 흡착된 수분을 거의 모두 제거할 수 있다. La2O3에 흡착된 수분을 제거함으로써, 정확한 몰 비를 갖는 조성을 얻는 효과를 얻을 수 있다.And drying the La 2 O 3 (drying step) before the mixing step. Almost all of the moisture adsorbed on La 2 O 3 can be removed by drying La 2 O 3 at 700 to 1000 ° C. for 12 to 24 hours before mixing each powder. By removing moisture adsorbed on La 2 O 3 , an effect of obtaining a composition having an accurate molar ratio can be obtained.

상기 혼합 단계는 암모니아 분산제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 암모니아 분산제를 첨가함으로써, 혼합 성능이 개선되어 균일한 혼합물을 얻을 수 있다.The mixing step may further include adding an ammonia dispersant. By adding an ammonia dispersant, the mixing performance is improved and a uniform mixture can be obtained.

상기 고체 전해질 분말을 제조하는 단계의 제1 소성 단계는 850 내지 950℃에서 2 내지 5 시간 동안 시간 동안 수행될 수 있고, 상기 제2 소성 단계는 1,100 내지 1,250℃에서 2 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.The first firing step of producing the solid electrolyte powder may be performed at 850 to 950 캜 for 2 to 5 hours and the second firing step may be performed at 1,100 to 1,250 캜 for 2 to 5 hours have.

상기 조건에서 2 단계의 소성이 이루어짐으로써, 더욱 견고한 소결체를 얻을 수 있다.By performing the two-step sintering under the above-described conditions, a more rigid sintered body can be obtained.

상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 제조하는 단계는 상기 고체 전해질 분말 및 요소를 혼합하는 단계(혼합 단계); 분쇄 단계; 제1 소성 단계; 및 제2 소성 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder may include mixing the solid electrolyte powder and the urea (mixing step); Crushing step; A first firing step; And a second firing step.

상기 혼합 단계는 상기 고체 전해질 분말 및 요소를 1 내지 7 : 4 내지 6의 중량비, 구체적으로는 3 내지 6 : 4.5 내지 5.5의 중량비로 혼합하여 수행될 수 있다. 요소를 상기 중량비로 포함하여 상기 고체 전해질 분말과 혼합, 분쇄하여 소성함으로써, 고체 전해질 분말의 산소 일부가 질소로 치환되어 최적의 가넷형 구조를 형성하고, 이로써 이온 전도성이 향상된 고체 전해질을 얻을 수 있다.The mixing step may be performed by mixing the solid electrolyte powder and the urea in a weight ratio of 1 to 7: 4 to 6, specifically 3 to 6: 4.5 to 5.5. By mixing and pulverizing the solid electrolyte powder with the above-mentioned weight ratio, the part of oxygen of the solid electrolyte powder is substituted with nitrogen to form an optimum garnet structure, thereby obtaining a solid electrolyte having improved ion conductivity .

상기 분쇄 단계는 볼밀(ball mill), 몰탈(mortar), 분급기(sieve), 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 죠크러셔(jaw crusher), 해쇄기(crusher), 또는 이들의 조합인 방법에 의해 수행될 수 있고, 예컨대 볼밀(ball mill), 몰탈(mortar), 및/또는 분급기(sieve)에 의해 수행될 수 있다.The pulverizing step may be a ball mill, a mortar, a sieve, an attrition mill, a disk mill, a jet mill, a jaw crusher, A crusher, or a combination thereof, and may be performed, for example, by a ball mill, a mortar, and / or a sieve.

상기 소성 단계는 N2 : H2가 90 : 10 내지 96 : 4의 부피비로 포함된 합성 가스 분위기에서 수행될 수 있다. The calcining step may be performed in a synthesis gas atmosphere in which N 2 : H 2 is contained in a volume ratio of 90:10 to 96: 4.

예컨대 상기 합성 가스 분위기는 N2 : H2가 96 : 4일 수 있다.For example, the synthesis gas atmosphere may be N 2 : H 2 of 96: 4.

상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 제조하는 단계의 제1 소성 단계는 400 내지 500℃의 온도에서 2 내지 6 시간 동안, 제2 소성 단계는 750 내지 850℃의 온도에서 3 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.The first firing step of producing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder may be performed at a temperature of 400 to 500 ° C for 2 to 6 hours and the second firing step may be performed at a temperature of 750 to 850 ° C for 3 to 6 hours have.

상기 조건에서 2 단계의 소성이 이루어짐으로써, 남아있는 요소를 제거하는 효과를 얻을 수 있다.By performing firing in two steps under the above conditions, the effect of removing the remaining elements can be obtained.

상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 펠릿(pellet)으로 제조하는 단계는 압축 단계, 분쇄 단계, 및 소성 단계를 포함할 수 있다.The step of producing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder with a pellet may include a compression step, a crushing step, and a firing step.

상기 압축 단계는 1 내지 3 톤/cm2의 강도, 구체적으로는 1.5 내지 2.5 톤/cm2의 강도로 수행될 수 있다. 상기 강도로 압축하는 경우, 전극의 체적당 에너지 밀도가 높아져, 고에너지 밀도의 전지 제조가 가능하다. The compression step may be carried out with an intensity of 1 to 3 ton / cm 2 , specifically 1.5 to 2.5 ton / cm 2 . In the case of compressing with the above strength, the energy density per volume of the electrode is increased, and it is possible to manufacture a battery with a high energy density.

상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 펠릿(pellet)으로 제조하는 단계의 소성 단계는 800 내지 950 ℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안, 구체적으로는 870 내지 930 ℃의 온도에서 4 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.The firing step of producing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder with pellets is performed at a temperature of 800 to 950 ° C for 3 to 6 hours, specifically, at a temperature of 870 to 930 ° C for 4 to 5 hours .

본 발명의 또 다른 일 구현예는 양극과 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 고체 전해질 층을 포함하고, 상기 고체 전해질 층은 전술한 리튬 이차전지용 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode, wherein the solid electrolyte layer comprises the solid electrolyte for a lithium secondary battery.

상기 고체 전해질 층은 0.1 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다.The solid electrolyte layer may have a thickness of 0.1 to 1 mm.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지에 대해 도 1을 참고하여 설명한다.A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1 은 본 발명의 리튬 이차 전지의 일례를 나타내는 개략 단면도이다. 도 1 에 있어서의 리튬 전지 이차 전지(10)는 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 및 음극 사이에 형성된 고체 전해질층(3), 및 양극 활물질층(1) 의 집전을 실시하는 양극 집전체(4), 음극 활물질층(2) 의 집전을 실시하는 음극 집전체 (5), 및 이들 부재를 수납하는 전지 케이스 (6) 를 포함한다. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a lithium secondary battery of the present invention. The lithium secondary battery 10 in Fig. 1 includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, a solid electrolyte layer 3 formed between the positive and negative electrodes, and a positive electrode active material layer 1, An anode current collector 4 to be carried out, an anode current collector 5 for collecting the anode active material layer 2, and a battery case 6 for housing these members.

상기 고체 전해질층 (3)은 전술한 바와 같다.The solid electrolyte layer 3 is as described above.

상기 양극은 집전체(4) 및 상기 집전체에 형성되는 양극 활물질층(1)을 포함한다. 상기 양극 활물질층(1)은 양극 활물질을 포함한다.The positive electrode includes a current collector 4 and a positive electrode active material layer 1 formed on the current collector. The positive electrode active material layer 1 includes a positive electrode active material.

상기 양극 활물질로는, 예를 들어 LiCoO2, LiMnO2, Li2NiMn3O8, LiVO2, LiCrO2, LiFePO4, LiCoPO4, LiNiO2, LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2 등을 들 수 있다.As the positive electrode active material is, for example, LiCoO 2, LiMnO 2, Li 2 NiMn 3 O 8, LiVO 2, LiCrO 2, LiFePO 4, LiCoPO 4, LiNiO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , and the like.

또, 양극 활물질층은, 추가로 고체 전해질 재료를 함유하고 있어도 된다. 고체 전해질 재료의 첨가에 의해, 양극 활물질층의 Li 이온 전도성을 향상시킬 수 있다. 고체 전해질 재료로는, 예를 들어 산화물 고체 전해질 재료 및 황화물 고체 전해질 재료 등을 들 수 있다. 양극 활물질층의 두께는, 예를 들어 0.1 ㎛ ~ 1000 ㎛ 의 범위 내인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The positive electrode active material layer may further contain a solid electrolyte material. By adding the solid electrolyte material, the Li ion conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. Examples of the solid electrolyte material include an oxide solid electrolyte material and a sulfide solid electrolyte material. The thickness of the positive electrode active material layer is preferably within a range of, for example, 0.1 mu m to 1000 mu m, but is not limited thereto.

상기 음극은 집전체(5) 및 상기 집전체에 형성되는 음극 활물질층(2)을 포함한다. 상기 음극 활물질층은 음극 활물질 및 바인더, 선택적으로 도전재를 포함한다.The negative electrode includes a current collector 5 and a negative electrode active material layer 2 formed on the current collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and a binder, and optionally, a conductive material.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어 금속 활물질 및 카본 활물질을 들 수 있다. 금속 활물질로는, 예를 들어 In, Al, Si 및 Sn 등을 들 수 있다. 한편, 카본 활물질로는, 예를 들어 메소카본 마이크로 비즈 (MCMB), 고배향성 그라파이트 (HOPG), 하드 카본, 소프트 카본 등을 들 수 있다.Examples of the negative electrode active material include a metal active material and a carbon active material. Examples of the metal active material include In, Al, Si and Sn. On the other hand, examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon.

또한, 음극 활물질층에 사용되는 도전재, 고체 전해질 재료 및 바인더에 대해서는, 상기 서술한 양극 활물질층에 있어서의 경우와 동일하다. 또, 음극 활물질층의 두께는, 예를 들어 0.1 ㎛ ~ 1000 ㎛ 의 범위 내인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The conductive material, the solid electrolyte material and the binder used for the negative electrode active material layer are the same as those in the above-described positive electrode active material layer. The thickness of the negative electrode active material layer is preferably within a range of, for example, 0.1 mu m to 1000 mu m, but is not limited thereto.

상기 양극 집전체 (4)의 재료로는, 예를 들어 SUS, 알루미늄, 니켈, 철, 티탄 및 카본 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 SUS 가 바람직하다. 한편, 음극 집전체 (5)의 재료로는, 예를 들어 SUS, 구리, 니켈 및 카본 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 SUS 가 바람직하다. 또, 양극 집전체 및 음극 집전체의 두께나 형상 등에 대해서는, 리튬 전지의 용도 등에 따라 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 또, 본 발명에 사용되는 전지 케이스(10)에는 일반적인 리튬 전지의 전지 케이스를 사용할 수 있다. 전지 케이스로는, 예를 들어 SUS제 전지케이스 등을 들 수 있다.As the material of the positive electrode current collector 4, for example, SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, carbon and the like are exemplified, and among them, SUS is preferable. On the other hand, as the material of the anode current collector 5, for example, SUS, copper, nickel, carbon and the like are exemplified, and among them, SUS is preferable. The thickness and the shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected depending on the use of the lithium battery or the like. A battery case of a general lithium battery can be used for the battery case 10 used in the present invention. Examples of the battery case include a battery case made of SUS.

상기 음극과 양극은 각각 활물질의 분말과 고체 전해질의 분말을 준비하고, 이어서 고체 전해질층, 양극 활물질층 및 음극 활물질층의 각각의 슬러리를 제조한다. 그리고, 고체 전해질층, 양극 활물질층, 및 음극 활물질층의 각각의 슬러리를 성형하여 그린시트를 제작한다. 그 후, 고체 전해질층, 양극층 및 음극층의 그린시트를 적층하여 적층체를 형성한다. 이어서, 적층체를 소성한다. 소성에 의해 양극 활물질층 및 음극 활물질층과 고체 전해질층이 접합된다. 마지막으로 소성된 적층체를, 예를 들면, 코인셀 내에 밀봉한다. 밀봉 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 소성 후의 적층체를 수지로 밀봉해도 좋다. 또한, Al2O3 등의 절연성을 갖는 절연체 페이스트를 적층체의 주위에 도포 또는 딥핑하고, 이 절연 페이스트를 열처리함으로써 밀봉해도 좋다.The negative electrode and the positive electrode respectively prepare powders of an active material and powders of a solid electrolyte, and then prepare respective slurries of the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. Then, the respective slurries of the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are molded to produce a green sheet. Thereafter, the green sheets of the solid electrolyte layer, the positive electrode layer and the negative electrode layer are laminated to form a laminate. Subsequently, the laminate is fired. The positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are bonded to the solid electrolyte layer by firing. Finally, the fired laminate is sealed in, for example, a coin cell. The sealing method is not particularly limited. For example, the fired laminated body may be sealed with a resin. Alternatively, an insulating paste having an insulating property such as Al 2 O 3 may be applied or dipped around the laminate, and the insulating paste may be sealed by heat treatment.

또한, 양극과 음극으로부터 효율적으로 전류를 인출하기 위해서 양극 및 음극 상에 금속층 등의 도전층을 형성해도 좋다. 도전층의 형성 방법은, 예를 들면 스퍼터링법을 들 수 있다. 또한, 금속 페이스트를 도포 또는 딥핑해서 이 금속 페이스트를 열처리해도 좋다.In addition, a conductive layer such as a metal layer may be formed on the positive electrode and the negative electrode to efficiently draw current from the positive electrode and the negative electrode. The conductive layer may be formed by, for example, sputtering. The metal paste may be heat-treated by applying or dipping the metal paste.

상기 그린시트를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 테잎캐스팅, 다이코터, 콤마코터, 스크린 인쇄 등을 사용할 수 있다. 그린시트를 적층하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 열간 등방압 프레스(HIP), 냉간 등방압 프레스(CIP), 정수압 프레스(WIP) 등을 사용하여 그린시트를 적층할 수 있다.The method of forming the green sheet is not particularly limited, but tape casting, die coater, comma coater, screen printing and the like can be used. The method of laminating the green sheet is not particularly limited, but a green sheet can be laminated by using hot isostatic press (HIP), cold isostatic press (CIP), hydrostatic press (WIP) or the like.

그린시트를 형성하기 위한 슬러리는 고분자 재료를 용제에 용해한 유기 비히클과, 양극 활물질 분말, 음극 활물질 분말, 고체 전해질 분말, 또는 집전체 재료 분말을 습식 혼합함으로써 제작할 수 있다. 습식 혼합으로는 미디어를 사용할 수 있고, 구체적으로는 볼밀법, 비스코밀법 등을 사용할 수 있다. 한편, 미디어를 사용하지 않는 습식 혼합방법을 사용해도 좋고, 샌드밀법, 고압 호모지나이저법, 니더 분산법 등을 사용할 수 있다.The slurry for forming the green sheet can be produced by wet mixing an organic vehicle in which a polymer material is dissolved in a solvent, a positive electrode active material powder, a negative electrode active material powder, a solid electrolyte powder, or a current collector material powder. As the wet mixing, a medium can be used. Specifically, a ball mill method, a visco mill method, or the like can be used. On the other hand, a wet mixing method that does not use media may be used, and a sand mill method, a high pressure homogenizer method, a kneader dispersion method, or the like can be used.

슬러리는 가소제를 포함해도 좋다. 가소제의 종류는 특별히 한정되지 않지만 프탈산 디옥틸, 프탈산 디이소노닐 등의 프탈산 에스테르 등을 사용해도 좋다.The slurry may include a plasticizer. The kind of plasticizer is not particularly limited, but phthalate esters such as dioctyl phthalate, diisononyl phthalate and the like may be used.

소성 공정에서는 분위기는 특별히 한정되지 않지만 전극 활물질에 포함되는 전이 금속의 가수가 변화하지 않는 조건에서 행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.  In the sintering step, the atmosphere is not particularly limited, but it is preferable to conduct the sintering under the condition that the valence of the transition metal contained in the electrode active material does not change. The method of manufacturing the electrode is well known in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted herein.

이하 본 발명의 구체적인 실시예들을 기재한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.Hereinafter, specific examples of the present invention will be described. However, the embodiments described below are only intended to illustrate or explain the present invention, and thus the present invention should not be limited thereto.

또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
In addition, contents not described here can be inferred sufficiently technically if they are skilled in the art, and a description thereof will be omitted.

실시예Example 1 One

(고체 전해질 분말의 합성)(Synthesis of Solid Electrolyte Powder)

Li2CO3(순도 4N), La2O3(순도 4N), ZrO2(순도 99%)을 각각 3.5 : 1.5 : 2의 몰비로 칭량하여 분말을 준비하였다. 상기 분말을 혼합하기에 앞서 La2O3를 900℃에서 24시간 건조하여 흡착된 수분을 모두 제거하였다. 건조된 La2O3, Li2CO3, ZrO2를 혼합한 후, 지르코니아 볼 3mm + 5mm을 1:1로 혼합된 볼이 장입된 날젠병(Nalgen bottle)에 장입한 후, 혼합분말과 무수 IPA(iso-propyl alcohol: 이소프로필알콜)를 첨가하여 볼밀을 24시간 수행하였다. 이때 혼합 성능을 개선하기 위해 암모니아 분산제 (암모니아수 28%)를 소량 첨가하였다. 볼밀 및 건조 후 이를 다시 소결로에서 900℃에서 3시간 소성하였으며, 이때 승온 속도는 2℃/min였다. 이를 다시 agate mortar에서 분쇄한 후 100um mesh를 사용하여 분급한 후, 1125℃에서 2차 소성을 3 시간 동안 진행하여 최종 분말을 제조하였다.Powders were prepared by weighing Li 2 CO 3 (purity 4N), La 2 O 3 (purity 4N) and ZrO 2 (purity 99%) at a molar ratio of 3.5: 1.5: 2, respectively. Prior to mixing the powders, La 2 O 3 was dried at 900 ° C. for 24 hours to remove any adsorbed moisture. Dried La 2 O 3 , Li 2 CO 3 and ZrO 2 were mixed, and then charged into a Nalgen bottle charged with a ball mixed with zirconia balls 3 mm + 5 mm at a ratio of 1: 1, IPA (iso-propyl alcohol: isopropyl alcohol) was added and the ball mill was performed for 24 hours. At this time, a small amount of an ammonia dispersant (28% ammonia water) was added to improve mixing performance. After the ball mill and drying, it was fired in a sintering furnace at 900 ° C for 3 hours, and the heating rate was 2 ° C / min. After grinding in an agate mortar, it was classified by using a 100 μm mesh and then subjected to secondary firing at 1125 ° C. for 3 hours to prepare a final powder.

상기 고체전해질분말 10g과 요소(Alfa Aesar社) 50g(1:5 무게비)을 혼합한 후, 이를 ball mill공정을 24시간 수행하여 고체전해질 분말과 요소가 균일하게 혼합되도록 하였다. 이를 건조하고, 분급한 후, 합성가스(N2:H2=96:4)가 흐르는 분위기의 로(furnace)를 이용하여 500℃에서 2 시간 동안 1차적으로 열처리하였다. 이때 대부분의 요소가 증발하는 것으로 나타났다. 남아있는 요소는 다시 800℃에서 합성가스(N2:H2=96:4)가 흐르는 분위기의 로에서 3 시간 동안 2차 열처리하여 모두 제거하였으며, 이를 분쇄한 후 80 내지 90 um로 분급하여 균일한 분말을 채취하였다. 제조된 분말은 흰색에서 회색으로 변경되어 고체전해질분말에 화학적 변화, 즉 질소가 치환되었음을 간접적으로 확인할 수 있었다.10 g of the solid electrolyte powder and 50 g (1: 5 weight ratio) of urea (Alfa Aesar) were mixed and ball milled for 24 hours to uniformly mix the solid electrolyte powder and the urea. This was dried, classified, and then primarily heat-treated at 500 ° C for 2 hours using a furnace in an atmosphere of a flowing synthetic gas (N 2 : H 2 = 96: 4). Most of the elements were found to evaporate at this time. The remaining elements were again subjected to a second heat treatment at 800 ° C. for 3 hours in a furnace in an atmosphere of a flowing synthetic gas (N 2 : H 2 = 96: 4), and they were pulverized and classified into 80 to 90 μm, One powder was taken. The prepared powders were changed from white to gray, so that it was indirectly confirmed that the solid electrolyte powder was chemically changed, that is, nitrogen was substituted.

(고체 전해질 펠릿의 제조)(Production of solid electrolyte pellets)

상기 고체전해질 분말을 이용하여 펠릿을 제조하였다. 분말 0.5g을 넣고 고압 press(압력: 1톤/cm2)를 이용하여 폭 1 cm2의 mold하에서 pellet을 제조한 후, 이를 소결하였다. 소결 조건은 합성가스(N2:H2=96:4)분위기 로, 900℃에서 3시간 열처리하였다. The solid electrolyte powder was used to prepare pellets. 0.5 g of the powder was poured into a pellet under a mold having a width of 1 cm 2 using a high-pressure press (pressure: 1 ton / cm 2 ) and sintered. The sintering conditions were heat treatment at 900 캜 for 3 hours in a syngas (N 2 : H 2 = 96: 4) atmosphere.

도 2는 900℃에서 열처리된 질소 치환된 고체전해질 펠릿 사진이다.
FIG. 2 is a photograph of a nitrogen-substituted solid electrolyte pellet heat-treated at 900.degree.

비교예Comparative Example 1 One

요소법을 이용하여 질소 치환하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해질을 제조하였다.
A solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that the nitrogen substitution was not performed using the urea method.

평가 1: X선 Evaluation 1: X-ray 회절diffraction ( ( XRDXRD : X-: X- rayray diffractiondiffraction ) 측정) Measure

실시예 1 및 비교예 1 에 따른 고체 전해질 재료에 대해, CuKα 선을 사용하여 X 선 회절 (XRD) 측정을 실시하여 그 결과를 도 3 에 나타내었다. X-ray diffraction (XRD) measurement was performed on the solid electrolyte material according to Example 1 and Comparative Example 1 using CuK? Ray, and the results are shown in FIG.

도 3을 참조하면, 비교예 1에 따른 고체 전해질은 30°부근에서 2개의 스플릿(split)된 피크와 50°부근에서 6개의 스플릿(split)된 피크가 나타나는 것으로부터 테트라고날(tetragonal) 구조를 가지고 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, the solid electrolyte according to Comparative Example 1 has a tetragonal structure from two split peaks near 30 ° and six split peaks near 50 °. It can be seen that it has.

반면, 실시예 1에 따른 고체 전해질은 비교예 1에 따른 고체 전해질에서 나타나던 피크의 양상이 사라지고 주로 리튬 산화물 및 리튬 질화물에 관한 피크가 나타나는 것으로부터, 질소가 치환되어 새로운 상에 대한 피크가 나타나고 있음을 알 수 있다.
On the other hand, in the solid electrolyte according to Example 1, the appearance of the peak appearing in the solid electrolyte according to Comparative Example 1 disappears, and a peak relating to lithium oxide and lithium nitride appears mainly. .

평가 2: 이온 전도도 측정Evaluation 2: Measurement of ion conductivity

실시예 1에 따라 제조된 고체 전해질 펠릿의 상부 및 하부에 Au를 300 nm 스퍼터링하여 전극을 제조한 후, 이를 교류 임피던스법에 의해 Li의 이온 전도도의 측정을 실시하였다. 측정에는 솔라트론사 임피던스/게인 페이즈 애널라이저 1260을 이용하고, 측정 조건은 상온에서 인가 전압 5mV, 측정 주파수역 7MHz 내지 0.5Hz에 걸쳐 AC 임피던스를 측정하여, 그 결과를 하기 도 4에 나타내었다.Au was sputtered at 300 nm on the upper and lower portions of the solid electrolyte pellet prepared in Example 1 to prepare an electrode, and the ion conductivity of Li was measured by the AC impedance method. The measurement was conducted under the conditions of an applied voltage of 5 mV at room temperature and an AC impedance of 7 MHz to 0.5 Hz in the measurement frequency range. The results are shown in FIG. 4.

또한, 펠릿상의 Au 전극의 면적과 두께를 고려하여 이온 전도도를 산출하기 위해 도 5의 등가 회로를 이용하여 CNLS fitting를 수행하였다.In order to calculate the ion conductivity in consideration of the area and thickness of the Au electrode on the pellet, CNLS fitting was performed using the equivalent circuit of Fig.

도 4를 참조하면, 상온에서 측정 시 반원이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할수 있는데, 이는 저항과 커패시턴스 항의 조합으로 고 주파수(Hz) 영역에서의 반원은 Li 이온의 이온 전도성이 있음을 의미하며, 저 주파수(Hz) 영역에서의 테일(tail)은 디퓨젼(diffusion)에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that a semicircle appears distinctly when measured at room temperature. This means that the semiconductors in the high frequency (Hz) region have ion conductivity of Li ion due to the combination of the resistance and the capacitance term. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; Hz) &lt; / RTI &gt; is known to be caused by diffusion.

도 5를 참조하면, Rbulk는 결정 입계 내부 저항, Rgb는 결정 입계 저항, Rel는 전도도 측정을 위한 금속 저항을 의미하는데, Rbulk와 Rgb의 합에 의해 이온 전도도를 산출한 결과, 8 X 10-5S/cm의 이온 전도도가 나타남을 확인할 수 있다. 즉, 테트라고날 구조를 갖는 가넷형 구조에서의 이온 전도도가 6 X 10-6 S/cm인 것과 비교하여 10 배 이상 이온 전도도가 향상되었음을 알 수 있다.
Referring to FIG. 5, R bulk denotes a grain boundary internal resistance, R gb denotes a grain boundary resistance, and R el denotes a metal resistance for conductivity measurement. As a result of calculating the ion conductivity by the sum of R bulk and R gb , Ion conductivity of 8 X 10 -5 S / cm can be confirmed. That is, the ion conductivity of the Garnet-type structure having the tetragonal structure is 10 times or more higher than that of the ion conductivity of 6 × 10 -6 S / cm.

평가 3: Rating 3: XPSXPS 정량 분석 Quantitative analysis

실시예 1에 따라 제조된 고체 전해질 펠릿의 XPS 정량 분석 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The results of XPS quantitative analysis of the solid electrolyte pellets prepared according to Example 1 are shown in Table 1 below.

XPS는 beam 투과범위가 수십 nm두께로 표면의 화학결합상태를 확인할 수 있는 분석법으로서 N의 치환여부를 확인하는데 효과적이다. 본 분석에서는 VG Scientific사의 ESCA 250모델을 사용하였으며, Li1s La3d5, Zr3d, O1s, N1s spectrum을 사용하여 각각의 원소를 분석하였다.
XPS is an analytical method for confirming the chemical bonding state of the surface with a beam transmission range of several tens nm thick, and is effective for confirming whether N is substituted. In this analysis, we used 250 ESCA Model VG Scientific, Inc., using the Li1s La3d 5, Zr3d, O1s, N1s spectrum was analyzed for each element.

표 1을 참조하면, Zr과 La의 양이 상대적으로 적게 나타나는데, 이는 XPS 분석 깊이가 수십 nm 정도로, 표면에는 주로 산소와 질화물이 존재함을 의미한다. 즉, 요소에 의한 질소 치환 효과가 우수함을 간접적으로 확인할 수 있다.Referring to Table 1, the amount of Zr and La is relatively small, which means that the depth of the XPS analysis is several tens of nanometers, and the surface mainly contains oxygen and nitride. That is, it can be indirectly confirmed that the nitrogen substitution effect by the element is excellent.

peakpeak centercenter SFSF PK areaPK area FWHMFWHM Tx. FunctionTx. Function Norm areaNorm area [AT]%[AT]% La 3d5 La 3d 5 836.70836.70 28.1228.12 1603.5351603.535 1.0111.011 6611.56611.5 0.000180.00018 0.1340.134 O 1sO1s 534.10534.10 2.932.93 29000.90029000.900 2.4002.400 5471.05471.0 0.029520.02952 22.40222.402 N 1sN 1s 400.80400.80 1.801.80 13590.22213590.222 2.3532.353 5101.85101.8 0.022320.02232 16.94016.940 C 1sC 1s 287.14287.14 1.001.00 17972.92817972.928 4.9764.976 4829.44829.4 0.052880.05288 40.12940.129 Zr 3dZr 3d 183.50183.50 7.047.04 488.658488.658 1.7321.732 4608.34608.3 0.000200.00020 0.1550.155 Li 1sLi 1s 57.3057.30 0.060.06 519.197519.197 1.2661.266 4368.04368.0 0.026670.02667 20.24120.241

이상 설명한 것과 같이, 본 발명의 구현예에 따라, 요소를 이용하여 고체전해질의 산소의 일부를 질소로 치환함으로써, 보다 용이한 방법으로 최적의 가넷 구조를 가지는 고체 전해질을 제조할 수 있고, 이로써 상기 고체 전해질을 포함하여 이온전도도가 높은 리튬 이차 전지를 제조할 수 있다.
As described above, according to the embodiment of the present invention, by replacing part of the oxygen of the solid electrolyte with nitrogen by using the element, it is possible to produce a solid electrolyte having an optimum garnet structure by a more easy method, A lithium secondary battery having a high ionic conductivity including a solid electrolyte can be produced.

이상 본 발명의 구현예를 실시예를 통해 설명하였으나, 본 발명이 이러한 실시예로써 한정되지 않고, 본 명세서에 첨부된 특허청구범위 및 그로부터 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자가 용이하게 변경 및 수정할 수 있는 범위까지 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that they are within the scope of the present invention.

1: 양극 활물질층 2: 음극 활물질층
3: 고체 전해질층 4: 양극 집전체
5: 음극 집전체 6: 전지 케이스
10: 리튬 이차 전지
Rbulk: 결정 입계 내부 저항 Rgb: 결정 입계 저항
Rel: 금속 저항
CPEbulk: phase angle을 고려한 결정 입계 내부의 캐패시턴스(capacitance)
CPEgb: phase angle을 고려한 결정 입계의 캐패시턴스
CPEdiff: phase angle을 고려한 확산 영역에서의 캐패시턴스
1: positive electrode active material layer 2: negative electrode active material layer
3: solid electrolyte layer 4: positive electrode collector
5: cathode current collector 6: battery case
10: Lithium secondary battery
R bulk : grain boundary internal resistance R gb : grain boundary resistance
R el : metal resistance
CPE bulk : the capacitance inside the grain boundaries taking into account the phase angle.
CPE gb : Capacitance of grain boundary considering phase angle
CPE diff : capacitance in the diffusion region considering the phase angle

Claims (22)

하기 화학식 1로 표시되며, 이온 전도도가 8.0 X 10-5 S/cm 이상인 리튬 이차 전지용 고체 전해질:
[화학식 1]
Li5+x(M1)3(M2)2O12-yNy
상기 화학식 1에서,
M1은 La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,
M2는 Zr, Nb, Ta, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,
0 < x ≤ 2 이며, 0.001 < y < 3 이다.
1. A solid electrolyte for a lithium secondary battery represented by the following formula 1 and having an ion conductivity of 8.0 X 10 < -5 &gt; S / cm or more:
[Chemical Formula 1]
Li 5 + x (M 1 ) 3 (M 2 ) 2 O 12 -y N y
In Formula 1,
M 1 is selected from the group consisting of La, Sr, Ba, Ca, In, Mg, Y, Sc, Cr,
M 2 is Zr, Nb, Ta, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge,
0 < x? 2, and 0.001 &lt; y &lt;
제1항에 있어서,
상기 M1은 La이고,
상기 M2는 Zr이고,
상기 x는 2이고,
상기 y는 0.005 < y < 2
인 리튬 이차 전지용 고체 전해질.
The method according to claim 1,
Wherein M < 1 &gt; is La,
M 2 is Zr,
X is 2,
Y is 0.005 &lt; y &lt; 2
Solid electrolyte for lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질:
[화학식 2]
Li7La3Zr2O10 .8N1 .2
The method according to claim 1,
(1) is a solid electrolyte for a lithium secondary battery represented by the following formula (2): &lt; EMI ID =
(2)
Li 7 La 3 Zr 2 O 10 .8 N 1 .2
삭제delete Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2로부터 고체 전해질 분말을 제조하는 단계;
상기 고체 전해질 분말 및 요소로부터 질소 치환된 고체 전해질 분말을 제조하는 단계; 및
상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 펠릿(pellet)으로 제조하는 단계;를 포함하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법이되,
상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 제조하는 단계;는 상기 고체 전해질 분말 및 요소를 혼합하는 단계; 분쇄 단계; 제1 소성 단계; 및 제2 소성 단계;를 포함하는 것인,
리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
Preparing a solid electrolyte powder from Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 ;
Preparing a solid electrolyte powder substituted with nitrogen from the solid electrolyte powder and the urea; And
And a pellet of the solid electrolyte powder substituted with nitrogen. The solid electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1,
Preparing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder by mixing the solid electrolyte powder and the urea; Crushing step; A first firing step; And a second firing step.
(JP) METHOD FOR PRODUCING SOLID ELECTROLYTE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY.
제5항에 있어서,
상기 고체 전해질 분말을 제조하는 단계는
Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2을 혼합하는 단계(혼합 단계);
상기 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2의 혼합물을 분쇄하는 단계(분쇄 단계);
제1 소성 단계; 및
제2 소성 단계
를 포함하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The step of producing the solid electrolyte powder comprises
Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 (mixing step);
Crushing a mixture of Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 (pulverizing step);
A first firing step; And
Second firing step
Wherein the solid electrolyte is a lithium salt.
제6항에 있어서,
상기 혼합 단계는 Li2CO3, La2O3, 및 ZrO2을 각각 3.7 내지 4.4 : 1.4 내지 1.6 : 1.9 내지 2.1의 몰비로 혼합하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the mixing step comprises mixing Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 in a molar ratio of 3.7 to 4.4: 1.4 to 1.6: 1.9 to 2.1, respectively, to the solid electrolyte for lithium secondary batteries.
제6항에 있어서,
상기 혼합 단계 이전에 상기 La2O3를 건조하는 단계(건조 단계)를 더 포함하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
The method according to claim 6,
And drying the La 2 O 3 before the mixing step (drying step).
제8항에 있어서,
상기 건조 단계는 700 내지 1000℃에서 12 내지 24 시간 동안 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the drying step is performed at 700 to 1000 ° C for 12 to 24 hours.
제6항에 있어서,
상기 혼합 단계는 암모니아 분산제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the mixing step further comprises adding an ammonia dispersing agent to the solid electrolyte.
제6항에 있어서,
상기 제1 소성 단계는 850 내지 950℃에서 2 내지 5 시간 동안 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the first baking step is performed at 850 to 950 캜 for 2 to 5 hours.
제6항에 있어서,
상기 제2 소성 단계는 1,100 내지 1,250℃에서 2 내지 5 시간 동안 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the second baking step is performed at 1,100 to 1,250 ° C for 2 to 5 hours.
삭제delete 제5항에 있어서,
상기 고체 전해질 분말 및 요소를 혼합하는 단계는 상기 고체 전해질 분말 및 요소를 1 내지 7 : 4 내지 6의 중량비로 혼합하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein mixing the solid electrolyte powder and the urea is performed by mixing the solid electrolyte powder and the urea at a weight ratio of 1: 7: 4 to 6: 1.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 분쇄 단계는 볼밀(ball mill), 몰탈(mortar), 분급기(sieve), 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 죠크러셔(jaw crusher), 해쇄기(crusher), 또는 이들의 조합인 방법에 의해 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
The method according to claim 5 or 6,
The pulverizing step may be a ball mill, a mortar, a sieve, an attrition mill, a disk mill, a jet mill, a jaw crusher, , A crusher, or a combination thereof. 2. A method for producing a solid electrolyte for a lithium secondary battery, comprising the steps of:
제5항에 있어서,
상기 제1 소성 단계는 400 내지 500℃의 온도에서 2 내지 6 시간 동안 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법(800℃).
6. The method of claim 5,
Wherein the first firing step is performed at a temperature of 400 to 500 ° C for 2 to 6 hours.
제5항에 있어서,
상기 제2 소성 단계는 750 내지 850℃의 온도에서 3 내지 6 시간 동안 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the second baking step is performed at a temperature of 750 to 850 캜 for 3 to 6 hours.
제5항에 있어서,
상기 질소 치환된 고체 전해질 분말을 펠릿(pellet)으로 제조하는 단계는
압축 단계, 분쇄 단계, 및 소성 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The step of producing the nitrogen-substituted solid electrolyte powder with a pellet
A compression step, a pulverization step, and a firing step.
제18항에 있어서,
상기 압축 단계는 1 내지 3 톤/cm2의 강도로 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
19. The method of claim 18,
Wherein the compressing step is performed at a strength of 1 to 3 tons / cm &lt; 2 &gt;.
제19항에 있어서,
상기 소성 단계는 800 내지 950 ℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안 수행되는 리튬 이차 전지용 고체 전해질의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the sintering step is performed at a temperature of 800 to 950 캜 for 3 to 6 hours.
양극과 음극, 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 고체 전해질 층을 포함하고,
상기 고체 전해질 층은 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차전지용 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지.
Anode and cathode, and
And a solid electrolyte layer between the anode and the cathode,
Wherein the solid electrolyte layer comprises the solid electrolyte for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
제21항에 있어서,
상기 고체 전해질 층은 0.1 내지 1 mm의 두께를 갖는 리튬 이차 전지.
22. The method of claim 21,
Wherein the solid electrolyte layer has a thickness of 0.1 to 1 mm.
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