KR101681297B1 - All solid lithium secondary batteries and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to all-solid-state lithium secondary batteries containing a cathode, an anode including Ni-Co-Mn ternary system lithium metallic oxide (NMC) and a binder, and a solid electrolyte including a polymer and lithium salts between the cathode and the anode. The all-solid-state lithium secondary battery has high capacitance and high voltage characteristics without using an organic solvent.

Description

전고체 리튬이차전지 및 이의 제조방법{ALL SOLID LITHIUM SECONDARY BATTERIES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a solid-state lithium secondary battery,

본 발명은 전고체 리튬이차전지에 관한 것으로, 유기용매를 사용하지 않으면서도 고용량 및 고전압 특성을 나타낼 수 있는 전고체 리튬이차전지에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pre-solid lithium secondary battery, and more particularly, to a pre-solid lithium secondary battery capable of exhibiting high capacity and high voltage characteristics without using an organic solvent.

최근 화석연료 고갈 및 환경 문제가 부각되면서 신재생 에너지 및 전력저장시스템에 대한 관심이 높아졌다. 이에 따라 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 여러 기술적인 난제에 봉착해 있다. 리튬이차전지는 에너지밀도가 높아 휴대폰, 노트 PC 등 소형 IT 기기용뿐만 아니라 전기자동차, 전력저장 등 중대형 전지로 응용이 기대되고 있고, 특히 전기자동차 및 전력저장 등 중대형 리튬이차전지에 요구되는 고안전성의 고에너지밀도를 갖는 리튬이차전지의 개발이 요구되고 있다. 일반적으로 리튬이차전지의 전해질로는 주로 유기 용매가 포함된 액상의 전해질이 사용되고 있다.Recently, fossil fuel depletion and environmental problems have been highlighted, and interest in renewable energy and electric power storage systems has increased. As a result, research on the secondary battery has been actively conducted, but it faces various technical difficulties. Lithium secondary batteries have high energy density and are expected to be applied not only to small IT devices such as mobile phones and notebook PCs but also as mid- and large-sized batteries for electric vehicles and electric power storage. Especially, The development of a lithium secondary battery having a high energy density is required. Generally, a liquid electrolyte containing an organic solvent is used as an electrolyte of a lithium secondary battery.

그러나, 유기 용매가 포함된 액상의 전해질을 이용한 리튬이차전지는 과충전 및 열적 특성에서 전지의 안전성을 확보하는데 어려움이 있다. 특히, 최근 전기자동차 및 전력저장용 중대형 리튬이차전지의 개발이 요구되고 있는 산업계의 요구에 효율적으로 대응하기 위해서는 전지의 고에너지밀도와 더불어 안전성 문제가 가장 중요한 이슈 중 하나이다. 그래서 안전성 확보를 위해 액상 전해질을 고체 전해질로 교체하는 연구가 하나의 대안으로서 주목을 받고 있으며, 전해질의 고체화에 따른 전극과 계면의 미세구조 최적화 연구가 진행되고 있다.However, lithium secondary batteries using a liquid electrolyte containing an organic solvent have difficulty in securing the safety of batteries in terms of overcharging and thermal characteristics. In particular, in order to efficiently respond to the demands of the industry in which the development of medium-sized lithium rechargeable batteries for electric vehicles and electric power storage is required, the safety issue is one of the most important issues in addition to the high energy density of the battery. Therefore, research to replace the liquid electrolyte with solid electrolyte has been attracting attention as an alternative to secure the safety, and researches on the optimization of the microstructure of the electrode and the interface due to solidification of the electrolyte are underway.

종래의 고체 전해질 소재는 유기(고분자) 고체 전해질과 무기 고체 전해질로 구분된다. 고분자 고체 전해질은 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 기반의 고분자에 리튬염과 각종 무기 필러 및 첨가제를 적용하여 제조하고, 상온에서 이온 전도율이 약 10-5~10-7 S/cm, 수율이 약 0.5, 그리고 전위창이 약 0~4.5V의 한계성을 보여준다. 따라서, 고분자 고체 전해질의 이온 전도도를 향상 시키기 위해서는 약 60℃ 이상의 사용조건이 필요하다. 그러나, 기존의 고분자 고체 전해질은 일부 유기 용매를 사용하기 때문에 근본적으로 안전성 문제를 해결 하는 데는 한계가 있다. 한편, 무기 고체 전해질은 유기(고분자) 고체 전해질과는 달리 유연성 측면에서 다소 불리하지만 본질적으로 불연성의 특성이 있기 때문에 안전성 면에서 매우 우수하고, Li 싱글(Single) 이온이 전도하는 특성을 가지고 있어서 수율이 거의 1에 근접하고, 소재의 종류 및 특성에 따라 다르지만 고분자 고체 전해질에 비해 보다 넓은 전위창(0~5.5V)의 구간을 유지할 수 있다. 무기 고체 전해질은 결정 재료와 비정질 재료로 분류되며, 대표적인 무기계 고체 전해질의 이온 전도도는 벌크 상태(단결정)에서 약 10-3~10-6 S/㎝ 범위의 이온 전도도를 갖고 있다. 전고체 리튬이차전지용 고체 전해질로서 실용화에 요구되는 이온 전도도는 실온에서 약 10-3 S/cm 수준이 요구되며, 현재 이러한 수치를 갖고 있는 것은 황화물계 고체 전해질 및 산화물계 고체 전해질인 페롭스카이트형 및 나신콘형 등이 있다. 이러한 산화물계 고체 전해질의 연구는 2000년 이후 활발해지고 있다. 산화물계 고체 전해질은 초기 이온 전도도가 10-13 S/cm 수준에서 최근에는 약 10-3 S/cm 수준까지 개선되고 있다.Conventional solid electrolyte materials are classified into organic (polymer) solid electrolytes and inorganic solid electrolytes. Polymer solid electrolytes are prepared by applying lithium salts and various inorganic fillers and additives to polyethylene oxide (PEO) based polymers and have ionic conductivities of about 10 -5 to 10 -7 S / cm at room temperature, 0.5, and the dislocation window shows a marginality of about 0 to 4.5V. Therefore, in order to improve the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte, use conditions of about 60 DEG C or more are required. However, since the conventional polymer solid electrolyte uses some organic solvent, there is a limit to solving the safety problem fundamentally. On the other hand, inorganic solid electrolytes are somewhat disadvantageous from the standpoint of flexibility, unlike organic (polymer) solid electrolytes, but are inherently nonflammable and therefore have excellent safety and have Li singlet ion conduction characteristics, Is close to 1, and it can maintain a wider potential window (0 to 5.5 V) than the polymer solid electrolyte although it depends on the type and characteristics of the material. The inorganic solid electrolyte is classified into a crystalline material and an amorphous material. The ionic conductivity of a representative inorganic solid electrolyte has an ion conductivity in a range of about 10 -3 to 10 -6 S / cm in a bulk state (single crystal). As a solid electrolyte for a solid lithium secondary battery, the ionic conductivity required for practical use is required to be about 10 -3 S / cm at room temperature. Currently, such values are required for a sulfide-based solid electrolyte and a peroxide-based solid electrolyte, And Nashin Kong. Studies on these oxide-based solid electrolytes have been active since 2000. The oxide-based solid electrolyte has been improved from the initial ionic conductivity of 10 -13 S / cm to about 10 -3 S / cm in recent years.

하지만, 이러한 소재의 전기화학적 특성에도 일정한 한계점도 보이고 있는데, 페롭스카이트계 조성((La, Li)TiO3) 및 나시콘계 조성(LiTi2(PO4)3)의 경우 약 10-3~10-5 S/cm의 비교적 높은 이온 전도도를 보여주고 있으나, 이러한 조성의 고체 전해질은 전위창이 약 1.5~5.0V 또는 2.5~5.0V의 특성을 보여주고 있어서, 음의 전위에서 매우 불안전한 전기화학적 특성을 보여주고 있다. 따라서, 고전압 특성을 목표로 하는 전고체 리튬이차전지의 구현에는 한계성을 가지게 된다. 즉, 페롭스카이트 및 나시콘형 산화물계 고체 전해질은 이온 전도 및 수율이 비교적 우수한 특성을 가지고 있지만, 전위창의 제한된 특성을 보여서 고에너지밀도 양극소재 및 저전위 고용량 음극소재 채용을 목표로 하는 차세대 중대형 전고체 리튬 이차전지에의 적용에는 한계를 가지고 있다.However, there is also to show certain limitations in electrochemical properties of such a material, perop Sky teugye composition ((La, Li) TiO 3 ) and pear kongye For composition (LiTi 2 (PO 4) 3 ) of about 10 -3 to 10- The solid electrolyte of this composition exhibits a relatively high ionic conductivity of 5 S / cm. However, the solid electrolyte exhibits a characteristic of 1.5-5.0 V or 2.5-5.0 V at the dislocation window, . Therefore, there is a limit to the implementation of a pre-solid lithium secondary battery aiming at high voltage characteristics. In other words, perovskite and nacicon type oxide solid electrolytes have relatively good ion conductivity and yield. However, they show limited characteristics of dislocation window. Therefore, the next generation medium to large scale electrochemical devices aiming at adoption of high energy density anode materials and low- It has a limitation in application to a solid lithium secondary battery.

따라서, 수율 및 전위창 특성이 안정하고, 유기용매를 사용하지 않으면서도 고용량 및 고전압 특성을 나타낼 수 있는 전고체 리튬이차전지의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to develop a full-solid lithium secondary battery which is stable in yield and potential window characteristics, and can exhibit high capacity and high voltage characteristics without using an organic solvent.

본 발명의 목적은 유기용매를 사용하지 않으면서도 고용량 및 고전압 특성을 나타낼 수 있는 전고체 리튬이차전지를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a pre-solid lithium secondary battery which can exhibit high capacity and high voltage characteristics without using an organic solvent.

또한, 수율 및 전위창 특성이 안정한 전고체 리튬이차전지를 제공하는 데 있다.Further, the present invention provides a pre-solid lithium secondary battery having stable yield and potential window characteristics.

본 발명의 일 측면에 따르면, According to an aspect of the present invention,

음극; Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC) 및 바인더를 포함하는 양극; 및 상기 음극과 양극 사이에 고분자 및 리튬염을 포함하는 고체전해질;을 포함하는 전고체 리튬이차전지가 제공된다.cathode; A positive electrode comprising a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn and a binder; And a solid electrolyte including a polymer and a lithium salt between the cathode and the anode.

상기 고체전해질이 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)을 추가로 포함할 수 있다. The solid electrolyte may further include Li x La y Zr z O 12 (6 ≦ x ≦ 9, 2 ≦ y ≦ 4, 1 ≦ z ≦ 3) (LLZ).

상기 양극이 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)을 추가로 포함할 수 있다. The positive electrode may further include Li x La y Zr z O 12 (6? X? 9, 2? Y? 4, 1? Z? 3) (LLZ).

상기 고분자가 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리프로필렌옥사이드(polypropyleneoxide), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리비닐리덴카보네이트(polyvinylidenecarbonate) 및 폴리비닐피롤리디논(polyvinyl pyrrolidinone) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. Wherein the polymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyethyleneglycol, polyacrylonitrile, polyvinylchloride, polymethylmethacrylate, polypropyleneoxide, polydimethylsiloxane polydimethylsiloxane, polyvinylidene fluoride, polyvinylidenecarbonate, and polyvinyl pyrrolidinone. The polyvinylidene fluoride may be at least one selected from the group consisting of polydimethylsiloxane, polyvinylidene fluoride, polydimethylsiloxane, polyvinylidene fluoride, polyvinylidenecarbonate and polyvinyl pyrrolidinone.

상기 고분자가 폴리에틸렌옥사이드일 수 있다. The polymer may be polyethylene oxide.

상기 리튬염이 리튬퍼클로레이트(LiClO4), 리튬트리플레이트(LiCF3SO3), 리튬헥사플루오로포스페이트(LipF6), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF4) 및 리튬트리플루오로메탄설포닐이미드(LiN(CF3SO2)2) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. Wherein the lithium salt is selected from the group consisting of lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium triflate (LiCF 3 SO 3 ), lithium hexafluorophosphate (LipF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and lithium trifluoromethanesulfonylimide may be at least one selected from (LiN (CF 3 SO 2) 2).

상기 리튬염이 리튬퍼클로레이트일 수 있다. The lithium salt may be lithium perchlorate.

상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate) 및 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The binder may be at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, and polyvinyl pyrrolidone.

상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드일 수 있다. The binder may be polyvinylidene fluoride.

상기 양극이 도전제를 추가로 포함할 수 있다. The anode may further comprise a conductive agent.

상기 도전제가 도전성 탄소, 도전성 금속 및 도전성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The conductive agent may include at least one selected from conductive carbon, conductive metal, and conductive polymer.

상기 음극이 리튬금속, 실리콘, 주석, 흑연 및 코크스 중 선택된 어느 하나를 활물질로 포함할 수 있다. The negative electrode may include any one selected from lithium metal, silicon, tin, graphite, and coke as an active material.

상기 음극이 리튬금속을 활물질로 포함할 수 있다. The negative electrode may include lithium metal as an active material.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

고분자, 리튬염 및 가소제를 혼합한 슬러리를 캐스팅한 후 건조하여 고체전해질 필름을 제조하는 단계(단계 a); Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC) 및 바인더를 포함하는 양극물질 혼합물을 기재 상에 코팅하여 양극을 제조하는 단계(단계 b); 및 상기 양극과 음극 사이에 상기 고체전해질 필름을 배치하여 전고체 리튬이차전지를 제조하는 단계(단계 c);를 포함하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법이 제공된다.Casting a slurry obtained by mixing a polymer, a lithium salt and a plasticizer, and drying the slurry to prepare a solid electrolyte film (step a); Coating a mixture of positive electrode materials comprising a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn and a binder on a substrate to produce a positive electrode (step b); And arranging the solid electrolyte film between the anode and the cathode to produce a pre-solid lithium secondary battery (step c).

상기 슬러리가 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)를 추가로 포함할 수 있다. The slurry may further include Li x La y Zr z O 12 (6? X? 9, 2? Y? 4, 1? Z? 3) (LLZ).

상기 양극물질 혼합물이 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)를 추가로 포함할 수 있다. The positive electrode material mixture may further include Li x La y Zr z O 12 (6 ≦ x ≦ 9, 2 ≦ y ≦ 4, 1 ≦ z ≦ 3) (LLZ).

단계 b 이후에 상기 양극을 압착하는 단계(단계 b’)를 추가로 포함할 수 있다. And then pressing the anode (step b ') after step b.

상기 기재는 알루미늄 및 니켈 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The substrate may include at least one selected from aluminum and nickel.

본 발명의 전고체 리튬이차전지는 종래기술과는 다르게 유기용매를 사용하지 않으면서도 고용량 및 고전압 특성을 나타낼 수 있는 효과가 있다. The entire solid lithium secondary battery of the present invention has the effect of exhibiting high capacity and high voltage characteristics without using an organic solvent unlike the prior art.

또한, 수율 및 전위창 특성이 안정한 전고체 리튬이차전지의 제작이 가능한 효과가 있다.In addition, it is possible to produce a pre-solid lithium secondary battery having stable yield and potential window characteristics.

도 1은 본 발명의 전고체 리튬이차전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 전고체 리튬이차전지 제조방법의 흐름도이다.
도 3은 제조예 1에 따라 제조된 LLZ의 SEM 이미지이다.
도 4는 제조예 1에 따라 제조된 LLZ를 1200℃에서 5시간 동안 열처리한 후 XRD 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 제조예 1에 따라 제조된 LLZ를 1200℃에서 5시간 동안 열처리한 후 상온에서 300℃까지 벌크 이온전도도 및 토탈 이온전도도를 측정한 결과이다.
도 6은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 충방전 특성을 측정한 결과이다.
1 is a schematic diagram of a pre-solid lithium secondary battery of the present invention.
2 is a flow chart of a method for manufacturing a pre-solid lithium secondary battery of the present invention.
3 is an SEM image of LLZ prepared according to Preparation Example 1. Fig.
4 shows the results of XRD after heat treatment of LLZ prepared according to Production Example 1 at 1200 ° C for 5 hours.
FIG. 5 shows the results of measurement of bulk ion conductivity and total ion conductivity at room temperature to 300 ° C. after heat treatment of LLZ prepared in Preparation Example 1 at 1200 ° C. for 5 hours.
FIG. 6 shows the results of measurement of the charge-discharge characteristics of the all-solid lithium secondary batteries produced according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. FIG.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description does not limit the present invention to specific embodiments. In the following description of the present invention, detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the present invention may be blurred .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises ", or" having ", and the like, specify that the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof is contemplated by one or more other features But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 전고체 리튬이차전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the entire solid lithium secondary battery 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.

도 1은 본 발명의 전고체 리튬이차전지의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a pre-solid lithium secondary battery of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전고체 리튬이차전지는 음극, Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC) 및 바인더를 포함하는 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 고분자 및 리튬염을 포함하는 고체전해질을 포함한다. 1, the pre-solid lithium secondary battery of the present invention includes a cathode, a cathode including a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn and a binder, and a polymer and a lithium salt between the cathode and the anode Lt; / RTI >

상기 고체전해질은 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)을 추가로 포함할 수 있다. The solid electrolyte may further include Li x La y Zr z O 12 (6 ≦ x ≦ 9, 2 ≦ y ≦ 4, 1 ≦ z ≦ 3) (LLZ).

상기 양극은 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)을 추가로 포함할 수 있다.The positive electrode may further include Li x La y Zr z O 12 (6 ≦ x ≦ 9, 2 ≦ y ≦ 4, 1 ≦ z ≦ 3) (LLZ).

상기 LLZ을 고체전해질 또는 양극에 포함함으로써 전고체 리튬이차전지의 방전용량이 증가하여 전고체 리튬이차전지의 충방전 특성이 개선될 수 있다.By including the LLZ in the solid electrolyte or the anode, the discharge capacity of the all-solid lithium secondary battery is increased, so that the charge / discharge characteristics of the pre-solid lithium secondary battery can be improved.

상기 고분자는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐클로라이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리디메틸실록산, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴카보네이트, 폴리비닐피롤리디논 등이 가능할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌옥사이드일 수 있다. The polymer may be at least one selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polymethyl methacrylate, polypropylene oxide, polydimethylsiloxane, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene carbonate, And may preferably be polyethylene oxide.

상기 리튬염은 리튬퍼클로레이트, 리튬트리플레이트, 리튬헥사플루오로포스페이트, 리튬테트라플루오로보레이트, 리튬트리플루오로메탄설포닐이미드 등이 가능할 수 있으며, 바람직하게는 리튬퍼클로레이트일 수 있다. The lithium salt may be lithium perchlorate, lithium triflate, lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium trifluoromethanesulfonylimide, or the like, preferably lithium perchlorate.

상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈 등이 가능하며, 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드일 수 있다. The binder may be polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone or the like, preferably polyvinylidene fluoride.

상기 양극은 도전제를 추가로 포함할 수 있다. The anode may further include a conductive agent.

상기 도전제는 도전성 탄소, 도전성 금속, 도전성 고분자 등이 가능하다. The conductive agent may be conductive carbon, conductive metal, conductive polymer, or the like.

상기 음극은 리튬금속, 실리콘, 주석, 흑연 및 코크스 중 선택된 어느 하나를 활물질로 포함할 수 있으며, 바람직하게는 리튬금속을 활물질로 포함할 수 있다. The negative electrode may include any one selected from the group consisting of lithium metal, silicon, tin, graphite, and coke as an active material. Preferably, the negative electrode may include lithium metal as an active material.

도 2는 본 발명의 고체전해질에 LLZ를 포함하는 전고체 리튬이차전지 제조방법의 흐름도이다.2 is a flow chart of a method for manufacturing a pre-solid lithium secondary battery including LLZ in the solid electrolyte of the present invention.

이하, 도 2를 참조하여 고체전해질에 LLZ를 포함하는 경우의 전고체 리튬이차전지의 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, a method for manufacturing a pre-solid lithium secondary battery in which LLZ is contained in a solid electrolyte will be described in detail with reference to FIG.

먼저, LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ), 고분자, 리튬염 및 가소제를 혼합한 슬러리를 캐스팅한 후 건조하여 고체전해질 필름을 제조한다(단계 a).First, a slurry obtained by mixing Li x La y Zr z O 12 (6 ≦ x ≦ 9, 2 ≦ y ≦ 4, 1 ≦ z ≦ 3) (LLZ), a polymer, a lithium salt and a plasticizer was cast and dried to obtain a solid To prepare an electrolyte film (step a).

상기 고분자는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐클로라이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리디메틸실록산, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴카보네이트, 폴리비닐피롤리디논 등이 가능할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌옥사이드일 수 있다. The polymer may be at least one selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polymethyl methacrylate, polypropylene oxide, polydimethylsiloxane, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene carbonate, And may preferably be polyethylene oxide.

상기 리튬염은 리튬퍼클로레이트, 리튬트리플레이트, 리튬헥사플루오로포스페이트, 리튬테트라플루오로보레이트, 리튬트리플루오로메탄설포닐이미드 등이 가능할 수 있으며, 바람직하게는 리튬퍼클로레이트일 수 있다. The lithium salt may be lithium perchlorate, lithium triflate, lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium trifluoromethanesulfonylimide, or the like, preferably lithium perchlorate.

다음으로, Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC) 및 바인더를 포함하는 포함하는 양극물질 혼합물을 기재 상에 코팅하여 양극을 제조한다(단계 b). Next, a positive electrode material mixture containing a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn and a binder is coated on the substrate to prepare a positive electrode (step b).

상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 피롤리돈 등이 가능하며, 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드일 수 있다.The binder may be polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone or the like, preferably polyvinylidene fluoride.

단계 b의 양극 제조시 도전제를 추가로 포함시켜 제조할 수 있다. And a conductive agent in the production of the anode of step b.

상기 도전제는 도전성 탄소, 도전성 금속, 도전성 고분자 등이 가능하다.The conductive agent may be conductive carbon, conductive metal, conductive polymer, or the like.

상기 기재는 알루미늄, 니켈 등이 가능하며, 바람직하게는 알루미늄일 수 있다. The substrate may be aluminum, nickel, or the like, preferably aluminum.

상기 코팅은 스핀 코팅, 딥 코팅, 드롭 캐스팅, 닥터 블래이드 코팅, 및 스프레이 코팅, 스크린 프린팅 등이 가능하나 이에 제한되는 것은 아니다. 기재에 손상을 입히지 않는 코팅 방법이라면 어느 것이든 가능할 수 있다. The coating can be, but is not limited to, spin coating, dip coating, drop casting, doctor blade coating, spray coating, screen printing, and the like. Any coating method that does not damage the substrate may be possible.

단계 b 이후에 상기 양극을 압착하는 단계(단계 b’)를 추가로 포함할 수 있다. And then pressing the anode (step b ') after step b.

마지막으로, 상기 양극과 음극 사이에 상기 고체전해질 필름을 배치하여 전고체 리튬이차전지를 제조한다(단계 c).Finally, the solid electrolyte film is disposed between the anode and the cathode to produce a pre-solid lithium secondary battery (step c).

[실시예][Example]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes only, and thus the scope of the present invention is not limited thereto.

[Li7La3Zr2O12(LLZ) 분말의 제조][Preparation of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) powder]

LLZ 제조예 1LLZ Preparation Example 1

La(NO3)3·2H2O과 ZrO(NO3)2·2H2O을 3:2의 몰비로 혼합한 후, 증류수 500ml에 용해하여 출발물질 수용액을 제조하였다. 또한, 착화제로 증류수 500ml에 5 노르말(N)농도의 암모니아수(NH4OH)를 혼합하고, 용해하여 0.6몰의 수용액을 형성하였다. 그리고, 반응기의 pH 조절을 위하여 수산화나트륨(NaOH) 분말을 용해시켜서 1몰의 수산화나트륨 용액 1000ml를 제조하여 준비하였다. 공침 반응기에 약 500ml의 증류수와 준비된 NaOH로 pH를 11 수준으로 조절하고, 공침 반응기의 임펠러 속도를 약 1000rpm으로 설정한다. 공침 반응이 시작되면 출발물질은 약 4ml/min의 속도로 적정하고, 동시에 착화제로 준비된 암모니아수를 동일한 4ml/min의 속도로 적정해 준다. 또한, 공침 반응이 진행됨에 따라 반응기의 pH 조절을 위해서 준비된 NaOH 1몰 용액을 공침 반응기의 pH 변화에 따라 자동적으로 적정 되도록 한다. 다음으로, 공침 반응이 종료된 후 24시간 동안 일정한 임펠러 교반 속도(1000rpm)로 추가적인 교반을 수행하였다. 상기 공침 반응에서 발생된 침전물을 증류수를 이용하여 pH 7~8 수준이 될 때까지 다수회 세척을 수행하였다. 그리고 세척이 완료된 침전물은 일반 건조기에서 약 110℃ 에서 overnight 건조를 수행하여 1차 전구체 분말을 제조한다. 이때, 1차 전구체는 리튬이 함유되지 않은 상태로서, La3Zr2(OH)x와 같은 조성 형태로 표기될 수 있다. 다음으로, 1차 전구체 분말과 수산화 리튬 분말(LiOH·H2O)을 Li와 La의 몰비가 7:3이 되도록 혼합하고, 유성 볼밀을 이용하여 균일하게 혼합하여 2차 전구체 분말을 형성하였다. 다음으로 900℃에서 5시간 동안 열처리하여 LLZ 분말을 제조하였다. La (NO 3 ) 3 .2H 2 O and ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O were mixed in a molar ratio of 3: 2 and then dissolved in 500 ml of distilled water to prepare an aqueous starting solution. Further, ammonia water (NH 4 OH) of 5 normal (N) concentration was mixed with 500 ml of distilled water as a complexing agent and dissolved to form 0.6 mol of an aqueous solution. Then, sodium hydroxide (NaOH) powder was dissolved to adjust the pH of the reactor to prepare 1000 ml of 1 mole of sodium hydroxide solution. In the coprecipitation reactor, the pH is adjusted to about 11 with about 500 ml of distilled water and the prepared NaOH, and the impeller speed of the coprecipitation reactor is set to about 1000 rpm. When the coprecipitation reaction starts, the starting material is titrated at a rate of about 4 ml / min, and at the same time, the ammonia water prepared as a complexing agent is titrated at the same rate of 4 ml / min. Also, as the coprecipitation reaction proceeds, a 1 molar solution of NaOH prepared for the pH control of the reactor is automatically titrated according to the pH change of the coprecipitation reactor. Next, additional stirring was performed at a constant impeller stirring speed (1000 rpm) for 24 hours after the completion of the coprecipitation reaction. The precipitate generated in the coprecipitation reaction was washed several times with distilled water until the pH reached 7 ~ 8. The washed precipitate is dried overnight in a general drier at about 110 ° C to prepare a first precursor powder. At this time, the first precursor is in a state in which lithium is not contained, and may be expressed in a composition form such as La 3 Zr 2 (OH) x . Next, the first precursor powder and lithium hydroxide powder (LiOH.H 2 O) were mixed so that the molar ratio of Li and La was 7: 3, and uniformly mixed using a planetary ball mill to form a second precursor powder. Next, LLZ powder was prepared by heat treatment at 900 ° C for 5 hours.

[고체전해질 필름의 제조][Production of solid electrolyte film]

필름 제조예 1Film Production Example 1

LLZ 제조예 1에 따라 제조된 LLZ 분말, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO, 수평균분자량 2×105, Aldrich), LiClO4(Aldrich), ACN(Acetonitrile) 을 각각 준비하고, PEO 100 중량부에 대해 LLZ 30 중량부, LiClO4 15 중량부, ACN 263 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리는 PET 필름상에서 코팅하고 상온에서 24시간 건조하여 약 200μm 두께로 고체전해질 필름을 제조하였다.LLZ LLZ powder, polyethylene oxide (PEO, number average molecular weight 2 x 10 5 , Aldrich), LiClO 4 (Aldrich) and ACN (Acetonitrile) prepared according to Production Example 1 were prepared, and LLZ 30 By weight, LiClO 4 15 parts by weight and ACN 263 parts by weight were mixed to prepare a slurry. The prepared slurry was coated on a PET film and dried at room temperature for 24 hours to produce a solid electrolyte film with a thickness of about 200 탆.

필름 제조예 2Film Production Example 2

LLZ 분말 30 중량부 대신에 70중량부를 사용한 것을 제외하고는 필름 제조예 1과 동일한 방법으로 고체전해질 필름을 제조하였다. A solid electrolyte film was prepared in the same manner as in Film Production Example 1 except that 70 parts by weight of LLZ powder was used instead of 30 parts by weight.

필름 제조예 3Film Production Example 3

LLZ 분말 30 중량부 대신에 90 중량부를 사용한 것을 제외하고는 필름 제조예 1과 동일한 방법으로 고체전해질 필름을 제조하였다. A solid electrolyte film was prepared in the same manner as in Film Production Example 1 except that 90 parts by weight of LLZ powder was used instead of 30 parts by weight.

필름 제조예 4Film Production Example 4

LLZ 분말 30 중량부 대신에 120 중량부를 사용한 것을 제외하고는 필름 제조예 1과 동일한 방법으로 고체전해질 필름을 제조하였다. A solid electrolyte film was prepared in the same manner as in Film Production Example 1 except that 120 parts by weight of LLZ powder was used instead of 30 parts by weight.

비교 필름 제조예 1Comparative Film Production Example 1

LLZ 분말을 사용하지 않은 것을 제외하고는 필름 제조예 1과 동일한 방법으로 고체전해질 필름을 제조하였다. A solid electrolyte film was prepared in the same manner as in Film Production Example 1, except that the LLZ powder was not used.

[양극의 제조][Production of anode]

양극 제조예 1Anode Production Example 1

Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, 8wt%), supper-p(도전제)를 각각 준비하고, NMC:PVDF:도전제의 혼합 중량 비율을 8:1:1로 고정하여 균일하게 혼합되도록 교반하였다. 그 후, Al 기재상에 스크린 프린팅 법으로 코팅하고, 110℃에서 24시간 동안 건조하고, 압착한 후 진공분위기에서 80℃에서 24시간 동안 건조하여 양극을 제조하였다.(NMC), polyvinylidene fluoride (PVDF, 8 wt%), and supper-p (conductive agent) were prepared in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of NMC: PVDF: 8: 1: 1, and stirred so as to be uniformly mixed. Thereafter, the film was coated on an Al substrate by screen printing, dried at 110 DEG C for 24 hours, pressed and dried in a vacuum atmosphere at 80 DEG C for 24 hours to prepare a positive electrode.

양극 제조예 2Anode Production Example 2

NMC:PVDF:도전제의 혼합 중량 비율을 8:1:1로 혼합한 것 대신에 NMC:PVDF:도전제:LLZ의 혼합 중량 비율을 7:1:1:1로 혼합한 것을 제외하고는 양극 제조예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다. Except that a mixed weight ratio of NMC: PVDF: conductive agent: LLZ of 7: 1: 1: 1 was used in place of a mixture of NMC: PVDF: conductive agent in a weight ratio of 8: 1: A positive electrode was prepared in the same manner as in Production Example 1.

양극 제조예 3Anode Production Example 3

NMC:PVDF:도전제의 혼합 중량 비율을 8:1:1로 혼합한 것 대신에 NMC:PVDF:도전제:LLZ의 혼합 중량 비율을 6:1:1:2로 혼합한 것을 제외하고는 양극 제조예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다. Except that a mixed weight ratio of NMC: PVDF: conductive agent: LLZ of 6: 1: 1: 2 was used in place of a mixture of NMC: PVDF: conductive agent in a weight ratio of 8: A positive electrode was prepared in the same manner as in Production Example 1.

[전고체 리튬이차전지의 제조][Preparation of pre-solid lithium secondary battery]

실시예 1Example 1

필름 제조예 1에 따라 제조된 고체전해질 필름, 양극 제조예 1에 따라 제조된 양극 및 리튬금속 음극을 코인셀 크기로 펀칭하여 준비하였다. 리튬금속 음극 상에 고체전해질 필름을 배치하고, 고체전해질 필름 상에 양극을 배치한 후, 코인셀 클램핑 장치를 이용하여 전고체 리튬이차전지를 제조하였다. A solid electrolyte film produced according to Film Production Example 1, a positive electrode prepared according to Positive electrode Preparation Example 1, and a lithium metal negative electrode were prepared by punching into a coin cell size. A solid electrolyte film was disposed on the lithium metal cathode, and an anode was disposed on the solid electrolyte film. Then, all solid lithium secondary batteries were prepared using a coin cell clamping apparatus.

실시예 2Example 2

필름 제조예 1에 따라 제조된 고체전해질 필름 대신에 필름 제조예 2에 따라 제조된 고체전해질 필름을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전고체 리튬이차전지를 제조하였다. All solid lithium secondary batteries were prepared in the same manner as in Example 1, except that the solid electrolyte film prepared in accordance with Film Production Example 2 was used in place of the solid electrolyte film prepared in Film Production Example 1.

실시예 3Example 3

필름 제조예 1에 따라 제조된 고체전해질 필름 대신에 필름 제조예 3에 따라 제조된 고체전해질 필름을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전고체 리튬이차전지를 제조하였다. All solid lithium secondary batteries were prepared in the same manner as in Example 1, except that the solid electrolyte film prepared according to Film Production Example 3 was used in place of the solid electrolyte film prepared according to Film Production Example 1.

실시예 4Example 4

필름 제조예 1에 따라 제조된 고체전해질 필름 대신에 필름 제조예 4에 따라 제조된 고체전해질 필름을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전고체 리튬이차전지를 제조하였다.All solid lithium secondary batteries were prepared in the same manner as in Example 1, except that the solid electrolyte film prepared according to Film Production Example 4 was used in place of the solid electrolyte film prepared according to Film Production Example 1.

실시예 5Example 5

비교 필름 제조예 1에 따라 제조된 고체전해질 필름, 양극 제조예 2에 따라 제조된 양극 및 리튬금속 음극을 코인셀 크기로 펀칭하여 준비하였다. 리튬금속 음극 상에 고체전해질 필름을 배치하고, 고체전해질 필름 상에 양극을 배치한 후, 코인셀 클램핑 장치를 이용하여 전고체 리튬이차전지를 제조하였다. A solid electrolyte film produced according to comparative film production example 1, a positive electrode prepared according to positive electrode preparation example 2, and a lithium metal negative electrode were prepared by punching into a coin cell size. A solid electrolyte film was disposed on the lithium metal cathode, and an anode was disposed on the solid electrolyte film. Then, all solid lithium secondary batteries were prepared using a coin cell clamping apparatus.

실시예 6Example 6

양극 제조예 2에 따라 제조된 양극 대신에 양극 제조예 3에 따라 제조된 양극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 전고체 리튬이차전지를 제조하였다.All solid lithium secondary batteries were prepared in the same manner as in Example 5 except that the positive electrode prepared in accordance with Preparation Example 3 of the positive electrode was used instead of the positive electrode prepared in accordance with the positive electrode preparation example 2.

비교예 1Comparative Example 1

양극 제조예 2에 따라 제조된 양극 대신에 양극 제조예 1에 따라 제조된 양극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 전고체 리튬이차전지를 제조하였다.All solid lithium secondary batteries were prepared in the same manner as in Example 5, except that the positive electrode prepared in accordance with Preparation Example 1 of the positive electrode was used in place of the positive electrode prepared according to the positive electrode preparation example 2.

하기 표 1에 양극의 조성 및 고체 전해질 필름의 조성을 정리하였다. 하기 표 1에서 양극의 중량부는 양극의 구성 성분들의 중량비이고, 고체 전해질 필름의 중량부는 고체 전해질 필름의 구성 성분들의 중량비를 의미하며, 양극의 중량부와 고체전해질 필름의 중량부는 서로 관련이 없다.The composition of the positive electrode and the composition of the solid electrolyte film are summarized in Table 1 below. In Table 1, the weight of the anode is the weight ratio of the components of the anode, the weight of the solid electrolyte film is the weight of the components of the solid electrolyte film, and the weight of the anode and the weight of the solid electrolyte film are not related to each other.

양극(중량부)Anode (parts by weight) 고체 전해질 필름(중량부)Solid electrolyte film (parts by weight) NMCNMC PVDFPVDF Supper-PSupper-P LLZLLZ PEOPEO LLZLLZ LiClO4 LiClO 4 실시예 1Example 1 8080 1010 1010 00 100100 3030 1515 실시예 2Example 2 8080 1010 1010 00 100100 7070 1515 실시예 3Example 3 8080 1010 1010 00 100100 9090 1515 실시예 4Example 4 8080 1010 1010 00 100100 120120 1515 실시예 5Example 5 7070 1010 1010 1010 100100 00 1515 실시예 6Example 6 6060 1010 1010 2020 100100 00 1515 비교예 1Comparative Example 1 8080 1010 1010 00 100100 00 1515

[시험예][Test Example]

시험예 1: LLZ의 특성 분석Test Example 1: Characterization of LLZ

도 3은 제조예 1에 따라 제조된 LLZ의 SEM 이미지이다. 도 4는 제조예 1에 따라 제조된 LLZ를 900℃에서 5시간 동안 열처리한 후 XRD 결과를 나타낸 것이고, 도 5는 상온에서 300℃까지 벌크 이온전도도(bulk) 및 토탈 이온전도도(total)를 측정한 결과이다. 3 is an SEM image of LLZ prepared according to Preparation Example 1. Fig. FIG. 4 shows XRD results after heat treatment of LLZ prepared according to Preparation Example 1 at 900 ° C. for 5 hours. FIG. 5 shows bulk ion conductivity and total ion conductivity (total) measured from room temperature to 300 ° C. This is a result.

도 3을 참조하면, 분말 상태의 LLZ가 약 2-3 μm의 평균 입자크기를 갖는 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 3, it was found that the LLZ in the powder state had an average particle size of about 2-3 μm.

도 4를 참조하면, LLZ가 약간의 불순물을 포함하고 있으나, 주로 등축정계(cubic system) 구조를 나타내고 있었다. Referring to FIG. 4, although the LLZ contains a small amount of impurities, it mainly exhibits a cubic system structure.

도 5를 참조하면, LLZ의 벌크 이온전도도가 상온에서 약 200℃까지 약 2.0×10-3 S/cm 수준으로 거의 일정한 것으로 나타났다. 그러나, 200℃ 이상에서 이온전도도가 급격히 증가하고, 300℃에서 약 1.6×10-2 S/cm 수준으로 이온전도도가 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, 입자의 입경을 포함하는 토탈 이온전도도의 경우, 상온에서 2.0 x 10-6 S/cm, 50℃에서 4.5 x 10-6 S/cm, 200℃에서 1.3 x 10-3 S/cm, 300℃에서 1.06 x 10-2 S/cm 수준으로 나타났다.Referring to FIG. 5, the bulk ion conductivity of the LLZ was found to be approximately constant at about 2.0 × 10 -3 S / cm from room temperature to about 200 ° C. However, it was confirmed that the ionic conductivity increased sharply at 200 ° C or higher, and the ionic conductivity increased to about 1.6 × 10 -2 S / cm at 300 ° C. In the case of the total ion conductivity including the grain size of the particles, it was 2.0 x 10 -6 S / cm at room temperature, 4.5 x 10 -6 S / cm at 50 ° C, 1.3 x 10 -3 S / cm at 200 ° C, 300 Lt; -2 & gt ; S / cm.

시험예 2: 전고체 리튬이차전지의 특성 분석Test Example 2: Characterization of all solid lithium secondary batteries

실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 충방전 특성을 측정하여 도 6에 나타내었다. 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 충전조건은 0.05CC-0.03CV 로 설정하였다. 방전조건은 0.05CC로 하여 충전은 4.2V 구간에서, 방전은 2.5V 구간에서 실시하였다. 이때 실시예 1 내지 3의 충방전의 분위기는 60℃로 유지하였고, 실시예 4는 70℃로 유지하였고, 실시예 5, 6 및 비교예 1의 충방전 분위기는 동일한 조건인 25℃로 유지하였다. The charge / discharge characteristics of the all-solid lithium secondary batteries produced according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were measured and shown in FIG. The charging conditions of the pre-solid lithium secondary battery produced according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were set to 0.05CC-0.03CV. The discharging condition was 0.05CC, charging was performed at 4.2V, and discharging was performed at 2.5V. At this time, the charging and discharging atmosphere in Examples 1 to 3 was maintained at 60 ° C, the temperature of Example 4 was kept at 70 ° C, and the charging and discharging conditions of Examples 5 and 6 and Comparative Example 1 were maintained at 25 ° C .

도 6을 참조하면, 실시예 1의 전고체 리튬이차전지는 1 싸이클의 충방전 거동에서 매우 비가역적 거동과 함께 1 싸이클 이상 유지되지 않고, 단락현상으로 실험이 중지되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 비하여 실시예 3(LLZ 90 중량부)의 전고체 리튬이차전지는 충방전 싸이클이 정상적으로 유지되고, 용량이 약 145mAh/g 수준인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 4의 전고체 리튬이차전지의 용량은 130mAh/g 수준으로, 방전 특성이 보다 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the entire solid lithium secondary battery of Example 1 was not maintained for more than one cycle with very irreversible behavior in one cycle of charging / discharging behavior, and the experiment was stopped due to a short circuit. On the other hand, it was confirmed that the charging / discharging cycle of the pre-solid lithium battery of Example 3 (LLZ 90 parts by weight) was normally maintained and the capacity was about 145 mAh / g. It was also confirmed that the capacity of the pre-solid lithium secondary battery of Example 4 was 130 mAh / g, and the discharge characteristics were further reduced.

LLZ를 전혀 포함하지 않는 비교예 1의 전고체 리튬이차전지의 경우, 충방전 특성이 잘 구현되지 않았다. 양극에 LLZ를 포함하는 실시예 5의 전고체 리튬이차전지는 충방전 특성이 가역적으로 변하고 방전용량이 약 120 mAh/g 수준으로 증가하고 2 싸이클에서 용량 증가현상을 보였다. 실시예 6의 전고체 리튬이차전지는 방전용량이 약 90 mAh/g 수준으로 감소하고 2 싸이클에서 용량이 감소하는 현상을 확인할 수 있었다.In the case of the all-solid lithium secondary battery of Comparative Example 1 which does not contain LLZ at all, the charging and discharging characteristics are not well realized. The charge / discharge characteristics of the pre-solid lithium lithium secondary battery of Example 5 including LLZ in the anode reversibly changed, the discharge capacity increased to about 120 mAh / g, and the capacity increase was observed in two cycles. It was confirmed that the discharge capacity of the pre-solid lithium lithium secondary battery of Example 6 was reduced to about 90 mAh / g and the capacity decreased in two cycles.

따라서, 실시예 4의 전고체 리튬이차전지의 방전용량이 가장 크고, 싸이클 특성도 우수한 것을 확인할 수 있었고, LLZ가 양극 또는 고체전해질에 포함되는 전고체 리튬이차전지의 특성이 LLZ를 전혀 포함하지 않는 전고체 리튬이차전지에 비해 우수한 특성을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한, 본 발명의 전고체 리튬이차전지는 유기전해액을 전혀 사용하지 않고도 액체 전해액을 적용하는 리튬이차전지의 방전 용량과 거의 동일한 수준으로 유지되는 우수한 전지특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Therefore, it was confirmed that the discharge capacity of the all-solid lithium secondary battery of Example 4 is the largest and the cycle characteristics are excellent. When the characteristics of the all-solid lithium secondary battery in which LLZ is contained in the anode or the solid electrolyte do not include LLZ at all It was found that the lithium secondary battery of the present invention had excellent characteristics as compared with the conventional solid lithium secondary battery. In addition, it was confirmed that the pre-solid lithium lithium secondary battery of the present invention exhibits excellent cell characteristics that are maintained at substantially the same level as the discharge capacity of a lithium secondary battery to which a liquid electrolyte is applied without using any organic electrolytic solution.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (18)

음극;
Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC) 및 바인더를 포함하는 양극; 및
상기 음극과 양극 사이에 고분자 및 리튬염을 포함하는 고체전해질;을 포함하고,
상기 고체전해질이 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)을 추가로 포함하고,
상기 음극이 리튬금속을 활물질로 포함하고,
상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)이고,
상기 고분자가 폴리에틸렌옥사이드인
전고체 리튬이차전지.
cathode;
A positive electrode comprising a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn and a binder; And
And a solid electrolyte including a polymer and a lithium salt between the cathode and the anode,
Wherein the solid electrolyte further comprises LixLa y Zr z O 12 (6? X? 9, 2? Y? 4, 1? Z? 3)
Wherein the negative electrode contains lithium metal as an active material,
Wherein the binder is polyvinylidene fluoride,
When the polymer is polyethylene oxide
All solid lithium secondary batteries.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양극이 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the positive electrode further comprises Li x La y Zr z O 12 (6 ≦ x ≦ 9, 2 ≦ y ≦ 4, 1 ≦ z ≦ 3) (LLZ).
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 리튬염이 리튬퍼클로레이트(LiClO4), 리튬트리플레이트(LiCF3SO3), 리튬헥사플루오로포스페이트(LipF6), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF4) 및 리튬트리플루오로메탄설포닐이미드(LiN(CF3SO2)2) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium salt is selected from the group consisting of lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium triflate (LiCF 3 SO 3 ), lithium hexafluorophosphate (LipF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and lithium trifluoromethanesulfonylimide (LiN (CF 3 SO 2) 2) all-solid lithium secondary battery, characterized in that at least one member selected from.
제6항에 있어서,
상기 리튬염이 리튬퍼클로레이트인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method according to claim 6,
Wherein the lithium salt is lithium perchlorate.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양극이 도전제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the anode further comprises a conductive agent. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제10항에 있어서,
상기 도전제가 도전성 탄소, 도전성 금속 및 도전성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
11. The method of claim 10,
Wherein the conductive agent comprises at least one selected from the group consisting of conductive carbon, conductive metal, and conductive polymer.
삭제delete 삭제delete 고분자, 리튬염 및 가소제를 혼합한 슬러리를 캐스팅한 후 건조하여 고체전해질 필름을 제조하는 단계(단계 a);
Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC) 및 바인더를 포함하는 양극물질 혼합물을 기재 상에 코팅하여 양극을 제조하는 단계(단계 b); 및
상기 양극과 음극 사이에 상기 고체전해질 필름을 배치하여 전고체 리튬이차전지를 제조하는 단계(단계 c);를 포함하고,
상기 슬러리가 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)을 추가로 포함하고,
상기 음극이 리튬금속을 활물질로 포함하고,
상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)이고,
상기 고분자가 폴리에틸렌옥사이드인
전고체 리튬이차전지의 제조방법.
Casting a slurry obtained by mixing a polymer, a lithium salt and a plasticizer, and drying the slurry to prepare a solid electrolyte film (step a);
Coating a mixture of positive electrode materials comprising a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn and a binder on a substrate to produce a positive electrode (step b); And
(C) placing the solid electrolyte film between the anode and the cathode to produce a pre-solid lithium secondary battery,
Wherein the slurry further comprises Li x La y Zr z O 12 (6? X? 9, 2? Y? 4, 1? Z? 3)
Wherein the negative electrode contains lithium metal as an active material,
Wherein the binder is polyvinylidene fluoride,
When the polymer is polyethylene oxide
A method for manufacturing a solid lithium secondary battery.
삭제delete 제14항에 있어서,
상기 양극물질 혼합물이 LixLayZrzO12(6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3)(LLZ)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the positive electrode material mixture further comprises Li x La y Zr z O 12 (6 ≦ x ≦ 9, 2 ≦ y ≦ 4, 1 ≦ z ≦ 3) (LLZ) Gt;
제14항에 있어서,
단계 b 이후에 상기 양극을 압착하는 단계(단계 b’)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Further comprising the step of compressing the positive electrode after step b (step b ').
제14항에 있어서,
상기 기재는 알루미늄 및 니켈 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the base material comprises at least one selected from aluminum and nickel.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200000192A (en) * 2018-06-22 2020-01-02 한국생산기술연구원 Organic/inorganic hybrid solid electrolyte and all solid lithium secondary battery comprising the same
KR20210026840A (en) * 2019-09-02 2021-03-10 한국생산기술연구원 All solid lithium secondary battery haviing high ion conductivity comprising plasticizer and method of preparing same
CN116093328A (en) * 2023-03-02 2023-05-09 哈尔滨工业大学 Preparation method of high-magnification silicon-based negative electrode material, preparation method of carbon-free solid-state battery negative electrode piece and application
US11888151B2 (en) 2018-03-14 2024-01-30 Lg Energy Solution, Ltd. Method of preparing positive electrode

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015088480A (en) * 2013-09-25 2015-05-07 富士フイルム株式会社 Solid electrolytic composition, binder for all-solid type secondary batteries, electrode sheet for batteries arranged by use thereof, and all-solid type secondary battery

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015088480A (en) * 2013-09-25 2015-05-07 富士フイルム株式会社 Solid electrolytic composition, binder for all-solid type secondary batteries, electrode sheet for batteries arranged by use thereof, and all-solid type secondary battery

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11888151B2 (en) 2018-03-14 2024-01-30 Lg Energy Solution, Ltd. Method of preparing positive electrode
KR20200000192A (en) * 2018-06-22 2020-01-02 한국생산기술연구원 Organic/inorganic hybrid solid electrolyte and all solid lithium secondary battery comprising the same
KR102087326B1 (en) * 2018-06-22 2020-03-10 한국생산기술연구원 Organic/inorganic hybrid solid electrolyte and all solid lithium secondary battery comprising the same
KR20210026840A (en) * 2019-09-02 2021-03-10 한국생산기술연구원 All solid lithium secondary battery haviing high ion conductivity comprising plasticizer and method of preparing same
KR102241068B1 (en) * 2019-09-02 2021-04-16 한국생산기술연구원 All solid lithium secondary battery haviing high ion conductivity comprising plasticizer and method of preparing same
CN116093328A (en) * 2023-03-02 2023-05-09 哈尔滨工业大学 Preparation method of high-magnification silicon-based negative electrode material, preparation method of carbon-free solid-state battery negative electrode piece and application
CN116093328B (en) * 2023-03-02 2023-09-22 哈尔滨工业大学 Preparation method of high-magnification silicon-based negative electrode material, preparation method of carbon-free solid-state battery negative electrode piece and application

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