KR101876025B1 - Method of manufacturing composite positive electrode for all-solid battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공 공정을 통해 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 최소한의 함량으로 코팅시켜 복합 양극 분말을 제조한 후 이를 열처리하여 복합 양극 내에 전해질 매트릭스를 형성함으로써 활물질 입자 사이에서 효과적인 전도 경로를 확보하여 전극 내 저항을 최소한으로 감소시키는 동시에 복합 양극 내 활물질의 함량을 늘려 전지 용량을 크게 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a composite anode for a full-solid battery, and more particularly, to a method of manufacturing a composite anode by coating a lithium ion conductive solid electrolyte on a surface of an active material precursor through a vacuum process, The formation of an electrolyte matrix in the composite anode ensures an effective conduction path between the active material particles to minimize the resistance in the electrode and to increase the content of the active material in the composite anode to greatly improve the capacity of the battery. ≪ / RTI >

Description

전고체 전지용 복합 양극의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE POSITIVE ELECTRODE FOR ALL-SOLID BATTERY}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a composite anode for a solid-

본 발명은 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공 공정을 통해 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 최소한의 함량으로 코팅시켜 복합 양극 분말을 제조한 후 이를 열처리하여 복합 양극 내에 전해질 매트릭스를 형성함으로써 활물질 입자 사이에서 효과적인 전도 경로를 확보하여 전극 내 저항을 최소한으로 감소시키는 동시에 복합 양극 내 활물질의 함량을 늘려 전지 용량을 크게 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a composite anode for a full-solid battery, and more particularly, to a method of manufacturing a composite anode by coating a lithium ion conductive solid electrolyte on a surface of an active material precursor through a vacuum process, The formation of an electrolyte matrix in the composite anode ensures an effective conduction path between the active material particles to minimize the resistance in the electrode and to increase the content of the active material in the composite anode to greatly improve the capacity of the battery. ≪ / RTI >

전고체 전지란 이차 전지를 구성하는 양극, 전해질, 분리막, 음극 소재 중에서 액상으로 존재하는 액체전해질을 고체전해질로 대체한 전지이다. 유기 전해액을 사용하는 기존의 2차 전지(주로 리튬이온 이차전지)는 과충전 및 내부 합선 등의 이상이 발생했을 때 전지 내부의 온도 상승으로 전해액이 휘발하는 성질이 있어 불이 나거나 폭발할 위험이 있다. A pre-solid battery is a battery in which a solid electrolyte is substituted for a liquid electrolyte present in a liquid phase among an anode, an electrolyte, a separator, and an anode material constituting the secondary battery. Conventional secondary batteries (mainly lithium ion secondary batteries) using an organic electrolyte have a property that the electrolyte is volatilized due to an increase in the internal temperature of the battery when an overcharge or an internal short circuit occurs, and there is a risk of fire or explosion .

이에 반해, 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지는 안전성을 크게 개선할 수 있으며, 동일 이온전도도를 가지는 경우 이온 운반율이 액체 전해질 대비 3 배 이상이다. 또한 전해질 내에서의 리튬 이온의 확산 속도가 액체 전해액보다 빠르기 때문에 이론적으로는 고출력화도 가능하다. On the other hand, the entire solid-state battery using the solid electrolyte can greatly improve the safety, and when the ion conductivity is the same, the ion transport rate is three times or more as compared with the liquid electrolyte. Further, since the diffusion rate of lithium ions in the electrolyte is faster than that of the liquid electrolyte, theoretically, high output can be achieved.

그러나 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지는 기존 액체 전해질을 사용하는 전지에 비해 양극과 음극 전극 내에서 특히 이온 전달 경로를 우수하게 설계하여야 한다. 고체전해질을 사용하는 전고체 전지에서는 일반적으로 전극 형성 시 활물질 및 고체전해질 분말을 혼합하여 슬러리를 만들고, 집전체에 코팅하여 복합 전극을 형성한다.However, all solid-state batteries using solid electrolytes are required to have excellent ion transfer paths especially in the anode and cathode electrodes, compared to batteries using conventional liquid electrolytes. In the case of a solid electrolyte using a solid electrolyte, a slurry is generally prepared by mixing the active material and the solid electrolyte powder at the time of electrode formation, and the composite electrode is formed by coating the collector.

이때, 고체-고체 분말간의 혼합으로 이온 전도 경로를 확보하기 위해서는 혼합 분말에서 고체전해질이 차지하는 분율(보통 40 중량% 이상)이 크기 때문에 전체적인 전극 저항이 크고, 상대적으로 활물질의 함량이 적어 이온전도도가 좋지 않아 결과적으로 전지 용량이 저하되는 문제가 있다. In this case, in order to secure the ion conduction path by mixing the solid-solid powder, the fraction of the solid electrolyte in the mixed powder (usually at least 40% by weight) is large, so the electrode resistance is large and the ionic conductivity is relatively low There is a problem that the battery capacity is deteriorated as a result.

종래 한국공개특허 제2015-0143365호에서는 양극에는 탄화수소계, 불소계 또는 폴리에스테르계 고분자로 이루어진 고체상 전해질을 형성하고, 음극에는 고분자 또는 무기물의 고체상 전해질을 형성하여 제조된 전고체 전지에 관해 개시되어 있으나, 사용되는 전해질 함량이 많아 활물질의 상대적인 함량을 증가시키기가 어려운 문제가 있다. 또한 이종 전해질을 적용하여 전지 구조가 복잡해져서 양산 적용 시 공정 구현이 힘들고, 공정 비용이 상승하는 문제가 있으며, 이종 계면에서 전도도 차이에 의한 분극 현상으로 인해 전지의 저항이 증가하는 문제가 있다. In Korean Unexamined Patent Publication No. 2015-0143365, a solid-state electrolyte made of a hydrocarbon-based, fluorine-based or polyester-based polymer is formed on the anode, and a solid electrolyte of a polymer or an inorganic material is formed on the anode. , There is a problem that it is difficult to increase the relative content of the active material due to the large amount of electrolyte used. Also, since the cell structure is complicated by applying a hetero-electrolyte, the process is difficult to implement in the mass production application and the process cost is increased. There is a problem that the resistance of the battery increases due to the polarization due to the difference in conductivity at the hetero-interface.

따라서, 고체 전해질의 함량을 줄이면서도 이온전달경로를 효과적으로 확보하여 전지의 용량을 확보할 수 있는 전고체 전지에 대한 연구개발이 필요하다.
Therefore, it is necessary to research and develop all-solid-state cells capable of ensuring the capacity of the battery by effectively securing the ion transfer path while reducing the content of the solid electrolyte.

한국공개특허 제2015-0143365호Korea Patent Publication No. 2015-0143365

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 기존의 이종 전해질을 양극과 음극에 적용하는 공정 대신 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 최소한의 함량으로 코팅시켜 복합 양극 분말을 제조한 후 이를 열처리하여 복합 양극 내에 전해질 매트릭스를 형성함으로써 활물질 입자 사이에서 효과적인 전도 경로를 확보하여 전극 내 저항을 최소한으로 감소시키는 동시에 복합 양극 내 활물질의 함량을 늘려 전지 용량을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.In order to solve the above problem, instead of the process of applying a conventional heterogeneous electrolyte to a cathode and an anode, a lithium ion conductive solid electrolyte is coated on the surface of an active material precursor with a minimal amount to prepare a composite anode powder, It has been found that an effective conduction path between the active material particles can be ensured to reduce the resistance in the electrode to a minimum and to increase the content of the active material in the composite anode, thereby greatly improving the battery capacity.

따라서 본 발명의 목적은 전극 저항을 최소한으로 감소시키는 동시에 전지 용량을 크게 향상시킨 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법을 제공하는데 있다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a composite anode for a full-solid battery in which electrode resistance is minimized while battery capacity is greatly improved.

본 발명은 (a) 활물질 전구체를 준비하는 단계; (b) 상기 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 코팅시키는 단계; (c) 상기 리튬이온 전도성 고체전해질이 코팅된 활물질 전구체를 건조하여 복합 양극 분말을 제조하는 단계; (d) 상기 복합 양극 분말을 양극 집전체 상에 캐스팅하여 복합 양극층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 복합 양극층을 열처리하는 단계;를 포함하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법을 제공한다.
(A) preparing an active material precursor; (b) coating a surface of the active material precursor with a lithium ion conductive solid electrolyte; (c) drying the active material precursor coated with the lithium ion conductive solid electrolyte to prepare a composite positive electrode powder; (d) casting the composite positive electrode powder on a positive electrode collector to form a composite positive electrode layer; And (e) heat-treating the composite anode layer.

본 발명에 따른 전고체 전지용 복합 양극은 진공 공정을 통해 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 최소한의 함량으로 코팅시켜 복합 양극 분말을 제조한 후 이를 열처리하여 복합 양극 내에 전해질 매트릭스를 형성함으로써 활물질 입자 사이에서 효과적인 전도 경로를 확보하여 전극 내 저항을 최소한으로 감소시키는 동시에 복합 양극 내 활물질의 함량을 늘려 전지 용량을 크게 향상시킬 수 있다.
The composite positive electrode for a full-solid battery according to the present invention can be produced by coating a lithium ion conductive solid electrolyte on the surface of an active material precursor through a vacuum process to prepare a composite positive electrode powder and then heat treating the composite positive electrode powder to form an electrolyte matrix in the composite positive electrode, It is possible to secure an effective conduction path between the particles to minimize the resistance in the electrode and increase the content of the active material in the composite anode, thereby greatly improving the battery capacity.

도 1은 본 발명에 따른 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질이 얇게 코팅된 복합 양극 분말의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조된 복합 양극층의 열처리 전과 후를 계략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제조된 리튬이온 전도성 고체전해질이 코팅된 활물질 전구체의 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 2에서 제조된 리튬이온 전도성 고체전해질이 코팅된 활물질 전구체의 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1(좌) 및 실시예(우)에서 제조된 복합 양극층을 보여주는 사진이다.
도 6는 본 발명의 실시예(실선) 및 비교예 1(점선)에서 제조된 복합 양극의 임피던스 분석 결과를 보여준 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1에서 제조된 복합 양극을 이용한 전지의 용량 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 제조된 복합 양극을 이용한 전지의 용량 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a cross-sectional view of a composite anode powder in which a lithium ion conductive solid electrolyte is thinly coated on the surface of an active material precursor according to the present invention.
2 is a cross-sectional view schematically showing the composite anode layer prepared in the embodiment of the present invention before and after the heat treatment.
3 is an electron micrograph of a lithium ion conductive solid electrolyte-coated active material precursor prepared in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an electron micrograph of a lithium ion conductive solid electrolyte-coated active material precursor prepared in Comparative Example 2 of the present invention. FIG.
5 is a photograph showing the composite anode layer prepared in Comparative Example 1 (left) and Example (right) of the present invention.
6 is a graph showing the impedance analysis results of the composite anode fabricated in the embodiment (solid line) and the comparative example 1 (dotted line) of the present invention.
7 is a graph showing the capacity characteristics of the battery using the composite anode manufactured in Comparative Example 1 of the present invention.
8 is a graph showing the capacity characteristics of the battery using the composite anode fabricated in the embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to one embodiment.

본 발명은 (a) 활물질 전구체를 준비하는 단계; (b) 상기 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 코팅시키는 단계; (c) 상기 리튬이온 전도성 고체전해질이 코팅된 활물질 전구체를 건조하여 복합 양극 분말을 제조하는 단계; (d) 상기 복합 양극 분말을 양극 집전체 상에 캐스팅하여 복합 양극층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 복합 양극층을 열처리하는 단계;를 포함하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법을 제공한다.(A) preparing an active material precursor; (b) coating a surface of the active material precursor with a lithium ion conductive solid electrolyte; (c) drying the active material precursor coated with the lithium ion conductive solid electrolyte to prepare a composite positive electrode powder; (d) casting the composite positive electrode powder on a positive electrode collector to form a composite positive electrode layer; And (e) heat-treating the composite anode layer.

본 발명에서는 기존의 활물질 및 고체전해질의 혼합 분말 대신 고체전해질 소재를 활물질의 표면에 코팅한 기능성 분말을 사용하여 복합 양극을 제조하는데 주요 기술적 특징이 있으며, 이로 인해 활물질의 분율을 높이고, 기존의 분말 혼합 공정을 간소화하는 이점이 있다. 또한 소량의 고체전해질을 활물질 표면에 코팅하여 전극을 형성함으로써 복합 양극 내 활물질의 함량을 늘려 전지용량을 향상시킬 수 있다.In the present invention, there is a major technical feature in manufacturing a composite anode using a functional powder in which a solid electrolyte material is coated on the surface of an active material in place of a mixed powder of an active material and a solid electrolyte, thereby increasing the fraction of the active material, There is an advantage of simplifying the mixing process. Further, by coating the surface of the active material with a small amount of solid electrolyte to form an electrode, the content of the active material in the composite anode can be increased to improve the battery capacity.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계에서 사용되는 활물질 전구체는 LiCoO2, LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2, LiMn2O4 및 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기와 같은 활물질 전구체들은 층간 구조 물질 또는 스피넬 구조 물질인 산화물로 약 900 ℃ 이상의 온도에서 성능 열화를 나타낸다. 이에 상기 활물질 전구체의 표면처리 물질로는 리튬이온 전도성 고체전해질(산화물) 중에서 융점이 900 ℃ 보다 낮으면서도 이온전도가 높은 소재를 사용하는 것이 좋다. According to a preferred embodiment, the active material precursor used in the step (a) is LiCoO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiMn 2 O 4 can be used, and LiNi 0 .8 Co 0 .15 at least one member selected from the group consisting of Al 0 .05 O 2. Such active material precursors exhibit deterioration in performance at temperatures of about 900 DEG C or higher in an interlayer structure material or an oxide which is a spinel structure material. As the surface treatment material of the active material precursor, it is preferable to use a material having a low melting point of 900 캜 and a high ion conductivity in a lithium ion conductive solid electrolyte (oxide).

도 1은 본 발명에 따른 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질이 얇게 코팅된 복합 양극 분말의 단면도이다. 상기 도 1에 나타낸 바와 같이 활물질 전구체의 표면이 특히 저융점의 리튬이온 전도성 고체전해질로 얇게 코팅된 것을 보여주고 있다. 1 is a cross-sectional view of a composite anode powder in which a lithium ion conductive solid electrolyte is thinly coated on the surface of an active material precursor according to the present invention. As shown in FIG. 1, the surface of the active material precursor is thinly coated with a lithium ion conductive solid electrolyte having a low melting point.

이러한 구조의 복합 양극을 형성하기 위해서는 활물질 전구체의 표면에 코팅되는 고체전해질의 소재 선정이 중요하다. 구체적으로 상기 고체전해질은 활물질이 손상되지 않은 온도 범위 내에 있는 융점을 가져야 한다. 또한 활물질 표면과의 접촉성이 좋아야 하며, 이온 전도 효과를 위해 리튬이온 전도성이 높은 것을 사용하는 것이 좋다. In order to form a composite anode having such a structure, it is important to select the material of the solid electrolyte coated on the surface of the active material precursor. Specifically, the solid electrolyte should have a melting point within a temperature range at which the active material is not damaged. In addition, it should have good contact with the surface of the active material, and it is preferable to use one having a high lithium ion conductivity for the ion conduction effect.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 리튬이온 전도성 고체전해질은 리튬을 포함하는 산화물로 유리화가 잘되는 특성을 가진 리튬포스페이트(Li-P-O)계 산화물, 리튬보레이트(Li-B-O)계 산화물 또는 이들의 혼합물인 것을 사용할 수 있다. 구체적으로 리튬포스페이트(Li-P-O)계 산화물은 융점이 약 800 ℃ 이상이고, 리튬보레이트(Li-B-O)계 산화물은 약 600 ℃ 의 융점을 가진다. 바람직하게는 Li3PO4 , Li3BO3 또는 이들의 혼합물인 것을 사용할 수 있다. 상기 Li3PO4는 융점이 약 837 ℃이고, 상기 Li3BO3는 융점이 약 650 ℃인 것으로 본 발명에 적합한 고체전해질 소재이다. 다만, Li-Si-O 계 산화물의 경우, 녹는점이 1200 ℃ 이상(Li2SiO3 1201 ℃)으로 활물질의 융점(약 900 ℃) 보다 훨씬 높아 본 발명에서는 적합하지 않다. According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (b), the lithium ion conductive solid electrolyte is a lithium phosphate (Li-PO) oxide, lithium borate (Li-BO) Based oxide or a mixture thereof. Specifically, the lithium phosphate (Li-PO) -based oxide has a melting point of about 800 Lt; 0 > C or higher, and lithium borate (Li-BO) Lt; 0 > C. Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 or a mixture thereof may be preferably used. The Li 3 PO 4 has a melting point of about 837 ° C and the Li 3 BO 3 has a melting point of about 650 ° C, which is a solid electrolyte material suitable for the present invention. However, in the case of the Li-Si-O-based oxide, the melting point is 1200 ℃ least (Li 2 SiO 3 1201 ° C.), which is much higher than the melting point of the active material (about 900 ° C.), which is not suitable for the present invention.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서는 상기 활물질 전구체의 표면을 진공 증착기를 이용하여 리튬이온 전도성 고체전해질로 코팅시킬 수 있다. 그러나 활물질의 표면처리 방법은 이에 한정되는 것은 아니다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (b), the surface of the active material precursor may be coated with a lithium ion conductive solid electrolyte using a vacuum evaporator. However, the surface treatment method of the active material is not limited thereto.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 리튬이온 전도성 고체전해질의 코팅량은 상기 활물질 전구체 대비 2~10 중량%이고, 코팅두께는 15~100 nm인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 리튬이온 전도성 고체전해질의 코팅량은 2~10 중량%인 것이 좋은데, 상기 코팅량이 2 중량% 보다 미만이면 활물질 분말 표면을 완벽하게 덮을 수 없고, 10 중량% 보다 초과이면 고체전해질층이 두꺼워져 전자 전달의 큰 저항층으로 작용하는 문제가 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the coating amount of the lithium ion conductive solid electrolyte in step (b) may be 2 to 10% by weight based on the precursor of the active material, and the coating thickness may be 15 to 100 nm. If the coating amount is less than 2% by weight, the surface of the active material powder can not be completely covered. If the amount of the lithium ion conductive solid electrolyte is more than 10% by weight, the solid electrolyte layer There is a problem that it acts as a large resistance layer of electron transfer.

또한 코팅두께가 15 nm 보다 미만이면 열처리 공정에서 녹은 고체전해질 양이 너무 적어 효과적인 이온 전도성을 가지는 전해질 매트릭스의 형성이 어렵다. 또한 코팅두께가 100 nm 보다 초과이면 고체전해질의 양이 너무 많으면 활물질의 양이 상대적으로 적어져 고에너지 밀도를 형성하는 것이 어렵고 결과적으로 전자전도에 악영향을 미치는 문제가 있다. 바람직하게는 코팅두께가 50~70 nm인 것이 좋다. 예를 들어 활물질의 밀도를 5 g/cm3으로 잡고(LiCoO2=5.1 g/cm3), 리튬 보레이트계 고체전해질의 밀도를 2 g/cm3(Li3BO3 = 2.16 g/cm3)으로 잡으면, 평균 반경이 2.5 ㎛인 활물질 표면에 리튬보레이트계 산화물을 100 nm의 두께로 코팅할 경우 활물질과 고체전해질의 중량비는 95: 5 중량비 수준을 가진다. 이러한 점을 고려할 때 표면 코팅층의 두께는 15~100 nm로 조절하는 것이 좋다.Also, if the coating thickness is less than 15 nm, the amount of solid electrolyte dissolved in the heat treatment process is too small and it is difficult to form an electrolyte matrix having effective ion conductivity. If the coating thickness is more than 100 nm, if the amount of the solid electrolyte is too large, the amount of the active material becomes relatively small, so that it is difficult to form a high energy density and consequently there is a problem that the electron conduction is adversely affected. Preferably, the coating thickness is 50 to 70 nm. For example, when the density of the active material is 5 g / cm 3 (LiCoO 2 = 5.1 g / cm 3 ) and the density of the lithium borate solid electrolyte is 2 g / cm 3 (Li 3 BO 3 = 2.16 g / cm 3 ) , When a lithium borate oxide is coated to a thickness of 100 nm on the surface of an active material having an average radius of 2.5 占 퐉, the weight ratio of the active material to the solid electrolyte is 95: 5 by weight. Considering this point, the thickness of the surface coating layer is preferably adjusted to 15 to 100 nm.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서는 10 ~ 1x10-4 Pa의 압력 조건에서 6~10 시간 동안 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 (b) 단계에서는 반응 챔버 내부를 일차적으로 10-4 Pa 이하의 진공 상태로 만든 다음, 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 가스를 주입한 후 10 ~ 1x10-4 Pa의 압력 조건에서 수행하는 것이 바람직하다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step (b) may be carried out at a pressure of 10 to 1 × 10 -4 Pa for 6 to 10 hours. Specifically, the step (b) the internal reaction chamber primarily made to a vacuum of less than 10 -4 Pa, then an argon (Ar) or nitrogen (N 2) pressure of the gas after injecting 10 ~ 1x10 -4 Pa . ≪ / RTI >

본 발명의 바람직한 구현 예에 의하면, 상기 (c) 단계에서 건조는 250~350 ℃의 온도에서 10~14 시간 동안 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 (c) 단계에서는 활물질 전구체의 표면을 리튬이온 전도성 고체전해질로 코팅시킨 후 건조하여 복합 양극 분말을 제조할 수 있다. 이때 건조 온도가 250 ℃ 보다 미만이면 불완전 건조로 잔류 수분에 의한 활물질 열화 및 고체전해질 특성 열화 가능성이 있고, 350 ℃ 보다 초과이면 과건조 조건이 될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, drying in step (c) may be performed at a temperature of 250 to 350 ° C for 10 to 14 hours. Specifically, in the step (c), the surface of the active material precursor may be coated with a lithium ion conductive solid electrolyte and then dried to produce a composite positive electrode powder. If the drying temperature is lower than 250 ° C, there is a possibility that deterioration of the active material and deterioration of the solid electrolyte characteristics due to residual moisture may occur due to incomplete drying.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (d) 단계에서는 건조된 복합 양극 분말을 양극 집전체 상에 캐스팅한 후 130~160 MPa의 압력에서 냉간 일축 가압 방법으로 캐스팅 전극의 밀도를 높일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the composite anode powder dried in step (d) may be cast on a cathode current collector, and then the density of the casting electrode may be increased by a cold uniaxial pressing method at a pressure of 130 to 160 MPa.

본 발명의 바람직한 구현 예에 의하면, 상기 (e) 단계에서 열처리는 600~800 ℃의 온도에서 4~6 시간 동안 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 (e) 단계에서 열처리 온도가 600 ℃ 보다 미만이면 고체전해질의 용해가 일어나지 않아 매트릭스 형성 반응이 일어나지 않고, 800 ℃ 보다 초과이면 활물질의 열화가 일어나거나 고체전해질의 휘발로 인해 활물질 표면의 코팅층 손상이 발생할 수 있다. 적합한 열처리 온도는 고체전해질의 융점보다 높은 온도이다. 또한 상기 (e) 단계에서는 복합 양극의 활물질 전구체 표면에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질이 열처리를 통해 용융되어 복합 양극 내에 전해질 매트릭스를 형성할 수 있다. 이때 상기 리튬이온 전도성 고체전해질은 활물질의 온도 안정범위 내에서 녹는점을 가지는 고체전해질 소재를 사용하는 것이 좋다.According to a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment in the step (e) may be performed at a temperature of 600 to 800 ° C. for 4 to 6 hours. Specifically, when the heat treatment temperature is lower than 600 ° C., the solid electrolyte does not dissolve and the matrix formation reaction does not occur. If the heat treatment temperature is higher than 800 ° C., the active material deteriorates or the surface of the active material Coating layer damage may occur. A suitable heat treatment temperature is a temperature higher than the melting point of the solid electrolyte. Also, in the step (e), the lithium ion conductive solid electrolyte coated on the surface of the active material precursor of the composite anode may be melted through heat treatment to form an electrolyte matrix in the composite anode. Here, the lithium ion conductive solid electrolyte is preferably a solid electrolyte material having a melting point within the temperature stable range of the active material.

따라서 본 발명에 따른 전고체 전지용 복합 양극은 활물질 전구체의 표면을 저융점 리튬이온 전도성 고체전해질로 코팅하여 복합 양극 분말을 형성한 후 상기 고체전해질의 융점 이상의 온도로 열처리하여 활물질 표면에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질이 열처리 중에 녹아 복합 양극 내에서 전해질 매트릭스를 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 복합 양극 내의 전해질 매트릭스는 활물질 입자 사이에서 효과적인 전도 경로를 확보하여 전극 내 저항을 최소한으로 감소시켜 전지 용량을 크게 향상시킬 수 있다.
Therefore, the composite anode for a full-solid battery according to the present invention is formed by coating a surface of an active material precursor with a low-melting-point lithium ion conductive solid electrolyte to form a composite anode powder, and then performing heat treatment at a temperature higher than the melting point of the solid electrolyte, The conductive solid electrolyte may melt during the heat treatment to form an electrolyte matrix within the composite anode. The electrolyte matrix in the composite anode thus formed can secure an effective conduction path between the active material particles, thereby minimizing the resistance in the electrode and greatly improving the capacity of the battery.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

실시예Example

활물질 전구체인 LiCoO2 95 중량%에 리튬이온 전도성 고체전해질인 Li3BO3 5 중량%를 첨가하였다. 그런 다음 아르곤 가스를 주입한 후 4 Pa의 압력 및 4 RPM의 조건에서 8 시간 동안 코팅 처리하여 LiCoO2의 표면에 Li3BO3를 50~70 nm의 두께로 코팅시켰다. 그 다음 Li3BO3이 표면 코팅된 LiCoO2을 300 ℃의 온도에서 12 시간 동안 건조시켜 복합 양극 분말을 제조하였다. 그 다음 상기 복합 양극 분말을 양극 집전체 상에 캐스팅하고 146 MPa의 압력에서 냉간 일축 가압방법으로 캐스팅 전극의 밀도를 향상시켰다. 그 다음 상기 복합 양극층을 700 ℃의 온도에서 5 시간 동안 열처리하였다(승온: 5 ℃/min). 5% by weight of Li 3 BO 3 as a lithium ion conductive solid electrolyte was added to 95% by weight of LiCoO 2 as an active material precursor. Then, argon gas was injected and then coated at a pressure of 4 Pa and 4 RPM for 8 hours to coat LiCoO 2 on the surface of Li 3 BO 3 to a thickness of 50 to 70 nm. LiCoO 2 surface-coated with Li 3 BO 3 was then dried at 300 ° C. for 12 hours to prepare a composite positive electrode powder. Then, the composite positive electrode powder was cast on a positive electrode current collector, and the density of the casting electrode was improved by a cold uniaxial pressing method at a pressure of 146 MPa. Then, the composite anode layer was heat-treated at a temperature of 700 ° C for 5 hours (temperature rise: 5 ° C / min).

도 2는 상기 실시예에서 제조된 복합 양극 분말의 열처리 전과 후를 계략적으로 나타낸 단면도이다. 상기 도 2에서는 활물질 전구체(LiCoO2) 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질(Li3BO3)이 얇게 코팅된 복합 양극 분말로 구성된 복합 양극층을 보여준다. 도 2의 왼쪽은 활물질 표면 코팅 후 열처리 전의 상태를 보여주는 것으로 최소한의 고체전해질을 함유함으로써 상대적으로 활물질의 함량을 증대시킬 수 있다. 도 2의 오른쪽은 활물질 표면에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질이 열처리에 의해 용융되어 활물질 사이에서 전해질 매트릭스를 형성한 것을 보여준다. 형성된 전해질 매트릭스는 이온전도성을 가져 전극 내 저항을 감소시키는 역할을 할 수 있다.
2 is a cross-sectional view schematically showing the composite anode powder prepared in the above example before and after the heat treatment. FIG. 2 shows a composite anode layer composed of a composite anode powder in which a lithium ion conductive solid electrolyte (Li 3 BO 3 ) is thinly coated on the surface of an active material precursor (LiCoO 2 ). The left side of FIG. 2 shows the state before the heat treatment after the surface coating of the active material, and the content of the active material can be relatively increased by containing the minimum amount of the solid electrolyte. On the right side of FIG. 2, the lithium ion conductive solid electrolyte coated on the surface of the active material is melted by heat treatment to form an electrolyte matrix between the active materials. The formed electrolyte matrix may have ionic conductivity and serve to reduce resistance in the electrode.

비교예 1Comparative Example 1

활물질 전구체인 LiCoO2 및 리튬이온 전도성 고체전해질인 Li3BO3를 각각 300 ℃의 온도에서 12 시간 동안 분말 상태로 건조하였다. 그 다음 LiCoO2 분말 70 중량% 및 Li3BO3 분말 30 중량%를 혼합하여 복합 양극을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 실시하여 전고체 전지를 제조하였다.
LiCoO 2 , an active material precursor, and Li 3 BO 3 , a lithium ion conductive solid electrolyte, were each dried in a powder state at a temperature of 300 ° C for 12 hours. Next, all the solid batteries were produced in the same manner as in the above example, except that 70% by weight of LiCoO 2 powder and 30% by weight of Li 3 BO 3 powder were mixed to prepare a composite anode.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예에서 활물질 전구체인 LiCoO2 99 중량%에 리튬이온 전도성 고체전해질인 Li3BO3 1 중량%를 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 실시하여 전고체 전지를 제조하였다.
All the solid batteries were produced in the same manner as in the above example, except that 99% by weight of LiCoO 2 as an active material precursor was mixed with 1% by weight of Li 3 BO 3 as a lithium ion conductive solid electrolyte.

비교예 3Comparative Example 3

상기 실시예에서 활물질 전구체인 LiCoO2 88 중량%에 리튬이온 전도성 고체전해질인 Li3BO3 12 중량%를 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 실시하여 전고체 전지를 제조하였다.
All the solid batteries were produced in the same manner as in the above example, except that 88 wt% of LiCoO 2 as an active material precursor was mixed with 12 wt% of Li 3 BO 3 as a lithium ion conductive solid electrolyte.

실험예 1Experimental Example 1

상기 실시예 및 비교예 1-3에서 제조된 복합 양극 분말에 대한 코팅두께 및 수축율의 물성 특성을 확인하였으며, 그 결과는 도 3, 4, 5에 나타내었다. The properties of coating thickness and shrinkage ratio of the composite anode powder prepared in Examples and Comparative Examples 1-3 were confirmed, and the results are shown in FIGS. 3, 4 and 5.

도 3은 상기 실시예에서 제조된 리튬이온 전도성 고체전해질이 코팅된 활물질 전구체의 전자현미경 사진이다. 상기 도 3에서는 리튬이온 전도성 고체전해질인 Li3BO3이 LiCoO2 표면 상에 비교적 균일한 50~70 nm의 두께로 얇게 코팅된 것을 확인할 수 있었다. 다만, 이러한 활물질 전구체의 표면 덮음율은 중요한 변수는 아니다. 이후 열처리 공정을 통해 활물질 표면에 코팅된 고체전해질이 용융되어 전해질 매트릭스를 형성하는데, 이러한 전해질 매트릭스가 복합 양극 내에서 전도 경로를 확보하여 전극 저항에 영향을 미치는데 중요한 의의를 갖는다. 3 is an electron micrograph of the lithium ion conductive solid electrolyte-coated active material precursor prepared in the above embodiment. FIG 3, it was confirmed that the lithium ion conductive solid electrolyte is Li 3 BO 3 is a thin coating with a thickness of relatively uniform 50 ~ 70 nm on the surface of LiCoO 2. However, the surface covering ratio of such an active material precursor is not an important parameter. Thereafter, the solid electrolyte coated on the surface of the active material is melted to form an electrolyte matrix through the heat treatment process, and this electrolyte matrix has important significance in securing the conduction path in the composite anode and affecting the electrode resistance.

도 4는 상기 비교예 2에서 제조된 리튬이온 전도성 고체전해질이 코팅된 활물질 전구체의 전자현미경 사진이다. 상기 도 4에서 확인할 수 있듯이, 활물질 분말의 표면이 제대로 코팅되지 않아 표면 노출이 일어나는 것을 알 수 있으며, 코팅층이 균일하지 않은 것을 확인하였다. 4 is an electron micrograph of the lithium ion conductive solid electrolyte-coated active material precursor prepared in Comparative Example 2. FIG. As can be seen from FIG. 4, the surface of the active material powder was not coated properly, and the surface was exposed, and it was confirmed that the coating layer was not uniform.

또한, 상기 비교예 3에서는 활물질 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질이 과량 혼합되어 표면 코팅이 제대로 이루어지지 않아 물성 특성 확인이 불가하였다. In Comparative Example 3, the lithium ion conductive solid electrolyte was excessively mixed on the surface of the active material, so that the surface was not coated properly, so that the physical properties could not be confirmed.

도 5는 상기 비교예 1(좌) 및 실시예(우)에서 제조된 복합 양극층을 보여주는 사진이다. 상기 도 5에서 확인할 수 있듯이, 상기 비교예 1의 경우 고체전해질의 함량이 30 중량%로 상기 실시예 대비 훨씬 높지만 융점 이상의 고온 열처리 이후 시편 수축율은 더 낮은 것을 확인하였다. 이에 반하여 상기 실시예에서는 활물질 표면에 고체전해질이 5 중량%로 소량 표면 코팅되었음에도 시편 수축율이 상기 비교예 1에 비해 우수함을 확인하였다. 이를 통해 활물질 표면에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질이 열처리 중에 용융되면서 효과적으로 활물질 분말의 유동을 야기하여 수축율이 증가한 것임을 알 수 있었다.
5 is a photograph showing the composite anode layer prepared in Comparative Example 1 (left) and Example (right). As can be seen from FIG. 5, in the case of Comparative Example 1, the solid electrolyte content was 30 wt%, which was much higher than that of the above Example, but the shrinkage rate of the specimen after the high temperature heat treatment exceeding the melting point was lower. On the contrary, in the above example, it was confirmed that the sample shrinkage ratio was superior to Comparative Example 1 even though a small amount of 5 wt% of solid electrolyte was coated on the surface of the active material. As a result, it can be seen that the lithium ion conductive solid electrolyte coated on the surface of the active material is melted during the heat treatment and effectively flows the active material powder, thereby increasing the shrinkage ratio.

실험예 2Experimental Example 2

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 복합 양극의 저항 특성을 확인하기 위해 Solartron社의 임피던스 분석기(impedance analyzer)를 이용하여 임피던스 평가를 실시하였으며, 그 결과는 도 6에 나타내었다.In order to confirm the resistance characteristics of the composite anode prepared in the examples and comparative examples, impedance evaluation was performed using an impedance analyzer of Solartron, Inc. The results are shown in FIG.

도 6은 상기 실시예(실선) 및 비교예 1(점선)에서 제조된 복합 양극의 임피던스 분석 결과를 보여준 그래프이다. 상기 도 6에서는 상기 실시예(점선)의 경우 상기 비교예 1(실선)에 비해 전극 저항이 훨씬 낮은 것을 확인하였다. 이는 첨가되는 고체전해질의 양을 최소화하였으며, 용융된 고체전해질이 활물질 사이사이에 존재하여 리튬이온의 확산 경로를 짧게 함으로써 전체 전극 저항을 감소시킨 것임을 알 수 있었다.
6 is a graph showing impedance analysis results of the composite anode fabricated in the embodiment (solid line) and the comparative example 1 (dotted line). In FIG. 6, it was confirmed that the electrode resistance was much lower in the example (dotted line) than the comparative example 1 (solid line). It was found that the amount of the solid electrolyte to be added was minimized and the molten solid electrolyte was present between the active materials, thereby shortening the diffusion path of lithium ions, thereby reducing the total electrode resistance.

실험예 3Experimental Example 3

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 복합 양극의 용량 특성을 확인하기 위해 리튬 금속을 음극으로 하는 반전지를 제작하여 상온에서 0.25 C 조건으로 충방전 평가를 실시하였으며, 그 결과는 도 7, 8에 나타내었다.In order to confirm the capacity characteristics of the composite positive electrode prepared in the above Examples and Comparative Examples, a reversible battery made of lithium metal as a negative electrode was prepared and subjected to charging and discharging tests at 0.25 C at room temperature. The results are shown in FIGS. 7 and 8 .

도 7은 상기 비교예 1에서 제조된 복합 양극을 이용한 전지의 용량 특성을 나타낸 그래프이고, 도 8은 상기 실시예에서 제조된 복합 양극을 이용한 전지의 용량 특성을 나타낸 그래프이다. 상기 도 7, 8에서 확인할 수 있듯이, 활물질 전구체의 표면을 리튬이온 전도성 고체전해질로 표면 코팅하여 제조된 실시예의 경우 단순 혼합 분말화하여 제조된 비교예 1에 비해 용량 특성이 약 2배 가까이 크게 향상된 것을 확인하였다.
FIG. 7 is a graph showing the capacitance characteristics of the battery using the composite anode manufactured in Comparative Example 1, and FIG. 8 is a graph illustrating capacitance characteristics of the battery using the composite anode manufactured in the embodiment. As shown in FIGS. 7 and 8, in the case of the embodiment prepared by surface-coating the surface of the active material precursor with the lithium ion conductive solid electrolyte, the capacity characteristic was improved to about twice as much as that of Comparative Example 1 prepared by simple mixing powder Respectively.

따라서 본 발명에 따른 복합 양극은 극소량의 리튬이온 전도성 고체전해질을 활물질 표면에 코팅하여 복합 양극층을 형성함으로 인해 전극 내에서 효과적인 이온전도 경로를 확보할 수 있음을 확인하였다.Accordingly, it has been confirmed that the composite anode according to the present invention can effectively form an ion conduction path in the electrode by forming a composite anode layer by coating a very small amount of lithium ion conductive solid electrolyte on the surface of the active material.

Claims (8)

(a) 활물질 전구체를 준비하는 단계;
(b) 상기 활물질 전구체의 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 코팅시키는 단계;
(c) 상기 리튬이온 전도성 고체전해질이 코팅된 활물질 전구체를 건조하여 복합 양극 분말을 제조하는 단계;
(d) 상기 복합 양극 분말을 양극 집전체 상에 캐스팅한 후 130~160 MPa의 압력에서 냉간 일축 가압하여 복합 양극층을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 복합 양극층을 열처리하는 단계;
를 포함하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
(a) preparing an active material precursor;
(b) coating a surface of the active material precursor with a lithium ion conductive solid electrolyte;
(c) drying the active material precursor coated with the lithium ion conductive solid electrolyte to prepare a composite positive electrode powder;
(d) casting the composite positive electrode powder on a positive electrode current collector, and then pressing the composite negative electrode at a pressure of 130 to 160 MPa to form a composite positive electrode layer; And
(e) heat treating the composite anode layer;
Wherein the total weight of the positive electrode and the negative electrode is in the range of 1: 1 to 1: 1.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 활물질 전구체는 LiCoO2, LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2, LiMn2O4 및 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein in step (a) electrode active material precursor is LiCoO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiMn 2 O 4 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2, and the like.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 리튬이온 전도성 고체전해질은 Li3PO4 , Li3BO3 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium ion conductive solid electrolyte in step (b) is Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3, or a mixture thereof.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 리튬이온 전도성 고체전해질의 코팅량은 상기 활물질 전구체 대비 2~10 중량%이고, 코팅두께는 15~100 nm인 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the coating amount of the lithium ion conductive solid electrolyte in the step (b) is 2 to 10% by weight based on the active material precursor and the coating thickness is 15 to 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서는 10 ~ 1x10-4 Pa의 압력 조건에서 6~10 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (b) is carried out at a pressure of 10 to 1x10 -4 Pa for 6 to 10 hours.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 건조는 250~350 ℃의 온도에서 10~14 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the drying in step (c) is performed at a temperature of 250 to 350 ° C for 10 to 14 hours.
제1항에 있어서,
상기 (e) 단계에서 열처리는 600~800 ℃의 온도에서 4~6 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in the step (e) is performed at a temperature of 600 to 800 ° C for 4 to 6 hours.
제1항에 있어서,
상기 (e) 단계에서는 열처리에 의해 상기 복합 양극층의 활물질 전구체 표면에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질이 용융되어 전해질 매트릭스를 형성하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 복합 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium ion conductive solid electrolyte coated on the surface of the active material precursor of the composite anode layer is melted by heat treatment to form an electrolyte matrix.
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