KR101887766B1 - 활물질 복합 입자, 이를 포함하는 전극 복합체와 이들의 제조방법 및 전고체 전지 - Google Patents

활물질 복합 입자, 이를 포함하는 전극 복합체와 이들의 제조방법 및 전고체 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활물질과 고체전해질 사이에 안정적인 계면을 형성하는 활물질 복합 입자, 이를 포함하는 전극 복합체와 이들의 제조방법 및 전고체 전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 활물질 복합 입자는 전고체 전지에 사용되는 전극용 활물질로서, 전극 활물질 베어와; 상기 전극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 부착되는 미립형 고체전해질을 포함한다.

Description

활물질 복합 입자, 이를 포함하는 전극 복합체와 이들의 제조방법 및 전고체 전지{ACTIVE MATERIAL COMPOSITE PARTICLES, ELECTRODE COMPOSITE COMPRISING THE SAME AND METHOD OF PRODUCING THE SAME AND ALL SOLID BATTERY}
본 발명은 활물질과 고체전해질 사이에 안정적인 계면을 형성하는 활물질 복합 입자, 이를 포함하는 전극 복합체와 이들의 제조방법 및 전고체 전지에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 휴대전화, 노트북, 소형가전에서부터 자동차, 대용량 전력 저장장치 등까지 다양한 전자기기의 전원으로 사용되며 이의 수요 또한 증가하고 있다. 이에 따라 요구되는 리튬 이차전지의 성능 또한 증가하고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.
현재 사용되고 있는 리튬 이차전지의 전해질은 유기물을 함유한 액체전해질이 주로 사용되고 있다. 이러한 액체전해질은 리튬이온전도도가 높은 장점을 가지고 있지만 누액이 발생하거나, 고온에서의 화재 및 폭발 등의 위험성을 가지고 있기 때문에 안전성의 향상이 요구된다.
이러한 안전성의 문제점은 고체전해질을 적용함으로써 해결이 가능하다.
전극 활물질에서 고체전해질로의 리튬이온수송이 원활하게 일어나기 위해서는 고체전해질과 전극활물지간의 접촉면적이 향상될 필요가 있다. 현재 대부분의 전고체전지는 1축가압성형을 통해서 제조되고 있으며, 가압을 통해 전극활물질과 고체전해질의 접촉을 만들고 있다. 하지만, 고체전해질은 액체전해질에 비해서 딱딱하고 소정의 형상을 유지하고 있으므로 단순한 가압만으로는 접촉면적을 향상시키는데 한계가 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 전극 복합체를 보여주는 구성도로서, 도 1a에 도시된 바와 같이 종래의 일반적인 전극 복합체는 전극 활물질(1)과 고체전해질(2a)을 혼합하고 가압하여 성형하였다. 이 경우 전극 활물질(1)과 고체전해질(2a) 간의 접촉면적이 부족하여 전지 성능이 제대로 발휘되기 어려운 문제가 있었다.
또한, 이러한 종래의 일반적인 전극 복합체의 단점을 보완하기 위하여 도 1b에 도시된 바와 같이 고체전해질(2b)의 입자 사이즈를 줄여서 전극 활물질(1)과 고체전해질(2b) 간의 접촉면적을 향상시켰다. 하지만, 이 경우에는 미립화된 고체전해질(2b)을 사용함으로서 전지 사용시에 전극활물질(1)의 부피가 팽창되는 경우 고체전해질(2b)이 분쇄되거나 박리되는 문제가 발생하였다.
그래서, 근래에는 전극 활물질의 입자 사이즈를 줄이는 방법, 전극 활물질의 입자 사이즈를 2종류로 형성하는 방법 및 전극 활물질의 표면에 기능성 코팅층을 형성하는 방법 등 다양한 방법으로 전극 복합체의 특성을 향상시키는 기술이 연구되고 있다.
공개특허 10-2014-0074174 A (2014.06.17)
본 발명은 고체바인더를 이용하여 고체전해질을 전극 활물질의 표면에 부착시켜 전극 활물질과 고체전해질 사이에 안정적인 계면을 형성하는 활물질 복합 입자, 이를 포함하는 전극 복합체와 이들의 제조방법 및 전고체 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 활물질 복합 입자는 전고체 전지에 사용되는 전극용 활물질로서, 전극 활물질 베어와; 상기 전극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 부착되는 미립형 고체전해질을 포함한다.
상기 전극 활물질 베어의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이고, 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1㎛ 이하이며, 상기 고체바인더의 입자 사이즈는 10㎚ ~ 1㎛이고, 상기 고체바인더의 입자 사이즈는 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈와 같거나 작은 것이 바람직하다.
상기 고체바인더, 전극 활물질 베어 및 미립형 고체전해질는 상호간에 점접촉에 의해 부착된 것이 바람직하다.
상기 고체바인더는 그물형 구조의 바인더인 것이 바람직하다.
상기 미립형 고체전해질은 리튬(Li), 인(P) 및 황(S)을 포함한다.
한편, 본 발명이 일 실시형태에 따른 활물질 복합 입자의 제조방법은 전고체 전지에 사용되는 전극용 활물질을 제조하는 방법으로서, 전극 활물질 베어, 미립형 고체전해질 및 고체바인더를 준비하는 제 1 준비과정; 상기 전극 활물질 베어 및 미립형 고체전해질을 함께 볼밀링하여 혼합하는 제 1 혼합과정; 상기 전극 활물질 베어 및 미립형 고체전해질의 혼합물에 고체바인더를 추가로 첨가하여 함께 볼밀링하여 상기 전극 활물질 베어의 표면에 상기 고체바인더를 매개로 상기 미립형 고체전해질을 부착시켜 활물질 복합 입자를 획득하는 부착과정을 포함한다.
상기 제 1 준비과정에서 준비되는 상기 전극 활물질 베어의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이고, 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1㎛ 이하이며, 상기 고체바인더의 입자 사이즈는 10㎚ ~ 1㎛인 것이 바람직하다.
상기 제 1 혼합과정에서 상기 전극 활물질 베어와 미립형 고체전해질은 중량비로 80 : 5~10의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 부착과정에서 추가되는 상기 고체바인더의 양은 상기 전극 활물질 베어와 고체바인더의 중량비로 80 : 1의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 혼합과정에서의 볼밀링은 200rpm 이하의 속도로 2분 이하 동안 실시하고, 상기 부착과정에서의 볼밀링은 200rpm 이하의 속도로 2분 이하 동안 실시하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 복합체는 전고체 전지에 사용되는 전극체로서, 전극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 미립형 고체전해질이 부착된 활물질 복합 입자를 포함한다.
상기 전극 복합체는 도전재 및 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈보다 입자 사이즈가 큰 조립형 고체전해질이 더 혼합된 것을 특징으로 한다.
상기 전극 활물질 베어의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이고, 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1㎛ 이하이며, 고체바인더의 입자 사이즈는 10㎚ ~ 1㎛이고, 상기 조립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1 ~ 100㎛(1㎛는 제외)인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 복합체의 제조방법은 전고체 전지에 사용되는 전극 복합체를 제조하는 방법으로서, 전극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 미립형 고체전해질이 부착된 활물질 복합 입자를 준비하는 제 1 단계와; 상기 활물질 복합 입자에 조립형 고체전해질, 도전재 및 바인더를 혼합하고, 가압 성형하여 전극 복합체를 획득하는 제 2 단계를 포함한다.
상기 제 2 단계는 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈보다 입자 사이즈가 큰 조립형 고체전해질과 도전재 및 바인더를 준비하는 제 2 준비과정과; 상기 활물질 복합 입자, 조립형 고체전해질, 도전재 및 바인더를 혼합하는 제 2 혼합과정과; 상기 활물질 복합 입자, 조립형 고체전해질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 전극 복합체로 가압 성형하는 성형과정을 포함한다.
상기 제 2 혼합과정에서는 상기 전극 활물질 베어의 양과 미립형 고체전해질과 조립형 고체전해질 양의 합이 중량비로 80 : 20의 비율이 되도록 조립형 고체전해질의 양을 조절하고, 상기 전극 활물질 베어의 양과 도전재의 양이 중량비로 80: 2의 비율이 되도록 도전재의 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지는 양극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 미립형 고체전해질이 부착된 양극 활물질 복합 입자를 포함하는 양극 복합체부와; 음극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 미립형 고체전해질이 부착된 음극 활물질 복합 입자를 포함하는 음극 복합체부와; 상기 양극 복합체부와 음극 복합체부 사이에 고체전해질이 충진되어 형성된 고체전해질부를 포함한다.
상기 양극 복합체부 및 음극 복합체부는 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈보다 입자 사이즈가 큰 조립형 고체전해질 및 도전재가 더 혼합된 것이 바람직하다.
상기 양극 복합체부 및 음극 복합체부를 형성하는 상기 양극 활물질 베어 및 음극 활물질 베어의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이고, 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1㎛ 이하이며, 상기 고체바인더의 입자 사이즈는 10㎚ ~ 1㎛이고, 상기 조립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1 ~ 100㎛(1㎛는 제외)인 것이 바람직하다.
상기 양극 복합체부 및 음극 복합체부을 형성하는 상기 미립형 고체전해질과 조립형 고체전해질은 상기 고체전해질부를 형성하는 고체전해질은 동종의 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고체바인더를 사용하여 미립형의 고체전해질을 전극 활물질의 표면에 부착시키기 때문에 전극 활물질의 부피팽창이 발생하더라도 고체전해질의 전극 활물질의 표면에서 박리되지 않고 안정적인 접촉을 유지할 수 있다.
또한, 볼밀링 공정을 통하여 미립형의 고체전해질 및 고체바인더를 전극 활물질에 점접촉시키기 때문에 미립형의 고체전해질과 전극활물질의 계면 접촉을 유지하면서 접촉면적을 극대화 시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 전극 복합체를 보여주는 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 복합 입자를 포함하는 전극 복합체를 보여주는 구성도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 복합 입자를 포함하는 전극 복합체의 제조방법을 보여주는 순서도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 복합 입자를 포함하는 전고체 전지를 보여주는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 복합 입자를 포함하는 전극 복합체를 보여주는 구성도이다.
본 발명은 활물질 복합 입자 및 이를 포함하는 전극 복합체와 전고체 전지에 관한 것으로서, 먼저 활물질 복합 입자에 대해서 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 복합 입자(10,20)는 전극 활물질 베어(11,21)와, 상기 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 고체바인더(13)를 매개로 부착되는 미립형 고체전해질(12a)을 포함한다.
전극 활물질 베어(11,21)는 양극 활물질 또는 음극 활물질이다. 이때 양극 활물질 베어(11)는 LCO, NCM, LFP 등이 사용되고, 음극 활물질 베어(21)는 천연흑연, 인조흑연, 카본류, Si, Sn 등이 사용될 수 있다. 물론 양극 활물질 및 음극 활물질의 종류는 제시된 실시예에 한정되는 것이 아니라 양극 활물질 또는 음극 활물질의 역할을 할 수 있는 다양한 종류의 물질이 사용될 수 있을 것이다.
미립형 고체전해질(12a)은 리튬(Li), 인(P) 및 황(S) 등을 포함하는 고체상태의 전해질이다.
고체바인더(13)는 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 미립형 고체전해질(12a)을 부착시키는 역할을 하는 수단으로서, 그물형 구조의 바인더를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 고체바인더로는 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetra fluoroethylene; PTFE)을 사용할 수 있다. 물론 고체바인더(13)의 종류는 제시된 실시예에 한정되는 것이 아니라 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 미립형 고체전해질(12a)을 부착시킬 수 있는 고상의 다양한 재료가 사용될 수 있을 것이다.
한편, 상기 고체바인더(13), 전극 활물질 베어(11,21) 및 미립형 고체전해질(12a)은 볼밀링을 통하여 상호간에 점접촉에 의해 부착된다. 특히, 고체바인더(13)는 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)이 상호간에 부착되는 것을 매개한다.
이렇게 고체바인더(130의 매개를 통한 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 부착 시에 계면 접촉을 유지하면서 접촉면적을 극대화 시킬 수 있도록 전극 활물질 베어(11,21), 미립형 고체전해질(12a) 및 고체바인더(13)의 입자 사이즈를 한정하는 것이 바람직하다. 예를 들어 전극 활물질 베어(11,21)의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이고, 미립형 고체전해질(12a)의 입자 사이즈가 1㎛ 이하이며, 고체바인더(13)의 입자 사이즈는 10㎚ ~ 1㎛인 것이 바람직하다.
이렇게 전극 활물질 베어(11,21)의 입자 사이즈 대비 미립형 고체전해질(12a) 및 고체바인더(13)의 입자 사이즈를 작게 하고, 특히 고체바인더(13)의 입자 사이즈는 미립형 고체전해질(12a)의 입자 사이즈와 같거나 작게 하여 고체바인더(13)가 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 부착을 매개하도록 한다.
한편, 상기와 같이 구성되는 활물질 복합 입자(10,20)를 포함하는 전극 복합체에 대하여 설명한다.
전극 복합체는 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 고체바인더(13)를 매개로 미립형 고체전해질(12a)이 부착된 활물질 복합 입자(10,20)를 포함하면서, 상기 미립형 고체전해질(12a)의 입자 사이즈보다 입자 사이즈가 큰 조립형 고체전해질(12b)이 더 혼합되어 형성된다.
상기 활물질 복합 입자(10,20)는 전술된 활물질 복합 입자(10,20)를 사용한다.
상기 조립형 고체전해질(12b)은 상기 미립형 고체전해질(12a)과 같은 재료의 고체전해질(12)이 사용되는 것이 바람직하다. 이때 조립형 고체전해질(12b)과 미립형 고체전해질(12a)을 구분하는 기준은 입자의 사이즈이다.
예를 들어 활물질 복합 입자(10,20)를 구성하는 미립형 고체전해질(12a)은 입자 사이즈가 1㎛ 이하이고, 조립형 고체전해질(12b)의 입자 사이즈는 1 ~ 100㎛(1㎛는 제외)인 것이 바람직하다. 또한, 활물질 복합 입자(10,20)를 구성하는 전극 활물질 베어(11,21)의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이고, 고체바인더(13)는 10㎚ ~ 1㎛인 것이 바람직하다.
이때 조립형 고체전해질(12b)의 혼합양은 상기 전극 활물질 베어(11,21)의 양과 미립형 고체전해질(12a)과 조립형 고체전해질(12b) 양의 합이 중량비로 80 : 20의 비율이 되도록 조절되는 것이 바람직하다.
한편, 전극 복합체에는 도전재(미도시)가 더 혼합된다. 전고체 전지에서 전극재료가 반응을 하기 위해서는 전자 및 리튬이온이 동시에 필요하다. 그런데 전극 복합체는 미립형 고체전해질(12a) 및 조립형 고체전해질(12b)이 혼합되어 있기 때문에 리튬이온의 수송은 가능하나, 미립형 고체전해질(12a) 및 조립형 고체전해질(12b)이 전자전도성을 가지고 있지 않기 때문에 도전재를 첨가하여 전극 복합체에서 전자를 수송할 수 있도록 한다.
이때 도전재의 양은 상기 전극 활물질 베어(11,21)의 양과 도전재의 양이 중량비로 80: 2의 비율이 되도록 조절되는 것이 바람직하다.
이러한 도전재로는 카본 블랙, 케첸블랙 등의 나노 분말 타입 및 CNT, VGCF 등의 같은 전도성 탄소 재료와 Ni과 같은 황화물과 반응하지 않는 금속재료를 사용할 수 있다.
또한, 전극 복합체에는 활물질 복합 입자(10,20), 도전재 및 조립형 고체전해질(12b) 상호 간에 부착력을 향상시키기 위하여 바인더(미도시)가 더 혼합될 수 있다. 이때 바인더는 전술된 고체바인더(13)와 같은 재료의 바인더를 사용할 수 있다. 물론 바인더는 제시된 실시예에 한정되는 것이 아니라 활물질 복합 입자(10,20), 도전재 및 조립형 고체전해질(12b) 상호 간에 부착력을 향상시킬 수 있는 다양한 종류의 바인더가 적용될 수 있다.
그래서, 전극 복합체는 상기 활물질 복합 입자(10,20), 조립형 고체전해질(12b), 도전재 및 바인더가 혼합된 상태에서 가압성형에 의해 제작되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 활물질 복합 입자와 이를 포함하는 전극 복합체의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 복합 입자를 포함하는 전극 복합체의 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 복합체의 제조방법은 활물질 복합 입자(10,20)를 준비하는 제 1 단계와(S100); 상기 활물질 복합 입자(10,20)를 이용하여 전극 복합체를 획득하는 제 2 단계(S200)를 포함한다.
제 1 단계(S100)는 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 고체바인더(13)를 매개로 미립형 고체전해질(12a)이 부착된 활물질 복합 입자(10,20)를 준비하는 단계이다.
부연하자면, 활물질 복합 입자(10,20)를 준비하는 제 1 단계(S100)는 전극 활물질 베어(11,21), 미립형 고체전해질(12a) 및 고체바인더(13)를 준비하는 제 1 준비과정; 상기 전극 활물질 베어(11,21) 및 미립형 고체전해질(12a)을 함께 볼밀링하여 혼합하는 제 1 혼합과정; 상기 전극 활물질 베어(11,21) 및 미립형 고체전해질(12a)의 혼합물에 고체바인더(13)를 추가로 첨가하여 함께 볼밀링하여 상기 전극 활물질 베어v의 표면에 상기 고체바인더(13)를 매개로 상기 미립형 고체전해질(12a)을 부착시켜 활물질 복합 입자(10,20)를 획득하는 부착과정을 포함한다.
제 1 준비과정은 전극 활물질 베어(11,21), 미립형 고체전해질(12a) 및 고체바인더(13)를 각각 준비하는 단계이다.
전극 활물질 베어(11,21)는 양극 활물질 또는 음극 활물질로서, 양극 활물질 베어(11)와 음극 활물질 베어(21)는 각각 별도로 마련한다. 그래서 양극 활물질 복합 입자(10,20)와 음극 활물질 복합 입자(10,20)를 별도로 마련할 수 있다.
이때 양극 활물질 베어(11)는 LCO, NCM, LFP 등을 사용하여 마련하고, 음극 활물질 베어(21)는 천연흑연, 인조흑연, 카본류, Si, Sn 등을 사용하여 마련한다. 그리고 전극 활물질 베어(11,21)의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이 되도록 마련한다.
미립형 고체전해질(12a)은 리튬(Li), 인(P) 및 황(S) 등을 포함하는 고체상태의 전해질로서, 입자 사이즈는 1㎛ 이하가 되도록 마련한다.
미립형 고체전해질(12a)은 다양한 방법으로 마련할 수 있지만, 예를 들면 아래의 <미립형 고체전해질의 제조방법>와 같은 방법으로 마련할 수 있다.
<미립형 고체전해질의 제조방법>
1) 2g의 상용 Li2S와 P2S5를 70 : 30의 몰비로 칭량 후, 톨루엔 10㎖ 및 3mm의 직경을 갖는 지르코니아볼 10g과 함께 20㎖ 용량의 유리병에 투입하여 밀봉한 후, 120rpm으로 24시간 동안 혼합한다.
2) 혼합된 현탁액에서 지르코니아볼을 걸러낸 후, 90㎖의 추가 용매와 함께 고온/고압 반응기에 투입한다.
3) 반응기의 온도를 140℃까지 상승시켜 온도를 24시간 동안 유지한다. 이 때 분말의 침전을 막고 균일한 분산을 유지시키기 위하여 현탁액을 지속적으로 교반시킨다.
4) 반응이 종료된 이후, 합성된 분말을 걸러내어 용매의 끓는점보다 10℃ 높은 온도에서 2시간 동안 건조한다.
5) 건조된 분말을 300℃에서 3시간 동안 결정화하여 황화물계 결정화 유리를 제조한다.
6) 상기 공정을 통해 제조된 1㎛ 이하의 크기를 갖는 미립형 고체전해질을 획득한다.
한편, 고체바인더(13)로는 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetra fluoroethylene; PTFE)을 10㎚ ~ 1㎛의 입자 사이즈가 되도록 마련한다.
제 1 혼합과정은 준비된 전극 활물질 베어(11,21) 및 미립형 고체전해질(12a)을 함께 볼밀링하여 혼합하는 과정이다. 이때 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)은 중량비로 80 : 5~10의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 이렇게 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 중량비를 제한하는 이유는 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 입자 사이즈를 고려하여 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 미립형 고체전해질(12a)이 부착되는 경우에 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 접촉면적을 최대로 하기 위함이다.
전극 활물질 베어(11,21) 및 미립형 고체전해질(12a)의 혼합은 유성볼밀장비[P5, fritch]를 이용하여 200rpm 이하의 속도로 2분 이하 동안 실시한다.
이렇게 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)이 고르게 혼합되었다면 부착과정을 실시한다.
부착과정은 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 혼합물에 고체바인더(13)를 추가로 첨가하여 함께 볼밀링하여 상기 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 고체바인더(13)를 매개로 미립형 고체전해질(12a)을 부착시켜 활물질 복합 입자(10,20)를 획득하는 과정이다.
부착과정도 제 1 혼합과정과 마찬가지로 유성볼밀장비를 이용한다. 제 1 혼합과정에서 얻어진 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 혼합물에 미리 준비된 고체바인더(13)를 추가로 첨가하고 볼밀링을 실시한다. 이때 볼밀링은 200rpm 이하의 속도로 2분 이하 동안 실시한다.
이렇게 제 1 혼합과정 및 부착과정에서 볼밀링의 최대 속도와 최대 시간을 한정하는 이유는 제시된 속도 및 지속 시간을 초과하는 경우에는 전극 활물질 베어(11,21) 및 미립형 고체전해질(12a)이 과도하게 볼밀링되면서 파쇄될 수 있기 때문이다.
한편, 부착과정에서 추가되는 상기 고체바인더(13)의 양은 전극 활물질 베어(11,21)와 고체바인더(13)의 중량비로 80 : 1의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 이렇게 전극 활물질 베어(11,21)와 고체바인더(13)의 중량비를 제한하는 이유는 전극 활물질 베어(11,21), 미립형 고체전해질(12a) 및 고체바인더(13)의 입자 사이즈를 고려하여 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 미립형 고체전해질(12a)이 부착되는 경우에 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)의 접촉면적을 최대로 하면서 고체바인더(13)가 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)을 매개하여 안정적인 계면 접촉을 유지하기 위함이다.
부착과정에서 볼밀링을 통하여 고체바인더(13)를 매개로 전극 활물질 베어(11,21)와 미립형 고체전해질(12a)이 부착되는 것은 볼밀링의 최대 속도와 지속 시간을 한정함에 따라 전극 활물질 베어(11,21)의 표면에 미립형 고체전해질(12a) 및 고체바인더(13)가 박히면서 물리적으로 부착되는 것이다.
이렇게 전극 활물질 베어(11,21), 미립형 고체전해질(12a) 및 고체바인더(13)를 볼밀링하여 활물질 복합 입자(10,20)를 준비한다.
다음으로, 제 2 단계(S200)는 제 1 단계(S100)에서 준비된 활물질 복합 입자(10,20)에 조립형 고체전해질(12b), 도전재 및 바인더를 혼합하고, 가압 성형하여 전극 복합체를 획득하는 단계이다.
부연하자면, 전극 복합체를 획득하는 제 2 단계(S200)는 상기 미립형 고체전해질(12a)의 입자 사이즈보다 입자 사이즈가 큰 조립형 고체전해질(12b)과 도전재 및 바인더를 준비하는 제 2 준비과정과; 상기 활물질 복합 입자(10,20), 도전재 및 바인더를 혼합하는 제 2 혼합과정과; 상기 활물질 복합 입자(10,20), 도전재 및 바인더의 혼합물을 전극 복합체로 가압 성형하는 성형과정을 포함한다.
제 2 준비과정은 조립형 고체전해질(12b)과 도전재 및 바인더를 준비하는 과정이다.
조립형 고체전해질(12b)은 다양한 방법으로 마련할 수 있지만, 예를 들면 아래의 <조립형 고체전해질의 제조방법>와 같은 방법으로 마련할 수 있다.
<조립형 고체전해질의 제조방법>
(a) Li2S 및 P2S5의 몰비율이 각각 75%, 25% 인 고체전해질 원료를 준비한다.
(b) 준비된 고체전해질 원료를 유성볼밀장비[P7, Fritch]를 이용하여 600rpm의 속도로 24시간 동안 볼밀링한다.
(c) 이렇게 볼밀링된 고체전해질을 280℃에서 3시간 열처리한다.
(d) 상기 공정을 통해 제조된 1 ~ 100㎛(1㎛는 제외)의 크기를 갖는 조립형 고체전해질을 획득한다.
한편, 도전재는 카본 블랙, 케첸블랙 등의 나노 분말 타입 및 CNT, VGCF 등의 같은 전도성 탄소 재료와 Ni과 같은 황화물과 반응하지 않는 금속재료를 사용하여 준비한다.
또한, 바인더는 전술된 고체바인더(13)와 같은 재료의 바인더를 준비하거나 통상의 전고체 전지에 사용되는 바인더로 준비한다.
제 2 혼합과정은 준비된 활물질 복합 입자(10,20), 조립형 고체전해질(12b), 도전재 및 바인더를 함께 볼밀링하여 혼합하는 과정이다.
제 2 혼합과정에서는 활물질 복합 입자(10,20)를 형성하는 전극 활물질 베어(11,21)의 양과 미립형 고체전해질(12a)과 조립형 고체전해질(12b) 양의 합이 중량비로 80 : 20의 비율이 되도록 조립형 고체전해질(12b)의 양을 조절하고, 상기 전극 활물질 베어(11,21)의 양과 도전재의 양이 중량비로 80: 2의 비율이 되도록 도전재의 양을 조절하는 것이 바람직하다. 이렇게 조립형 고체전해질 및 도전재의 중량비를 제한하는 이유는 전고체 전지의 효율을 최대로 유지하기 위함이다.
이렇게 활물질 복합 입자(10,20), 조립형 고체전해질(12b), 도전재 및 바인더가 고르게 혼합되었다면 성형과정을 실시한다.
성형과정은 상기 활물질 복합 입자(10,20), 조립형 고체전해질(12b), 도전재 및 바인더의 혼합물을 전극 복합체로 1축 가압 성형하는 과정이다.
이렇게 성형과정을 통하여 전극 복합체를 획득한다.
이때 양극 활물질 복합 입자(10,20)를 사용하였다면 양극 복합체를 획득할 수 있고, 음극 활물질 복합 입자(10,20)를 사용하였다면 음극 복합체를 획득할 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 획득되는 양극 복합체 및 음극 복합체를 포함하는 전고체 전지에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질 복합 입자를 포함하는 전고체 전지를 보여주는 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지는 양극 활물질 베어(11)의 표면에 고체바인더(13)를 매개로 미립형 고체전해질(12a)이 부착된 양극 활물질 복합 입자(10)를 포함하는 양극 복합체부(100)와; 음극 활물질 베어(21)의 표면에 고체바인더(13)를 매개로 미립형 고체전해질(12a)이 부착된 음극 활물질 복합 입자(20)를 포함하는 음극 복합체부(200)와; 상기 양극 복합체부(100)와 음극 복합체부(200) 사이에 고체전해질(12b)이 충진되어 형성된 고체전해질부(300)를 포함한다.
이때 양극 복합체부(100)는 양극 활물질 베어(11)를 이용하여 전술된 전극 복합체를 제조하는 방법에 의해서 획득되는 양극 복합체이다.
또한, 음극 복합체부(200)는 음극 활물질 베어(21)를 이용하여 전술된 전극 복합체를 제조하는 방법에 의해서 획득되는 음극 복합체이다.
고체전해질부(300)는 리튬(Li), 인(P) 및 황(S) 등을 포함하는 고체상태의 고체전해질(12b)로 형성되는 영역으로서, 상기 양극 복합체부 및 음극 복합체부를 형성하는 상기 미립형 고체전해질(12a)과 조립형 고체전해질(12b)은 상기 고체전해질부(300)를 형성하는 고체전해질(12b)은 동종의 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.
본 발명에 따른 활물질 복합 입자를 사용하여 제작되는 전지의 성능을 확인하기 위하여 하기의 [표 1]과 같은 혼합 비율로 다양한 실시예 및 비교예에 따른 전고체 전지를 제작하였다.
그리고 각 실시예 및 비교예에 따른 전고체 전지에 대하여 C/10 전류밀도로 충방전을 수행하고, 그 측정 결과를 [표 1]에 나타내었다. 이때 전극 활물질 베어, 미립형 고체전해질, 조립형 고체전해질, 고체바인더 및 도전재의 양의 중량비를 의미한다.

구분		 전극 활물질
베어		 미립형
고체전해질		 조립형
고체전해질
고체바인더
도전재		 초기
방전용량
(mAh/g)
실시예1 80 10 10 1 2 117.84
실시예2 80 5 15 1 2 127.49
비교예1 80 - 20 - 2 90.93
비교예2 70 - 30 - 2 112.32
비교예3 80 20 - - 2 103.64
비교예4 80 - 20 - 2 92.36
비교예5 90 - 10 - 2 64.37
비교예6 80 20 - 1 78.63
[표 1]에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 2의 초기 방전용량이 비교예들보다 향상된 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 고체바인더를 사용하여 미립형 고체전해질을 전극 활물질 베어의 표면에 부착시켰기 때문에 미립형 고체전해질과 전극 활물질 베어 사이의 접촉면적이 향상되면서도 안정적인 접촉을 유지하여 초기 방전용량이 향상된 것으로 유추할 수 있다.
특히, 비교예 3은 미립형 고체전해질을 사용하였지만 고체바인더를 사용하지 않고 가압성형만으로 전고체 전지를 제작한 것으로서, 초기 방전용량이 다른 비교예에 비하여 향상되었지만 실시예보다는 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 미립형 고체전해질과 전극 활물질 베어 사이의 접촉면적이 향상되었지만 안정적인 접촉을 유지하지 못한 것으로 유추할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
1: 전극 활물질 2a, 2b: 고체전해질
10, 20: 활물질 복합 입자 11, 21: 전극 활물질 베어
12a: 미립형 고체전해질 12b: 조립형 고체전해질
13: 고체바인더 100: 양극 복합체부
200: 음극 복합체부 300: 고체전해질부

Claims (20)

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  13. 삭제
  14. 전고체 전지에 사용되는 전극 복합체를 제조하는 방법으로서,
    전극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 미립형 고체전해질이 부착된 활물질 복합 입자를 준비하는 제 1 단계와;
    상기 활물질 복합 입자에 조립형 고체전해질, 도전재 및 바인더를 혼합하고, 가압 성형하여 전극 복합체를 획득하는 제 2 단계를 포함하는 전극 복합체의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제 2 단계는
    상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈보다 입자 사이즈가 큰 조립형 고체전해질과 도전재 및 바인더를 준비하는 제 2 준비과정과;
    상기 활물질 복합 입자, 조립형 고체전해질, 도전재 및 바인더를 혼합하는 제 2 혼합과정과;
    상기 활물질 복합 입자, 조립형 고체전해질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 전극 복합체로 가압 성형하는 성형과정을 포함하는 전극 복합체의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 2 혼합과정에서는 상기 전극 활물질 베어의 양과 미립형 고체전해질과 조립형 고체전해질 양의 합이 중량비로 80 : 20의 비율이 되도록 조립형 고체전해질의 양을 조절하고, 상기 전극 활물질 베어의 양과 도전재의 양이 중량비로 80: 2의 비율이 되도록 도전재의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 전극 복합체의 제조방법.
  17. 양극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 미립형 고체전해질이 부착된 양극 활물질 복합 입자를 포함하는 양극 복합체부와;
    음극 활물질 베어의 표면에 고체바인더를 매개로 미립형 고체전해질이 부착된 음극 활물질 복합 입자를 포함하는 음극 복합체부와;
    상기 양극 복합체부와 음극 복합체부 사이에 고체전해질이 충진되어 형성된 고체전해질부를 포함하는 전고체 전지.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 양극 복합체부 및 음극 복합체부는 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈보다 입자 사이즈가 큰 조립형 고체전해질 및 도전재가 더 혼합된 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 양극 복합체부 및 음극 복합체부를 형성하는 상기 양극 활물질 베어 및 음극 활물질 베어의 입자 사이즈는 3 ~ 30㎛이고, 상기 미립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1㎛ 이하이며, 상기 고체바인더의 입자 사이즈는 10㎚ ~ 1㎛이고, 상기 조립형 고체전해질의 입자 사이즈는 1 ~ 100㎛(1㎛는 제외)인 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 양극 복합체부 및 음극 복합체부을 형성하는 상기 미립형 고체전해질과 조립형 고체전해질은 상기 고체전해질부를 형성하는 고체전해질은 동종의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
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