KR101902359B1 - Lithium-Ion Conducting Composite Solid Electrolyte For Lithium Battery, Method Of Manufacturing The Same, And Lithium Battery Comprising The Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 리튬 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화물 기반의 리튬 이온 전도성 고체전해질에, 비결정질의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1) 등의 이종의 황화물계 기반의 고체전해질 소재를 복합화하여, 높은 열처리 온도의 소결 공정을 없애고, 고체전해질 펠렛밀도 증가 및 입계 저항을 감소시켜 높은 리튬 이온전도성을 보이는 복합고체전해질, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 리튬 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion conductive composite solid electrolyte, a method for producing the same, and a lithium battery including the lithium ion conductive solid electrolyte. More particularly, the present invention relates to an oxide-based lithium ion conductive solid electrolyte comprising amorphous y [Li 4 SnS 4 ] based sintered solid material, such as x (Li) (1-x) (LiBH 4 )] (0 <x, y (moles) <1) The present invention relates to a composite solid electrolyte exhibiting high lithium ion conductivity by increasing solid electrolyte pellet density and decreasing grain boundary resistance, a process for producing the same, and a lithium battery including the same.
Description
본 발명은 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화물 기반의 리튬 이온 전도성 고체전해질에 비결정질의 이종의 황화물계 기반의 고체전해질 소재를 복합화하여 높은 열처리 온도의 소결 공정을 없애고, 고체전해질 펠렛밀도 증가 및 입계 저항을 감소시켜 높은 리튬 이온전도성을 보이는 복합고체전해질에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion conductive composite solid electrolyte, and more particularly, to a lithium ion conductive solid electrolyte which comprises an amorphous heterogeneous sulfide based solid electrolyte material complexed with an oxide-based lithium ion conductive solid electrolyte to eliminate a sintering process at a high heat treatment temperature, The present invention relates to a composite solid electrolyte exhibiting high lithium ion conductivity by increasing electrolyte pellet density and grain boundary resistance.
에너지의 효율적 사용을 위하여 최근 리튬 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 소형 모바일 전자 기기뿐만 아니라, 전기자동차 및 전력 저장 분야의 에너지원으로 사용하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다.Recently, lithium batteries have been actively studied for efficient use of energy, and various efforts are being made to use them as energy sources for electric vehicles and electric power storage as well as small-sized mobile electronic devices.
상용화된 리튬 이온 이차전지는 유기계 전해질을 기반으로 한 액체 전해질을 사용하고 있으나, 유기계 전해질의 경우 폭발/화재의 위험성이 매우 높아 전지의 안전성을 향상시키기 위하여 유기계 액체 전해질을 무기계 기반의 고체전해질로 대체하고자 하는 필요성이 계속 증가되어 왔다. The commercialized lithium ion secondary battery uses a liquid electrolyte based on an organic electrolyte. However, in the case of an organic electrolyte, the risk of explosion / fire is very high. To improve the safety of the battery, an organic liquid electrolyte is replaced with an inorganic- The need to do so has been increasing.
무기계 기반의 고체전해질을 액체전해질 대신 사용하는 전고체 이차전지는 가연성 유기 전해액을 사용하지 않아, 전해액의 유출이나 발화의 우려가 없어 안전성이 우수한 특징을 갖는다. 하지만, 전고체 전지의 경우 구성되는 양극, (고체)전해질, 음극이 모두 고상으로, 상호 간에 밀착 등이 어려워 각 계면 및 전지 셀 저항이 매우 크게 되며, 액체 전해질 대비 고체전해질의 리튬 이온 전도도가 크게 낮아, 전지의 고출력화가 어려운 단점이 있다. A pre-solid secondary battery in which an inorganic-based solid electrolyte is used instead of a liquid electrolyte does not use a flammable organic electrolytic solution, and has excellent safety because there is no risk of electrolyte leakage or ignition. However, in the case of all the solid batteries, the anode, the solid electrolyte, and the cathode are all in a solid state, and it is difficult for them to come into close contact with each other, so that the resistance at each interface and the battery cell becomes very large, and the lithium ion conductivity of the solid electrolyte It is difficult to increase the output of the battery.
무기계 고체전해질 소재로는 크게 황하물 및 산화물계 소재로 나눌 수 있는데, 황하물계 소재의 경우 산화물계 대비 높은 리튬 이온 전도 특성을 보이고 있으나, 흡습성이 강하고, 유독 가스인 황하수소(H2S)가 발생될 가능성이 높은 문제점이 있다. 산화물계 고체전해질 소재로는 가넷 구조를 갖는 LLZO(LiaLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3aLa(2/3-a)□(1/3-2a)TiO3), NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1+aAlaTi2-a(PO4)3) 등을 들 수 있으며, 산화물계 고체전해질은 황화물계 고체전해질대비 수분, 화학적, 물리, 기계적 안정성이 우수하며, 높은 입내(bulk) 이온전도특성으로 고체전해질 소재로 많은 주목을 받고 있다. There an inorganic solid electrolyte material may be divided into sulfide and oxide-based material, in the case of the Yellow River water system materials, but shows an oxide-based contrast high lithium ion conductive property, hygroscopicity is strong and is a sulfide of hydrogen (H 2 S) toxic gas There is a high possibility of occurrence. Oxide-based solid electrolyte LLZO (Li a La 3 Zr 2 O 12), pages lobe LLTO (Li 3a La (2 / 3a) □ (1 / 3-2a) having a tree structure having the garnet configuration Sky material TiO 3), LATP (Li 1 + a Al a Ti 2-a (PO 4) 3) and the like, the oxide-based solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte compared to water, chemical, physical and mechanical stability having a NASICON structure And has attracted much attention as a solid electrolyte material due to its high bulk ion conduction property.
하지만, 대부분의 산화물계 고체전해질 소재의 경우 높은 입계 저항을 갖고 있어, 전체(total) 리튬이온전도도가 낮아 분말을 직접 전지의 고체전해질로 사용하기에 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 고체전해질 분말을 압착하여 펠렛(pellet)을 제조한 후 높은 온도(800℃ ~ 1400℃)에서 소결공정(열처리)을 통해 고체전해질 입자 간 결합력 및 펠렛 밀도를 높혀 입계저항을 낮추어 사용하게 되는데, 이러한 경우 소결공정과 같은 고온 열처리 과정에 따른 비용적인 문제뿐만 아니라, 전지 구성을 위한 전극 및 부품 소재 선정에 제약이 가게 된다. However, most of the oxide-based solid electrolyte materials have a high grain boundary resistance, so that the total lithium ion conductivity is low, so there is a problem in using the powder directly as a solid electrolyte of a battery. In order to solve this problem, the pellet is produced by sintering the solid electrolyte powder and then the sintering process (heat treatment) at a high temperature (800 ° C ~ 1400 ° C) is used to lower the grain boundary resistance by increasing the bonding force and pellet density between solid electrolyte particles. In this case, not only a cost problem due to the high-temperature heat treatment process such as the sintering process but also a restriction on the selection of the electrode and the component material for the battery configuration is imposed.
따라서, 고성능의 전고체 리튬 이차전지 개발을 위해서는 고체전해질 제조시 소결 공정을 없애고, 고체전해질의 입계 저항을 감소시켜 리튬 이온 전도도를 증가시킬 수 있는 기술이 요구된다.Therefore, in order to develop a high-performance pre-solid lithium secondary battery, there is a need for a technique capable of increasing the lithium ion conductivity by reducing the grain boundary resistance of the solid electrolyte by eliminating the sintering process in the production of the solid electrolyte.
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 고려하여, 리튬 전지에 적용될 수 있는 산화물 기반의 리튬 이온 전도성 고체전해질에, 비결정질의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1) 등의 이종의 황화물계 기반의 고체전해질 소재를 복합화하여, 높은 열처리 온도의 소결 공정을 없애고, 고체전해질 펠렛밀도 증가 및 입계 저항을 감소시켜 높은 리튬 이온전도성을 보이는 복합고체전해질을 제공하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an oxide-based lithium ion conductive solid electrolyte which can be applied to a lithium battery, which is amorphous y [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) Based solid electrolyte materials such as LiBH 4 (LiBH 4 ) (0 <x, y (molar number) <1), thereby eliminating the sintering process at a high heat treatment temperature and increasing the density of solid electrolyte pellets And a composite solid electrolyte exhibiting high lithium ion conductivity by reducing the grain boundary resistance.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 포함하는 리튬 이온전도성 고체전해질을 제공한다.(1-x) (LiBH 4 )] (0 < x, y (number of moles) >) of the amorphous structure y [Li 4 SnS 4 ] 1). ≪ / RTI >
또한, 본 발명은 In addition,
1) Li2S(lithium sulfide), S(Sulfur) 및 SnS(Tin sulfide)를 몰비 2:1:1로 혼합한 후 고상법을 통하여 결정화된 Li4SnS4(LSS)를 제조하는 단계;1) preparing Li 4 SnS 4 (LSS) crystallized through a solid phase method by mixing Li 2 S (lithium sulfide), S (sulfur) and SnS (tin sulfide) in a molar ratio of 2: 1: 1;
2) 상기 단계 1)의 결정화된 Li4SnS4(LSS)를 용매에 용해시킨 후 건조 및 열처리 공정을 통해 비결정질의 Li4SnS4 분말을 제조하는 단계; 및2) dissolving the crystallized Li 4 SnS 4 (LSS) of the step 1) in a solvent, followed by drying and heat-treating the amorphous Li 4 SnS 4 powder; And
3) 상기 단계 2)의 비결정질의 Li4SnS4 분말에 LiI 및 LiBH4를 혼합하여 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1) 분말을 제조하는 단계;를 포함하는,3) Amorphous Li 4 SnS 4 powder of the step 2) is mixed with LiI and LiBH 4 to form an amorphous y [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1-x) ] (0 < x, y (moles) < 1) powder.
비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 포함하는 리튬 이온전도성 고체전해질의 제조 방법을 제공한다.A lithium ion conductive solid electrolyte comprising an amorphous structure y [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (0 <x, y Of the present invention.
또한, 본 발명은 산화물계 고체전해질로서 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3aLa(2/3-a)□(1/3-2a)TiO3)에 황화물계 고체전해질로서 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 복합화한, 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, which comprises reacting an LLTO (Li 3a La (2/3-a)) (1 / 3-2a) TiO 3 having a perovskite structure as an oxide- A lithium ion conductive composite solid electrolyte comprising a complex of [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (0 <x, y do.
또한, 본 발명은 In addition,
1) 금속 질산염을 출발물질로 킬레이트 형성제와 반응시켜 졸 및 겔을 제조하고, 겔을 열분해, 열처리 및 분쇄 과정을 통해 LLTO 분말을 제조하는 단계; 1) reacting a metal nitrate with a chelating agent as a starting material to prepare a sol and a gel; and subjecting the gel to thermal decomposition, heat treatment, and pulverization to prepare LLTO powder;
2) 고상법을 통하여 결정화된 Li4SnS4(LSS)를 용매에 용해시킨 후 건조 및 열처리 공정을 통해 비결정질의 Li4SnS4 분말을 제조한 다음, LiI 및 LiBH4와 혼합을 통해 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)(LSS-LiI-LiBH4) 분말을 제조하는 단계; 및2) Li 4 SnS 4 (LSS) crystallized through the solid phase method is dissolved in a solvent, and amorphous Li 4 SnS 4 powder is produced through a drying and a heat treatment process, and then mixed with LiI and LiBH 4 to form y [Li (LSS-LiI-LiBH 4 ) powder having a composition of 0 <x, y (mole number) <1> 4 SnS 4 ] (1-y) [x LiI 1-x LiBH 4 ]. And
3) 상기 LLTO 및 상기 LSS-LiI-LiBH4를 서로 혼합하고 가압 성형하는 단계;를 포함하는, 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질의 제조 방법을 제공한다.3) mixing the LLTO and the LSS-LiI-LiBH 4 and press-molding them.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 포함하는 리튬 이온전도성 고체전해질을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.In addition, the present invention y [Li 4 SnS 4] ( 1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4)] (0 <x, y ( molar amount) of the amorphous structure in accordance with the present invention < 1). ≪ / RTI >
아울러, 본 발명은 산화물계 고체전해질로서 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3aLa(2/3-a)□(1/3-2a)TiO3)에 황화물계 고체전해질로서 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 복합화한, 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.In addition, the present invention relates to a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, which comprises reacting an LLTO (Li 3a La (2/3-a)) (1 / 3-2a) TiO 3 having a perovskite structure as an oxide- A lithium ion conductive composite solid electrolyte comprising a complex of [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (0 <x, y A lithium battery is provided.
본 발명에 따른 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질은 리튬 전지에 적용될 수 있는 산화물 기반의 리튬 이온 전도성 고체전해질 제조시, 비결정질의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)] 등의 이종의 황화물계 기반의 고체전해질 소재를 복합화하여, 높은 열처리 온도의 소결 공정을 없애고, 고체전해질 펠렛밀도 증가 및 입계 저항을 감소시켜 높은 리튬 이온전도성을 나타낸다. 이런 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질은 사용시 리튬 전지의 고출력 및 고성능화를 가능하게 해주므로, 소결 공정이 필요하지 않고, 이온전도성이 우수한 리튬 전지를 제공할 수 있다.The lithium ion conductive composite solid electrolyte according to the present invention is an amorphous y [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1- x) (LiBH 4 )], thereby eliminating the sintering process at a high heat treatment temperature, increasing the density of the solid electrolyte pellets and reducing the grain boundary resistance, thereby exhibiting high lithium ion conductivity. Such a lithium ion conductive composite solid electrolyte makes it possible to provide a lithium battery with high output and high performance at the time of use, thereby providing a lithium battery which does not require a sintering process and is excellent in ion conductivity.
도 1은 <실시예 1>, <비교예 1> 및 <비교예 3>에서 제조한 고체전해질 펠렛의 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 2는 <실시예 1>에서 제조한 복합 고체전해질 분말 및 펠렛의 실물 사진과 복합 고체전해질 분말을 주사전자현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험을 통해 나타낸 사진이다.
도 3은 <실시예 1>, <실시예 3>, <실시예 5> 및 <실시예 10>에서 제조된 복합 고체전해질 펠렛의 임피던스 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 <비교예 1>, <비교예 2> 및 <비교예 3>에서 제조된 복합 고체전해질 펠렛의 임피던스 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of solid electrolyte pellets prepared in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 3. FIG.
FIG. 2 is a photograph of a composite solid electrolyte powder and pellet prepared in Example 1, and a composite solid electrolyte powder obtained through a scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive spectroscopy (EDS) experiment.
3 is a graph showing the impedance spectra of the composite solid electrolyte pellets prepared in Examples 1, 3, 5, and 10.
4 is a graph showing the impedance spectrum of the composite solid electrolyte pellet prepared in Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3. FIG.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 포함하는 리튬 이온전도성 고체전해질을 제공한다.The present invention relates to a lithium ion battery including an amorphous structure y [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (0 <x, y Thereby providing a conductive solid electrolyte.
상기 고체전해질은 펠렛 형태인 것이 바람직하다.The solid electrolyte is preferably in the form of pellets.
상기 고체전해질은 고상법을 통하여 결정화된 Li4SnS4 (LSS)를 제조한 후, 용매에 용해시킨 다음, 건조 및 낮은 열처리 공정을 통해 비결정질의 Li4SnS4 분말을 제조 후 LiI 및 LiBH4와 혼합을 통해 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)] (LSS-LiI-LiBH4) 분말을 제조할 수 있다. The solid electrolyte is composed of Li 4 SnS 4 (LSS) is prepared and dissolved in a solvent, and amorphous Li 4 SnS 4 powder is prepared through drying and low-temperature heat treatment, and then mixed with LiI and LiBH 4 to form y [Li 4 SnS 4 ] ) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (LSS-LiI-LiBH 4 ) powder.
또한, 본 발명은 산화물계 고체전해질로서 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3aLa(2/3-a)□(1/3-2a)TiO3)에 황화물계 고체전해질로서 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 복합화한, 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, which comprises reacting an LLTO (Li 3a La (2/3-a)) (1 / 3-2a) TiO 3 having a perovskite structure as an oxide- A lithium ion conductive composite solid electrolyte comprising a complex of [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (0 <x, y do.
상기 복합 고체전해질 중 산화물계 고체전해질 및 황화물계 고체전해질은 9 : 1 내지 1 : 1의 중량 비율로 복합화하는 것이 바람직하다.The oxide-based solid electrolyte and the sulfide-based solid electrolyte among the complex solid electrolytes are preferably combined in a weight ratio of 9: 1 to 1: 1.
상기 고체전해질은 펠렛 형태인 것이 바람직하다.The solid electrolyte is preferably in the form of pellets.
상기 복합 고체전해질 중 산화물계 고체전해질은 상기 LLTO 고체전해질 외에 제조시 소결과정을 포함하는 일반적인 산화물 고체전해질을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 가넷 구조를 갖는 LLZO (LiaLa3Zr2O12) 및 NASICON 구조의 Li1+aAlaTi2-a(PO4)3 (0.1 ≤ a ≤ 0.5 )로 표시되는 산화물 등일 수 있으나. 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. The oxide-based solid electrolyte among the complex solid electrolytes may further include a general oxide solid electrolyte including a sintering process in addition to the LLTO solid electrolyte. For example, oxide such as LLZO (Li a La 3 Zr 2 O 12 ) having a garnet structure and Li 1 + a Al a Ti 2-a (PO 4 ) 3 (0.1? A? 0.5) I can. But the present invention is not limited to these and can be used as long as it can be used in the technical field.
상기 산화물계 고체전해질은 금속 질산염을 출발물질로 킬레이트 형성제와 반응시켜 졸 및 겔을 제조하고, 겔을 열분해, 열처리 및 분쇄 과정을 통해 LLTO 분말을 제조할 수 있다. The oxide-based solid electrolyte may be prepared by reacting a metal nitrate with a chelating agent as a starting material to prepare a sol and a gel, and then subjecting the gel to thermal decomposition, heat treatment, and pulverization to produce LLTO powder.
상기 황화물계 고체전해질은 고상법을 통하여 결정화된 Li4SnS4 (LSS) 제조 후 용매에 용해시킨 후 건조 및 낮은 열처리 공정을 통해 비결정질의 Li4SnS4 분말을 제조 후 LiI 및 LiBH4와 혼합을 통해 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)] (LSS-LiI-LiBH4) 분말을 제조할 수 있다. The sulfide-based solid electrolyte is a Li 4 SnS 4 (LSS) was dissolved in after manufacture solvent drying and y [Li 4 SnS 4] ( 1-y) over a low heat treatment step after producing the Li 4 SnS 4 powder of amorphous through LiI and LiBH 4 and mix [x ( LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (LSS-LiI-LiBH 4 ) powder.
이런 산화물계 소재인 LLTO와 황화물인 LSS-LiI-LiBH4를 서로 혼합하고 가압 성형하여, 펠렛 형태의 복합 고체전해질을 제조할 수 있다.This oxide-based material, LLTO, and the sulfide, LSS-LiI-LiBH 4 , are mixed with each other and pressure-molded to produce a composite solid electrolyte in the form of a pellet.
본 발명에 따른 복합 고체전해질은 1~200 ㎛ 입자 크기를 가지고, 100~1000 ㎛ 두께의 펠렛을 형성하며, 상온에서 1.0 ×10-6 ~ 1.0 ×10-3 S/cm의 이온 전도도를 가질 수 있다.Composite solid electrolyte according to the present invention has a particle size of 1 ~ 200 ㎛, to form a pellet of 100 ~ 1000 ㎛ thickness, 1.0 × 10 -6 ~ 1.0 × 10 -3 to have ionic conductivity in S / cm at room temperature have.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 복합 고체전해질을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing the composite solid electrolyte according to the present invention.
상기 방법은 졸-겔법을 기반으로 LLTO 고체전해질 분말을 제조하는 단계, 용해 과정을 통해 비결정질의 LSS-LiI-LiBH4 고체전해질 분말을 제조하는 단계, 및 산화물계 고체전해질 및 황화물계 고체전해질 분말을 섞어 가압 성형하여 펠렛형태의 복합고체전해질을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The method comprises the steps of preparing an LLTO solid electrolyte powder based on a sol-gel method, dissolving amorphous LSS-LiI-LiBH 4 A step of preparing a solid electrolyte powder, and a step of mixing the oxide-based solid electrolyte and the sulfide-based solid electrolyte powder and press-molding them to prepare a composite solid electrolyte in the form of a pellet.
구체적으로, 상기 방법은Specifically,
1) 금속 질산염을 출발물질로 킬레이트 형성제와 반응시켜 졸 및 겔을 제조하고, 겔을 열분해, 열처리 및 분쇄 과정을 통해 LLTO 분말을 제조하는 단계; 1) reacting a metal nitrate with a chelating agent as a starting material to prepare a sol and a gel; and subjecting the gel to thermal decomposition, heat treatment, and pulverization to prepare LLTO powder;
2) 고상법을 통하여 결정화된 Li4SnS4(LSS)를 용매에 용해시킨 후 건조 및 열처리 공정을 통해 비결정질의 Li4SnS4 분말을 제조한 다음, LiI 및 LiBH4와 혼합을 통해 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)(LSS-LiI-LiBH4) 분말을 제조하는 단계; 및2) Li 4 SnS 4 (LSS) crystallized through the solid phase method is dissolved in a solvent, and amorphous Li 4 SnS 4 powder is produced through a drying and a heat treatment process, and then mixed with LiI and LiBH 4 to form y [Li (LSS-LiI-LiBH 4 ) powder having a composition of 0 <x, y (mole number) <1> 4 SnS 4 ] (1-y) [x LiI 1-x LiBH 4 ]. And
3) 상기 LLTO 및 상기 LSS-LiI-LiBH4를 서로 혼합하고 가압 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.3) mixing the LLTO and the LSS-LiI-LiBH 4 and press-molding them.
상기 방법에 있어서, 단계 3)에서 LLTO 및 LSS-LiI-LiBH4는 9 : 1 내지 1 : 1의 중량 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.In the above method, LLTO and LSS-LiI-LiBH 4 are preferably mixed in a weight ratio of 9: 1 to 1: 1 in step 3).
상기 방법에 있어서, 단계 3)에서 가압 성형을 통해 펠렛 형태로 제조하는 것이 바람직하다.In the above-described method, it is preferable to produce pellet form through pressure molding in step 3).
본 발명의 제조방법을 이용하여 1~200 ㎛ 입자 크기를 갖는 복합 고체전해질 분말 및 100~1000 ㎛ 두께의 펠렛을 제조할 수 있으며, 상온에서 1.0 ×10-6 ~ 1.0 ×10-3 S/cm의 이온 전도도를 갖는 복합 고체전해질을 제조할 수 있다.Can using the production method of the present invention to produce the composite solid electrolyte powder, and 100 ~ 1000 ㎛ pellets of thickness having a size of 1 ~ 200 ㎛ particles, at room temperature, 1.0 × 10 -6 ~ 1.0 × 10 -3 S / cm The composite solid electrolyte having an ionic conductivity of < RTI ID = 0.0 >
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 포함하는 리튬 이온전도성 고체전해질을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.In addition, the present invention y [Li 4 SnS 4] ( 1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4)] (0 <x, y ( molar amount) of the amorphous structure in accordance with the present invention < 1). ≪ / RTI >
또한, 본 발명은 산화물계 고체전해질로서 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3aLa(2/3-a)□(1/3-2a)TiO3)에 황화물계 고체전해질로서 비결정질 구조의 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)를 복합화한, 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질을 포함하는 리튬 전지를 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, which comprises reacting an LLTO (Li 3a La (2/3-a)) (1 / 3-2a) TiO 3 having a perovskite structure as an oxide- A lithium ion conductive composite solid electrolyte comprising a complex of [Li 4 SnS 4 ] (1-y) [x (LiI) (1-x) (LiBH 4 )] (0 <x, y A lithium battery is provided.
상기 리튬 전지는 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극 사이에 개재된 고체전해질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극 및 음극층에 상기한 고체전해질을 추가적으로 포함할 수 있으며, 이로 인해 양극 또는 음극과 접하는 고체전해질과의 계면저항을 감소시켜, 셀 저항을 감소시킬 수 있다. The lithium battery may include a positive electrode including a positive electrode active material, and a solid electrolyte interposed between the negative electrode including the negative electrode active material. In addition, the positive electrode and the negative electrode layer may further include the solid electrolyte described above, thereby reducing the interfacial resistance between the positive electrode and the solid electrolyte in contact with the negative electrode, thereby reducing the cell resistance.
상기 리튬 전지는 양극과 고체전해질 사이 및 음극과 고체전해질 사이에 고체전해질막을 추가로 포함하는 구조를 가질 수 있다. 추가 고체전해질막은 기존 고체전해질의 화학적 안정성을 개선시키며, 전극과 고체전해질 사이의 밀착성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. The lithium battery may have a structure that further includes a solid electrolyte layer between the anode and the solid electrolyte and between the anode and the solid electrolyte. The additional solid electrolyte membrane improves the chemical stability of the conventional solid electrolyte and can improve the adhesion between the electrode and the solid electrolyte.
상기 양극활물질은 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi1 - xMnxO2 (0<x<1), LiNi1 -x- yCoxMnyO2 (0<x<0.5, 0<y<0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2 의 리튬전이금속산화물, 전이금속황화물 등일 수 있다. The positive electrode active material can be used without limitation as long as it is commonly used in a lithium battery. For example, LiCoO 2, LiMnO 2, LiMn 2 O 4, LiNi 1 - x Mn x O2 (0 <x <1), LiNi 1 -x- y Co x Mn y O 2 (0 <x <0.5, 0 <y <0.5), lithium transition metal oxide of LiFePO 4 , TiS 2 , FeS 2 , transition metal sulfide, and the like.
상기 음극활물질은 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi 등을 들 수 있으며, 상기 금속산화물로는 리튬티탄 산화물, SnO2, SiOx(0<x<2) 등이다. 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The negative electrode active material can be used without limitation as long as it is commonly used in a lithium battery. For example, at least one selected from the group consisting of a lithium metal, a metal capable of alloying with lithium, a metal oxide, and a carbon-based material. For example, examples of the metal capable of being alloyed with lithium include Si, Sn, Al, Ge, Pb and Bi. Examples of the metal oxide include lithium titanium oxide, SnO 2 , SiO x to be. The carbon-based material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof.
상기 리튬 전지는 전기차량(Electric Vehicle)과 같은 고안전성 및 고용량이 요구되는 용도에도 적합하며, 기존의 내연기관, 연료전지, 수퍼커패시터 등과 결합하여 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle) 등에도 사용될 수 있다. 또한, 상기 리튬 전지는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 소형 IT 제품 등의 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.The lithium battery is also suitable for applications requiring high safety and high capacity such as an electric vehicle and can be used in a hybrid vehicle by being combined with a conventional internal combustion engine, a fuel cell, a supercapacitor and the like. In addition, the lithium battery can be used for all other purposes such as mobile compact IT products such as mobile phones and portable computers.
본 발명의 바람직한 실시예는 아래와 같다. 아래의 실시예들은 본 발명의 기술적 특징을 예시적으로 보인 것으로서, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.A preferred embodiment of the present invention is as follows. The following embodiments are illustrative of the technical features of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.
<< 실시예Example 1> 1>
출발물질로서 Li 전구체인 LiNO3, La 전구체인 La(NO3)36H2O, Ti 전구체인 Ti[OCH(CH3)2]4(titanium isopropoxide)를 Li0 . 29La0 . 57TiO3 가 얻어지도록 Li, La, Ti 사이의 몰비를 0.29 : 0.57 : 1로 칭량하여 준비하였다. 상기 출발 물질들은 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)에 용해 시킨 후, 상기 용액에 구연산(citric acid, (HOC(COOH)(CH2COOH)2))을 첨가하여 60℃로 가열하여 졸(sol)을 제조하였다. 이때, 전체 금속 질산염 몰수의 3배에 해당하는 구연산을 첨가하였다. 상기 용액을 270℃로 가열하여 겔(gel)을 제조하고, 열분해시켰다. 이후 900℃에서 3시간 동안 열처리를 완료한 후 고체전해질 분말을 제조하였다. 해당 분말을 지르코니아 볼과 에탄올을 첨가하여 습식 방식으로 220 rpm의 속도로 볼 밀링을 12시간 수행하여 분쇄하였다. 해당 분말을 수거하여 80℃에서 24시간 동안 건조하고, 100 micro 크기의 분채(mesh)에 걸러 100 nm ~ 5 um 크기의 미세한 LLTO 분말을 얻었다. As a starting material Li precursor, LiNO 3, La precursor of La (NO 3) 3 6H 2 O, Ti precursor of Ti [OCH (CH3) 2] 4 (titanium isopropoxide) to Li 0. 29 La 0 . 57 is TiO 3 so as to obtain a molar ratio between Li, La, Ti 0.29: were prepared by weighing a 1: 0.57. The starting materials were dissolved in ethylene glycol, citric acid (HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 ) was added to the solution, and the solution was heated to 60 ° C to prepare a sol Respectively. At this time, citric acid corresponding to three times the molar amount of the entire metal nitrate was added. The solution was heated to 270 DEG C to prepare a gel and pyrolyzed. After completion of the heat treatment at 900 캜 for 3 hours, a solid electrolyte powder was prepared. The powder was milled by wet milling at 220 rpm for 12 hours by adding zirconia balls and ethanol. The powder was collected, dried at 80 ° C. for 24 hours, and filtered through a 100 μm mesh to obtain a fine LLTO powder having a size of 100 nm to 5 μm.
황화물계 고체전해질의 출발물질로는 Li2S(lithium sulfide), S(Sulfur) 및 SnS(Tin sulfide)를 몰비로 2:1:1이 되도록 칭량한 후 분말을 혼합하였다. 이후 분말을 300 MPa로 가압하여 펠렛으로 제조한 후 550℃ 온도에서 48 h 간 진공 열처리를 수행하여 결정화된 Li4SnS4(LSS) 분말을 얻었다. 메탄올 용액에 Li4SnS4 0.4 몰을 녹여 50℃에서 6시간 동안 혼합 후 상온에서 진공 건조시켜 메탄올을 휘발시킨 후 비결정질의 Li4SnS4 분말을 얻고 이후 200℃에서 5시간 동안 진공 열처리를 통하여 Li4SnS4 분말을 얻었다. 이렇게 얻어진 비결정질의 Li4SnS4 및 LiI를 각각 0.6:0.4 몰비로 섞어 비결정질의 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI) 고체전해질 분말을 얻었다.Li 2 S (lithium sulfide), S (Sulfur) and SnS (Tin sulfide) were weighed in a molar ratio of 2: 1: 1 as a starting material of the sulfide-based solid electrolyte. Thereafter, the powder was pressurized to 300 MPa to prepare pellets, and then subjected to vacuum heat treatment at 550 ° C. for 48 h to obtain crystallized Li 4 SnS 4 (LSS) powder. 0.4 mol of Li 4 SnS 4 was dissolved in a methanol solution, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 6 hours. After vacuum drying at room temperature, methanol was volatilized to obtain amorphous Li 4 SnS 4 powder. Then, the Li 4 SnS 4 powder was subjected to vacuum heat treatment at 200 ° C. for 5 hours 4 SnS 4 powder was obtained. Amorphous Li 4 SnS 4 and LiI thus obtained were mixed in a molar ratio of 0.6: 0.4 to obtain an amorphous 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) solid electrolyte powder.
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI)을 무게비로 90:10 비율로 칭량한 후 혼합한 후, 300 MPa로 가압성형하여 펠렛 형태의 고체전해질을 제조하였다. The mixed LLTO and sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) were weighed at a ratio of 90:10 by weight and then mixed and pressed at 300 MPa to prepare a pellet-shaped solid electrolyte.
<< 실시예Example 2> 2>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI)을 무게비로 80:20 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.A composite solid electrolyte pellet was prepared in the same manner as in Example 1 except that the LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) were weighed and weighed at a ratio of 80:20 by weight .
<< 실시예Example 3> 3>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI)을 무게비로 70:30 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.A composite solid electrolyte pellet was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mixed LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) were weighed at a weight ratio of 70:30 and then mixed .
<< 실시예Example 4> 4>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI)을 무게비로 60:40 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.A composite solid electrolyte pellet was prepared in the same manner as in Example 1 except that the LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) were weighed at a weight ratio of 60:40 and then mixed .
<< 실시예Example 5> 5>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI)을 무게비로 50:50 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.A composite solid electrolyte pellet was prepared in the same manner as in Example 1, except that the LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) were weighed and weighed at a ratio of 50:50 by weight .
<< 실시예Example 6> 6>
LLTO 분말 제조 및 비결정질의 LSS 제조 방법은 상기 <실시예 1>과 동일하다. LiI와 LiBH4을 0.25:0.75 몰비로 칭량하여 혼합한 후, 이를 비결정질의 LSS와 0.4:0.6의 몰비로 섞어 비결정질의 0.6[Li4SnS4]0.4[0.25(LiI)0.75(LiBH4)] 고체전해질 분말을 얻었다.The LLTO powder preparation and the amorphous LSS preparation method are the same as in <Example 1>. LiI and LiBH 4 were weighed and mixed at a molar ratio of 0.25: 0.75 and mixed with an amorphous LSS in a molar ratio of 0.4: 0.6 to form amorphous 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 [0.25 (LiI) 0.75 (LiBH 4 ) An electrolyte powder was obtained.
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4[0.25(LiI)0.75(LiBH4)]와 무게비로 90:10 비율로 칭량한 후 혼합한 후, 300 MPa로 가압성형하여 펠렛 형태의 고체전해질을 제조하였다. Were weighed and weighed at a ratio of 90:10 in weight ratio with the dispersed LLTO and sulfide-based electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 [0.25 (LiI) 0.75 (LiBH 4 )] and then mixed and pressed at 300 MPa to form pellets A solid electrolyte was prepared.
<< 실시예Example 7> 7>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4[0.25(LiI)0.75(LiBH4)]와 무게비로 80:20 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 <실시예 6>과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.The results are shown in Tables 1 and 2, except that the LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 [0.25 (LiI) 0.75 (LiBH 4 )] were weighed and weighed at a weight ratio of 80:20. The composite solid electrolyte pellets were prepared in the same manner.
<< 실시예Example 8> 8>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4[0.25(LiI)0.75(LiBH4)]와 무게비로 70:30 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 <실시예 6>과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.Except that the LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 [0.25 (LiI) 0.75 (LiBH 4 )] were weighed and weighed at a weight ratio of 70:30 and then mixed. The composite solid electrolyte pellets were prepared in the same manner.
<< 실시예Example 9> 9>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4[0.25(LiI)0.75(LiBH4)]와 무게비로 60:40 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.Except that the mixture was weighed and weighed at a ratio of 60:40 in weight ratio with the dispersed LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 [0.25 (LiI) 0.75 (LiBH 4 ) To prepare a composite solid electrolyte pellet.
<< 실시예Example 10> 10>
분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4[0.25(LiI)0.75(LiBH4)]와 무게비로 50:50 비율로 칭량한 후 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 복합고체전해질 펠렛을 제조하였다.Except that the mixture was weighed and weighed at a ratio of 50:50 in weight ratio with the dispersed LLTO and the sulfide electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 [0.25 (LiI) 0.75 (LiBH 4 ) To prepare a composite solid electrolyte pellet.
<< 비교예Comparative Example 1> 1>
상기 실시예1에서 제조한 LLTO 분말을 300 MPa로 가압 성형하여 고체전해질 펠렛을 제조하였다.The LLTO powder prepared in Example 1 was press-formed at 300 MPa to prepare a solid electrolyte pellet.
<< 비교예Comparative Example 2> 2>
상기 비교예1에서 제조한 펠렛을 1200 oC 온도에서 6 시간동안 소결공정하여 펠렛 형태의 고체전해질 소결체를 제조하였다. The pellet prepared in Comparative Example 1 was sintered at 1200 o C for 6 hours to prepare a pellet-shaped solid electrolyte sintered body.
<< 비교예Comparative Example 3> 3>
상기 실시예 1에서 제조한 비결정질의 Li4SnS4 분말을 300 Mpa로 가압성형하여 고체전해질 펠렛을 제조하였다. The amorphous Li 4 SnS 4 prepared in Example 1 The powder was press-molded at 300 MPa to prepare a solid electrolyte pellet.
<< 평가예Evaluation example 1> X-선 회절 실험 1> X-ray diffraction experiment
상기 <실시예 1>, <비교예 1> 및 <비교예 3>에서 제조된 고체전해질의 결정 구조를 파악하기 위하여 X-선 회절 실험을 수행하였다. X-ray diffraction experiments were conducted to understand the crystal structure of the solid electrolyte prepared in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 3.
실험 결과는 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보여지는 바와 같이 Li0.29La0.57TiO3(LLTO)의 경우 불순물이 없는 순수한 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다. <비교예 3>의 경우 결정질의 Li4SnS4 (LSS)을 용매에 녹인 후 낮은 온도(200℃)에서 재열처리를 진행한 경우로 27° 및 47° 등에서만 결정성이 낮은 회절 피크만 관찰되는 것을 알 수 있었다. 비결정성의 LSS 및 LiI, LLTO가 혼합된 <실시예 1>의 경우 무게비가 90인 LLTO 결정질 피크가 크게 나타나는 것을 알 수 있으며, 비결정성의 LSS는 특성 회절 피크가 작게 나타나는 것을 확인하였다. 혼합된 LiI 양이 많지 않아 LiI의 특성 피크는 잘 관찰되지 않았다. LSS 및 LLTO 회절피크 외에는 다른 특성 피크가 관찰되지 않는 것으로 보아, LLTO 및 LSS-LiI 복합고체전해질을 혼합시 화학적인 부반응은 일어나지 않는 것으로 확인되며, 단순하게 이종의 고체전해질 분말이 혼합된 형태인 것으로 판단된다. The experimental results are shown in Fig. As shown in FIG. 1, it was confirmed that Li 0.29 La 0.57 TiO 3 (LLTO) had a pure perovskite structure free from impurities. ≪ Comparative Example 3 > In the case of the crystalline Li 4 SnS 4 (LSS) was dissolved in a solvent and then subjected to a reheat treatment at a low temperature (200 ° C.), only a diffraction peak having a low crystallinity was observed only at 27 ° and 47 °. In the case of <Example 1> in which amorphous LSS, LiI and LLTO were mixed, the LLTO crystalline peak having a weight ratio of 90 was found to be large, and the amorphous LSS showed small characteristic diffraction peaks. The amount of mixed LiI was not so large and the characteristic peak of LiI was not observed well. It was found that no characteristic peaks were observed other than the LSS and LLTO diffraction peaks, and it was confirmed that chemical side reactions did not occur when the LLTO and LSS-LiI composite solid electrolytes were mixed, and they were simply mixed with different types of solid electrolyte powders .
<< 평가예Evaluation example 2> 주사전자현미경( 2> Scanning electron microscope ( SEMSEM ) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험) And energy dispersive spectroscopy (EDS) experiments
<실시예 1>에서 제조된 복합 고체전해질의 표면 특성을 파악하기 위하여 주사전자 현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험을 수행하였다. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) experiments were conducted to characterize the surface properties of the composite solid electrolyte prepared in Example 1.
실험 결과는 도 2에 나타내었다. <실시예 1>에서 분채된 LLTO 및 황화물계 전해질 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI)을 무게비로 90:10 비율로 칭량한 후 혼합한 분말을 300 MPa로 가압성형을 하여 펠렛을 제조하게 되는데(도 2의 분말 및 펠렛 사진 참조), 펠렛 제조 전 분말의 표면 SEM 및 EDS 분석을 수행하였다. 분채된 LLTO 분말의 입자크기는 5 μm 이하인 것을 알 수 있으며, LLTO의 Ti의 성분 및 Li4SnS4의 S 및 Sn 성분이 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 LLTO 및 LSS-LiI 복합고체전해질 분말이 균일하게 분산된 결과로부터, 제조된 펠렛 고체전해질 역시 각각의 고체전해질이 균일하게 분산되어있으리라고 판단된다. The experimental results are shown in Fig. The weight of LLTO and sulfide-based electrolyte 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) distributed in Example 1 was weighed at a ratio of 90:10, and the mixed powder was press-molded at 300 MPa to produce pellets (See the powder and pellet picture of FIG. 2), surface SEM and EDS analyzes of the powder before pelletization were performed. It can be seen that the particle size of the dispersed LLTO powder is 5 μm or less, and it is confirmed that the components of Ti of LLTO and the S and Sn components of Li 4 SnS 4 are uniformly dispersed. From the result that the LLTO and LSS-LiI composite solid electrolyte powders were uniformly dispersed, it was judged that the solid electrolytes were uniformly dispersed in the pellet solid electrolytes.
<< 평가예Evaluation example 3> 임피던스 측정 실험 및 이를 통한 이온전도도 계산 3> Impedance measurement experiment and ion conductivity calculation
복합 고체전해질의 이온전도도를 측정하기 위하여 교류 임피던스 측정법을 사용하였다. 이를 위해 제조된 고체전해질 펠렛에 Au를 양면에 코팅하여, 이온이 통과할 수 없는 비투과(blocking) 계면을 만든 후 소결체 양면에 5 mV의 전압 진폭으로 주파수 범위는 700 kHz ~ 0.1 Hz로 교류전압을 인가해 주었다. 이때 구해진 임피던스 개형으로부터 임피던스 궤적의 반원이 실수축과 만나는 교점의 저항을 fitting 방법을 통해 측정하고 시편의 두께와 면적을 아래 식에 대입해서 고체전해질의 전체 이온 전도도를 계산해 주었다.AC impedance measurement method was used to measure ion conductivity of composite solid electrolyte. To this end, Au was coated on both sides of the solid electrolyte pellet to make a blocking interface that ions could not pass through. Then, an AC voltage was applied to both sides of the sintered body at a voltage amplitude of 5 mV and a frequency range of 700 kHz to 0.1 Hz "He said. The resistance of the intersection of the half circle of the impedance trace with the real axis is measured by the fitting method and the thickness and area of the specimen are substituted into the following equation to calculate the total ion conductivity of the solid electrolyte.
σ(S cm-1) = 1/(R)*(L/A) ? (S cm -1 ) = 1 / (R) * (L / A)
(R : fitting으로부터 얻은 저항 값, A : 펠렛 면적, L : 펠렛 두께) (R: resistance value obtained from fitting, A: pellet area, L: pellet thickness)
<실시예 1>, <실시예 3>, <실시예 5> 및 <실시예 10>, <비교예 1>, <비교예 2> 및 <비교예 3>으로부터 얻은 임피던스 개형을 도 3 및 도 4에 나타내었으며, 동일한 방법으로 측정한 실시예 2, 4, 6, 7, 8 및 9로 제조된 고체전해질의 이온전도도 값을 표 1에 나타내었다. Impedance openings obtained from Example 1, Example 3, Example 5 and Example 10, Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 are shown in Figs. 3 and 7 4, and the ionic conductivity values of the solid electrolytes prepared in Examples 2, 4, 6, 7, 8, and 9, which were measured in the same manner, are shown in Table 1.
<비교예 1>의 경우 LLTO 분말을 고온의 소결 공정없이 펠렛을 제조한 경우로 이온전도도 값은 6.3 ×10-7 S/cm로 매우 낮은 것을 알 수 있다. <비교예 2>의 경우 <비교예 1>에서 제작된 펠렛을 1200℃의 고온에서 소결처리한 경우로 이온전도도 값은 1.1 ×10-4 S/cm로 측정되어 <비교예 1> 대비 수백 배 증가하는 것을 알 수 있으나 산화물계 고체전해질인 LLTO의 이온전도도를 증가시키기 위해선 고온의 열처리 과정이 필요하다는 것을 알 수 있다. <비교예 3>인 비결정질의 LSS의 경우 이온전도도 값은 3.4 ×10-5 S/cm로 소결 처리된 <비교예 2> 대비 낮은 수준으로 확인되었다. In the case of <Comparative Example 1>, when the pellet was produced without the sintering process at a high temperature of the LLTO powder, the ionic conductivity value was very low as 6.3 × 10 -7 S / cm. In the case of Comparative Example 2, when the pellet produced in Comparative Example 1 was sintered at a high temperature of 1200 ° C, the ion conductivity value was measured as 1.1 × 10 -4 S / cm, which was several hundred times . However, it can be seen that a high-temperature heat treatment process is required to increase the ionic conductivity of the oxide-based solid electrolyte LLTO. Comparative Example 3 In the case of phosphorus amorphous LSS, the ion conductivity value was found to be lower than that of Comparative Example 2 which was sintered at 3.4 × 10 -5 S / cm.
<실시예 1> 내지 <실시예 5>의 경우 LLTO와 비결정질의 0.6LSS0.4LiI를 무게비를 달리하여 혼합한 경우로 0.6[Li4SnS4]0.4(LiI)의 혼합비율이 증가할수록 이온전도도는 3.0 ×10-6 S/cm에서 1.8 ×10-4 S/cm로 증가하는 것을 알 수 있다. <실시예 1>의 경우 10 무게비의 0.6LSS0.4LiI가 혼합시에도 <비교예 1>의 경우 보다 4배 이상의 이온전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, <실시예 5>의 경우 고온열처리 과정이 적용된 <비교예 2> 보다도 더 높은 이온전도도 값을 보이는 것으로 보아 비결정질의 황화물계 고체전해질인 0.6LSS0.4LiI이 LLTO 입자들 사이에 균일하게 혼합되어 LLTO 및 황화물계 고체전해질 사이의 펠렛 밀도 및 결합력을 증가시켜, 펠렛의 입계 저항을 낮추어 이온전도도가 향상되는 것으로 판단된다. 이는 단단한 산화물 입자 사이에 연성의 황화물계 고체전해질이 균일하게 분산되어 발생하는 현상으로 판단된다. In the case of Examples 1 to 5, when LLTO and amorphous 0.6LSS0.4LiI were mixed at different weight ratios, ionic conductivity increased as the mixing ratio of 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 (LiI) It can be seen that it increases from 3.0 × 10 -6 S / cm to 1.8 × 10 -4 S / cm. In the case of Example 1, it was confirmed that ionic conductivity was increased four times or more as compared with that of Comparative Example 1 by mixing 0.6 LSS0.4LiI of 10 weight ratio. In Example 5, The ionic conductivity of the amorphous sulfide-based solid electrolyte, 0.6LSS0.4LiI, was uniformly mixed between the LLTO particles, indicating that the pellet density and bonding force between the LLTO and sulfide-based solid electrolytes And the ionic conductivity is improved by lowering the grain boundary resistance of the pellet. This is considered to be a phenomenon in which a soft sulfide-based solid electrolyte is uniformly dispersed between hard oxide particles.
LiI에 LiBH4가 첨가된 0.6[Li4SnS4]0.4[0.25(LiI)0.75(LiBH4)]를 LLTO와 혼합한 <실시예 6> 내지 <실시예 10>의 경우도 <실시예 1> 내지 <실시예 5>와 유사하게 이온전도도 값이 증가하는 현상을 확인할 수 있었으며, 이온전도도 값 역시 <비교예 1> 대비 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 LiBH4 역시 LiI와 더불어 복합고체전해질의 이온전도도 값을 개선하는데 효과가 있는 것을 알 수 있었다. (Example 6) to (Example 10) in which 0.6 [Li 4 SnS 4 ] 0.4 [0.25 (LiI) 0.75 (LiBH 4 )] in which LiBH 4 was added to LiI was mixed with LLTO, The ion conductivity value was increased similarly to Example 5, and the ion conductivity value was also significantly increased as compared with Comparative Example 1. In addition, From these results, it was found that LiBH 4 is also effective for improving the ionic conductivity of composite solid electrolyte with LiI.
Claims (12)
2) 고상법을 통하여 결정화된 Li4SnS4(LSS)를 용매에 용해시킨 후 건조 및 열처리 공정을 통해 비결정질의 Li4SnS4 분말을 제조한 다음, LiI 및 LiBH4와 혼합을 통해 y[Li4SnS4](1-y)[x(LiI)(1-x)(LiBH4)](0 < x, y (몰수) <1)(LSS-LiI-LiBH4) 분말을 제조하는 단계; 및
3) 상기 LLTO 및 상기 LSS-LiI-LiBH4를 서로 혼합하고 가압 성형하는 단계;를 포함하는, 리튬 이온 전도성 복합 고체전해질의 제조 방법.
1) reacting a metal nitrate with a chelating agent as a starting material to prepare a sol and a gel; and subjecting the gel to thermal decomposition, heat treatment, and pulverization to prepare LLTO powder;
2) Li 4 SnS 4 (LSS) crystallized through the solid phase method is dissolved in a solvent, and amorphous Li 4 SnS 4 powder is prepared through drying and heat treatment, and then mixed with LiI and LiBH 4 to form y [Li (LSS-LiI-LiBH 4 ) powder having a composition of 0 <x, y (mole number) <1> 4 SnS 4 ] (1-y) [x LiI 1-x LiBH 4 ]. And
3) mixing the LLTO and the LSS-LiI-LiBH 4 and press-molding them.
The method of claim 8, wherein LLTO and LSS-LiI-LiBH 4 are mixed in a weight ratio of 9: 1 to 1: 1 in step 3).
The method for producing a lithium ion conductive composite solid electrolyte according to claim 8, wherein the lithium ion conductive complex solid electrolyte is produced in a pellet form in the step 3).
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