KR102048701B1 - Manufacturing method of lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide composite - Google Patents

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Abstract

본 발명은, LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 준비하는 단계와, 가넷 구조를 갖는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말과 상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿을 혼합하고 성형하는 단계 및 성형된 결과물을 소결하는 단계를 포함하며, 상기 소결은 1200℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질의 소결 시 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)에 의해 액상소결을 유도할 수 있어 소결체의 치밀화를 이룰 수 있게 하고, 저온 소결을 가능하게 하며, 소결체의 이온전도도를 향상시킬 수 있다.The present invention provides a step of preparing an LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit, LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder having a garnet structure and the LBO (Li 3 BO 3) A method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite, comprising mixing and shaping a glass frit and sintering the molded product, wherein the sintering is performed at a temperature lower than 1200 ° C. It is about. According to the present invention, liquid sintering can be induced by LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit during sintering of LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte, thereby achieving densification of the sintered compact. It is possible to make low-temperature sintering, and to improve the ion conductivity of the sintered body.

Description

리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법{Manufacturing method of lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide composite}Manufacturing method of lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide composite}

본 발명은 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질의 소결 시 액상소결을 유도할 수 있어 소결체의 치밀화를 이룰 수 있게 하고, 저온 소결을 가능하게 하며, 소결체의 이온전도도를 향상시킬 수 있는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite, and more particularly, densification of the sintered compact can be induced by liquid phase sintering during LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte The present invention relates to a method for producing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite capable of achieving a low temperature, enabling low temperature sintering, and improving ion conductivity of the sintered body.

리튬 이차전지는 1991년 일본 SONY사에서 최초의 상업화한 이후 1995년부터 수요가 급격히 증가하고 있다. 리튬 이차전지는 기존의 전지에 비해 자가 방전이 적으며, 메모리 효과가 없고 작동전압이 3.6V로 높을 뿐만 아니라 경량화, 고에너지 밀도와 우수한 출력특성 등 다양한 장점을 가지고 있어 전자기기들의 전원으로 사용되어져 왔다. 최근에 리튬 이차전지가 각광 받는 이유는 전기자동차용 배터리로서 적용 가능성이 높기 때문이다. 첨단 산업인 전기자동차, 차세대 IT 이동통신기기, 친환경 에너지 산업 등이 발전함에 따라 사용되는 리튬 이차전지는 산업의 기술적 발전이 요구되고 있다. Since the first commercialization of lithium secondary batteries by Sony in Japan in 1991, demand has increased rapidly since 1995. Lithium secondary battery has less self-discharge than conventional battery, has no memory effect, high operating voltage of 3.6V, and has various advantages such as light weight, high energy density and excellent output characteristics. come. The reason why lithium secondary batteries are in the spotlight recently is that they are highly applicable as batteries for electric vehicles. As the advanced industries such as electric vehicles, next-generation IT mobile communication devices, and environmentally friendly energy industries are developed, lithium secondary batteries are required for technological development of the industry.

현재 상용화 되고 있는 액체전해질 타입의 리튬 이차전지는 유기용매와 리튬 염으로 구성되어 있으며, 분리막이 추가로 설치되어 있다. 충전 시에는 Li+ 이온이 양극에서 음극으로 이동하고 방전 시에는 음극에서 다시 양극으로 이동하면서 Li이 이온화되고 발생된 전자도 음극에서 양극으로 이동하게 된다. Li+ 이온의 이동은 전해질을 통하여 이루어지며, 전해질의 이온전도도는 전지의 충/방전속도에 영향을 준다. 또한 양극과 음극 재료의 특성은 에너지 밀도에 영향을 주고 전해질의 이온전도도와 두께는 출력에 영향을 주며, 전극과 전해질의 접촉면적 및 접촉저항, 전극의 전기 전도도 등은 에너지 밀도와 출력 모두에 영향을 준다. The liquid electrolyte type lithium secondary battery currently commercialized is composed of an organic solvent and a lithium salt, and additionally, a separator is installed. During charging, Li + ions move from the anode to the cathode, and during discharge, Li is ionized and the generated electrons move from the cathode to the anode. The movement of Li + ions occurs through the electrolyte, and the ion conductivity of the electrolyte affects the charge / discharge rate of the battery. In addition, the properties of the anode and cathode materials affect the energy density, the ionic conductivity and thickness of the electrolyte affect the output, and the contact area and contact resistance of the electrode and electrolyte, and the electrical conductivity of the electrode affect both energy density and output. Gives.

하지만 현재 사용되는 유기 액체전해질은 덴드라이트(Dendrite) 형성, 가연성(Flammability), 누설(Leakage)에 대한 문제점으로 인한 폭발위험성이 있다. 이를 해결하기 위한 대안으로 고체전해질을 이용한 전고체 리튬 이차전지(all-solid-state lithium ion batteries)가 제시되고 있다. 전고체 리튬 이차전지는 기존 리튬 이차전지의 구성요소 가운데 액체전해질을 고체전해질로 대체한 것을 말한다. 전지의 폭발이나 화재 위험성이 없고 제조공정이 액체전해질에 비하여 단순화되어 있으며, 고 에너지 밀도화, 신뢰성이 큰 기존 리튬 이차전지보다 유리해 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 고체전해질을 사용할 경우, 전지설계가 단순하기 때문에 공정과정의 최소화가 가능하여 생산 단가를 절감하는 경제적인 효과를 줄 수 있다. 하지만, 고체전해질의 리튬 이온 전도도는 액체전해질의 리튬 이온 전도도에 비하여 유동성이 없는 고체이기 때문에 낮은 이온전도도로 인해 어려움을 겪고 있다. 따라서, 고체전해질 소재의 개발이 필요하다. However, currently used organic liquid electrolytes have a risk of explosion due to problems of dendrite formation, flammability, and leakage. As an alternative to solve this problem, all-solid-state lithium ion batteries using solid electrolytes have been proposed. All-solid-state lithium secondary battery refers to replacing the liquid electrolyte with a solid electrolyte among the components of the existing lithium secondary battery. There is no risk of explosion or fire of the battery, and the manufacturing process is simplified compared to liquid electrolyte, and it is attracting attention as a next-generation secondary battery because it has advantages over existing lithium secondary batteries with high energy density and reliability. In the case of using a solid electrolyte, since the battery design is simple, the process can be minimized, thereby reducing the production cost. However, since the lithium ion conductivity of the solid electrolyte is a solid having no fluidity compared to the lithium ion conductivity of the liquid electrolyte, it is difficult due to the low ion conductivity. Therefore, development of a solid electrolyte material is necessary.

대한민국 등록특허공보 제10-1732003호Republic of Korea Patent Publication No. 10-1732003

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질의 소결 시 액상소결을 유도할 수 있어 소결체의 치밀화를 이룰 수 있게 하고, 저온 소결을 가능하게 하며, 소결체의 이온전도도를 향상시킬 수 있는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법을 제공함에 있다. The problem to be solved by the present invention is to induce liquid phase sintering during the sintering of LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte to achieve densification of the sintered body, to enable low-temperature sintering, ions of the sintered body The present invention provides a method for producing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite capable of improving conductivity.

본 발명은, LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 준비하는 단계와, 가넷 구조를 갖는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말과 상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿을 혼합하고 성형하는 단계 및 성형된 결과물을 소결하는 단계를 포함하며, 상기 소결은 1200℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법을 제공한다. The invention, LBO (Li 3 BO 3) based glass frit LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12) solid electrolyte powder and the LBO (Li 3 BO 3 having a phase and a garnet structure to prepare the (glass frit) A method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite, comprising mixing and shaping a glass frit and sintering the molded product, wherein the sintering is performed at a temperature lower than 1200 ° C. To provide.

상기 소결은 1000∼1150℃에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering is preferably carried out at 1000 ~ 1150 ℃.

상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿은 상기 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. The LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit is preferably mixed with 0.1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder.

상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 준비하는 단계는, (a) 킬레이트제와 용매를 혼합하는 단계와, (b) 상기 킬레이트제와 상기 용매의 혼합물에 리튬 소스 물질과 붕소 소스 물질을 용해시키는 단계와, (c) 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질이 용해된 용액을 제1 온도로 가열하여 에스테르화 반응시켜 착체를 형성하는 단계와, (d) 에스테르화 반응에 의해 형성된 상기 착체를 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 가열하여 분말 상태의 파우더 전구체를 형성하는 단계 및 (e) 상기 파우더 전구체를 하소(calcination)하여 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 수득하는 단계를 포함할 수 있다.Preparing the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit, (a) mixing the chelating agent and the solvent, (b) a lithium source material and a mixture of the chelating agent and the solvent Dissolving the boron source material, (c) heating the solution in which the lithium source material and the boron source material are dissolved to a first temperature to esterify to form a complex, and (d) in the esterification reaction. Heating the complex formed at a second temperature higher than the first temperature to form a powder precursor in a powder state; and (e) calcining the powder precursor to form a LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit ( glass frit).

상기 킬레이트제는 시트르산(C6H8O7), 폴리아미노카르복실산, 폴리인산, 에틸렌디아민(C2H4(NH2)2) 및 에틸렌다이아민테트라아세트산(C10H16N2O8)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The chelating agent is citric acid (C 6 H 8 O 7 ), polyaminocarboxylic acid, polyphosphoric acid, ethylenediamine (C 2 H 4 (NH 2 ) 2 ) and ethylenediaminetetraacetic acid (C 10 H 16 N 2 O 8 ) one or more materials selected from the group consisting of.

상기 용매는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), H2O 및 디메틸에테르(C2H6O)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The solvent may include one or more substances selected from the group consisting of ethylene glycol, H 2 O, and dimethyl ether (C 2 H 6 O).

상기 (a) 단계에서 상기 용매와 상기 킬레이트제는 2:1∼7:1의 몰비로 혼합하는 것이 바람직하다.In the step (a), the solvent and the chelating agent are preferably mixed in a molar ratio of 2: 1 to 7: 1.

상기 리튬 소스 물질은 리튬카보네이트(Lithium carbonate, Li2CO3), 리튬나이트레이트(Lithium nitrate, LiNO3) 및 리튬클로라이드(Lithium chloride, LiCl)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The lithium source material may include at least one material selected from the group consisting of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), and lithium chloride (Lithium chloride, LiCl). .

상기 붕소 소스 물질은 붕산(Boric acid, H3BO3), 보론카보네이트(Boron carbonate, C3B2O9), 테트라니트라토보레이트(Tetranitratoborate, B(NO3)3) 및 보론트리클로라이드(Boron trichloride, BCl3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The boron source material is boric acid (Boric acid, H 3 BO 3 ), boron carbonate (Boron carbonate, C 3 B 2 O 9 ), tetranitratoborate (B (NO 3 ) 3 ) and boron trichloride (Boron trichloride, BCl 3 ) may include one or more substances selected from the group consisting of.

상기 (b) 단계에서, 알루미늄 나이트레이트 노나하이드레이트(Aluminum nitrate nonahydrate, Al(NO3)3·9H2O), 알루미늄 클로라이드(Aluminum chloride, AlCl3) 및 알루미늄 카보네이트(Aluminum carbonate, Al2(CO3)3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수 있다.In the step (b), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O), aluminum chloride, AlCl 3 and aluminum carbonate, Al 2 (CO 3 3 ) one or more substances selected from the group consisting of

상기 (b) 단계에서, 니오븀 나이트레이트(Niobium nitrate, Nb(NO3)5), 니노븀산(Niobium acid, Nb2O5·nH2O) 및 니노븀 클로라이드(Niobium chloride, NbCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수도 있다.In the step (b), made of niobium nitrate (Nobium nitrate, Nb (NO 3 ) 5 ), niobium acid (Niobium acid, Nb 2 O 5 · nH 2 O) and niobium chloride (Niobium chloride, NbCl 5 ) It is also possible to further dissolve one or more substances selected from the group.

상기 (b) 단계에서, 탄탈륨 나이트레이트(Tantalum nitrate, TaN5O15), 탄탈륨 카보네이트(Tantalum carbonate, Ta2(CO3)5) 및 탄탈륨 클로라이드(Tantalum chloride, TaCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수도 있다.In the step (b), 1 selected from the group consisting of tantalum nitrate, TaN 5 O 15 , tantalum carbonate, Ta 2 (CO 3 ) 5 , and tantalum chloride, TaCl 5 . More than one substance may be further dissolved.

에스테르화 반응을 위하여 상기 제1 온도로 가열하는 것은 90∼250℃ 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.Heating to the first temperature for the esterification is preferably carried out at a temperature of 90 ~ 250 ℃.

상기 하소는 상기 제2 온도 보다 높은 600∼800℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The calcination is preferably carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 600 ~ 800 ℃ higher than the second temperature.

상기 하소 전에 상기 파우더 전구체에 함유된 유기물을 제거하기 위해 상기 제2 온도보다 높고 상기 하소를 하는 온도보다 낮은 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include heat treatment at a temperature higher than the second temperature and lower than the calcination temperature in order to remove the organic material contained in the powder precursor before the calcination.

상기 (b) 단계에서 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질을 1:1 내지 5:1의 몰비로 용해시키는 것이 바람직하다.In the step (b), it is preferable to dissolve the lithium source material and the boron source material in a molar ratio of 1: 1 to 5: 1.

본 발명에 의하면, LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질의 소결 시 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)에 의해 액상소결을 유도할 수 있어 소결체의 치밀화를 이룰 수 있게 하고, 저온 소결을 가능하게 하며, 소결체의 이온전도도를 향상시킬 수 있다.According to the present invention, liquid sintering can be induced by LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit during sintering of LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte, thereby achieving densification of the sintered compact. It is possible to make low-temperature sintering, and to improve the ion conductivity of the sintered body.

도 1은 입방(cubic)상의 Li7La3Zr2O12(LLZ) 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 액상 소결 메커니즘을 보여주는 도면이다.
도 3은 금속 시트르산 복합체와 에틸렌글리콜 사이의 에스테르화 반응을 기반으로 폴리머 복합 전구체가 형성되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 4는 실험예에서 원료 분말로 사용된 Li7La3Zr2O12(LLZ) 분말을 보여주는 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진이다.
도 5는 실험예에 따른 Li3BO3(LBO) 분말의 합성을 위한 착체중합법의 공정 모식도이다.
도 6은 실험예에 따른 복합체 형성을 위한 공정 모식도이다.
도 7은 착체중합법으로 합성된 LBO 파우더 전국체의 TG-DTA(thermogravimetry-differential thermal analysis) 곡선이다.
도 8은 착체중합법으로 제조된 파우더 전구체의 하소온도에 따른 X-선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 9는 700℃에서 5시간 하소한 LBO 분말의 X-선 광전자 분광(XPS; X-ray photoelectron spectroscopy) 패턴을 나타낸 도면이다.
도 10은 파우더 전구체와 600℃, 700℃ 및 800℃의 하소온도에 따른 분말 이미지를 나타낸 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 파우더 전구체를 400℃에서 5시간 열처리 후, 온도별로 5시간 동안 하소한 분말을 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)으로 관찰한 사진이다.
도 12a는 순수 LLZ와 LLZ-12wt%LBO 복합체의 딜라토미터 수축 거동을 나타낸 그래프이고, 도 12b는 순수 LLZ와 LLZ-12wt%LBO 복합체의 딜라토미터 수축률을 나타낸 그래프이다.
도 13a는 700℃에서 하소한 LBO 분말의 함량에 따른 LLZ-LBO 복합체의 소결밀도를 나타낸 도면이고, 도 13b는 700℃에서 하소한 LBO 분말의 함량에 따른 LLZ-LBO 복합체의 상대밀도를 나타낸 도면이다.
도 14는 LBO를 0~16wt%를 첨가하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체에 대해 X-선회절(XRD)을 이용하여 결정상을 분석한 결과를 보여주는 도면이다.
도 15a 내지 도 15e는 LLZ 분말에 LBO을 함량에 따라 첨가하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체의 단면을 FE-SEM(field emission-scanning electron microscope)을 이용하여 미세구조를 관찰한 사진이다.
도 16은 상온 28℃에서 LBO 함량별에 따른 LLZ-LBO 복합체의 임피던스(complex impedance) 플롯(plot)을 나타낸 도면이다.
도 17a는 LLZ-12wt%LBO와 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 소결밀도(Sintered density)를 나타낸 도면이고, 도 17b는 LLZ-12wt%LBO와 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 상대밀도(Relative density)를 나타낸 도면이다.
도 18은 LLZ-12wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 x-선회절(XRD) 패턴을 나타낸 도면이다.
도 19는 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 x-선회절(XRD) 패턴을 나타낸 도면이다.
도 20a 내지 도 20d는 LLZ-12wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 소결체의 단면을 FE-SEM을 이용하여 미세구조를 관찰한 결과를 나타낸 도면이다.
도 21a 내지 도 21d는 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 소결체의 단면을 FE-SEM을 이용하여 미세구조를 관찰한 결과를 나타낸 도면이다.
도 22는 LLZ-12wt%LBO를 첨가한 LLZ의 소결온도에 따른 28℃에서 측정한 임피던스 플롯(plot)을 나타낸 도면이다.
도 23은 LLZ-16wt%LBO를 첨가한 LLZ의 소결온도에 따른 28℃에서 측정한 임피던스 플롯(plot)을 나타낸 도면이다.
1 is a view showing a cubic Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) structure.
2 shows a liquid phase sintering mechanism.
3 is a view showing a polymer composite precursor is formed based on the esterification reaction between the metal citric acid complex and ethylene glycol.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) powder used as a raw material powder in the experimental example.
5 is a process schematic diagram of a complex polymerization method for the synthesis of Li 3 BO 3 (LBO) powder according to the experimental example.
6 is a process schematic diagram for forming a composite according to an experimental example.
Figure 7 is a TG-DTA (thermogravimetry-differential thermal analysis) curve of LBO powder nationwide synthesized by the complex polymerization method.
8 is a view showing an X-ray diffraction pattern according to the calcination temperature of the powder precursor prepared by the complex polymerization method.
9 is a diagram showing an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) pattern of LBO powder calcined at 700 ° C. for 5 hours.
10 is a view showing a powder precursor and the powder image according to the calcination temperature of 600 ℃, 700 ℃ and 800 ℃.
11A to 11C are photographs of the powder precursor calcined for 5 hours by temperature after heat treatment at 400 ° C. for 5 hours under a scanning electron microscope (SEM).
Figure 12a is a graph showing the dilator shrinkage behavior of the pure LLZ and LLZ-12wt% LBO complex, Figure 12b is a graph showing the dilator shrinkage of the pure LLZ and LLZ-12wt% LBO complex.
Figure 13a is a view showing the sintered density of the LLZ-LBO composite according to the content of LBO powder calcined at 700 ℃, Figure 13b is a view showing the relative density of the LLZ-LBO composite according to the content of LBO powder calcined at 700 ℃ to be.
14 is a view showing the results of analyzing the crystal phase using an X-ray diffraction (XRD) for the sintered body sintered at 1100 ℃ for 8 hours by adding 0 ~ 16wt% LBO.
15A to 15E are photographs of microstructures of sintered bodies sintered at 1100 ° C. for 8 hours by adding LBO to LLZ powders according to their contents using a field emission-scanning electron microscope (FE-SEM).
FIG. 16 is a diagram illustrating a complex impedance plot of the LLZ-LBO composite according to LBO content at room temperature of 28 ° C. FIG.
17a is a view showing sintered density according to the sintering temperature of the LLZ-12wt% LBO and LLZ-16wt% LBO composite, Figure 17b is a sintering temperature of the LLZ-12wt% LBO and LLZ-16wt% LBO composite A diagram showing relative density according to this.
18 is a view showing an x-ray diffraction (XRD) pattern according to the sintering temperature of the LLZ-12wt% LBO composite.
19 is a view showing an x-ray diffraction (XRD) pattern according to the sintering temperature of the LLZ-16wt% LBO composite.
20A to 20D show the results of observing the microstructure of the sintered body according to the sintering temperature of the LLZ-12wt% LBO composite using FE-SEM.
21A to 21D show the results of observing the microstructure of the sintered body according to the sintering temperature of the LLZ-16wt% LBO composite using FE-SEM.
FIG. 22 is a plot showing impedance plots measured at 28 ° C. according to the sintering temperature of LLZ to which LLZ-12 wt% LBO was added.
FIG. 23 is a plot showing impedance plots measured at 28 ° C. according to the sintering temperature of LLZ to which LLZ-16 wt% LBO was added.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It doesn't happen.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법은, LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 준비하는 단계와, 가넷 구조를 갖는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말과 상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿을 혼합하고 성형하는 단계 및 성형된 결과물을 소결하는 단계를 포함하며, 상기 소결은 1200℃보다 낮은 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다. According to a preferred embodiment of the present invention, a method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite may include preparing an LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit, and an LLZ (Li) having a garnet structure. 7 La 3 Zr 2 O 12 ) mixing and molding the solid electrolyte powder and the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit and sintering the molded product, the sintering at a temperature lower than 1200 ℃ It is characterized by performing.

상기 소결은 1000∼1150℃에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering is preferably carried out at 1000 ~ 1150 ℃.

상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿은 상기 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. The LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit is preferably mixed with 0.1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder.

상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 준비하는 단계는, (a) 킬레이트제와 용매를 혼합하는 단계와, (b) 상기 킬레이트제와 상기 용매의 혼합물에 리튬 소스 물질과 붕소 소스 물질을 용해시키는 단계와, (c) 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질이 용해된 용액을 제1 온도로 가열하여 에스테르화 반응시켜 착체를 형성하는 단계와, (d) 에스테르화 반응에 의해 형성된 상기 착체를 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 가열하여 분말 상태의 파우더 전구체를 형성하는 단계 및 (e) 상기 파우더 전구체를 하소(calcination)하여 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 수득하는 단계를 포함할 수 있다.Preparing the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit, (a) mixing the chelating agent and the solvent, (b) a lithium source material and a mixture of the chelating agent and the solvent Dissolving the boron source material, (c) heating the solution in which the lithium source material and the boron source material are dissolved to a first temperature to esterify to form a complex, and (d) in the esterification reaction. Heating the complex formed at a second temperature higher than the first temperature to form a powder precursor in a powder state; and (e) calcination of the powder precursor to form a LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit ( glass frit).

상기 킬레이트제는 시트르산(C6H8O7), 폴리아미노카르복실산, 폴리인산, 에틸렌디아민(C2H4(NH2)2) 및 에틸렌다이아민테트라아세트산(C10H16N2O8)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The chelating agent is citric acid (C 6 H 8 O 7 ), polyaminocarboxylic acid, polyphosphoric acid, ethylenediamine (C 2 H 4 (NH 2 ) 2 ) and ethylenediaminetetraacetic acid (C 10 H 16 N 2 O 8 ) one or more materials selected from the group consisting of.

상기 용매는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), H2O 및 디메틸에테르(C2H6O)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The solvent may include one or more substances selected from the group consisting of ethylene glycol, H 2 O, and dimethyl ether (C 2 H 6 O).

상기 (a) 단계에서 상기 용매와 상기 킬레이트제는 2:1∼7:1의 몰비로 혼합하는 것이 바람직하다.In the step (a), the solvent and the chelating agent are preferably mixed in a molar ratio of 2: 1 to 7: 1.

상기 리튬 소스 물질은 리튬카보네이트(Lithium carbonate, Li2CO3), 리튬나이트레이트(Lithium nitrate, LiNO3) 및 리튬클로라이드(Lithium chloride, LiCl)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The lithium source material may include at least one material selected from the group consisting of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), and lithium chloride (Lithium chloride, LiCl). .

상기 붕소 소스 물질은 붕산(Boric acid, H3BO3), 보론카보네이트(Boron carbonate, C3B2O9), 테트라니트라토보레이트(Tetranitratoborate, B(NO3)3) 및 보론트리클로라이드(Boron trichloride, BCl3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The boron source material is boric acid (Boric acid, H 3 BO 3 ), boron carbonate (Boron carbonate, C 3 B 2 O 9 ), tetranitratoborate (B (NO 3 ) 3 ) and boron trichloride (Boron trichloride, BCl 3 ) may include one or more substances selected from the group consisting of.

상기 (b) 단계에서, 알루미늄 나이트레이트 노나하이드레이트(Aluminum nitrate nonahydrate, Al(NO3)3·9H2O), 알루미늄 클로라이드(Aluminum chloride, AlCl3) 및 알루미늄 카보네이트(Aluminum carbonate, Al2(CO3)3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수 있다.In the step (b), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O), aluminum chloride, AlCl 3 and aluminum carbonate, Al 2 (CO 3 3 ) one or more substances selected from the group consisting of

상기 (b) 단계에서, 니오븀 나이트레이트(Niobium nitrate, Nb(NO3)5), 니노븀산(Niobium acid, Nb2O5·nH2O) 및 니노븀 클로라이드(Niobium chloride, NbCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수도 있다.In the step (b), made of niobium nitrate (Nobium nitrate, Nb (NO 3 ) 5 ), niobium acid (Niobium acid, Nb 2 O 5 · nH 2 O) and niobium chloride (Niobium chloride, NbCl 5 ) It is also possible to further dissolve one or more substances selected from the group.

상기 (b) 단계에서, 탄탈륨 나이트레이트(Tantalum nitrate, TaN5O15), 탄탈륨 카보네이트(Tantalum carbonate, Ta2(CO3)5) 및 탄탈륨 클로라이드(Tantalum chloride, TaCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수도 있다.In the step (b), 1 selected from the group consisting of tantalum nitrate, TaN 5 O 15 , tantalum carbonate, Ta 2 (CO 3 ) 5 , and tantalum chloride, TaCl 5 . More than one substance may be further dissolved.

에스테르화 반응을 위하여 상기 제1 온도로 가열하는 것은 90∼250℃ 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.Heating to the first temperature for the esterification is preferably carried out at a temperature of 90 ~ 250 ℃.

상기 하소는 상기 제2 온도 보다 높은 600∼800℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The calcination is preferably carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 600 ~ 800 ℃ higher than the second temperature.

상기 하소 전에 상기 파우더 전구체에 함유된 유기물을 제거하기 위해 상기 제2 온도보다 높고 상기 하소를 하는 온도보다 낮은 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include heat treatment at a temperature higher than the second temperature and lower than the calcination temperature in order to remove the organic material contained in the powder precursor before the calcination.

상기 (b) 단계에서 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질을 1:1 내지 5:1의 몰비로 용해시키는 것이 바람직하다.In the step (b), it is preferable to dissolve the lithium source material and the boron source material in a molar ratio of 1: 1 to 5: 1.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

현재 상용화된 리튬 이차전지에 사용되는 액체전해질은 고온이나 외부 충격에 매우 취약하여 폭발의 위험성이 매우 크다. 기존의 액체전해질을 고체전해질로 대체함으로써 안정성 문제를 해결하려는 노력들이 이루어지고 있다.Currently, the liquid electrolyte used in the commercially available lithium secondary battery is very vulnerable to high temperature or external shock, so the risk of explosion is very high. Efforts have been made to solve the stability problem by replacing the existing liquid electrolyte with a solid electrolyte.

일반적으로 많이 연구가 진행된 고체전해질은 황화물계와 산화물계가 주를 이루고 있으며, 다양한 종류의 고체전해질이 연구되었다. 이러한 고체전해질 재료들 중, 입방(cubic) 가넷 구조를 갖는 Li7La3Zr2O12 고체전해질은 높은 열 안정성과 제조 및 취급이 비교적 용이하며, La 또는 M 이온에 다른 물질을 치환하여 격자상수의 증가 및 리튬이온이 이동할 수 있는 경로인 리튬이온 베이컨시(vacancy)의 증가로 인하여 그 이온전도도를 향상시킬 수 있다. In general, many studies have been made on solid electrolytes, mainly sulfide-based and oxide-based, and various types of solid electrolytes have been studied. Among these solid electrolyte materials, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 solid electrolyte with cubic garnet structure has high thermal stability and relatively easy to manufacture and handle, and has lattice constant by substituting other materials for La or M ions. The ion conductivity may be improved due to an increase in and an increase in lithium ion vacancy, which is a path through which lithium ions may move.

LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질이 높은 이온전도도를 가지기 위해 안정적인 입방(cubic) 구조를 유지를 하여야 한다. 또한, LLZ(Li7La3Zr2O12)와 같은 결정질계 고체전해질은 많은 결정립간의 저항으로 인하여 이온전도도에 많은 영향을 받기 때문에 입계저항을 줄이기 위해 치밀한 소결체를 얻는 것이 중요하다. 그러나, LLZ(Li7La3Zr2O12)의 치밀화를 위해서는 일반적으로 1200℃보다 높은 고온에서 소결이 요구된다. 이때, 고온에서의 리튬이온 휘발 및 상전이 문제로 이온전도도의 감소를 초래한다. 저융점 첨가제의 첨가는 소결 시 액상소결을 유도할 수 있어 LLZ(Li7La3Zr2O12)의 치밀화를 이룰 수 있다.LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte must maintain stable cubic structure to have high ion conductivity. In addition, crystalline solid electrolytes such as LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) are highly influenced by ionic conductivity due to resistance between grains, so it is important to obtain a dense sintered body to reduce grain boundary resistance. However, densification of LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) generally requires sintering at high temperatures above 1200 ° C. At this time, lithium ion volatilization and phase transition problems at high temperatures result in a decrease in ion conductivity. The addition of the low melting point additive may lead to liquid phase sintering during sintering, thereby densifying LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ).

본 발명에서는 LLZ(Li7La3Zr2O12)에 도펀트(dopant)를 첨가하는 것과 달리, 저온에서 치밀화를 위해 리튬붕소산화물계 유리 프릿(glass frit), 더욱 구체적으로는 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿을 첨가한다. 높은 이온전도도와 저온에서 LLZ(Li7La3Zr2O12) 치밀화를 얻기 위해 입계저항이 적은 Li3BO3(LBO)계 유리 프릿을 첨가한다. 첨가된 Li3BO3(LBO)계 유리 프릿은 착체중합법을 통해 제조하며, 낮은 용융온도를 가지며, 이를 첨가제로 첨가 시 액상소결을 유도하여 소결에서 바인더(binder) 역할을 하여 더 치밀하게 소결을 이룰 수 있다. In the present invention, unlike the addition of a dopant to the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), a lithium boron oxide-based glass frit, more specifically LBO (Li 3 BO) for densification at low temperatures 3 ) Add the glass frit. In order to obtain LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) densification at high ionic conductivity and low temperature, Li 3 BO 3 (LBO) glass frit having low grain boundary resistance is added. The added Li 3 BO 3 (LBO) glass frit is manufactured by the complex polymerization method, and has a low melting temperature, and when it is added as an additive, it induces liquid phase sintering and acts as a binder in sintering, thereby sintering more densely. Can be achieved.

상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿은 착체중합법(polymerization complex method)으로 제조할 수 있다. The LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit may be prepared by a polymerization complex method.

본 발명에서 사용한 착체중합법은 용매에 킬레이트제와 금속이온물질을 분산시켜 형성한 용액을 가열하여 금속이온들이 균일하게 분산 배위된 착체를 형성시킨 후, 착체를 열처리하여 산화물을 얻는 방법이다. 상기 착체중합법은 다성분계에서도 성분의 균일성이 우수하고, 합성온도가 낮으며, 특히 분말의 입도가 작은 장점이 있다. The complex polymerization method used in the present invention is a method of obtaining an oxide by heating a solution formed by dispersing a chelating agent and a metal ion material in a solvent to form a complex in which metal ions are uniformly dispersed and coordinated. The complex polymerization method is excellent in uniformity of components even in a multi-component system, has a low synthesis temperature, and particularly, has a small particle size of powder.

LBO(Li3BO3)계 유리 프릿을 제조하기 위하여 킬레이트제와 용매를 혼합한다. 상기 용매와 상기 킬레이트제는 2:1∼7:1의 몰비로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 킬레이트제는 시트르산(C6H8O7), 폴리아미노카르복실산, 폴리인산, 에틸렌디아민(C2H4(NH2)2) 및 에틸렌다이아민테트라아세트산(C10H16N2O8)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 용매는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), H2O 및 디메틸에테르(C2H6O)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.Chelating agents and solvents are mixed to prepare LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frits. It is preferable that the solvent and the chelating agent are mixed in a molar ratio of 2: 1 to 7: 1. The chelating agent is citric acid (C 6 H 8 O 7 ), polyaminocarboxylic acid, polyphosphoric acid, ethylenediamine (C 2 H 4 (NH 2 ) 2 ) and ethylenediaminetetraacetic acid (C 10 H 16 N 2 O 8 ) one or more materials selected from the group consisting of. The solvent may include one or more substances selected from the group consisting of ethylene glycol, H 2 O, and dimethyl ether (C 2 H 6 O).

상기 킬레이트제와 상기 용매의 혼합물에 리튬 소스 물질과 붕소 소스 물질을 용해시킨다. 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질을 1:1 내지 5:1의 몰비로 용해시키는 것이 바람직하다. 킬레이트제와 용매의 혼합물에 리튬 소스 물질과 붕소 소스 물질를 첨가하고, 60∼100℃의 온도를 유지하면서 10∼500rpm 정도의 속도로 교반하여 용해시키는 것이 바람직하다.  A lithium source material and a boron source material are dissolved in a mixture of the chelating agent and the solvent. It is preferable to dissolve the lithium source material and the boron source material in a molar ratio of 1: 1 to 5: 1. It is preferable to add a lithium source material and a boron source material to the mixture of a chelating agent and a solvent, stirring and dissolving at a rate of about 10 to 500 rpm while maintaining a temperature of 60 to 100 ° C.

이때, 알루미늄 나이트레이트 노나하이드레이트(Aluminum nitrate nonahydrate, Al(NO3)3·9H2O), 알루미늄 클로라이드(Aluminum chloride, AlCl3) 및 알루미늄 카보네이트(Aluminum carbonate, Al2(CO3)3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수도 있다.At this time, aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O), aluminum chloride (Aluminum chloride, AlCl 3 ) and aluminum carbonate (Aluminum carbonate, Al 2 (CO 3 ) 3 ) It is also possible to further dissolve one or more substances selected from the group.

니오븀 나이트레이트(Niobium nitrate, Nb(NO3)5), 니노븀산(Niobium acid, Nb2O5·nH2O) 및 니노븀 클로라이드(Niobium chloride, NbCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수도 있다.Niobium nitrate (Nb (NO 3 ) 5 ), at least one material selected from the group consisting of niobium acid, Nb 2 O 5 · nH 2 O, and niobium chloride (NbCl 5 ) May be further dissolved.

탄탈륨 나이트레이트(Tantalum nitrate, TaN5O15), 탄탈륨 카보네이트(Tantalum carbonate, Ta2(CO3)5) 및 탄탈륨 클로라이드(Tantalum chloride, TaCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시킬 수도 있다.Tantalum nitrate (TaN 5 O 15 ), tantalum carbonate (Ta 2 (CO 3 ) 5 ) and tantalum chloride (Tatal 5 ) It may be.

상기 리튬 소스 물질은 리튬카보네이트(Lithium carbonate, Li2CO3), 리튬나이트레이트(Lithium nitrate, LiNO3) 및 리튬클로라이드(Lithium chloride, LiCl)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The lithium source material may include at least one material selected from the group consisting of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), and lithium chloride (Lithium chloride, LiCl). .

상기 붕소 소스 물질은 붕산(Boric acid, H3BO3), 보론카보네이트(Boron carbonate, C3B2O9), 테트라니트라토보레이트(Tetranitratoborate, B(NO3)3) 및 보론트리클로라이드(Boron trichloride, BCl3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The boron source material is boric acid (Boric acid, H 3 BO 3 ), boron carbonate (Boron carbonate, C 3 B 2 O 9 ), tetranitratoborate (B (NO 3 ) 3 ) and boron trichloride (Boron trichloride, BCl 3 ) may include one or more substances selected from the group consisting of.

상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질이 용해된 용액을 제1 온도로 가열하여 에스테르화 반응시켜 착체를 형성한다. 에스테르화 반응을 위하여 상기 제1 온도로 가열하는 것은 90∼250℃ 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 에스테르화 반응은 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질이 용해된 용액을 히팅맨틀(heating mantle)과 같은 가열교반기에 담고 상기 제1 온도로 올려 수행하는 것이 바람직하다. 상기 에스테르화 반응은 1분∼12시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. The solution in which the lithium source material and the boron source material are dissolved is heated to a first temperature to esterify to form a complex. Heating to the first temperature for the esterification is preferably carried out at a temperature of 90 ~ 250 ℃. The esterification reaction is preferably carried out by putting a solution in which the lithium source material and the boron source material are dissolved in a heating stirrer such as a heating mantle and raising the temperature to the first temperature. Preferably, the esterification reaction is performed for about 1 minute to 12 hours.

에스테르화 반응에 의해 형성된 상기 착체를 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 가열하여 용매를 제거함으로써 분말 상태의 파우더 전구체(powder precursor)를 형성한다. 상기 파우더 전구체는 검정색(black)을 나타낸다. 상기 제2 온도는 용매가 휘발(증발)될 수 있는 온도로서 250∼350℃ 정도인 것이 바람직하다. The complex formed by the esterification reaction is heated at a second temperature higher than the first temperature to remove the solvent to form a powder precursor. The powder precursor is black. The second temperature is preferably about 250 to 350 ° C. as a temperature at which the solvent may be volatilized (evaporated).

상기 파우더 전구체를 하소(calcination)하여 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 수득한다. 상기 하소는 상기 제2 온도 보다 높은 600∼800℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The powder precursor is calcined to yield LBO (Li 3 BO 3 ) based glass frit. The calcination is preferably carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 600 ~ 800 ℃ higher than the second temperature.

상기 하소 전에 상기 파우더 전구체에 함유된 유기물을 제거하기 위해 상기 제2 온도보다 높고 상기 하소를 하는 온도보다 낮은 온도에서 열처리할 수도 있다. 상기 열처리는 300∼500℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The heat treatment may be performed at a temperature higher than the second temperature and lower than the calcination temperature in order to remove the organic material contained in the powder precursor before the calcination. The heat treatment is preferably carried out at a temperature of 300 ~ 500 ℃.

가넷 구조를 갖는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말과 상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿을 혼합하고 성형한다. 이때, 상기 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말과 상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿과 더불어 Li2O, Li4SiO4 Li3PO4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 혼합할 수도 있다. 상기 Li2O, Li4SiO4 Li3PO4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질은 상기 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. A LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder having a garnet structure and the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit are mixed and molded. In this case, Li 2 O, Li 4 SiO 4 and the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder and the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit The one or more materials that are selected from the group consisting of Li 3 PO 4 may further be mixed. Li 2 O, Li 4 SiO 4 and At least one material selected from the group consisting of Li 3 PO 4 is preferably mixed with 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder.

상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿은 상기 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. 리튬란탄지르코늄산화물 고체전해질, 더욱 구체적으로는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질은 일반적으로 1200℃보다 높은 온도에서 소결이 이루어진다. 또한, LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질은 소결이 잘 되지 않는 특성이 있다. 따라서, LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질의 소결 온도를 낮추면서 소결이 잘되게 하기 위하여 리튬붕소산화물계 유리 프릿(glass frit)을 사용한다. LBO(Li3BO3)계 유리 프릿은 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질의 소결 시 액상소결을 유도할 수 있어 소결체의 치밀화를 이룰 수 있게 하고, 저온 소결을 가능하게 하며, 소결체의 이온전도도를 향상시킬 수 있게 한다. The LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit is preferably mixed with 0.1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder. Lithium lanthanum zirconium oxide solid electrolyte, more specifically LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte is generally sintered at a temperature higher than 1200 ℃. In addition, LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte has a property that is not sintered well. Therefore, in order to lower the sintering temperature of the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte, a lithium boron oxide-based glass frit is used. LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit can induce liquid phase sintering during sintering of LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte, which makes densification of sintered compact and low temperature sintering possible. It is possible to improve the ion conductivity of the sintered body.

성형된 결과물을 소결한다. 상기 소결은 1200℃보다 낮은 온도에서 수행한다. 바람직하게는, 상기 소결은 1000∼1150℃에서 수행하는 것이 바람직하다.The molded result is sintered. The sintering is carried out at a temperature lower than 1200 ° C. Preferably, the sintering is preferably performed at 1000 ~ 1150 ℃.

이렇게 제조된 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체(Li7La3Zr2O12-Li3BO3계 복합체)는 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿에 의해 소결 시 액상소결이 이루어지므로 높은 치밀화 특성을 가지며, 이온전도도가 우수하다. The lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 -Li 3 BO 3 -based composite) thus prepared is liquid sintered when sintered by LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit. It has high densification characteristics and excellent ion conductivity.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention are specifically presented, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

1.1. 고체전해질1.1. Solid electrolyte

현재 상용화된 리튬 이차전지에 사용되는 액체전해질은 고온이나 외부 충격에 매우 취약하여 폭발의 위험성이 매우 크다. 기존의 액체전해질을 고체전해질로 대체함으로써 안정성 문제를 해결하려는 노력들이 이루어지고 있다.Currently, the liquid electrolyte used in the commercially available lithium secondary battery is very vulnerable to high temperature or external shock, so the risk of explosion is very high. Efforts have been made to solve the stability problem by replacing the existing liquid electrolyte with a solid electrolyte.

일반적으로 많이 연구가 진행된 고체전해질은 황화물계와 산화물계가 주를 이루고 있으며, 다양한 종류의 고체전해질이 연구되었다. 이러한 고체전해질 재료들 중, 입방(cubic) 가넷 구조를 갖는 Li7La3Zr2O12(이하, 'LLZ'라 함) 고체전해질은 높은 열 안정성과 제조 및 취급이 비교적 용이하며, La 또는 M 이온에 다른 물질을 치환하여 격자상수의 증가 및 리튬이온이 이동할 수 있는 경로인 리튬이온 베이컨시(vacancy)의 증가로 인하여 그 이온전도도를 향상시킬 수 있다. In general, many studies have been made on solid electrolytes, mainly sulfide-based and oxide-based, and various types of solid electrolytes have been studied. Among these solid electrolyte materials, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (hereinafter referred to as 'LLZ') solid electrolyte having a cubic garnet structure has a high thermal stability and is relatively easy to manufacture and handle, and La or M By replacing other materials with ions, the ion conductivity may be improved due to an increase in lattice constant and an increase in lithium ion vacancy, which is a path through which lithium ions may move.

LLZ 고체전해질이 높은 이온전도도를 가지기 위해 안정적인 입방(cubic) 구조를 유지를 하여야 한다. 또한, LLZ와 같은 결정질계 고체전해질은 많은 결정립간의 저항으로 인하여 이온전도도에 많은 영향을 받기 때문에 입계저항을 줄이기 위해 치밀한 소결체를 얻는 것이 중요하다. 그러나, LLZ의 치밀화를 위해서는 일반적으로 1200℃보다 높은 고온에서 소결이 요구된다. 이때, 고온에서의 리튬이온 휘발 및 상전이 문제로 이온전도도의 감소를 초래한다. 저융점 첨가제의 첨가는 소결 시 액상소결을 유도할 수 있어 LLZ의 치밀화를 이룰 수 있다.LLZ solid electrolyte must maintain stable cubic structure in order to have high ion conductivity. In addition, crystalline solid electrolytes such as LLZ are highly influenced by ionic conductivity due to the resistance between many grains, so it is important to obtain a compact sintered body to reduce grain boundary resistance. However, densification of LLZ generally requires sintering at high temperatures above 1200 ° C. At this time, lithium ion volatilization and phase transition problems at high temperatures result in a decrease in ion conductivity. The addition of low melting point additives can lead to liquid phase sintering during sintering, resulting in densification of LLZ.

본 발명에서는 높은 이온전도도와 저온에서 LLZ 치밀화를 얻기 위해 입계저항이 적은 Li3BO3(LBO) 첨가제를 첨가하였다. 첨가된 LBO는 착체중합법을 통해 제조하였으며 낮은 용융온도를 가지며, 이를 첨가제로 첨가 시 액상소결을 유도하여 소결에서 바인더(binder) 역할을 하여 더 치밀하게 소결을 이룰 수 있다. LLZ에 도펀트(dopant)를 첨가하는 것과 달리, 저온에서 치밀화를 위해 저융점 소결 첨가제를 첨가하였다. 이들이 첨가제로 어떠한 영향을 미치는지 Li3BO3(이하 'LBO'라 함)를 각각 함량별로 온도별로 실험하여 상변화 및 이온전도도에 미치는 영향과, 소결거동을 확인하였다.In the present invention, Li 3 BO 3 (LBO) additives having low grain boundary resistance were added to obtain LLZ densification at high ionic conductivity and low temperature. The added LBO was prepared by the complex polymerization method and has a low melting temperature. When the additive is added as an additive, the LBO can be sintered more precisely by inducing liquid phase sintering and acting as a binder in sintering. Unlike the addition of dopants to the LLZ, low melting point sintering additives were added for densification at low temperatures. Li 3 BO 3 (hereinafter referred to as 'LBO') by the temperature of each of the contents to determine the effect of the additive to the effect on the phase change and ionic conductivity, and confirmed the sintering behavior.

1.2. 가넷 구조 Li7La3Zr2O12 고체전해질 특성1.2. Garnet Structure Li 7 La 3 Zr 2 O 12 Solid electrolyte properties

산화물계 고체전해질은 결정성과 비정질 고체전해질로 구분되며, 결정성을 갖는 고체전해질의 경우는 격자 결함으로 인하여 리튬이온이 쉽게 움직일 수 있는 통로가 형성되어 이온전도성을 가진다. 결정성 산화물계 고체전해질의 대표적으로 NASICON형, LISICON형, Perovskite 및 가넷(Garnet)형 산화물로 분류된다. Oxide-based solid electrolytes are classified into crystalline and amorphous solid electrolytes. In the case of solid electrolytes having crystallinity, passages through which lattice defects can easily move due to lattice defects are formed to have ion conductivity. Representative crystalline oxide solid electrolytes are typically classified into NASICON, LISICON, Perovskite and Garnet type oxides.

가넷 구조의 고체전해질은 이온전도도가 낮아 높은 열처리 온도가 요구되지만, 화학적으로 안정하며 Li 금속과 반응하지 않는다는 장점으로 고체전해질로서의 가능성이 많다. 가넷 구조는 열처리 온도에 따라 LLZ는 정방정(tetragonal)과 입방정(cubic) 2종류의 결정계로 분류된다. 정방정상(space group I41/acd)은 비교적 낮은 온도에서 합성되며, 이온전도도는 대략 10-6 Scm- 1를 갖는다. 그러나 입방정(cubic phase, space group Ia3d)은 보다 높은 이온 전도도 10-4 Scm-1을 가지며, 높은 온도(1200~1230℃)에서 상이 형성된다. cubic상의 LLZ 구조를 도 1에 나타내었다. 가넷 구조의 기본 형태는 A3B2C3O12이고, La 원자는 A 위치(24c)에 8개의 산소로 배위되어 위치하고 있으며, Zr은 B 위치(16a)에 6개위 산소로 배위되어 위치한다. 또한, 리튬은 2가지 형태로 3개의 사이트(site)에 존재하며, 4개의 산소로 배위된 테트라고날 사이트(tetrahedral site)(24d)와, 6개위 산소로 배위된 옥타헤드랄 사이트(octahedral site)(96h, 48g)의 형태로 존재한다. 이들은 각각 1/3, 2/3 만큼 존재하여 리튬이온 공공을 형성하며 빈 자리를 통하여 리튬이온이 전도가 된다. Although the solid electrolyte of the garnet structure has a low ion conductivity, a high heat treatment temperature is required. However, the solid electrolyte of the garnet structure has many possibilities as a solid electrolyte due to its chemical stability and does not react with Li metal. According to the garnet structure, LLZ is classified into two types of tetragonal and cubic crystal systems according to the heat treatment temperature. The tetragonal phase (space group I4 1 / acd) is synthesized at relatively low temperatures and has an ion conductivity of approximately 10 −6 Scm 1 . However, the cubic phase (space group Ia3d) has a higher ion conductivity of 10 −4 Scm −1 and forms a phase at a high temperature (1200-1230 ° C.). The LLZ structure of cubic phase is shown in FIG. The basic form of the garnet structure is A 3 B 2 C 3 O 12 , where the La atom is located coordinating with 8 oxygen at position A (24c) and Zr is coordinating with 6 position oxygen at position B (16a) . Lithium is also present at three sites in two forms: tetragonal site (24d) coordinated with four oxygen and octahedral site coordinated with six positions oxygen. (96h, 48g) in the form. They exist by 1/3 and 2/3, respectively, to form lithium ion vacancy, and lithium ions conduct through the voids.

1.3. Li7La3Zr2O12 저온소결1.3. Li 7 La 3 Zr 2 O 12 Low temperature sintering

결정질계 고체전해질은 수많은 결정립 간의 저항으로 인하여 이온전도도에 많은 영향을 받고 있다. 따라서, LLZ가 높은 이온전도도를 가지기 위해 안정적인 cubic상을 유지해야 할 뿐만 아니라 결정립 입계 저항을 줄이기 위해 치밀화도 매우 중요한 사항이다.Crystalline solid electrolytes are strongly affected by ion conductivity due to the resistance between numerous grains. Therefore, LLZ must maintain a stable cubic phase in order to have high ion conductivity, and densification is also very important to reduce grain boundary resistance.

LLZ를 치밀화하기 위해 저융점을 가지면서 고상소결온도 아래에서 액상을 형성하는 소결 첨가제를 첨가하여 LLZ 저온소결을 진행하는 연구를 하였다. 소결 첨가제를 첨가함으로써 LLZ가 소결이 진행되는 동안 1000℃ 이하의 저온에서 유리(glass) 용융에 의한 액상이 형성되어 액상소결을 통한 LLZ 입자의 치밀화를 향상시킬 뿐만 아니라, 도 2와 같이 LLZ 결정 입계에 얇은 층(thin layer)을 형성하여 입계의 저항을 감소시키는 역할로 LLZ의 높은 이온전도도를 얻는 것이 가능하다. 저온에서의 LLZ 치밀화는 고상소결 온도보다 낮은 온도에서 액상을 형성하는 저융점의 소결조제를 첨가하여 액상소결 공정을 이용하는 것이 효과적이다. LLZ 소결조제로는 Li2O(720℃), Li4SiO4(823℃), Li3PO4(837℃), Li3BO3(700℃) 등 다양한 Li 계 유리(glass) 세라믹을 사용할 수 있다. 이러한 여러 가지 Li 계 세라믹 유리(glass) 중 Li3BO3(LBO) 첨가제는 벌크 내 이온전도도가 높고, 융점이 가장 낮아 용융되면서 LLZ 입계 사이에 잘 분포되어 입계 저항을 감소시키는 장점을 가지고 있다. 이를 통해 소결성이 높아져 LLZ의 저온에서 치밀화에 가장 효과적인 소결 조제이다.In order to densify LLZ, sintering additives that form a liquid phase under a solid-phase sintering temperature with a low melting point were added. By adding the sintering additive, the liquid phase is formed by melting the glass at a low temperature of 1000 ° C. or less during the sintering of the LLZ to not only improve the densification of the LLZ particles through liquid phase sintering, but also as shown in FIG. 2. It is possible to obtain high ion conductivity of LLZ by forming a thin layer on the substrate to reduce the resistance of grain boundaries. In low temperature LLZ densification, it is effective to use a liquid phase sintering process by adding a low melting point sintering aid that forms a liquid phase at a temperature lower than the solid phase sintering temperature. LLZ sintering aids include Li 2 O (720 ° C.), Li 4 SiO 4 (823 ° C.), Li 3 PO 4 (837 ° C.), Various Li-based glass ceramics such as Li 3 BO 3 (700 ° C.) may be used. Among these various Li-based ceramic glasses, Li 3 BO 3 (LBO) additive has a high ion conductivity in bulk, has the lowest melting point, and is well distributed between LLZ grain boundaries with the advantage of reducing grain boundary resistance. This increases sinterability and is the most effective sintering aid for densification at low temperatures of LLZ.

1.4. 착체중합법에 의한 Li3BO3 유리 프릿 합성 1.4. Li 3 BO 3 by the complex polymerization method Glass frit collage

세라믹 분말의 합성은 고순도의 분말과 결정상 외에 다른 물리적 특성에 대한 여러 가지 합성법들이 존재한다. 그 중 높은 순도와 조성이 균일한 복합 산화물 분말을 제조하는 화학 합성법 중 하나로 페치니 프로세스(Pechini process)의 착체중합법(Polymerization Complex Method)이 있다. 이 방법은 금속 원소와의 결합을 기본으로 하며, 시트르산(Citrate acid)과 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)로 만들어지는 고분자 전구체를 이용한 분말 제조 방법이다. 착체중합법은 물질을 용해시키는 액상법으로 다성분계 복합 산화물을 제조하는 경우, 양이온들이 화학 양론적으로 존재하기 때문에 균일한 화학적 조성을 유지하게 되고 양이온들의 낮은 이동도에 기인하여 응집이 일어나지 않아 균일하고 미세한 입자를 가지는 분말을 얻을 수 있다. 또한, 화학적, 물리적으로 제조된 분말은 높은 순도와 저온에서 제조되고 고상법에서 필요한 분쇄, 재소결 단계가 없는 장점이 있다. 세라믹 분말의 합성을 위해 레진(resin)을 사용하게 되는데, 본 실험예에서는 킬레이트화물로서의 시트르산(Citric acid)과 에스테르화 반응이 일어나는 동안 중합을 촉진을 시키기 위해 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)을 이용하였다. 에틸렌글리콜계 용매와 시트르산과 같은 α-하이드록시 카르복실산(α-hydroxy carboxylic acid)을 사용하여 각 금속 이온들이 수지상 안에 균일하게 분포되어 금속-킬레이트 복합체(metal-chelate complex)를 형성시킨 후 적정온도(90℃~100℃)에서 폴리에스테르(polyester)화 반응을 기초로 하여 고분자수지(polymeric resin)를 제조한다. 이 과정의 원리는 용해되어 있는 금속 이온들이 킬레이트화에 의해 이상적인 배열을 갖는 시트르산의 카르복실산(carboxylic acid) 끝에 의해 킬레이트화 된다. 3개의 카르복실산(carboxylic acid) 작용기와 1개의 알코올(alcoholic) 작용기를 가진 시트르산은 금속 이온들과 안정한 킬레이트를 형성한다. 이것은 다양한 금속 이온들이 균일하게 분포되어 도 3과 같이 불규칙적인 거대 분자 사슬이 에스테르(ester) 결합으로 연결되어 있다. 제조된 고분자수지(polymeric resin)는 우수한 열적 안정성으로 인하여 출발 용액 상태의 양이온들이 최종 생성물인 산화물 상태에서도 유지할 수 있게 된다. 제조된 고분자수지(polymeric resin)를 약 250~300℃의 온도에서 가열함으로써 폴리머(polymer)의 분해가 일어나게 된다. 높은 점도를 가진 폴리머 네트워크(polymer network)는 양이온의 이동도가 적기 때문에 열분해 과정에서 응집효과를 방지할 수 있다. Synthesis of ceramic powder has various synthesis methods for other physical properties besides high purity powder and crystal phase. Among them, one of the chemical synthesis methods for producing a composite oxide powder having high purity and uniform composition is the Polymerization Complex Method of the Pechini process. This method is based on the bonding with metal elements, and is a powder production method using a polymer precursor made of citrate acid and ethylene glycol (Ethylene glycol). The complex polymerization method is a liquid phase method of dissolving a substance, and when a multicomponent composite oxide is produced, since the cations are stoichiometric, a uniform chemical composition is maintained and due to the low mobility of the cations, aggregation does not occur, thereby making it uniform and fine. A powder having particles can be obtained. In addition, chemically and physically produced powders have the advantage of being prepared at high purity and low temperature and without the grinding and resintering steps required by solid phase methods. Resin is used for the synthesis of ceramic powder. In this experiment, ethylene glycol was used to promote polymerization during the esterification reaction with citric acid as a chelating agent. Using an ethylene glycol solvent and α-hydroxy carboxylic acid such as citric acid, each metal ion is uniformly distributed in the resin phase to form a metal-chelate complex and then titrated. A polymer resin is prepared based on a polyesterification reaction at a temperature (90 ° C. to 100 ° C.). The principle of this process is that dissolved metal ions are chelated by the carboxylic acid end of citric acid, which has an ideal arrangement by chelating. Citric acid, with three carboxylic acid and one alcohol functional groups, forms stable chelates with metal ions. This is because various metal ions are uniformly distributed and irregular macromolecular chains are connected by ester bonds as shown in FIG. 3. The prepared polymeric resin can maintain the cations in the starting solution state in the oxide state as a final product due to the excellent thermal stability. Decomposition of the polymer occurs by heating the prepared polymer resin at a temperature of about 250 ~ 300 ℃. The polymer network having a high viscosity can prevent the aggregation effect during the pyrolysis process due to the low mobility of cations.

따라서, 착체 중합법은 초기 전구체 용액에서부터 금속 킬레이트 착체를 형성하여 중합 반응을 통한 수지상 형성 및 화학양론적 조성의 균일성이 유지되기 때문에 양이온들의 응집이 일어나지 않아 미세하고 균일한 입자를 가지는 분말을 얻을 수 있다. Therefore, the complex polymerization method forms a metal chelate complex from the initial precursor solution, so that uniformity of dendritic formation and stoichiometric composition through the polymerization reaction is maintained so that cations do not occur to obtain a powder having fine and uniform particles. Can be.

2.1. 원료 분말2.1. Raw powder

2.1.1. Li7La3Zr2O12 분말 2.1.1. Li 7 La 3 Zr 2 O 12 powder

본 실험에서는 상용 LLZ 분말(Schott사, Garmany)을 사용하였고, 물성표는 아래의 표 1에 나타내었다. In this experiment, a commercial LLZ powder (Schott, Garmany) was used, and the physical properties are shown in Table 1 below.

Specific surface area (㎡/g)Specific surface area (㎡ / g) Mean particle size (㎛)Mean particle size (㎛) 3.283.28 1.7 1.7

표 1에서 보여주는 바와 같이 LLZ 분말은 비표면적 3.28㎡/g, 입자크기는 1.7㎛의 값을 나타내었으며, 도 4는 LLZ 분말의 이미지로 부분적으로 미세한 입자들이 응집되어 있는 분포를 나타내고 있다.As shown in Table 1, the LLZ powder has a specific surface area of 3.28 m 2 / g and a particle size of 1.7 μm, and FIG. 4 shows a distribution in which fine particles are partially aggregated as an image of the LLZ powder.

2.1.2. Li3BO3 분말 합성2.1.2. Li 3 BO 3 Powder Synthesis

LBO 분말을 합성하기 위한 킬레이트제로 시트르산(C6H8O7, 99.5%, DAE JUNG), 용매로 에틸렌글리콜(HOCH2CH2OH, 99.0%, DAE JUNG)을 사용하였다. 리튬 소스 물질로 리튬카보네이트(Lithium carbonate)(Li2CO3 , JUNSEI), 붕소 소스 물질로 붕산(Boric acid)(H3BO3, DAEJUNG)을 사용하였다.Citric acid (C 6 H 8 O 7 , 99.5%, DAE JUNG) was used as a chelating agent to synthesize LBO powder, and ethylene glycol (HOCH 2 CH 2 OH, 99.0%, DAE JUNG) was used as a solvent. Lithium carbonate (Li 2 CO 3 , JUNSEI) was used as the lithium source material, and boric acid (H 3 BO 3, DAEJUNG) was used as the boron source material.

에틸렌글리콜 4mol을 90℃로 가열한 후 시트르산 1mol을 첨가하여 250rpm으로 1시간 동안 교반시켜 용해하였다. 합성에 필요한 ME(Metal)의 총량을 CA(Citric Acid)와 1:4의 몰비로 계산하여 리튬카보네이트(Lithium carbonate) 0.1mol을 첨가하여 완전히 용해시킨 후, 붕산(Boric acid) 0.1mol을 첨가하여 순서대로 각각 40분간 용해하였다. 완전히 용해된 전구체를 130℃에서 200rpm의 속도로 5시간 동안 교반하여 에스테르화 반응(esterification)을 유도시키고, 과량의 에틸렌글리콜를 제거시켜 준 후 반응이 완료된 용액은 히팅맨틀(Heating Mantle)에서 300℃로 2시간 동안 가열하여 액체를 증발시켜 분말 상태로 만들었다. 이러한 분말을 파우더 전구체(powder precursor)라고 칭하였다. 가열 후에도 파우더 전구체(Powder precursor)에 잔존해 있는 유기물을 제거하기 위해 400℃에서 5시간 동안 열처리를 하였다. 유기물이 제거된 분말을 600~800℃에서 5시간 동안 하소시켰다. 위와 같은 실험 방법을 도 5에 모식도로 나타내었다.4 mol of ethylene glycol was heated to 90 ° C., and 1 mol of citric acid was added thereto, followed by stirring at 250 rpm for 1 hour to dissolve. Calculate the total amount of ME (Metal) required for the synthesis in a molar ratio of CA (Citric Acid) and 1: 4, and completely dissolve by adding 0.1 mol of lithium carbonate, and then add 0.1 mol of boric acid. Each 40 minutes were dissolved in order. The fully dissolved precursor was stirred at 130 ° C. at 200 rpm for 5 hours to induce esterification, and after the excess ethylene glycol was removed, the reaction solution was heated to 300 ° C. in a heating mantle. The liquid was evaporated to a powder state by heating for 2 hours. This powder was called powder precursor. After heating, heat treatment was performed at 400 ° C. for 5 hours to remove organic substances remaining in the powder precursor. The organic matter-free powder was calcined at 600-800 ° C. for 5 hours. The above experimental method is shown in a schematic diagram in FIG.

2.2. Li3BO3 분말의 특성 평가 2.2. Characterization of Li 3 BO 3 Powder

파우더 전구체(Powder precursor) 내에 존재하는 유기물들의 분해 온도, 열 중량에 따른 무게 감소 및 흡열ㆍ발열 반응을 측정하기 위해 열분석기(TG-DSC Q 600 SDT, TA Instruments, USA)를 이용하여 열적 거동을 분석하고자 하였다. 특히, 파우더 전구체(powder precursor)에 존재하는 유기물들의 분해 온도 및 상 형성 온도 조건을 분석하기 위하여 측정하였다. 파우더 전구체를 알루미나 셀에 장입하여 로드에 장착 후, 공기(Air) 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 1200℃까지 측정하였다.Thermal behavior was measured using a thermal analyzer (TG-DSC Q 600 SDT, TA Instruments, USA) to measure the decomposition temperature of organic materials present in the powder precursor, the weight loss according to the thermal weight, and the endothermic and exothermic reactions. An attempt was made to analyze. In particular, it was measured to analyze the decomposition temperature and phase formation temperature conditions of the organic materials present in the powder precursor (powder precursor). The powder precursor was charged to an alumina cell, mounted on a rod, and measured at 1200 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min in an air atmosphere.

착체중합법으로 합성한 분말에 합성 여부 및 존재하는 상의 확인을 위해서 Cu 타겟(target)으로 1.54059Å의 λ값으로 설정된 X-선 회절분석기(D/max-2500, RIGAKU, Japan)를 사용하여 40kV, 200mA 조건에서 2θ가 10°~60°까지 5°/min의 조건하에 측정하였다. 40kV using an X-ray diffractometer (D / max-2500, RIGAKU, Japan) set to a λ value of 1.54059Å as the Cu target to confirm the synthesis and the presence of phases in the powder synthesized by the complex polymerization method , 2θ was measured under a condition of 5 ° / min from 10 ° to 60 ° at 200 mA.

합성한 분말의 정량분석을 위해 X-선 광전자 분광(XPS; X-ray photoelectron spectroscopy)(PHI-5000 versaprobe TM, ULVAC-PHI Inc.)을 측정하였다. 이때, 광전자의 에너지를 분석하기 위한 반구형 에너지 분석기의 패스 에너지(pass energy)는 23.5eV로 진행하였으며, 0~1200eV 범위에서 각 원소별 결합에너지를 측정하였다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (PHI-5000 versaprobe ™, ULVAC-PHI Inc.) was measured for quantitative analysis of the synthesized powder. At this time, the pass energy of the hemispherical energy analyzer for analyzing the energy of the photoelectrons was 23.5 eV, and the binding energy of each element was measured in the range of 0 to 1200 eV.

또한, 분말 형상을 관찰하기 위해 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-9701, JEOL, Japan)을 사용하였다. In addition, a scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-9701, JEOL, Japan) was used to observe the powder shape.

2.3. Li3BO3가 첨가된 Li7La3Zr2O12의 소결2.3. Sintering of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 with Li 3 BO 3

본 실험에는 상용 LLZ 분말 (Schott사, Garmany)을 사용하였다. 상기 파우더 전구체(Powder precursor)를 600℃, 700℃, 800℃로 하소하여 첨가제로 사용하였다. 온도별로 하소한 결과, 700℃에서 하소하여 얻은 분말(LBO계 유리 프릿)은 5~10㎛의 입자형상을 나타내었으며, 첨가제는 700℃에서 하소하여 얻은 LBO계 유리 프릿을 사용하였다. Commercial LLZ powder (Schott, Garmany) was used in this experiment. Powder precursor (Powder precursor) was calcined at 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃ was used as an additive. As a result of calcining by temperature, the powder (LBO glass frit) obtained by calcining at 700 ° C showed a particle shape of 5 ~ 10㎛, the additive was used LBO glass frit obtained by calcining at 700 ° C.

LLZ 분말에 LBO 첨가제를 LLZ 분말 대비 0wt%, 4wt%, 8wt%, 12wt%, 16wt% 함량별로 밀링 하여 혼합하였다. 이때, 혼합 밀링은 Mini mill(Pulverisette 23, FRITSCH, Germany)을 사용하였고, 분말 0.3g, Oscillation 40, 5min으로 진행하였다. The LBO additive in the LLZ powder was mixed by milling the content of 0wt%, 4wt%, 8wt%, 12wt%, 16wt% compared to the LLZ powder. At this time, a mixed mill was used as a mini mill (Pulverisette 23, FRITSCH, Germany), and the powder 0.3g, Oscillation 40, 5min.

혼합분말을 10mm 초경 몰드에 장입하여 10MPa의 압력으로 성형 후, 냉간 등방압 가압법(Cold Isotatic Pressing)을 통해 200MPa의 압력으로 디스크 형태의 성형체를 제조하였다. The mixed powder was charged into a 10 mm cemented carbide mold and molded at a pressure of 10 MPa, and then a disk-shaped molded body was manufactured at a pressure of 200 MPa by cold isotic pressing.

소결은 박스로를 사용하였고, 성형체를 알루미나 도가니(crucible)에서 넣고, 소결 시 성형체에서 나오는 액상으로 인해 도가니에 붙는 것을 방지하기 위해 베드 파우더를 깔고 소결을 진행하였다. 소결은 LBO 함량별로 0~16wt%를 1100℃에서 8시간 소결하였다. 또한, 12wt%, 16wt% 함량 기준으로 온도별로 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃에서 8시간 소결하여 소결거동을 확인하였다. 위와 같은 실험 방법을 도 6에 모식도로 나타내었다.Sintering was used as a box furnace, and the molded body was put in an alumina crucible, and sintered with bed powder in order to prevent sticking to the crucible due to the liquid phase from the molded body during sintering. Sintering was sintered 0 ~ 16wt% at 1100 ℃ for 8 hours by LBO content. In addition, the sintering behavior was confirmed by sintering at 900 ° C., 1000 ° C., 1100 ° C., and 1200 ° C. for 8 hours based on the content of 12 wt% and 16 wt%. The above experimental method is shown in a schematic diagram in FIG.

2.4. Li3BO3가 첨가된 Li7La3Zr2O12 소결체의 특성 분석2.4. Li 7 La 3 Zr 2 O 12 with Li 3 BO 3 Characterization of Sintered Body

소결체의 밀도는 디멘젼 측정을 이용하여 측정하였다. 디멘젼 밀도값은 버니어 켈리퍼스와 전자저울을 사용하여 부피와 무게를 측정하였고 이를 통해 밀도값을 계산하였다. LBO 함량이 달라지면 LLZ의 밀도값도 달라지기 때문에 서로 다른 조성을 가진 LLZ-LBO 복합체의 소결밀도값은 LBO 함량에 대한 LLZ-LBO 복합체의 이론밀도 값 고려하여 서로 비교하였다. LLZ-LBO 복합체의 이론밀도 값은 LLZ(ρLLZ:5.11g//㎤)와 LBO(ρLBO:2.16g/㎤)의 이론밀도값을 적용하여 rule of mixure에 의해 계산하였다. The density of the sintered compact was measured using the dimension measurement. The dimension density value was measured using a vernier caliper and an electronic balance to measure the volume and weight. As the LBO content is different, the density of LLZ is also different. Therefore, the sintered density values of LLZ-LBO composites with different compositions were compared with each other considering the theoretical density of LLZ-LBO composites. The theoretical density values of the LLZ-LBO composite were calculated by the rule of mixure by applying the theoretical density values of LLZ (ρ LLZ : 5.11 g / cm 3) and LBO (ρ LBO : 2.16 g / cm 3).

LLZ 입자 사이에 LBO 액상이 분포와 치밀화, 입계형상 미세구조를 분석하기 위해 소결체의 단면을 잘라 전계방사주사전자현미경(FE-SEM, JSM-9701, JEOL, Japan)을 사용하여 관찰하였다.In order to analyze the distribution, densification and grain boundary microstructure of the LBO liquid phase between LLZ particles, the cross section of the sintered body was cut out and observed by using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-9701, JEOL, Japan).

또한, LBO 함량과 온도에 따른 소결체의 결정상 분석을 위해 Cu target으로 1.54059 Å의 λ값으로 설정된 X-선 회절 분석기(D/max-2500, RIGAKU, Japan)를 사용하여 40kV, 200mA 조건에서 10°~60°까지 5°/min의 조건하에 측정하였다. In addition, X-ray diffractometer (D / max-2500, RIGAKU, Japan) set to λ value of 1.54059 으로 as Cu target for the crystal phase analysis of sintered body according to LBO content and temperature, 10 ° at 40kV, 200mA It measured under the conditions of 5 degrees / min to -60 degrees.

임피던스를 측정하기 위해 일정한 넓이(A)와 두께(t)를 가지는 LLZ-LBO 소결체를 사포로 폴리싱을 하였다. 소결체 양면에 전자전도성이 우수한 Au 전극을 건식 증착을 통해 코팅하였다. 양면 전극을 통하여 교류전압 인가하여 Signal level 0.05V, 측정주파수는 10Hz~13MHz의 범위로 임피던스(Agilent 4192A ,Hewlett Packard)를 측정하였다. 측정된 임피던스 궤적의 반원이 실수축과 만나는 교점으로부터 벌크 전해질의 저항(Rb)을 구하고 아래의 수학식 1과 같이 샘플의 넓이(A)와 두께(l)로부터 이온전도도(σ)를 구하였다.In order to measure the impedance, the LLZ-LBO sintered body having a constant width (A) and thickness (t) was polished with sandpaper. Au electrodes having excellent electron conductivity were coated on both surfaces of the sintered body by dry deposition. An AC voltage was applied through the double-sided electrode to measure impedance (Agilent 4192A, Hewlett Packard) in the signal level of 0.05V and the measurement frequency in the range of 10 Hz to 13 MHz. From the intersection where the measured half circle of the impedance trajectory meets the real axis, the resistance ( b ) of the bulk electrolyte was obtained, and the ion conductivity (σ) was obtained from the width (A) and thickness (l) of the sample as shown in Equation 1 below. .

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112017129557966-pat00001
Figure 112017129557966-pat00001

3.1. Li3BO3 합성 분말의 특성3.1. Li 3 BO 3 synthesis Properties of powder

3.1.1. 열적 거동 분석 결과 3.1.1. Thermal behavior analysis

300℃에서 열처리 후 얻어진 파우더 전구체(Powder precursor)의 최적 하소온도와 유기물 분해 온도를 알아보기 위해 TG-DTA(thermogravimetry-differential thermal analysis) 분석하여 도 7에 나타내었다. TG를 측정한 결과, 400℃ 부근부터 약 32%의 중량 감소가 일어나며, 700℃에서 50%의 중량이 감소하였으며, 800℃에서 12%의 무게감량을 나타내었다. TG 결과에서 중량이 감소하는 거동이 크게 나타난 이유는 400℃ 부근에서 유기물의 탈수(dehydration)와 분해에 기인한 것으로 생각되며, 700℃, 800℃에서의 무게감량은 대부분의 중간 생성물이 포함된 카보네이트(carbonate)와 관련된 잔여 유기물의 분해에 기인된 것으로 생각된다. DSC를 측정한 결과 300℃에서 연소되지 않은 이산화탄소, 수증기 등의 무게감소로 다소 낮은 발열반응을 확인할 수 있었다. 또한, 700℃부터 750℃에서 발열 피크가 급격하게 증가하는 것으로 관찰되었고, 이는 에틸렌글리콜의 증발, 시트르산의 분해, 유기물의 연소 후 Li3BO3 상이 형성되는 온도인 것을 추측할 수 있다. 또한, 800℃부근에 다소 낮은 흡열반응이 관찰 되었으며, 이는 잔존해 있는 유기물들이 연소 된 것으로 판단된다.In order to determine the optimum calcination temperature and organic decomposition temperature of the powder precursor obtained by heat treatment at 300 ° C., TG-DTA (thermogravimetry-differential thermal analysis) analysis is shown in FIG. 7. As a result of measuring TG, about 32% weight loss occurred from around 400 ° C, 50% weight loss at 700 ° C, and 12% weight loss at 800 ° C. The reason for the large weight loss behavior in the TG result is thought to be due to dehydration and decomposition of organic matter near 400 ℃. Weight loss at 700 ℃ and 800 ℃ is the most common carbonate containing It is thought to be due to the decomposition of residual organics associated with (carbonate). As a result of the DSC measurement, the exothermic reaction was found to be slightly lower due to the weight loss of carbon dioxide and water vapor which did not burn at 300 ℃. In addition, an exothermic peak was observed to rapidly increase from 700 ° C to 750 ° C, which can be assumed to be a temperature at which the Li 3 BO 3 phase is formed after evaporation of ethylene glycol, decomposition of citric acid, and combustion of organic material. In addition, a slightly lower endothermic reaction was observed around 800 ℃, which indicates that the remaining organic matter was burned.

3.1.2. X-선 회절분석 결과3.1.2. X-ray Diffraction Results

도 8은 착체중합법으로 제조된 파우더 전구체의 하소온도에 따른 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다. 초기 파우더 전구체에서는 비정질 피크가 관찰되었다. 이는 시트르산(citrate acid)과 4가지 금속이온들이 균일하게 금속-킬레이팅(etal-chelating)으로 형성되어져 있음을 나타낸다. 600℃에서 하소 분말은 비정질과 결정질이 혼재되어 있는 것으로 나타났다. 결정상으로는 700℃, 800℃에서 하소한 분말은 비정질 피크가 관찰되지 않았으며, Li2CO3 결정상이 관찰되었다. 그 이유는 열처리 공정에서 B-C 결합이 분해되지 않아 Li이 B과 결합하지 못하고 공기 중에 C와 결합되어 Li2CO3 로 석출되고 B가 용융되지 않은 상태에서 열처리 과정 중 휘발 된 것으로 판단된다.Figure 8 shows the X-ray diffraction pattern according to the calcination temperature of the powder precursor prepared by the complex polymerization method. An amorphous peak was observed in the initial powder precursor. This indicates that citric acid and four metal ions are uniformly formed by metal-chelating. The calcined powder at 600 ° C. was found to be a mixture of amorphous and crystalline. As a crystalline phase, an amorphous peak was not observed in the powder calcined at 700 ° C. and 800 ° C., and a Li 2 CO 3 crystal phase was observed. The reason is that the BC bond is not decomposed in the heat treatment process, so Li is not bonded with B, is bonded with C in the air, precipitated as Li 2 CO 3 , and volatilized during the heat treatment process without B melting.

3.1.3. XPS 분석결과3.1.3. XPS Analysis Results

도 8의 X-선회절(XRD) 결과에서 B이 관찰되지 않아 정량분석을 위해 X-선 광전자 분광(XPS; X-ray photoelectron spectroscopy)(PHI-5000 versaprobe TM, ULVAC-PHI Inc.)을 측정하였다. B was not observed in the X-ray diffraction (XRD) results of FIG. 8, so X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (PHI-5000 versaprobe ™, ULVAC-PHI Inc.) was measured for quantitative analysis. It was.

700℃에서 5시간 하소한 LBO 분말의 화학 결합상태를 측정한 결과를 도 9에 나타내었다. C 1s 기준으로 결합 에너지는 약 284eV에 위치하였고, O 1s에 대한 피크는 약 530eV 위치에, Li 1s 약 55eV 관찰되었으며, B 1s 에 대한 피크는 약 182eV 위치에서 관찰되었다.9 shows the results of measuring the chemical bonding state of the LBO powder calcined at 700 ℃ for 5 hours. The binding energy was about 284 eV relative to C 1s, the peak for O 1s was observed at about 530eV, Li 1s about 55eV, and the peak for B 1s was observed at about 182eV.

정량분석 결과 Atomic%로 C 1s 27.5%, O 1s 46.6%, Li 1s 28.4%, B이 0.5%로 소량 포함되어 있는 것을 확인하였다.As a result of quantitative analysis, it was confirmed that Atomic% contained 27.5% C 1s, 46.6% O 1s, 28.4% Li 1s, and 0.5% B.

이는 B이 열처리 과정 중 휘발되어 0.5%로 소량 존재하여 X-선회절(XRD)상에 피크가 나타나지 않은 것으로 판단된다. It is determined that B is volatilized during the heat treatment and is present in a small amount of 0.5% so that no peak appears on the X-ray diffraction (XRD).

3.1.4. 입자크기 및 형상 분석 결과3.1.4. Result of particle size and shape analysis

도 10은 파우더 전구체와 하소온도에 따른 분말의 이미지를 나타내었다. 파우더 전구체(도 10에서 'Black powder' 참조)는 검정색을 나타내었고, 600℃에서 하소된 분말은 흑색에 가까운 색상을 나타내었다. 반면에 700℃에서 하소한 분말의 색상은 백색의 색상을 나타내며, 잔여 유기물질과 불순물이 제거됨으로서 분말의 색상이 변하는 것으로 판단된다. 800℃에서 하소한 분말은 백색의 색상을 나타내었다. 이미지 관찰한 결과 700℃, 800℃에서 하소한 분말이 우수한 것으로 나타났다.10 shows an image of the powder according to the powder precursor and the calcination temperature. The powder precursor (see 'Black powder' in FIG. 10) was black and the powder calcined at 600 ° C. showed a color close to black. On the other hand, the color of the powder calcined at 700 ° C is white, and the color of the powder is determined to be changed by removing residual organic substances and impurities. The powder calcined at 800 ° C. showed a white color. Image observation showed that the powder calcined at 700 ° C and 800 ° C was excellent.

파우더 전구체를 400℃에서 5시간 열처리 후, 온도별로 5시간 동안 하소한 분말을 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)을 이용하여 입자크기 및 형상을 미세구조로 관찰한 결과를 도 11a 내지 도 11c에 나타내었다. 도 11a는 600℃에서 하소한 분말을 보여주고, 도 11b는 700℃에서 하소한 분말을 보여주며, 도 11c는 800℃에서 하소한 분말을 보여준다. After heat treatment of the powder precursor at 400 ° C. for 5 hours, the powder calcined for 5 hours by temperature was observed using a scanning electron microscope (SEM) to observe the particle size and shape as a microstructure. FIGS. 11A to 11C. Shown in FIG. 11A shows the powder calcined at 600 ° C., FIG. 11B shows the powder calcined at 700 ° C., and FIG. 11C shows the powder calcined at 800 ° C. FIG.

하소 온도에 따른 분말의 크기를 관찰한 결과, 600℃에서 하소한 분말은 0.5~5㎛로 관찰되었다. 700℃에서 하소한 분말은 1~10㎛ 정도의 크기를 보였고 다소 분말의 입자들이 불균일하게 배열되는 것으로 나타났다. 800℃에서 하소한 분말은 약 0.5~10㎛급의 입자들로 관찰되었다. 600℃에서 하소한 분말은 잔여유기물이 연소되지 않았으며, 800℃에서 하소한 분말은 용융온도 이상으로 멜팅(melting)이 되는 문제가 있다. 따라서 미세구조 결과와 온도에 따른 하소분말의 색상 관찰을 통해 700℃에서 하소한 분말을 첨가제로 사용하였다.As a result of observing the size of the powder according to the calcination temperature, the powder calcined at 600 ° C. was observed to be 0.5 to 5 μm. The powder calcined at 700 ° C showed a size of about 1 ~ 10㎛ and the particles of the powder were somewhat unevenly arranged. The powder calcined at 800 ° C. was observed to be about 0.5-10 μm particles. The powder calcined at 600 ° C. did not burn residual organic matter, and the powder calcined at 800 ° C. has a problem of melting above a melting temperature. Therefore, the powder calcined at 700 ° C. was used as an additive through observation of the color of the calcined powder according to the microstructure result and temperature.

3.2. Li3BO3 함량에 따른 Li7La3Zr2O12의 소결특성 분석결과3.2. Li 3 BO 3 Results of Sintering Characteristics of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 with Different Contents

3.2.1. 딜라토미터 수축거동3.2.1. Dilatometry Contraction Behavior

LLZ-LBO 복합체의 소결특성을 조사하기 위하여 딜라토미터를 사용하여 수축거동을 조사하였다. 도 12a는 순수 LLZ와 LLZ-12wt%LBO 복합체의 딜라토미터 수축 거동을 나타낸 것이다. 순수 LLZ의 경우, 1000℃ 이상에서 수축이 급격하게 일어나는 반면에 LLZ-12wt%LBO 복합체의 경우 LLZ 보다 훨씬 낮은 온도인 700℃ 부근에서 수축이 시작되는 것을 알 수 있다. 수축거동을 좀 더 자세하게 알아보기 위해 도 12b에서와 같이 수축률(shirinkage rate) 그래프로 나타내었다. 도 12b의 수축률 그래프를 보면, 온도구간에 따라 서로 다른 소결 기구에 의해 LLZ-LBO 복합체의 소결 수축이 진행된다는 것을 의미한다. 첫 번째 피크 약 650℃에서 수축이 일어나기 시작하여, 730℃에서 최대값을 보였다. 두 번째 소결단계는 800℃ 이상에서 시작하여 첫 번째 소결구간에 비해 상대적으로 넓은 온도 범위에서 진행되고, 최대 수축률을 보이는 피크온도는 1020℃였다. 첫 번째 단계의 수축은 소결 첨가제인 LBO 유리(glass)의 연화점 이상이 되어 점도가 감소하고 LBO 입자의 유동성이 증가하면서 점성유동(viscos flow)에 의한 LLZ의 입자재배열에 기인하는 것이고, 두 번째 피크에는 LBO가 용융하면서 용융 LBO에 의한 액상소결에 의한 LLZ의 재배열과 LLZ 입자사이의 고상소결이 함께 작용하여 일어난 것과 관련이 있는 것으로 판단된다. In order to investigate the sintering properties of LLZ-LBO composites, shrinkage behavior was investigated using a dilatometer. Figure 12a shows the dilator shrinkage behavior of the pure LLZ and LLZ-12wt% LBO complex. In the case of pure LLZ, shrinkage occurs rapidly at 1000 ° C. or higher, whereas in the case of LLZ-12wt% LBO composite, shrinkage starts at about 700 ° C., which is much lower than LLZ. In order to examine the shrinkage behavior in more detail, as shown in Figure 12b (shirinkage rate) graph. Referring to the shrinkage rate graph of FIG. 12B, it means that the sintering shrinkage of the LLZ-LBO composite proceeds by different sintering mechanisms according to the temperature section. Shrinkage began to occur at the first peak at about 650 ° C., reaching a maximum at 730 ° C. The second sintering step started over 800 ℃ and proceeded over a relatively wide temperature range compared to the first sintering section, the peak temperature showing the maximum shrinkage was 1020 ℃. The first stage shrinkage is due to the particle rearrangement of LLZ due to viscous flow as the viscosity decreases above the softening point of the sintering additive LBO glass and the fluidity of the LBO particles increases, and the second peak It may be related to the rearrangement of LLZ by liquid phase sintering by molten LBO and the solid phase sintering between LLZ particles as LBO melts.

3.2.2. 소결밀도3.2.2. Sintered Density

700℃에서 하소한 LBO 분말을 LLZ에 0~16wt% 첨가하였으며, 도 13a는 700℃에서 하소한 LBO 분말의 함량에 따른 LLZ-LBO 복합체의 소결밀도를 나타낸 도면이고, 도 13b는 700℃에서 하소한 LBO 분말의 함량에 따른 LLZ-LBO 복합체의 상대밀도를 나타낸 것이다. 순수 LLZ의 소결밀도는 2.98g/cm3이였고, LLZ의 밀도는 LBO 함량이 증가할수록 소결밀도 값이 증가하는 것을 확인하였다. 그러나, 16wt%에서 소결밀도가 다소 감소하지만, 이는 LBO 함량이 달라지면 LLZ-LBO 복합체의 이론밀도 값이 달라지기 때문이다. 그러므로 LLZ-LBO 복합체의 소결밀도 값은 LLZ-LBO 복합체의 이론밀도 값을 고려하여 서로 비교하였다. 자세한 비교를 위해 이론밀도의 상대값을 비교하였다. 그 결과, LBO 함량이 증가할수록 상대밀도 값은 증가함을 알 수 있다. 소결밀도 값은 16wt%를 첨가하였을 때 가장 높은 88%의 상대밀도를 얻을 수 있었다. 이는 LBO가 첨가되지 않는 순수 LLZ의 58%에 비해서는 크게 향상되었다.LBO powder calcined at 700 ℃ was added 0 ~ 16wt% to LLZ, Figure 13a is a view showing the sintered density of the LLZ-LBO composite according to the content of LBO powder calcined at 700 ℃, Figure 13b is calcined at 700 ℃ It shows the relative density of LLZ-LBO composite according to the content of one LBO powder. The sintered density of pure LLZ was 2.98 g / cm 3 , and the density of LLZ was found to increase with increasing LBO content. However, the sintered density is slightly reduced at 16wt%, because the theoretical density value of the LLZ-LBO composite is different when the LBO content is changed. Therefore, the sintered density values of LLZ-LBO composites were compared with each other considering the theoretical density of LLZ-LBO composites. For detailed comparison, the relative values of theoretical density were compared. As a result, it can be seen that the relative density value increases as the LBO content increases. The highest sintered density of 88% was obtained when 16wt% was added. This is a significant improvement over 58% of pure LLZ without LBO.

3.2.3. X-선 회절분석3.2.3. X-ray Diffraction

도 14는 LBO를 0~16wt%를 첨가하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체에 대해 X-선회절(XRD)을 이용하여 결정상을 분석한 결과이다. 도 14에서 보여주는 바와 같이 LBO가 첨가되지 않는 순수 LLZ 시편과 4wt% LBO의 경우 입방(cubic) LLZ 상의 회절피크가 주로 관찰되었으며, 일부 La2Zr2O7(LZ) 파이로클로(pyrochlore)상이 확인되었다. 순수 LLZ 시편에서 La2Zr2O7(LZ) 불순물 상에 강도(intensity)가 가장 높게 나타나고 함량이 증가할수록 불순물 상이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 순수 LLZ 시편에 불순물상이 많이 포함된 것을 알 수 있다. 또한, 8wt% 이상의 LBO가 첨가된 LLZ 시편의 경우, 입방(cubic) LLZ 상만 관찰되는 것을 알 수 있으며, La2Zr2O7(LZ)상은 사라진 것을 관찰하였다. 이는 LBO가 LLZ의 La2Zr2O7(LZ) 형성을 억제하고, 입방(cubic) 구조를 안정화하는 역할을 하는 것으로 알 수 있다. 14 is a result of analyzing the crystal phase using an X-ray diffraction (XRD) for the sintered body sintered at 1100 ℃ for 8 hours by adding 0 ~ 16wt% LBO. As shown in FIG. 14, the diffraction peaks of the cubic LLZ were mainly observed for the pure LLZ specimens without the addition of the LBO and the 4 wt% LBO, and some La 2 Zr 2 O 7 (LZ) pyrochlore phases were observed. Confirmed. The pure LLZ specimen showed the highest intensity (Intensity) on the La 2 Zr 2 O 7 (LZ) impurity phase and the impurity phase decreased with increasing content. It can be seen that the pure LLZ specimen contains many impurity phases. In addition, in the case of LLZ specimens containing 8 wt% or more of LBO, only cubic LLZ phases were observed, and La 2 Zr 2 O 7 (LZ) phases were observed to disappear. It can be seen that LBO plays a role of inhibiting La 2 Zr 2 O 7 (LZ) formation of LLZ and stabilizing the cubic structure.

3.2.4. 미세구조3.2.4. Microstructure

LLZ 분말에 LBO을 함량에 따라 첨가하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체의 단면을 FE-SEM(field emission-scanning electron microscope)을 이용하여 미세구조를 관찰한 결과를 도 15a 내지 도 15e에 나타냈다. 도 15a는 순수 LLZ 분말을 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체의 단면을 보여주고, 도 15b는 LLZ 분말에 LBO를 4wt% 혼합하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체의 단면을 보여주며, 도 15c는 LLZ 분말에 LBO를 8wt% 혼합하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체의 단면을 보여주고, 도 15d는 LLZ 분말에 LBO를 12wt% 혼합하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체의 단면을 보여주며, 도 15e는 LLZ 분말에 LBO를 16wt% 혼합하여 1100℃에서 8시간 동안 소결한 소결체의 단면을 보여준다. 도 15b에서 보여주는 바와 같이 순수 LLZ와 4wt% 소결체 시편의 경우 입계 사이의 많은 기공들이 관찰되었다. 반면에 LBO 8wt% 이상을 첨가한 소결체의 경우 함량이 증가할수록 치밀한 미세조직을 보여주고 있다. 비교적 액상이 LLZ 계면 사이에 균일하게 분포하고 있고, 기공도 크게 감소한 치밀한 미세조직을 보여준다. 또한, LLZ의 입자는 순수 LLZ와 달리 LBO가 첨가됨에 따라 크게 입자 성장이 일어난 것을 알 수 있다. 이것으로 보아 도 12a 및 도 12b의 딜라토미터 수축거동 결과에서 설명했듯이 LBO가 첨가된 LLZ의 치밀화는 LBO의 용융에 의한 소결과 LLZ의 입자 사이의 고상소결, 즉 입자성장에 의해 진행된다는 것을 확인할 수 있었다.The cross-section of the sintered body sintered at 1100 ° C. for 8 hours by adding LBO to the LLZ powder was observed using a field emission-scanning electron microscope (FE-SEM), and the results of the microstructures are shown in FIGS. 15A to 15E. . 15a shows a cross section of a sintered body obtained by sintering pure LLZ powder at 1100 ° C. for 8 hours, and FIG. 15b shows a cross section of a sintered body sintered at 1100 ° C. for 8 hours by mixing 4 wt% LBO in LLZ powder. 15c shows a cross section of a sintered body sintered at 8100% LLZ powder and sintered at 1100 ° C. for 8 hours. FIG. 15D shows a cross section of a sintered body sintered at 1100 ° C. for 12 hours by mixing 12 wt% LBO in LLZ powder. FIG. 15E shows a cross section of a sintered body sintered at 1100 ° C. for 8 hours by mixing 16 wt% LBO in LLZ powder. As shown in FIG. 15B, many pores between grain boundaries were observed for pure LLZ and 4 wt% sintered specimens. On the other hand, in the case of the sintered body added with more than 8wt% LBO shows a fine microstructure as the content increases. The liquid phase is uniformly distributed between the LLZ interfaces and shows a dense microstructure with greatly reduced pores. In addition, unlike the pure LLZ, the particles of the LLZ can be seen that the growth of the particles greatly occurs as the LBO is added. This confirms that densification of LBO-added LLZ proceeds by solid phase sintering between particles of LLZ and the growth of particles, namely grain growth, as explained in the dilator shrinkage behavior of FIGS. 12A and 12B. Could.

3.2.5. 이온전도도 3.2.5. Ion conductivity

도 16은 상온 28℃에서 LBO 함량별에 따른 LLZ-LBO 복합체의 임피던스(complex impedance) 플롯(plot)을 나타낸 것이다. LLZ 고체전해질은 고주파에서는 이온전도에 의한 반원과 저주파에서는 전극에 의한 분극 현상으로 직선을 보이고 있다. 도 16에 있는 등가회로을 이용하여 Z view 프로그램을 통해 피팅(fitting)을 하였으며, Rg는 결정립저항, Rgb는 결정립간의 입계 저항, CPE는 Constant Phase Element을 나타낸다. 시편의 전체 저항은 임피던스의 리얼(real) 부분에서 반원의 인터섹션(intersection)으로부터 결정될 수 있다. 표 2에 함량별 이온전도도 값을 나타내었다. FIG. 16 shows a complex impedance plot of the LLZ-LBO composite according to LBO content at room temperature of 28 ° C. FIG. The LLZ solid electrolyte shows a straight line due to polarization by electrodes at high frequencies and semicircles due to ion conduction at high frequencies. A fitting was performed through the Z view program using the equivalent circuit of FIG. 16, Rg represents grain resistance, Rgb represents grain boundary resistance between grains, and CPE represents Constant Phase Element. The total resistance of the specimen can be determined from the intersection of the semicircles in the real part of the impedance. Table 2 shows the ionic conductivity values for each content.

LBO contentsLBO contents Total ionic conductivity
(S/cm-1)
Total ionic conductivity
(S / cm -1 )
wt%wt% vol%vol% 00 00 5.98×10-6 5.98 × 10 -6 44 99 1.12×10-5 1.12 × 10 -5 88 1717 1.54×10-5 1.54 × 10 -5 1212 2424 1.18×10-4 1.18 × 10 -4 1616 3131 1.28×10-4 1.28 × 10 -4

도 16 및 표 2를 참조하면, LBO 함량이 증가할수록 이온전도도 값은 증가하는 경향을 보이는 뿐만 아니라, 함량이 증가할수록 입계(grain boundary)의 저항이 작아지는 것을 확인하였다. 16wt%LBO를 첨가한 시편의 경우 total 이온전도도는 1.28×10-4Scm-1로 순수한 LLZ 시편의 5.98×10- 6Scm-1에 비해 크게 향상된 값을 얻을 수 있었다. 따라서 순수 LLZ 보다 LBO 소결첨가제를 첨가하였을 경우 LLZ 입계 사이에 균일하게 분포되면서 계면 저항이 낮아진 것으로 판단된다.Referring to FIG. 16 and Table 2, as the LBO content increases, the ionic conductivity value tends to increase, and as the content increases, the resistance of grain boundaries decreases. If the specimen was added to 16wt% LBO total ionic conductivity was 1.28 × 10 -4 5.98 a pure sample as a LLZ Scm -1 × 10 - could be obtained greatly improved value as compared to 6 Scm -1. Therefore, when the LBO sintering additive is added to the pure LLZ, the interfacial resistance is judged to be uniformly distributed between the LLZ grain boundaries.

3.3. Li3BO3가 첨가된 Li7La3Zr2O12의 온도에 따른 소결 특성 분석결과3.3. Sintering Characteristics Analysis of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 with Li 3 BO 3

3.3.1. 소결밀도3.3.1. Sintered Density

도 17a는 LLZ-12wt%LBO와 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 소결밀도(Sintered density)를 나타낸 도면이고, 도 17b는 LLZ-12wt%LBO와 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 상대밀도(Relative density)를 나타낸 도면이다. 소결은 각 온도에서 8시간 진행하였다. 소결밀도는 12wt%LBO를 첨가했을 때(LBO를 12wt 첨가하였을 때) 보다 16wt%LBO를 첨가하였을 때(LBO를 16wt 첨가하였을 때) 밀도는 증가하는 경향을 보였다. 16wt% 기준 900℃에서 소결한 경우에 72% 상대밀도 값을 얻었으며, 1100℃에서 소결한 경우에는 88%까지 밀도가 증가하는 것을 확인하였다. 900℃에서는 LBO가 용융온도 이상임에도 불구하고 72% 낮은 밀도를 나타내었다. 소결온도가 증가함에 따라 소결밀도는 증가하고 1100℃에서 최대값이 88%를 나타내었다. 이것으로 보아 LLZ-LBO 복합체의 소결은 LBO의 용융에 의한 액상소결 뿐만 아니라 LLZ의 고상소결이 함께 작용하여야 함을 확인할 수 있었다. 한편, 1200℃에서는 두 시편 모두 소결밀도가 급격히 감소하였다. 이는 고온에서 LLZ와 LBO가 분해가 일어나서 융점이 낮은 소량의 Li과 B이 휘발되어 밀도가 감소된 것으로 판단된다. 17a is a view showing sintered density according to the sintering temperature of the LLZ-12wt% LBO and LLZ-16wt% LBO composite, Figure 17b is a sintering temperature of the LLZ-12wt% LBO and LLZ-16wt% LBO composite A diagram showing relative density according to this. Sintering was performed for 8 hours at each temperature. The sintered density tended to increase when 16 wt% LBO was added (16 wt% LBO) than when 12 wt% LBO was added (12 wt% LBO). When sintered at 900 ° C. based on 16wt%, 72% relative density values were obtained, and when sintered at 1100 ° C., the density increased to 88%. At 900 ° C, LBO showed a 72% lower density than the melting temperature. As the sintering temperature increased, the sintered density increased and the maximum value was 88% at 1100 ℃. From this, sintering of LLZ-LBO composite was confirmed that not only liquid phase sintering by melting LBO but also solid phase sintering of LLZ should work together. On the other hand, the sintered density of both specimens decreased drastically at 1200 ° C. This is because LLZ and LBO are decomposed at high temperature, and a small amount of Li and B having low melting points is volatilized, and thus the density is reduced.

3.3.2. X-선 회절분석3.3.2. X-ray Diffraction

도 18은 LLZ-12wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 x-선회절(XRD) 패턴을 나타낸 도면이고, 도 19는 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 x-선회절(XRD) 패턴을 나타낸 도면이다. 도 18 및 도 19에서 보여주는 바와 같이, 900~1200℃ 소결온도에서 LZ상은 관찰되지 않았으며, 입방(cubic) LLZ 상의 피크만 관찰되었다. 또한, 각 온도에서 LBO가 첨가된 LLZ 시편의 경우, LBO 결정상 피크는 관찰되지 않았으며, 이는 LBO가 LLZ와 서로 반응하지 않아 새로운 결정상을 형성하지 않고, 액상소결 후 LLZ의 입계에 비정질 상으로 존재한다는 것으로 판단된다.18 is a view showing the x-ray diffraction (XRD) pattern of the LLZ-12wt% LBO composite according to the sintering temperature, Figure 19 is a view of the x-ray diffraction (XRD) pattern of the LLZ-16wt% LBO composite according to the sintering temperature The figure shown. As shown in Figure 18 and 19, the LZ phase was not observed at 900 ~ 1200 ℃ sintering temperature, only the peak of the cubic LLZ phase was observed. In addition, in the LLZ specimens with LBO added at each temperature, no LBO crystal phase peak was observed, which did not form a new crystal phase because LBO did not react with LLZ and existed in the amorphous phase at the grain boundary of the LLZ after liquid phase sintering. It is judged.

3.3.3. 미세구조3.3.3. Microstructure

도 20a 내지 도 20d는 LLZ-12wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 소결체의 단면을 FE-SEM을 이용하여 미세구조를 관찰한 결과를 나타낸 도면이고, 도 21a 내지 도 21d는 LLZ-16wt%LBO 복합체의 소결온도에 따른 소결체의 단면을 FE-SEM을 이용하여 미세구조를 관찰한 결과를 나타낸 도면이다. 도 20a 및 도 21a는 900℃에서 소결한 경우이고, 도 20b 및 도 21b는 1000℃에서 소결한 경우이며, 도 20c 및 도 21c는 1100℃에서 소결한 경우이고, 도 20d 및 도 21d는 1200℃에서 소결한 경우이다. 온도가 증가함에 따라 LLZ의 입자가 성장을 하면서 치밀화 되는 것을 관찰하였다. LBO 첨가제를 첨가함으로써 온도에 따라 액상소결에 의한 LLZ의 입자배열과 LLZ의 고상소결에 의한 입자성장이 함께 치밀화가 진행되었다. 900℃에서 소결한 경우는 LBO가 균일하게 분포되지 않아 기공이 차지하는 영역이 큰 것을 관찰되었고, 입자성장이 거의 일어나지 않는 것으로 보아 LLZ 입자 사이의 소결이 거의 일어나지 않았다. 1000℃에서 소결한 경우에 기공이 차지하는 영역이 작아졌으며, 1100℃에서 소결한 시편에서 가장 치밀한 미세구조가 관찰되었다. 1200℃에서 소결한 경우는 1100℃ 이하의 미세조직과는 전혀 다른 새로운 미세조직이 관찰되었다. 또한 LLZ 입자는 10㎛ 이상 비정상 입자성장이 국부적으로 관찰되었다.20A to 20D show the results of observing the microstructure of the sintered body according to the sintering temperature of the LLZ-12wt% LBO composite using FE-SEM, and FIGS. 21A to 21D show the LLZ-16wt% LBO composite. The sectional view of the sintered compact according to the sintering temperature of the microstructure was observed using FE-SEM. 20A and 21A show the case of sintering at 900 ° C, FIGS. 20B and 21B show the case of sintering at 1000 ° C, and FIGS. 20C and 21C show the case of sintering at 1100 ° C, and FIGS. 20D and 21D show 1200 ° C. Sintered at. As the temperature increases, the particles of LLZ grow and densify. By adding LBO additive, densification proceeded with grain arrangement of LLZ by liquid phase sintering and grain growth by sintering solid phase with temperature. When sintered at 900 ° C., LBO was not uniformly distributed, and thus a large area occupied by pores was observed. Since sintering between the LLZ particles was hardly occurred because particle growth hardly occurred. When sintered at 1000 ° C, the area occupied by pores was small, and the finest microstructure was observed in the specimen sintered at 1100 ° C. When sintered at 1200 ° C., a new microstructure was observed that was completely different from the microstructure below 1100 ° C. In addition, abnormal grain growth of LLZ particles of 10 µm or more was observed locally.

3.3.4. 이온전도도 3.3.4. Ion conductivity

도 22는 LLZ-12wt%LBO를 첨가한 LLZ의 소결온도에 따른 28℃에서 측정한 임피던스 플롯(plot)을 나타낸 도면이고, 도 23은 LLZ-16wt%LBO를 첨가한 LLZ의 소결온도에 따른 28℃에서 측정한 임피던스 플롯(plot)을 나타낸 도면이다. 소결온도가 증가함에 따라 이온전도도는 증가하였는데, 12wt% 기준으로 900℃에서 소결한 경우에 3.10×10- 7Scm-1을 얻었으며, 1100℃에서 소결한 경우는 1.18×10- 4 Scm-1 값을 얻었다. 1100℃ 이하에서 소결한 경우는 계면 저항이 크고 기공량이 높아 이온 이동의 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한, 1200℃에서는 2.08×10- 5Scm- 1으로 이온전도도가 다소 감소하였으며, 이는 미세구조에서 관찰한 바와 같이 결정구조의 변화로 인해 전체적으로 저항이 커졌다. 16wt%를 첨가하였을 때도 동일한 경향을 보였으며, 1100℃에서 소결한 경우에 1.28×10- 4Scm-1로 가장 높은 이온전도도 값을 보였다. 이것으로 보아 온도에 따른 복합체의 이온전도도는 치밀화에 영향을 받는 것을 확인하였다. FIG. 22 is a plot showing impedance plots measured at 28 ° C according to the sintering temperature of LLZ added with LLZ-12wt% LBO, and FIG. 23 is plotted according to the sintering temperature of LLZ with LLZ-16wt% LBO. A plot of impedance plots taken at ° C. The ionic conductivity is increased by as the sintering temperature increases, 3.10 × 10 in the case of sintering at 900 ℃ to 12wt% based on - were scored 7 Scm -1, if the sintering at 1100 ℃ is 1.18 × 10 - 4 Scm -1 The value was obtained. In the case of sintering at 1100 ° C. or lower, it is considered that the interfacial resistance is large and the pore amount is high to influence the ion migration. In 1200 ℃ 2.08 × 10 - 5 Scm - 1 was the ionic conductivity is decreased, which is due to a change in the crystal structure, as observed in the microstructure of the increased resistance as a whole. It showed the same tendency even when the addition of 16wt%, 1.28 × 10 in the case of sintering at 1100 ℃ - was the highest ion conductivity value to 4 Scm -1. This confirmed that the ion conductivity of the composite according to the temperature is affected by densification.

본 발명의 실험예에서는 저온에서 가넷 구조 Li7La3Zr2O12(LLZ) 고체전해질의 특성을 향상시키기 위해 Li3BO3(LBO)를 소결첨가제로 사용하여 LLZ의 소결거동에 미치는 영향과 이온전도도에 대해서 살펴보았다. 소결첨가제는 착체중합법을 이용하여 합성한 LBO를 사용하였다. 1100℃에서 8시간 동안 소결하는 경우에 LBO 함량에 따라 0wt%~16wt%까지 첨가하여 소결거동을 조사하였다. 또한, 소결온도에 따른 900~1200℃에서 12wt%LBO, 16wt%LBO를 첨가하여 상분석, 소결거동 및 이온전도도를 조사하였다.In the experimental example of the present invention, in order to improve the properties of the garnet structure Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) solid electrolyte at low temperature, the effect of sintering behavior of LLZ using Li 3 BO 3 (LBO) as a sintering additive and I looked at the ion conductivity. The sintering additive used LBO synthesize | combined using the complex polymerization method. When sintering at 1100 ℃ for 8 hours, the sintering behavior was investigated by adding 0wt% ~ 16wt% according to LBO content. In addition, phase analysis, sintering behavior and ion conductivity were investigated by adding 12wt% LBO and 16wt% LBO at 900 ~ 1200 ℃ according to the sintering temperature.

착체중합법을 통해 시트르산(Citrate acid)과 Li, B의 2가지 금속이온들이 금속-킬레이팅(metal-chelating)으로 형성되어져 있는 파우더 전구체를 제조하였다. 700℃에서 하소한 LBO 분말이 우수한 조건과 이미지를 나타내었다.Through the complex polymerization method, a powder precursor in which two metal ions of citrate, Li, and B are formed by metal-chelating was prepared. LBO powder calcined at 700 ° C. showed excellent conditions and images.

딜라토미터로 수축거동 분석결과 LLZ 분말에 LBO 첨가제를 12wt% 첨가한 경우 Pure LLZ 보다 훨씬 낮은 온도인 700℃ 부근에서 수축이 시작되는 것을 알 수 있었다. 또한, 2개의 수축거동이 관찰되었으며, 첫 번째 단계의 수축은 소결 첨가제인 LBO 유리(glass)의 연화점 이상이 되어 점도가 감소하고 LBO 입자의 유동성이 증가하면서 점성유동(viscos flow)에 의한 LLZ의 입자재배열에 기인하는 것이고, 두 번째 피크에는 LBO가 용융하면서 용융 LBO에 의한 액상소결에 의한 LLZ의 재배열과 LLZ 입자 사이의 고상소결이 함께 일어난 것으로 판단된다.As a result of the shrinkage behavior analysis with the dilatometry, the addition of 12wt% LBO additive to the LLZ powder showed that the shrinkage began at around 700 ° C, which is much lower than Pure LLZ. In addition, two shrinkage behaviors were observed, and the first stage shrinkage was above the softening point of the sintering additive LBO glass, reducing the viscosity and increasing the fluidity of the LBO particles. It is due to the particle rearrangement, and it is believed that the second peak occurs with the rearrangement of the LLZ due to liquid phase sintering by the molten LBO and the solid phase sintering between the LLZ particles.

전체적인 소결거동은 LBO 함량이 증가할수록 소결체의 소결밀도는 증가하는 경향을 보였다. 이는 LBO 함량이 증가할수록 LLZ 입계 계면에 잘 용융되어 치밀화가 증가된 것으로 확인된다. 또한, 소결밀도 측정결과 LBO를 16wt% 첨가하였을 경우에 비교적 높은 밀도 값인 88%의 상대밀도를 얻을 수 있었다. 반면, LBO가 첨가되지 않는 순수 LLZ의 경우 소결밀도는 58%의 낮은 밀도를 보였다. 따라서, 순수 LLZ보다 LBO 소결조제를 첨가할 경우 소결밀도가 향상되는 것을 확인하였다. The overall sintering behavior tended to increase with increasing LBO content. It is confirmed that as the LBO content increases, the densification increases due to melting at the LLZ boundary interface. In addition, as a result of sintering density measurement, when 16 wt% of LBO was added, a relatively high density value of 88% was obtained. On the other hand, in the case of pure LLZ without LBO, the sintered density was as low as 58%. Therefore, it was confirmed that the sintered density was improved when the LBO sintering aid was added to the pure LLZ.

LBO 함량에 따른 결정상 X-선회절(XRD) 분석 결과 순수 LLZ와 4wt%LBO에 존재하였던 La2Zr2O7 불순물 상은 LBO 함량이 증가할수록 감소하였고, 8wt% 이상 첨가할 경우 안정상인 입방(cubic) LLZ가 형성되었다. 온도에 따라 12,16wt%.LBO 첨가하였을 경우 La2Zr2O7 관찰되지 않고 안정상인 입방(cubic) LLZ만 관찰되었다. La 2 Zr 2 O 7 who crystal phase X- ray diffraction (XRD) according to the LBO content analysis result exists in the pure LLZ and 4wt% LBO The impurity phase decreased with increasing LBO content, and when added more than 8wt%, cubic LLZ was formed. 12,16wt% .LBO depending on temperature La 2 Zr 2 O 7 Only cubic LLZ was observed which was not observed and was stable.

LBO 함량이 증가할수록 이온전도도 값은 증가하는 경향을 보이며, 입계(grain boundary)의 저항이 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 16wt%LBO를 첨가한 시편의 경우 전체(total) 이온전도도는 1100℃에서 1.28×10- 4Scm-1로 순수한 LLZ 시편의 5.98×10- 6Scm-1에 비해 크게 향상된 값을 얻을 수 있었다. 소결온도가 증가함에 따라 이온전도도는 증가하였으며, 1100℃에서는 가장 큰 이온전도도 값을 얻었다. As the LBO content increased, the ion conductivity value tended to increase, and the resistance of the grain boundary decreased. If the specimen was added to 16wt% LBO full (total) ionic conductivity at 1100 ℃ 1.28 × 10 - it could be obtained greatly improved value as compared to 6 Scm -1 - 5.98 × 10 of a pure specimen as LLZ 4 Scm -1. As the sintering temperature was increased, the ion conductivity increased, and the maximum ion conductivity was obtained at 1100 ° C.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible for a person with ordinary skill in the art.

Claims (16)

LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 준비하는 단계;
가넷 구조를 갖는 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말과 상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿을 혼합하고 성형하는 단계; 및
성형된 결과물을 소결하는 단계를 포함하며,
상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 준비하는 단계는,
(a) 킬레이트제와 용매를 혼합하는 단계;
(b) 상기 킬레이트제와 상기 용매의 혼합물에 리튬 소스 물질과 붕소 소스 물질을 용해시키는 단계;
(c) 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질이 용해된 용액을 제1 온도로 가열하여 에스테르화 반응시켜 착체를 형성하는 단계;
(d) 에스테르화 반응에 의해 형성된 상기 착체를 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 가열하여 분말 상태의 파우더 전구체를 형성하는 단계; 및
(e) 상기 파우더 전구체를 하소(calcination)하여 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 수득하는 단계를 포함하고,
상기 킬레이트제는 폴리아미노카르복실산, 폴리인산, 에틸렌디아민(C2H4(NH2)2) 및 에틸렌다이아민테트라아세트산(C10H16N2O8)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하며,
상기 리튬 소스 물질은 리튬카보네이트(Lithium carbonate, Li2CO3), 리튬나이트레이트(Lithium nitrate, LiNO3) 및 리튬클로라이드(Lithium chloride, LiCl)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고,
상기 붕소 소스 물질은 붕산(Boric acid, H3BO3), 보론카보네이트(Boron carbonate, C3B2O9), 테트라니트라토보레이트(Tetranitratoborate, B(NO3)3) 및 보론트리클로라이드(Boron trichloride, BCl3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하며,
상기 (b) 단계에서 상기 리튬 소스 물질과 상기 붕소 소스 물질을 1:1 내지 5:1의 몰비로 용해시키고,
상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿은 상기 LLZ(Li7La3Zr2O12) 고체전해질 분말 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부를 혼합하며,
상기 하소는 상기 제2 온도 보다 높은 600∼800℃의 온도에서 산화 분위기에서 수행하고,
상기 소결은 상기 LBO(Li3BO3)계 유리 프릿(glass frit)을 수득하기 위한 하소 온도보다 높고 1200℃보다 낮은 1000∼1150℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.
Preparing a LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit;
Mixing and molding a LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder having a garnet structure and the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit; And
Sintering the shaped result,
Preparing the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit (glass frit),
(a) mixing a chelating agent with a solvent;
(b) dissolving a lithium source material and a boron source material in a mixture of the chelating agent and the solvent;
(c) heating the solution in which the lithium source material and the boron source material are dissolved to a first temperature to esterify to form a complex;
(d) heating the complex formed by the esterification reaction at a second temperature higher than the first temperature to form a powder precursor in powder state; And
(e) a step of calcining the precursor powder (calcination) to give the LBO (Li 3 BO 3) based glass frit (glass frit),
The chelating agent is at least one selected from the group consisting of polyaminocarboxylic acid, polyphosphoric acid, ethylenediamine (C 2 H 4 (NH 2 ) 2 ) and ethylenediaminetetraacetic acid (C 10 H 16 N 2 O 8 ) Contains substances,
The lithium source material includes at least one material selected from the group consisting of lithium carbonate (Lithium carbonate, Li 2 CO 3 ), lithium nitrate (Lithium nitrate, LiNO 3 ) and lithium chloride (Lithium chloride, LiCl),
The boron source material is boric acid (Boric acid, H 3 BO 3 ), boron carbonate (Boron carbonate, C 3 B 2 O 9 ), tetranitratoborate (B (NO 3 ) 3 ) and boron trichloride (Boron trichloride, BCl 3 ) comprises one or more substances selected from the group consisting of,
Dissolving the lithium source material and the boron source material in a molar ratio of 1: 1 to 5: 1 in step (b),
The LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit is mixed with 0.1 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte powder,
The calcination is carried out in an oxidizing atmosphere at a temperature of 600 ~ 800 ℃ higher than the second temperature,
Lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron, characterized in that the sintering is carried out at a temperature of 1000 ~ 1150 ℃ higher than the calcination temperature to obtain the LBO (Li 3 BO 3 ) -based glass frit (lower than 1200 ℃) Method for producing an oxide-based composite.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 용매는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), H2O 및 디메틸에테르(C2H6O)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.
The method of claim 1 wherein the solvent is ethylene glycol (Ethylene glycol), H 2 O and dimethyl ether lithium lanthanum zirconium oxide, characterized in that it comprises one or more materials that are selected from the group consisting of (C 2 H 6 O) - Method for producing a lithium boron oxide-based composite.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 용매와 상기 킬레이트제는 2:1∼7:1의 몰비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein in the step (a), the solvent and the chelating agent are mixed in a molar ratio of 2: 1 to 7: 1.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
알루미늄 나이트레이트 노나하이드레이트(Aluminum nitrate nonahydrate, Al(NO3)3·9H2O), 알루미늄 클로라이드(Aluminum chloride, AlCl3) 및 알루미늄 카보네이트(Aluminum carbonate, Al2(CO3)3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시키는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein in step (b),
From aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3 ) 3 9H 2 O), aluminum chloride (AlCl 3 ) and aluminum carbonate (Al 2 (CO 3 ) 3 ) A method for producing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite, characterized by further dissolving at least one selected material.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
니오븀 나이트레이트(Niobium nitrate, Nb(NO3)5), 니노븀산(Niobium acid, Nb2O5·nH2O) 및 니노븀 클로라이드(Niobium chloride, NbCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시키는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein in step (b),
Niobium nitrate (Nb (NO 3 ) 5 ), at least one material selected from the group consisting of niobium acid, Nb 2 O 5 · nH 2 O, and niobium chloride (NbCl 5 ) Method for producing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite, characterized in that further dissolved.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
탄탈륨 나이트레이트(Tantalum nitrate, TaN5O15), 탄탈륨 카보네이트(Tantalum carbonate, Ta2(CO3)5) 및 탄탈륨 클로라이드(Tantalum chloride, TaCl5)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 더 용해시키는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein in step (b),
Tantalum nitrate (TaN 5 O 15 ), Tantalum carbonate (Tantalum carbonate, Ta 2 (CO 3 ) 5 ) and tantalum chloride (Tantalum chloride, TaCl 5 ) to further dissolve one or more substances selected from the group Method for producing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite, characterized in that.
제1항에 있어서, 에스테르화 반응을 위하여 상기 제1 온도로 가열하는 것은 90∼250℃ 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.
The method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide-lithium boron oxide-based composite according to claim 1, wherein the heating to the first temperature is performed at a temperature of 90 to 250 ° C.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 하소 전에 상기 파우더 전구체에 함유된 유기물을 제거하기 위해 상기 제2 온도보다 높고 상기 하소를 하는 온도보다 낮은 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬란탄지르코늄산화물-리튬붕소산화물계 복합체의 제조방법.The lithium lanthanum zirconium oxide according to claim 1, further comprising a heat treatment at a temperature higher than the second temperature and lower than the calcination temperature in order to remove the organic matter contained in the powder precursor before the calcination. -Method of producing a lithium boron oxide-based composite. 삭제delete
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