KR102224955B1

KR102224955B1 - 배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그에 의한 고체전해질막

Info

Publication number: KR102224955B1
Application number: KR1020200036210A
Authority: KR
Inventors: 김영규; 이승진
Original assignee: (주)비티비엘
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-03-09
Also published as: KR20210003040A

Abstract

본 발명은 배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그에 의한 고체전해질막을 개시한다.
본 발명에 따르는 배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그에 의한 고체전해질막은 배터리의 고체전해질 박막의 제조방법에 있어서, 절연몸체를 음각 형상인 전해질내입부를 복수개로 구비하도록 패터닝하는 S1단계와, 상기 전해질내입부로 리튬이온전해질을 충전하는 S2단계와, 상기 절연몸체를 가압하며 소결하여 복수개의 고체전해질층을 형성하는 S3단계 및 상기 절연몸체를 폴리싱하여 상하부로 고체전해질층이 노출되는 고체전해질막을 제조하는 S4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그의 고체전해질막이며 이에 의할 때, 결함 또는 공극이 없고,내부 회로 단락 또는 자기 방전의 우려를 방지할 수 있고, 배터리의 고온에 대한 저항성을 증가시키고 벤딩과 같은 외력에 의하여 손상으로 우려가 적은 효과를 발휘한다.

Description

배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그에 의한 고체전해질막{Method of manufacturing solid electrolyte film of battery and solid electrolyte film by it}

본 발명은 배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그에 의한 고체전해질막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결함 또는 공극이 없고,내부 회로 단락 또는 자기 방전의 우려를 방지할 수 있고, 배터리의 고온에 대한 저항성을 증가시키고 벤딩과 같은 외력에 의하여 손상으로 우려가 적은 배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그에 의한 고체전해질막에 관한 것이다.

독립형 전기 장치(예컨대, 전화기, 랩톱 컴퓨터, 휴대용 기기, 독립형 센서 등)에 전력을 공급하거나 또는 전기자동차의 동작을 위한 이상적인 배터리는 많은 양의 에너지와 전력을 저장할 수 있어야 하며, 과열의 위험, 나아가 폭발의 가능성이 없어야 할 것이다.

현재, 이러한 전기 장치는 본질적으로, 제시되어 있는 다양한 축전 기술 중 최고의 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 배터리로부터 전력을 공급받는다.

이러한 배터리는 코팅 기술(특히, 롤 코팅, 닥터 블레이드)을 이용하여 형성될 수 있고, 이러한 기술은 50~400㎛ 두께의 침착물을 형성하기 위해 사용될 수 있다.

배터리의 전력 및 에너지는 침착물의 두께와 그 공극 및 활성 입자의 크기를 변화시켜서 조절할 수 있고, 전극 형성을 위해 침착되는 잉크(또는, 페이스트)에는, 활성 물질의 입자 및 바인더(결합재)와, 입자들 간의 전기적 접촉을 위한 탄소 분말과, 전극을 건조하는 공정 중에 증발되는 용매가 포함된다.

입자들 간의 전기적 접촉의 질을 향상시키고 침착물을 압밀(compact)하기 위하여 전극에 대해서 캘린더링(calendering) 단계가 수행된다.

이러한 압축 단계를 완료하면 전극의 활성 입자는 침착물의 체적의 약 60%를 차지하게 되는데, 이것이 의미하는 것은 입자들 사이에 통상 40%의 공극이 존재하며, 공극은 전해질로 채워진다.

이 전해질은 입자들 간에 리튬 이온을 이동시키고(전극 두께 내에서의 리튬의 확산), 전해질은 통상적으로 액체(리튬염이 용해되어 있는 비양성자성 용매)이거나, 리튬염이 함침된 폴리머의 형태일 수 있다.

이러한 배터리에서 사용되는 전해질은 공극이 없고 배터리의 내부 단락의 발생을 방지하며 우수한 기계적 특성을 갖는 조밀한 고체 전해질을 사용할 필요성이 있다.

이러한 전해질막을 만들기 위한 다양한 방법이 개시되어 있는데, 그 중 하나는 리튬 이온을 전도하는 세라믹스 또는 비트로세라믹스(vitro-ceramics)의 얇은 막을 진공 침착시키는 것이다.

진공 침착에 의해서 공극이 없고 배터리의 내부 단락의 발생을 방지하며 우수한 기계적 특성을 갖는 조밀한 고체 막을 만들 수 있는 장점이 있고, 이렇게 공극이 없는 완벽하게 조밀한 막은 또한, 전극의 측변을 포함하여 전체 전극을 다 덮을 수 있으며 또한, 이러한 완전 무기질막에서 공극이 없다는 것의 의미는, 리튬염을 함유하는 액체 폴리머계 또는 용매계 전해질을 사용하지 않고, 확산에 의해서 리튬이온을 막을 통해 이동시킬 수 있다는 것을 의미한다.

이러한 완전 무기질막은 우수한 에이징 특성, 안전성, 및 온도 저항 특성을 가질 수 있으므로, 조밀한 전해질 박막은, 완전 무기질이든 아니든지간에 많은 장점을 가질 수 있으나, 진공 침착 기술은 매우 고가이며, 높은 생산성으로 넓은 면적에 산업적으로 실시하는 것이 매우 어려운 문제가 있다.

또 다른 방법으로 전기영동입자 침착(electrophoretic particle deposition)기술이 있는데, 예를 들어, 특허출원 US 7662265에서는, 전기영동에 의해서 전극들 중 하나(양극 또는 음극)와 고체 전해질을 동시에 수득하여 박막의 전기화학적 장치(배터리 포함)를 제조하는 방법을 개시하고는 있으나, 다른 전극은 전기영동 침착 전에 의해 이미 형성되어 있어야 하는 문제가 있고, 특허출원 JP 2002-042792(DENSO)는 배터리의 전극에 고체 전해질을 침착시키는 공정을 개시하는데, 여기서 침착물은 전기영동에 의해 만들어지고, 최종 목표 전해질은 본질적으로 폴리머 전해질(가령, 폴리에틸렌 산화물, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 불화물, 그리고, 리튬 나이트라이드, 리튬 이오다이드, 리튬 포스페이트, 지르코늄 및 리튬 포스페이트, 티타늄 및 리튬 포스페이트와 같은 무기질 전해질)을 포함하게 된다.

다른 하나의 방법으로 스크린인쇄방법에 의하는 종래 기술로서, 도 9를 참조하여 보면, 고체전해질막(10)은 고체전해질 전구체(11, 보통 페이스트로 준비)를 스크린마스크(20)에 적재하고 스퀴즈(30)로 베이스지그(40)의 상부로 스퀴징(sqeezing)하면, 상기 베이스지그(40)에 음각으로 구비된 전해질막형 내부로 고체전해질 전구체가 매립된다.

상기 고체전해질 전구체를 매립한 베이스지그(40)의 상부에 가압체(50)나 체임버 내부의 압력을 상승시켜 고체전해질 전구체에 압력을 가하여 그 자체의 밀도를 상승시키고, 이어서 100~200℃의 온도로 소결시킨 후 고체전해질막(10)을 제조하며, 이어서 습식이나 건식공정으로 양극, 음극과 같은 전극(60, 60')을 적층하게 되는데, 이러한 고체전해질막은 소결을 거쳐 단단한 강성체와 유사한 상태이어서 외부 충격 특히, 꺽임(bending)같은외력이 가해지는 경우에 부서지거나 유연성(flexible)을 보강하기 위하여 고체전해질의 농도를 낮추는 경우에는 전기용량이 감소하는 문제가 생긴다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 결함 또는 공극이 없고,내부 회로 단락 또는 자기 방전의 우려를 방지할 수 있고, 배터리의 고온에 대한 저항성을 증가시키고 벤딩과 같은 외력에 의하여 손상으로 우려가 적은 배터리의 고체전해질막의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 두번째 기술적 과제는 결함 또는 공극이 없고,내부 회로 단락 또는 자기 방전의 우려를 방지할 수 있고, 배터리의 고온에 대한 저항성을 증가시키고 벤딩과 같은 외력에 의하여 손상으로 우려가 적은 배터리의 고체전해질막을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 첫번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 배터리의 고체전해질 박막의 제조방법에 있어서, 절연몸체를 음각 형상인 전해질내입부를 복수개로 구비하도록 패터닝하는 S1단계와, 상기 전해질내입부로 리튬이온전해질을 충전하는 S2단계와, 상기 절연몸체의 전해질내입부로 리튬이온전해질 충전시 공극을 감소시킬 수 있도록 1 내지 20㎫로 가압체에 의해 가압과 함께 1 내지 600㎑의 주파수에 의한 진동을 가하면서 소결하여 복수개의 고체전해질층을 형성하는 S3단계 및 상기 절연몸체를 폴리싱하여 상하부로 고체전해질층이 노출되는 고체전해질막을 제조하는 S4단계를 포함함되, 상기 절연몸체는 폴리셔를 이용하여 상부면, 하부면으로 고체전해질층이 노출되도록 연마하고, 상기 리튬이온전해질은 리튬이온 전도성 코팅분말, 전자 전도성 코팅 활물질 또는 고체 전해질을 포함하며, 상기 고체 전해질로는 리튬, 인 및 실리콘 산소질화물 기반 리튬 화합물(LiSiPON), LiBON, LiBSO, LiSiPON, LiSON, thio-LiSiCON, LiPONB 형태 (단, B, P, S는 각각 붕소, 인, 황을 나타냄)의 리튬 산소질화물, Li₄SiO₄, Li₃PO4, Li₂CO₃, B₂O₃, Li₂O, Al(PO₃)₃LiF, P₂S₃, Li₂S, Li₃N 또는 Li₁₄Zn(GeO₄)₄을 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 리튬염은 폴리머와 결합된 형태인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 폴리머는 폴리에틸렌 산화물, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리실록세인으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₆H₅)₄), Li(SCN), Li(NO₃) 중에서 선택되는 적어도 하나인 것일 수 있다.

본 발명은 상술한 두번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 절연몸체를 음각 형상인 전해질내입부를 복수개로 구비하도록 패터닝하는 S1단계와, 상기 전해질내입부로 리튬이온전해질을 충전하는 S2단계와, 상기 절연몸체의 전해질내입부로 리튬이온전해질 충전시 공극을 감소시킬 수 있도록 1 내지 20㎫로 가압체에 의해 가압과 함께 1 내지 600㎑의 주파수에 의한 진동을 가하면서 소결하여 복수개의 고체전해질층을 형성하는 S3단계 및 상기 절연몸체를 폴리싱하여 상하부로 고체전해질층이 노출되는 고체전해질막을 제조하는 S4단계;에 의해 배터리의 고체전해질막을 제조하며, 절연몸체의 상부, 하부로 고체전해질층이 노출되며, 절연몸체는 폴리셔를 이용하여 상부면, 하부면으로 고체전해질층이 노출되도록 연마하고, 상기 리튬이온전해질은 리튬이온 전도성 코팅분말, 전자 전도성 코팅 활물질 또는 고체 전해질을 포함하며, 상기 고체 전해질로는 리튬, 인 및 실리콘 산소질화물 기반 리튬 화합물(LiSiPON), LiBON, LiBSO, LiSiPON, LiSON, thio-LiSiCON, LiPONB 형태 (단, B, P, S는 각각 붕소, 인, 황을 나타냄)의 리튬 산소질화물, Li₄SiO₄, Li₃PO4, Li₂CO₃, B₂O₃, Li₂O, Al(PO₃)₃LiF, P₂S₃, Li₂S, Li₃N 또는 Li₁₄Zn(GeO₄)₄을 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막을 제공한다.

본 발명에 의한 배터리의 고체전해질막의 제조방법 및 그에 의한 고체전해질막에 따르면, 결함 또는 공극이 없고,내부 회로 단락 또는 자기 방전의 우려를 방지할 수 있고, 배터리의 고온에 대한 저항성을 증가시키고 벤딩과 같은 외력에 의하여 손상으로 우려가 적은 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명에 따르는 패터닝된 단면이 사각형인 전해질내입부가 규칙적으로 배열된 사시도(a)와 평면도(b)이며,
도 2는 본 발명에 따르는 다른 실시예의 패터닝된 단면이 사각형인 전해질내입부가 규칙적으로 배열된 평면도이고,
도 3은 본 발명의 전해질내입부로 리튬이온전해질 분말이 주입기에 의하여 주입되는 형상으로 단면적으로 나타낸 그림이며,
도 4는 본 발명의 리튬이온전해질을 매립한 절연몸체를 가압하는 형상을 단면적으로 나타낸 그림이고,
도 5는 본 발명의 고체전해질층이 상하부로 노출되도록 절연몸체를 폴리셔에 의하여 폴리싱하는 형상을 단면적으로 나타낸 그림이며,
도 6은 본 발명에 따르는 폴리싱 후의 절연몸체를 촬영한 사진이며,
도 7은 도 6의 Ⅳ 영역을 확대한 사진이고,
도 8은 본 발명의 절연막의 상부하부로 증착기(E)에 의하여 전극이 증착되는 형상으로 단면적으로 나타낸 그림이며,
도 9는 종래 습식방법으로 전해질막을 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸 그림으로, 스크린마스크에 전해질 페이스트롤 스퀴즈로 스퀴징하고(a), 스크린마스크 제거후에 가압체로 전해질 페이스트를 가압하며(b), 소결후(c)에 지그를 제거하고, 전극을 증착하는 형상(d)을 나타내는 그림이다.

이하에서는 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 하며 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 하고, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하며, 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따르는 패터닝된 단면이 사각형인 전해질내입부가 규칙적으로 배열된 사시도(a)와 평면도(b)이며, 도 2는 본 발명에 따르는 다른 실시예의 패터닝된 단면이 사각형인 전해질내입부가 규칙적으로 배열된 평면도이고, 도 3은 본 발명의 전해질내입부로 리튬이온전해질 분말이 주입기에 의하여 주입되는 형상으로 단면적으로 나타낸 그림이며, 도 4는 본 발명의 리튬이온전해질을 매립한 절연몸체를 가압하는 형상을 단면적으로 나타낸 그림이고, 도 5는 본 발명의 고체전해질층이 상하부로 노출되도록 절연몸체를 폴리셔에 의하여 폴리싱하는 형상을 단면적으로 나타낸 그림이며, 도 6은 본 발명에 따르는 폴리싱 후의 절연몸체를 촬영한 사진이며, 도 7은 도 6의 Ⅳ 영역을 확대한 사진이고, 도 8은 본 발명의 절연막의 상부하부로 증착기(E)에 의하여 전극이 증착되는 형상으로 단면적으로 나타낸 그림인데 이를 참고한다.

본 발명에 따르는 배터리의 고체전해질막의 제조방법은 배터리의 고체전해질 박막의 제조방법에 있어서, 절연몸체(100)를 음각 형상인 전해질내입부(200)를 복수개로 구비하도록 패터닝하는 S1단계와, 상기 전해질내입부(200)로 리튬이온전해질(300)을 충전하는 S2단계와, 상기 절연몸체(100)를 가압하며 소결하여 복수개의 고체전해질층(310)을 형성하는 S3단계 및 상기 절연몸체를 폴리싱하여 상하부로 고체전해질층(310)이 노출되는 고체전해질막(400)을 제조하는 S4단계를 포함하는 특징이 있다.

먼저, S1단계를 보면, 절연몸체(100)를 음각 형상인 전해질내입부(200)를 복수개로 구비하도록 패터닝하는 공정이다.

상기 절연몸체(100)는 전하, 정공이 이동하는 통로인 고체전해질층(310)들이 형성되도록 잡아주는 역할을 하는 동시에 직접 통전이 되서는 아니되므로, 절연성 재료를 사용하여야 한다.

이러한 절연성 재료는 열가소성수지, 열경화성수지 등의 유기재료나 무기재료를 구별하지 아니하고 사용할 수 있으나, 패터닝 가공이 가능하고 후 공정의 소결시 형태가 무너질 지언정 고체전해질층의 잡아주어야 하며 소멸하여 인접한 전해질층들이 한 몸체로 변해서는 아니되는 특성을 가져야 하므로, 융해점, 용해점 또는 전이온도는 소결온도보다 낮아서는 아니된다.

상기 수지중 바람직하게는 예를 들어, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 폴리페닐옥사이드, 테프론, 폴리비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리에테르설폰, 트리아세틸셀루로오스, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리비닐부티랄, 폴리메틸메타아크릴에이트 또는 폴리에틸렌나프탈레이트를 사용할 수 있다.

또한, 무기재료로는 실리콘(Si), 글라스(Glass) 또는 세라믹기판(Ceramic substrate)을 사용할 수 있는데, 이들 재료들은 절연재이거나 전해질에 의한 전하, 정공의 이동도 보다 낮은 정도의 작은 전도도를 갖는 특성이 있다.

이러한 유기재료나 기판재료는 기구적 타공방법이나 습식에칭, 건식에칭에 의하여 패터닝 패턴이 형성될 수 있는 재질인 한 특별하게 제한하여 사용할 것은 아니다.

이러한 에칭에 의한 패턴의 정밀한 성형을 위하여 포토리소그래피(photolithography) 공정을 채용할 수 있으며, 상기 기판의 상부에 포토레지스트(PR, photoresist)를 도포하여 경화시킨 후, 미세패턴에 대응되는 패턴을 구비한 포토마스크(photomask)에 자외선과 같은 기능성 광을 조사하면 구비된 패턴으로만 광이 투과되어 패턴에 대응되는 부분만 노광이 되며, 이후에 현상공정으로 패턴 이외에 부분을 제거하여 패턴을 기판상 구현할 수 있게 된다.

상기 패터닝은 후 공정의 복수의 고체전해질층이 구비되도록 미리 자리를 잡는 것을 말하는데, 다양한 형상으로 구비될 수 있으나, 양전극으로 균일한 전류밀도 같은 전기적 특성을 발휘하도록 음각 형상인 전해질내입부들이 규칙적으로 배열될 필요가 있는데, 예를 들어, 등간격으로 배치된 단면이 사각형 형상인 음각들로 이루어질 수 있다.

이러한 패터닝에 의하여 성형된 복수개의 전해질내입부(200)는 동일한 형상으로 각각의 전해질내입부들간 간격이 등간격인 특징이 있는데, 이를 통하여 양전극(60, 60')으로 균일한 전류밀도 같은 전기적 특성을 발휘하도록 고체전해질층(310)을 배열하도록 한다.

다음으로, S2단계는 상기 전해질내입부(100)로 리튬이온전해질(300)을 충전하는 공정이다.

상기 전해질내입부(100)는 패턴의 설계에 따라 다양한 형상으로 이격되어 형성되며, 음각으로 리튬이온전해질(300)을 충전하여 전해질막을 형성하여 2차전지에서 전하, 정공을 이동하도록 작동한다.

상기 리튬이온전해질은 혼합물 분말로서, 리튬이온 전도성 코팅분말, 전자 전도성 코팅 활물질, 고체 전해질을 포함하는데, 여기서 리튬이온 전도성 코팅분말, 전자 전도성 코팅 활물질은 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 고체 전해질로는 산화물계, 황화물계를 사용할 수 있는데 바람직하게는, 전해질 재료로 적어도 하나의 다음 재료들로 구성된 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직한데, LixPOyNz(단, x ≤ ~28이고 2y+3z ≤ 78이고 0.16≤z≤0.4), 리튬, 인 및 실리콘 산소질화물 기반 리튬 화합물(LiSiPON), LiBON, LiBSO, LiSiPON, LiSON, thio-LiSiCON, LiPONB 형태 (단, B, P, S는 각각 붕소, 인, 황을 나타냄)의 리튬 산소질화물, Li₄SiO₄, Li₃PO4, Li₂CO₃, B₂O₃, Li₂O, Al(PO₃)₃LiF, P₂S₃, Li₂S, Li₃N, Li₁₄Zn(GeO₄)₄을 사용할 수 있고, 폴리머와 리튬염이 결합된 상태로 사용하는 경우에는 리튬염이 함침된 적어도 하나의 폴리머를 포함하거나 이로써 구성되며, 상기 폴리머는 폴리에틸렌 산화물, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리실록세인으로 이루어진 그룹 중에서 선택될 수 있고, 이 경우에 사용되는 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₆H₅)₄), Li(SCN), Li(NO₃) 중에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다.

또한, 상기 리튬이온 전도성 코팅분말, 전자 전도성 코팅 활물질, 고체 전해질은 분말화되어 용매에 희석된 상태로 페이스트상이나 액체상으로 주입될 수 있으나, 전해질의 충전밀도를 향상시키기 위항여 분말상으로 충전되는 것이 유리한 면이 있다.

여기서, 상기 리튬이온전해질(300)을 충전시 분말의 밀도가 중요하며, 이를 위하여 상기 분말의 평균입도를 0.1 내지 10㎛로 하여, 이를 주입기(I, injector)를 통하여 노즐에 의한 분사(spraying)로 주입할 수 있고, 다른 방법으로는 분말을 용매, 바인더에 혼합한 페이스트 또는 용액상으로 주입할 수 있음은 물론이다.

상기 페이스트상이나 용액상 용매나 바인더는 유기물이므로 건조나 경화시 가해지는 열에 의하여 증발되거나 산화되어 제거되므로 압전재 분말의 충전에 도움이 될 수 있으며, 상기 용매나 바인더는 분말들을 균일하고 밀도 높게 혼합할 수 있는 한 그 종류를 한정할 것은 아니다.

또한, 충전후 가압, 열처리 소결시 입자들이 낮은 온도에서도 성장하여 결정이 크기도 커지도록 하기 위하여는 결정화제를 더 첨가할 수 있다.

이러한 결정화제로는 피라진(pyrazine), 이미다졸리움(Imidazolium), 벤지미다졸리움(benzimidazolium), 피롤리디늄할라이드(pyrrolidinium halide) 계 이온성 액체(용매는 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 디아세톤 알코올, 페놀, 아세톤, 아세토니트릴, 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브 또는 부틸셀로솔브 등을 사용할 수 있다) 또는 양끝단에 시아나이드(CN)기가 도입된 알킬/알릴 체인, 또는 피리딘작용기가 두개인 화합물을 사용할 수 있다.

다음으로 S3단계는 상기 절연몸체(100)를 가압하며 소결하여 복수개의 고체전해질층(310)을 형성하는 것으로, 상기 리튬이온전해질(300)은 분말의 형태로 충전되므로, 분말간 공극이 존재하게 되며, 이러한 공극은 소결이나 재소결을 거치더라도 줄어들기 어려우며, 결국 압전재의 전기적 물리적 특성에 악영향을 미치게 된다.

따라서, 분말간 공극을 최소화하기 위하여 충전된 압전재를 가압하게 되는데, 가압하는 방법으로는 공극을 감소시킬 수 있는 한 기체 가압이나 가압체(50)에 의한 기계적 가압(P, press)을 적용할 수 있으며, 이러한 가압을 행하는 경우에는 1 내지 20㎫ 범위가 바람직하다.

만일 1㎫ 미만인 경우에는 공극 감소의 효과가 미미하여 전기적 물리적 특성 향상에 영향이 거의 없으며, 반대로 20㎫를 초과하는 경우에는 공급 최소화에는 도움이 되나 가압공정 유지나 보수 비용이 증가하여 제조에 악영향을 미칠 수 있다.

본 공정에서는 가압과 소결을 동시에 진해하는 것은 물론 소결하며 가압을 수행하거나 반대로 가압하며 소결하는 것도 포함한다.

아울러, 상기 소결시 온도는 100 내지 300℃인 것이 바람직한데, 만일 100℃미만이면, 전해질막의 내부 공극의 감소가 어려울 수 있고, 반대로 300℃을 초과하면 전해질막이나 절연몸체의 물성이 저감될 수 있다.

또한, 상기 가압시에 절연몸체(100)에 진동을 가함으로써 리튬이온전해질(300) 분말의 위치를 변경할 수 있어 공극 제거에 도움이 될 수 있고, 이러한 진동은 분말의 크기에 상관성을 가지는 주파수로서 진동시키는 것이 바람직하여, 1 내지 600㎑로써 진동할 수 있는데, 만일 1㎑ 미만이면 입자의 위치 변경에 영향이 미미하며, 반대로 600㎑을 초과하면 에너지 투하에 비하여 입자의 위치 변경 영향이 미미할 수 있다.

아울러, 상기 분말들의 공극을 가압공정을 통하여 최소화한 이후에 입자들간 통전경로(path)를 형성하기 위하여 소결을 진행하는데, 이러한 소결은 입자의 상이 액상으로 변화될 정도의 열에너지를 가하는 것이 아니라, 분말들간 맞닿는 면적이 증가될 정도나, 분말들의 표면만이 용융되는 정도의 온도 열을 가하여 통전경로가 형성될 수 있으면 족하다 할 것이다.

다음으로 S4단계는 상기 절연몸체(100)를 폴리싱하여 상하부로 복수개의 고체전해질층(310)이 노출되는 고체전해질막(400)을 제조하는 공정이다.

상기 절연몸체는 유기재료나 무기재료로 구비되어 복수개의 음각인 전해질내입부(200)를 형성하므로, 바닥이 막힌 형태이므로 전해질 충전이나 취급성이 우수하며, 후공정에서 바닥을 제거하는 폴리싱(polishing)을 수행하게 되며, 바닥이 매끄럽게 제거될 수 있는 한 그 방법은 제한없이 사용할 수 있을 것인데, 예를 들면, 폴리셔(500)를 이용하여 절연몸체(100)의 상부면, 하부면으로 고체전해질층(310)이 노출되도록 연마할 수 있다.

또한, 본 발명은 절연몸체의 바닥이 막힌 형태외에도 관통된 전해질내입부를 구비하여도 본 발명의 구현에는 도움이 되므로, 관통된 형태의 전해질내입부를 사용할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이 제조된 고체전해질막(400)은 그 양면에 전극단자를 형성하게 되는데, 이 전극단자에 외부의 회로나 모듈이 연결되어 전원단자로 역할한다.

이러한 전극단자(60, 60')는 증착기(E, evaporator)를 사용하여 증착성형할 수 있음은 물론 다양한 건식, 습식공정을 통하여 구비될 수 있으며, 건조, 경화후에 단자 역할을 하는데, 통전성이 높고, 저항이 낮은 소재인 한 한정할 것은 아니나, 은, 구리, 알루미늄 등 통전금속재를 사용할 수 있다.

상기 전극단자의 적층은 통전금속재 분말을 바인더와 혼합한 페이스트를 단자 배선전극(미도시)의 설계된 패턴 형태로 스크린프린팅(screen printing method)하여 성형하고 경화하여 형성할 수 있다.

절연몸체 100, 전해질내입부 200,
리튬이온전해질 300, 고체전해질층 310,
고체전해질막 400.

Claims

배터리의 고체전해질 박막의 제조방법에 있어서,
절연몸체를 음각 형상인 전해질내입부를 복수개로 구비하도록 패터닝하는 S1단계;
상기 전해질내입부로 리튬이온전해질을 충전하는 S2단계;
상기 절연몸체의 전해질내입부로 리튬이온전해질 충전시 공극을 감소시킬 수 있도록 1 내지 20㎫로 가압체에 의해 가압과 함께 1 내지 600㎑의 주파수에 의한 진동을 가하면서 소결하여 복수개의 고체전해질층을 형성하는 S3단계; 및
상기 절연몸체를 폴리싱하여 상하부로 고체전해질층이 노출되는 고체전해질막을 제조하는 S4단계;를 포함함되,
상기 S2단계에서의 충전후 가압, 열처리 소결시 입자들이 낮은 온도에서도 성장하여 결정이 크기도 커지도록 하기 위하여는 결정화제를 더 첨가하며,
상기 절연몸체는 폴리셔를 이용하여 상부면, 하부면으로 고체전해질층이 노출되도록 연마하고,
상기 리튬이온전해질은 리튬이온 전도성 코팅분말, 전자 전도성 코팅 활물질 또는 고체 전해질을 포함하며
상기 고체 전해질로는 리튬, 인 및 실리콘 산소질화물 기반 리튬 화합물, LiBON, LiBSO, LiSiPON, LiSON, thio-LiSiCON, LiPONB 형태 (단, B, P, S는 각각 붕소, 인, 황을 나타냄)의 리튬 산소질화물, Li₄SiO₄, Li₃PO4, Li₂CO₃, B₂O₃, Li₂O, Al(PO₃)₃LiF, P₂S₃, Li₂S, Li₃N 또는 Li₁₄Zn(GeO₄)₄을 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬염은 폴리머와 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 폴리머는 폴리에틸렌 산화물, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리실록세인으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₆H₅)₄), Li(SCN), Li(NO₃) 중에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막의 제조방법.
절연몸체를 음각 형상인 전해질내입부를 복수개로 구비하도록 패터닝하는 S1단계;
상기 전해질내입부로 리튬이온전해질을 충전하는 S2단계;
상기 절연몸체의 전해질내입부로 리튬이온전해질 충전시 공극을 감소시킬 수 있도록 1 내지 20㎫로 가압체에 의해 가압과 함께 1 내지 600㎑의 주파수에 의한 진동을 가하면서 소결하여 복수개의 고체전해질층을 형성하는 S3단계; 및
상기 절연몸체를 폴리싱하여 상하부로 고체전해질층이 노출되는 고체전해질막을 제조하는 S4단계;에 의해 배터리의 고체전해질막을 제조하며,
절연몸체의 상부, 하부로 고체전해질층이 노출되며,
절연몸체는 폴리셔를 이용하여 상부면, 하부면으로 고체전해질층이 노출되도록 연마하고,
상기 S2단계에서의 충전후 가압, 열처리 소결시 입자들이 낮은 온도에서도 성장하여 결정이 크기도 커지도록 하기 위하여는 결정화제를 더 첨가하며,
상기 리튬이온전해질은 리튬이온 전도성 코팅분말, 전자 전도성 코팅 활물질 또는 고체 전해질을 포함하고,
상기 고체 전해질로는 리튬, 인 및 실리콘 산소질화물 기반 리튬 화합물, LiBON, LiBSO, LiSiPON, LiSON, thio-LiSiCON, LiPONB 형태 (단, B, P, S는 각각 붕소, 인, 황을 나타냄)의 리튬 산소질화물, Li₄SiO₄, Li₃PO4, Li₂CO₃, B₂O₃, Li₂O, Al(PO₃)₃LiF, P₂S₃, Li₂S, Li₃N 또는 Li₁₄Zn(GeO₄)₄을 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막.
제 5 항에 있어서,
상기 리튬염은 폴리머와 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막.
제 6 항에 있어서,
상기 폴리머는 폴리에틸렌 산화물, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리실록세인으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막.
제 6 항에 있어서,
상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, Li(ClO₄), Li(BF₄), Li(PF₆), Li(AsF₆), Li(CH₃CO₂), Li(CF₃SO₃), Li(CF₃SO₂)₂N, Li(CF₃SO₂)₃, Li(CF₃CO₂), Li(B(C₆H₅)₄), Li(SCN), Li(NO₃) 중에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 배터리의 고체전해질막.