KR102314201B1 - Manufacturing Methods of LPSCl Solid Electrolyte For Li Based Secondary Batteries - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지의 LPSCl 고체 전해질의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 (a) 리튬 폴리설파이드(Li2Sx, 여기서 2≤x≤8)를 포함하는 제1 용액을 제공하는 단계; (b) 상기 제1 용액에 P2S5를 혼합하여 Li3PS4+y (여기서, 0<y≤3)를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 제2 용액과 Li2S와 LiX(X=Cl, Br 또는 I)을 혼합한 제3 용액을 혼합하여 교반하는 단계; 및 (d) 혼합된 용액을 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for manufacturing an LPCl solid electrolyte for a lithium secondary battery. The present invention provides a method comprising the steps of: (a) providing a first solution comprising lithium polysulfide (Li 2 S x , where 2≤x≤8); (b) preparing a second solution containing Li 3 PS 4+y (here, 0<y≤3) by mixing P 2 S 5 with the first solution; (c) mixing and stirring the second solution and a third solution in which Li 2 S and LiX (X=Cl, Br or I) are mixed; and (d) drying and heat-treating the mixed solution.

Description

리튬 이차전지용 LPSCl 고체전해질의 제조방법{Manufacturing Methods of LPSCl Solid Electrolyte For Li Based Secondary Batteries}Manufacturing method of LPSCl solid electrolyte for lithium secondary battery {Manufacturing Methods of LPSCl Solid Electrolyte For Li Based Secondary Batteries}

본 발명은 리튬 이차전지용 고체 전해질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LPSCl 고체 전해질의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte for a lithium secondary battery, and more particularly, to a method for manufacturing an LPSCl solid electrolyte.

전고체 이차전지(All-Solid-State Battery)는 이상의 전지 구성 요소 가운데 액체전해질을 고체전해질로 대체한 것을 말한다. 전고체 이차전지는 액체 전해질에 비해 전지의 폭발이나 화재의 위험성이 없고 제조 공정이 단순화 되며 고에너지 밀도화 가능성에서 차세대 이차전지로 주목받고 있다. All-Solid-State Battery refers to the replacement of liquid electrolyte with solid electrolyte among the above battery components. Compared to liquid electrolytes, all-solid-state secondary batteries are attracting attention as next-generation secondary batteries because they do not have the risk of battery explosion or fire, simplify the manufacturing process, and increase energy density.

전고체 이차전지의 고체 전해질로 황화물계 고체 전해질(sulfide-based electrolyte; SSE)이 주목받고 있다. 그러나, 대표적인 황화물계 SSE인 LPSCl의 제조는 Li2S와 P2S5를 혼합하여 장시간의 고에너지 밀링을 거친 후 소결하여야 얻어질 수 있다. A sulfide-based electrolyte (SSE) is attracting attention as a solid electrolyte for all-solid-state secondary batteries. However, LPSCl, which is a representative sulfide-based SSE, can be obtained by mixing Li 2 S and P 2 S 5 and sintering the mixture after long-term high-energy milling.

이러한 기계적 합성의 문제점을 해결하기 위한 대안으로, 액상 합성법으로 SSE를 제조하고자 하는 노력이 행해지고 있다. 이 방법은 기계적 합성에 비해 단시간에 LPS를 합성할 수 있지만, 불순물로 인해 낮은 이온전도도를 나타낸다는 단점을 갖는다. As an alternative to solving the mechanical synthesis problem, efforts are being made to manufacture SSE by a liquid phase synthesis method. Although this method can synthesize LPS in a shorter time than mechanical synthesis, it has a disadvantage in that it exhibits low ionic conductivity due to impurities.

한편, 종래의 SSE 제조 액상 공정은 황화물이 THF, DMC 또는 DME에 대하여 낮은 용해도를 나타내기 때문에 용해도를 높이기 위하여 NMF와 같은 극성 용매를 사용해 왔다. 그러나, NMF는 높은 독성을 나타내므로 용매로서 바람직하지 않다.On the other hand, in the conventional liquid phase process for preparing SSE, a polar solvent such as NMF has been used to increase solubility because sulfide exhibits low solubility in THF, DMC or DME. However, NMF is not preferred as a solvent because it exhibits high toxicity.

Laidong Zhou et al, ACS Energy Lett. 2019, 4, 265-270 Laidong Zhou et al, ACS Energy Lett. 2019, 4, 265-270

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 저에너지 액상 공정을 적용하면서도 높은 이온전도도를 갖는 황화물계 고체전해질을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art, it is an object of the present invention to provide a method for preparing a sulfide-based solid electrolyte having high ionic conductivity while applying a low-energy liquid phase process.

또한, 본 발명은 저독성의 용매를 사용한 액상 공정으로 황화물계 고체전해질을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a sulfide-based solid electrolyte in a liquid phase process using a low-toxic solvent.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 리튬 폴리설파이드(Li2Sx, 여기서 2≤x≤8)를 포함하는 제1 용액을 제공하는 단계; (b) 상기 제1 용액에 P2S5를 혼합하여 Li3PS4+y (여기서, 0<y≤3)를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 제2 용액과 Li2S와 LiX(X=Cl, Br 또는 I)을 혼합한 제3 용액을 혼합하여 교반하는 단계; 및 (d) 혼합된 용액을 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법을 제공한다. In order to achieve the above technical object, the present invention, (a) providing a first solution comprising lithium polysulfide (Li 2 S x , where 2≤x≤8); (b) preparing a second solution containing Li 3 PS 4+y (here, 0<y≤3) by mixing P 2 S 5 with the first solution; (c) mixing and stirring the second solution and a third solution in which Li 2 S and LiX (X=Cl, Br or I) are mixed; and (d) drying and heat-treating the mixed solution.

본 발명에서 상기 단계 (a)는 Li2S와 잉여의 황(S)의 혼합 용액을 기계적 밀링하여 리튬 폴리설파이드를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, step (a) may include manufacturing lithium polysulfide by mechanically milling a mixed solution of Li 2 S and excess sulfur (S).

본 발명에서 상기 리튬 폴리설파이드는 Li2S3, Li2S4, Li2S6 및 Li2S8으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. In the present invention, the lithium polysulfide preferably includes at least one compound selected from the group consisting of Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 6 and Li 2 S 8 .

또한, 본 발명에서 상기 제1 용액은 THF, DMC 및 DME로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종을 용매로 할 수 있다. In addition, in the present invention, the first solution may use at least one selected from the group consisting of THF, DMC and DME as a solvent.

본 발명에서 상기 LPSX은 Li6PS5+yCl일 수 있다. In the present invention, the LPSX may be Li 6 PS 5+y Cl.

본 발명에서 상기 단계 (d)는 500~600℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.In the present invention, the step (d) is preferably performed at a temperature of 500 ~ 600 ℃.

본 발명에서 상기 LPSX 화합물 분말의 입자 크기는 1 μm 미만, 바람직하게는 20 nm ~ 1 μm 내에 분포되는 것이 좋다. 이 때, 입도는 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰하였으며 ZEISS사의 GEMINI500을 사용하였다. 이때 가속 전압은 2kV로 주사하였으며 대기비개방의 조건으로 분석하였다. 개별 입자의 크기는 SEM 이미지 상에서의 입자의 최대 길이를 말한다.In the present invention, the particle size of the LPSX compound powder is less than 1 μm, preferably distributed within 20 nm to 1 μm. At this time, the particle size was observed with SEM (Scanning Electron Microscope), and ZEISS GEMINI500 was used. At this time, the accelerating voltage was scanned at 2 kV and analyzed under the condition of non-open air. The size of an individual particle refers to the maximum length of the particle on the SEM image.

또한 본 발명에서 상기 LPSX 화합물은 NMR 반치폭(δx)이 4<δx<5인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 NMR은 AVANCE III HD (Bruker) 사의 400MHz Solid stat NMR spectrometer에 의해 측정될 수 있는데, larmor frequency: 162.02MHz, spinning rate, 25kHz, pulse width: 1.5us (75° deg), Repetition time: 30sec 조건으로 분석하였다. In addition, in the present invention, the LPSX compound preferably has an NMR full width at half maximum (δx) of 4<δx<5. At this time, the NMR can be measured by a 400MHz Solid stat NMR spectrometer of AVANCE III HD (Bruker), larmor frequency: 162.02MHz, spinning rate, 25kHz, pulse width: 1.5us (75° deg), Repetition time: Analyzed under 30 sec conditions.

또한 상기 LPSX 화합물은 XPS 분석 상 원소 S 구역에서 브릿징 설퍼(bridging sulfur) 피크를 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, XPS 분석은 VGScientific 사의 ESCALAB250에 의해 측정될 수 있다. XPS 측정시 정성 분석을 위해 survey wide scan 후 해당 성분에 대한 narrow scan을 수행하게 되는데 이때 pass enery은 각각 50.0eV(wide scan), 20eV(narrow scan)이며 step size는 각각 1eV(wide scan), 0.1eV(narrow scan) 이다. It is also preferred that the LPSX compound contains a bridging sulfur peak in the element S region in XPS analysis. At this time, XPS analysis may be measured by ESCALAB250 of VGScientific. When measuring XPS, for qualitative analysis, a narrow scan is performed on the corresponding component after the survey wide scan. At this time, the pass energy is 50.0eV (wide scan) and 20eV (narrow scan), respectively, and the step size is 1eV (wide scan) and 0.1, respectively. eV (narrow scan).

본 발명에 따르면, 액상 공정에 기반하여 간단한 공정 및 저독성 용매로 높은 순도의 황화물계 고체전해질을 제조할 수 있게 한다. According to the present invention, it is possible to prepare a sulfide-based solid electrolyte of high purity using a simple process and a low-toxic solvent based on a liquid phase process.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 황화물계 고체전해질의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2a는 실시예 1에서 제조된 고체전해질 샘플 분말을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 2b는 상용 고체전해질 샘플 분말의 전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 SSE 샘플의 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예에 따라 제조된 SSE 샘플을 상이한 온도에서 열처리한 후 촬영한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 SSE 샘플의 열처리 후 촬영한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 이온전도도 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예의 LPSCl 샘플의 이온전도도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 및 비교예의 NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 실시예 및 비교예의 전압 용량 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 및 비교예의 LPSCl 전해질의 사이클 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 1에서 제조된 고체전해질 샘플의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 비교예의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 다른 비교예의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a sulfide-based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is an electron microscope photograph of the solid electrolyte sample powder prepared in Example 1, and FIG. 2B is an electron microscope photograph of the commercial solid electrolyte sample powder.
3 is a graph showing the Raman analysis results of the SSE samples prepared by Example 1 and Comparative Example 1.
4 is a graph showing XRD patterns taken after heat treatment of SSE samples prepared according to Comparative Examples at different temperatures.
5 is a graph showing an XRD pattern taken after heat treatment of the SSE sample prepared according to Example 1 of the present invention.
6 is a graph showing the ion conductivity analysis results of Examples and Comparative Examples.
7 is a graph showing the ionic conductivity of the LPSCl sample of an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the results of NMR analysis of Examples and Comparative Examples.
9A and 9B are graphs showing voltage capacity curves of Examples and Comparative Examples, respectively.
10 is a graph showing the cycle characteristics measurement results of LPSCl electrolytes of Examples and Comparative Examples.
11 is a graph showing XPS analysis results of the solid electrolyte sample prepared in Example 1. FIG.
12 is a graph showing XPS analysis results of Comparative Examples.
13 is a graph showing the XPS analysis result of another comparative example.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 황화물계 고체전해질의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.1 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a sulfide-based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 리튬 설파이드(Li2S)를 대신하여 리튬 폴리설파이드를 사용하는 것을 특징으로 한다(S120). 본 발명에서 리튬 폴리설파이드는 Li2Sx로 표현될 수 있고, 여기서 x는 2 내지 8의 임의의 실수일 수 있다. The present invention is characterized in that lithium polysulfide is used instead of lithium sulfide (Li 2 S) (S120). In the present invention, lithium polysulfide may be expressed as Li 2 S x , where x may be any real number from 2 to 8.

예컨대 리튬 폴리설파이드는 Li2S2, Li2S3, Li2S4, Li2S6 및 Li2S8로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 화합물을 포함한다. For example, lithium polysulfide includes at least one compound selected from the group consisting of Li 2 S 2 , Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 6 and Li 2 S 8 .

일례로, 본 발명에서 리튬 폴리설파이드는 리튬 설파이드(Li2S)와 황(S)을 적절한 비율로 THF, DMC 또는 DME와 같은 용매에 용해한 후 기계적 밀링함으로써 합성될 수 있다(S110). 이 때, 황은 바람직하게는 고체 상태의 황(S8)이 사용될 수 있다. 예컨대, 리튬 폴리설파이드로서 Li2S3의 생성을 위한 반응식은 다음과 같다. For example, in the present invention, lithium polysulfide may be synthesized by mechanical milling after dissolving lithium sulfide (Li 2 S) and sulfur (S) in a solvent such as THF, DMC or DME in an appropriate ratio (S110). At this time, the sulfur is preferably solid sulfur (S 8 ) may be used. For example, a reaction formula for the production of Li 2 S 3 as lithium polysulfide is as follows.

(화학식 1)(Formula 1)

Li2S + 2S → Li2S3 Li 2 S + 2S → Li 2 S 3

단계 S120에서 기계적 밀링은 그라인딩과 같은 분쇄 수단에 의해 수행될 수 있다. In step S120, mechanical milling may be performed by grinding means such as grinding.

이어서, 리튬 폴리설파이드 용액에 P2S5를 혼합하여 교반한다(S130). 이 때, 교반 단계는 삼각 플라스크 내 마그네틱바를 넣고 핫플레이트 위에서 300~500rpm 으로 스터링하는 방식이 사용될 수 있다. 교반에 의해 P2S5는 용액 내에 완전히 용해되어 투명한 색상을 나타낸다.Then, the lithium polysulfide solution is mixed with P 2 S 5 and stirred (S130). In this case, the stirring step may be performed by putting a magnetic bar in an Erlenmeyer flask and stirring at 300 to 500 rpm on a hot plate. Upon stirring, P 2 S 5 is completely dissolved in the solution and exhibits a transparent color.

교반에 의해 리튬 폴리설파이드와 P2S5가 반응하여 Li3PS4+y (여기서, 0<y≤3) 조성의 용액을 생성한다. 바람직하게는 상기 y는 2 이상의 값을 갖는 것이 바람직하다. 일례로, Li2Sx (예컨대 x=3)으로부터 Li3PS4+y를 생성 반응은 다음의 식으로 표현할 수 있고, 이 때 y=3이다. Lithium polysulfide and P 2 S 5 react with stirring to form a solution having a composition of Li 3 PS 4+y (here, 0<y≤3). Preferably, y has a value of 2 or more. For example, the reaction for generating Li 3 PS 4+y from Li 2 S x (eg, x=3) may be expressed by the following equation, where y=3.

(화학식 2)(Formula 2)

3Li2S3 + P2S5 → 2Li3PS4+y 3Li 2 S 3 + P 2 S 5 → 2Li 3 PS 4+y

다시 도 1을 참조하면, 리튬 폴리설파이드의 제조와 별개로, THF와 같은 적절한 용매에 Li2S와 리튬염을 혼합 교반한다(S140). 혼합 및 교반은 상온에서 24 시간 수행될 수 있다. 본 발명에서 리튬염으로는 LiCl, LiBr 또는 LiI로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종이 사용될 수 있다. Referring back to FIG. 1 , separately from the preparation of lithium polysulfide, Li 2 S and lithium salt are mixed and stirred in an appropriate solvent such as THF (S140). Mixing and stirring may be performed at room temperature for 24 hours. In the present invention, at least one selected from the group consisting of LiCl, LiBr, and LiI may be used as the lithium salt.

이어서, 단계 S130 및 S140에서 제조된 용액을 혼합하고 교반한다(S150). 이 때 교반은 핫플레이트와 마그네틱바를 이용하여 300~500 rpm에서 수행되었다; 혼합 비율은 적절히 선택될 수 있다. 예컨대, Li6PS5+yCl의 제조를 위한 몰비는 다음의 반응식에 따라 계산될 수 있다. Then, the solutions prepared in steps S130 and S140 are mixed and stirred (S150). At this time, stirring was performed at 300-500 rpm using a hot plate and a magnetic bar; The mixing ratio may be appropriately selected. For example, the molar ratio for the preparation of Li 6 PS 5+y Cl may be calculated according to the following reaction equation.

(화학식 3)(Formula 3)

Li3PS4+y + Li2S + LiCl → Li6PS5+yClLi 3 PS 4+y + Li 2 S + LiCl → Li 6 PS 5+y Cl

다음으로, 교반을 거친 용액을 약 70~150℃의 온도에서 10~40시간 건조하고(S140), 500~600 ℃의 온도에서 1~3 시간 열처리하여 Li6PS5+yX (여기서 X=Cl, Br 또는 I) 화합물을 제조할 수 있다(S150). Next, the stirred solution is dried at a temperature of about 70 to 150 ° C for 10 to 40 hours (S140), and heat-treated at a temperature of 500 to 600 ° C for 1 to 3 hours to Li 6 PS 5+y X (where X = Cl, Br or I) a compound can be prepared (S150).

본 발명에서 제조된 Li6PS5+yX (여기서 X=Cl, Br 또는 I) 분말의 입도는 1nm~1 μm 내에 분포하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 본 발명에서 제조된 Li6PS5+yX (여기서 X=Cl, Br 또는 I) 분말은 1 μm 미만인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 본 발명에서 Li6PS5+yX (여기서 X=Cl, Br 또는 I) 분말의 입경(입자 크기)은 20 nm 이상이고, 1 μm 미만인 것이 바람직하다. 본 발명에서 분말의 입경은 20 nm ~ 500 nm 범위에 분포되는 것이 바람직하다. The particle size of the Li 6 PS 5+y X (where X=Cl, Br or I) powder prepared in the present invention is preferably distributed within 1 nm to 1 μm. Preferably, the Li 6 PS 5+y X (where X=Cl, Br or I) powder prepared in the present invention is less than 1 μm. More preferably, in the present invention, the particle size (particle size) of the Li 6 PS 5+y X (where X=Cl, Br or I) powder is 20 nm or more, and preferably less than 1 μm. In the present invention, the particle size of the powder is preferably distributed in the range of 20 nm to 500 nm.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

<실시예 1><Example 1>

리튬 폴리설파이드의 Li2S3 조성에 맞추어 Li2S와 황(S)을 1:2의 몰비로 칭량하여 THF 용매에 분산하고 막자사발에서 30분간 기계적 밀링하였다. 이어서, 용액 조성이 Li3PS4+y (y=3)에 맞도록 칭량하여 P2S5를 혼합한 후 마그네틱 바를 이용하여 핫플레이트에서 교반하였다. According to the composition of Li 2 S 3 of lithium polysulfide, Li2S and sulfur (S) were weighed in a molar ratio of 1:2, dispersed in a THF solvent, and mechanically milled in a mortar for 30 minutes. Then, the solution composition was weighed to fit Li 3 PS 4+y (y=3), mixed with P 2 S 5 , and then stirred on a hot plate using a magnetic bar.

이와 별도로, THF를 용매로 Li2S와 LiCl를 1:1의 비율로 혼합 및 교반하여 용액을 제조하였다. Separately, a solution was prepared by mixing and stirring Li 2 S and LiCl in a ratio of 1:1 using THF as a solvent.

이어서, Li3PS4+y (y=3) 용액과 Li2S+LiCl 혼합 용액을 혼합하여 핫플레이트에서 마그네틱 바를 사용하여 3일간 교반하였다.. 교반이 완료된 용액을 80℃의 온도에서 24시간 및 140℃의 온도에서 12시간 건조한 후, 200~700℃의 온도에서 열처리하였다. 이 때, 분당 5도씩 승온하였고, 목표온도에 도달한 후 3시간 유지하였다.Then, the Li 3 PS 4+y (y=3) solution and the Li2S+LiCl mixed solution were mixed and stirred for 3 days using a magnetic bar on a hot plate. The stirred solution was stirred at a temperature of 80° C. for 24 hours and 140 After drying for 12 hours at a temperature of ℃, heat treatment was performed at a temperature of 200 ~ 700 ℃. At this time, the temperature was raised by 5 degrees per minute, and after reaching the target temperature, the temperature was maintained for 3 hours.

<비교예 1><Comparative Example 1>

비교를 위하여, 리튬 폴리설파이드의 제조 과정을 생략하고, Li3PS4 조성에 맞추어 리튬 설파이드(Li2S)와 P2S5를 혼합한 용액을 제조하여 Li2S+LiCl 용액과 혼합하였다. 리튬 폴리설파이드를 사용하지 않은 점을 제외하고는 동일한 조건에서 시험하였다. 리튬 설파이드와 P2S5 혼합 용액에서 P2S5 침전을 확인할 수 있었고, 결국 THF 용매에 완전히 용해되지 않는다는 점을 확인할 수 있었다.For comparison, the manufacturing process of lithium polysulfide was omitted, and a solution in which lithium sulfide (Li 2 S) and P 2 S 5 were mixed according to the composition of Li 3 PS 4 was prepared and mixed with a Li 2 S+LiCl solution. It was tested under the same conditions except that lithium polysulfide was not used. P 2 S 5 precipitation was confirmed in the lithium sulfide and P 2 S 5 mixed solution, and eventually it was confirmed that it was not completely dissolved in the THF solvent.

제조된 LiPSCl 화합물의 특성을 평가하였다.The properties of the prepared LiPSCl compound were evaluated.

<비교예 2><Comparative Example 2>

Li2S : P2S5 : LiCl을 42.8:41.4:15.8의 비율로 혼합한 후 지르코니아 볼과 함께 볼밀 자(jar)에 넣고 볼밀링 장비에서 600rpm 으로 10시간동안 고에너지 밀링하여 LPSCl을 합성하였다. Li 2 S : P 2 S 5 : LiCl was mixed in a ratio of 42.8:41.4:15.8, put in a ball mill jar together with zirconia balls, and high energy milling was performed at 600 rpm in a ball milling equipment for 10 hours to synthesize LPSCl. .

도 2a는 실시예 1에서 제조된 고체전해질 샘플 분말을 관찰한 전자현미경 사진이고, 도 2b는 상용 고체전해질 샘플 분말의 전자현미경 사진이다. 여기서, 상용 고체전해질은 CIS사의 제품명 Argyrodite를 사용하였다. FIG. 2A is an electron microscope photograph of the solid electrolyte sample powder prepared in Example 1, and FIG. 2B is an electron microscope photograph of a commercial solid electrolyte sample powder. Here, as a commercial solid electrolyte, Argyrodite, a product of CIS, was used.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상용 분말은 4~8 μm의 큰 크기를 가지는 반면, 본 발명에서 제조된 고체전해질 샘플 분말의 입자는 약 20nm~1μm의 상대적으로 아주 작은 크기를 가짐을 알 수 있다. 2a and 2b, it can be seen that the commercial powder has a large size of 4 to 8 μm, whereas the particles of the solid electrolyte sample powder prepared in the present invention have a relatively very small size of about 20 nm to 1 μm. have.

도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 SSE 샘플의 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the Raman analysis results of the SSE samples prepared by Example 1 and Comparative Example 1.

도 3을 참조하면, 잉여의 황(S)을 첨가하지 않은 LPSCl 용액(No added sulfr)의 경우 용액 내 용해된 Li2S 및 P2S5가 없기 때문에 아무런 피크가 형성되지 않음을 알 수 있다. 한편, 잉여의 황(S)을 첨가한 경우, 리튬 폴리설파이드와 P2S5 혼합 상태의 용액(added sulfur LP3S)을 분석하면 Li2S와 P2S5가 모두 용해되어 PS4 3-를 피크를 형성함을 확인할 수 있고, 합성이 완료된 LPSCl 용액(added sulfur LPSCl)에서는 용해되었던 P2S5가 완전히 반응함으로써 해당 피크가 사라짐을 확인할 수 있다. Referring to Figure 3, in the case of the LPSCl solution (No added sulfr) to which the excess sulfur (S) is not added, it can be seen that no peak is formed because there is no Li 2 S and P 2 S 5 dissolved in the solution. . On the other hand, when excess sulfur (S) is added, when a solution of lithium polysulfide and P 2 S 5 mixed (added sulfur LP3S) is analyzed, both Li 2 S and P 2 S 5 are dissolved to form PS 4 3- It can be confirmed that a peak is formed, and it can be confirmed that the peak disappears due to the complete reaction of P 2 S 5 which was dissolved in the LPSCl solution (added sulfur LPSCl) in which the synthesis is completed.

도 4는 비교예 1에 따라 제조된 SSE 샘플을 상이한 온도에서 열처리한 후 촬영한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing an XRD pattern taken after heat treatment of the SSE sample prepared according to Comparative Example 1 at different temperatures.

도 4를 참조하면, 2θ=27°피크는 Li2S를 나타내는 피크이다. 이 피크는 300℃ 이하에서 열처리한 경우 뚜렷하게 나타나며, 이로부터 Li2S가 이온화되어 P2S5와 반응하지 않고 대부분이 그대로 침전되었음을 확인할 수 있다. 한편, 그 밖의 불순물로 2θ=35°, 50°의 LiCl 피크를 확인할 수 있다. 또, 550℃ 열처리 샘플에서의 Li2S 피크의 감소는 고상 반응에 의한 것으로 추정된다. Referring to FIG. 4 , the 2θ=27° peak is a peak representing Li 2 S. This peak appears clearly when heat treatment is carried out at 300° C. or less, and from this, it can be confirmed that Li 2 S is ionized and does not react with P 2 S 5 and most of it is precipitated as it is. On the other hand, LiCl peaks at 2θ = 35° and 50° can be confirmed as other impurities. In addition, it is estimated that the decrease of the Li 2 S peak in the 550°C heat-treated sample is due to the solid-phase reaction.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 SSE 샘플의 열처리 후 촬영한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing an XRD pattern taken after heat treatment of the SSE sample prepared according to Example 1 of the present invention.

도시된 바와 같이, 200 ℃ 이상의 열처리 온도에서 LPSCl이 결정화됨을 알 수 있고, 온도가 증가함에 따라 결정화 정도도 증가함을 알 수 있다. As shown, it can be seen that LPSCl is crystallized at a heat treatment temperature of 200 ° C. or higher, and it can be seen that the degree of crystallization increases as the temperature increases.

한편, 도 5와 달리 300℃ 이상의 온도에서 Li2S 및 LiCl 불순물은 거의 관찰되지 않음을 알 수 있다. 한편, 600℃ 이상의 열처리 온도에서는 다시 불순물 피크가 나타나는데, 이것은 LPSCl의 열분해에 기인하는 것으로 추측된다. On the other hand, it can be seen that, unlike FIG. 5, Li 2 S and LiCl impurities are hardly observed at a temperature of 300° C. or higher. On the other hand, at a heat treatment temperature of 600° C. or higher, an impurity peak appears again, which is presumed to be due to thermal decomposition of LPSCl.

도 6은 실시예의 SSE 샘플(Added sulfur) 및 비교예 1의 SSE 샘플(No sulfur)의 이온전도도 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 이온전도도는 바이오 로직(Bio logic)사의 VMP3 장비로 측정하였다. 측정 조건은 다음과 같다.6 is a graph showing the ionic conductivity analysis results of the SSE sample of Example (Added sulfur) and the SSE sample of Comparative Example 1 (No sulfur). Ion conductivity was measured with a VMP3 device from Biologic. The measurement conditions are as follows.

scan from fi=1.0MHz to fi=10.0MHz, E Range -10V;10V. scan from f i= 1.0MHz to f i =10.0MHz, E Range -10V;10V.

도 6를 참조하면, 실시예 1의 SSE 샘플이 높은 이온 전도도를 나타냄을 알 수 있다. 또한 실시예 1의 SSE 샘플은 500~600℃의 온도에서 가장 높은 이온전도도 값을 나타냄을 알 수 있다. Referring to FIG. 6 , it can be seen that the SSE sample of Example 1 exhibits high ionic conductivity. In addition, it can be seen that the SSE sample of Example 1 exhibits the highest ionic conductivity value at a temperature of 500 to 600°C.

도 7은 550℃에서 열처리한 실시예 1의 LPSCl 샘플의 이온전도도를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the ionic conductivity of the LPSCl sample of Example 1 heat-treated at 550 ℃.

도 8은 실시예 1의 SSE 샘플 및 비교예 2의 SSE 샘플의 NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of NMR analysis of the SSE sample of Example 1 and the SSE sample of Comparative Example 2;

도 8을 참조하면, 실시예 1의 샘플은 NMR 반치폭은 약 4.42 ppm (82.27~86.69ppm)이다. 이에 대하여, 비교예 2의 샘플의 반치폭은 약 5.42 ppm (81.5~87.08ppm)이다. 즉 실시예 1 샘플의 반치폭이 비교에 2의 반치폭 보다 작은 값을 가짐을 알 수 있다. 본 발명에서 바람직한 NMR 반치폭(δx)은 3<δx<5.4인 것이 좋다. 더 바람직하게는 4<δx<5이며, 더 더욱 바람직하게는 4.4<x<5일 수 있다. Referring to FIG. 8 , the sample of Example 1 has an NMR full width at half maximum of about 4.42 ppm (82.27 to 86.69 ppm). In contrast, the half width of the sample of Comparative Example 2 is about 5.42 ppm (81.5 to 87.08 ppm). That is, it can be seen that the half-width of the sample of Example 1 has a value smaller than the half-width of 2 for comparison. In the present invention, the preferred NMR half width (δx) is preferably 3<δx<5.4. More preferably, 4<δx<5, even more preferably 4.4<x<5.

완화시간이 짧거나 고체이거나 점도가 높은 경우 또는 스핀양자수가 1/2 보다 클 때 NMR 반치폭은 증가하고 그 반대일 경우 NMR 반치폭은 감소하므로, 실시예 1의 SSE 샘플의 반치폭 차이는 점도 차에 기인하는 것으로 판단된다When the relaxation time is short, solid, or high in viscosity, or when the spin quantum number is greater than 1/2, the NMR half width increases and vice versa, the NMR half width decreases. it is judged to do

<실험예><Experimental example>

실시예 1에서 제조된 LPSCl을 전해질로 전지 셀을 제작하였다. 셀은 양극(NCM622:SE:SPB)/LPSCl/Li-In 분말의 적층 구조로 구성되며 압착셀로 제작되었다. 제작된 셀의 전기화학적 특성을 평가하였다. 특성은 55℃ 조건에서 각각의 C-rate (0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C) 별로 전지특성을 평가하였으며 Coulombic efficiency (CE)를 평가한 그래프는 0.5C, 55℃의 조건에서 진행되었다.A battery cell was prepared using the LPSCl prepared in Example 1 as an electrolyte. The cell is composed of a stacked structure of positive electrode (NCM622:SE:SPB)/LPSCl/Li-In powder and is manufactured as a compression cell. The electrochemical properties of the fabricated cells were evaluated. For the characteristics, the battery characteristics were evaluated for each C-rate (0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C) under the conditions of 55℃, and the graph evaluating the coulombic efficiency (CE) was conducted at the conditions of 0.5C and 55℃. became

비교를 위하여 비교예 1에서 제조된 LPSCl을 전해질로 전지 셀을 제작하여 전기화학적 특성을 평가하였다.For comparison, a battery cell was manufactured using LPSCl prepared in Comparative Example 1 as an electrolyte, and electrochemical properties were evaluated.

도 9a 및 도 9b는 각각 실시예 1의 LPSCl 전해질 및 비교예 1의 LPSCl 전해질의 전압 용량 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 10은 실시예 1 및 비교예 1의 LPSCl 전해질의 사이클 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.9A and 9B are graphs showing the voltage capacity curves of the LPSCl electrolyte of Example 1 and the LPSCl electrolyte of Comparative Example 1, respectively, and FIG. 10 is a graph showing the cycle characteristics measurement results of the LPSCl electrolyte of Example 1 and Comparative Example 1. am.

실시예의 LPSCl 고체전해질을 사용한 경우 셀 테스트 결과 0.5C 조건에서 방전용량 175mAh/g 으로 좋은 성능을 보였으며 또한 50cycle이 진행되는 동안 99.8%의 쿨롱 효율을 유지하였다. 또한, 2C의 조건에서도 100mAh/g 의 방전용량을 가지는 것을 확인하였다. 반면, 비교예의 LPSCl 고체전해질을 사용한 경우 165mAh/g의 방전용량을 보였으며 2C의 조건에서는 다소 낮은 방전용량인 50mAh/g을 나타냄을 알 수 있다. LPSCl of Examples In the case of using a solid electrolyte, the cell test showed good performance with a discharge capacity of 175 mAh/g at 0.5C and also maintained a coulombic efficiency of 99.8% during 50 cycles. In addition, it was confirmed that it has a discharge capacity of 100 mAh/g even under the condition of 2C. On the other hand, when the LPSCl solid electrolyte of Comparative Example was used, a discharge capacity of 165 mAh/g was exhibited, and it can be seen that a discharge capacity of 50 mAh/g, a rather low discharge capacity, was exhibited under the condition of 2C.

도 11은 실시예 1에서 제조된 고체전해질 샘플의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 원소 S 구역, (b)는 원소 P 구역의 분석 결과를 나타낸다.11 is a graph showing XPS analysis results of the solid electrolyte sample prepared in Example 1, wherein (a) is an element S region, (b) is an element P region analysis results.

도 11을 참조하면, 실시예 1의 LPSCl에는 S 구역에서 Bridging sulfur 피크를 확인할 수 있다. 첨가제에 의해 폴리설파이드가 생성되며 P2S5의 결합을 약하게 만들어 Li2S와의 반응을 더욱 촉진시켰고 이 때문에 Li2S와 P2S5가 용매 THF에 완전히 녹는 것이 가능하였다. 이때 S와 연결된 S-Cl, S-P, Li-S 와 같은 결합들이 생긴다. Binding energy가 163.63값을 가지는 피크에서 이와 같은 반응을 확인할 수 있다. 한편, S 구역에서 Bridging sulfur에 해당하는 피크는 163.63eV, P2S5의 영역에 해당하는 피크는 162.31eV, LPSCl에 해당하는 피크는 160.9EeV이다. Referring to FIG. 11 , in LPSCl of Example 1, a bridging sulfur peak can be confirmed in the S zone. By additives and polysulfide is produced made weaker the binding of the P 2 S 5 sikyeotgo further promote the reaction of Li 2 S Therefore, the Li 2 S and P 2 S 5 was possible to completely soluble in the solvent THF. At this time, bonds such as S-Cl, SP, and Li-S linked to S are formed. Such a reaction can be confirmed at the peak having a binding energy of 163.63. Meanwhile, in the S region, the peak corresponding to bridging sulfur is 163.63 eV, the peak corresponding to the P 2 S 5 region is 162.31 eV, and the peak corresponding to LPSCl is 160.9 EeV.

한편, Element P구역에서 P-Cl, P2S5, P-O 등 P와의 결합에 해당하는 피크는 133.41eV, P2S5에 해당하는 피크는 132.32eV, LPSCl에 해당하는 피크는 131.42eV 이다. Meanwhile, in the element P region, the peak corresponding to P-Cl, P 2 S 5, PO, etc. bonding to P is 133.41 eV, the peak corresponding to P 2 S 5 is 132.32 eV, and the peak corresponding to LPSCl is 131.42 eV.

도 12 및 도 13은 각각 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 고체전해질 샘플의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 12 and 13 are graphs showing XPS analysis results of solid electrolyte samples prepared in Comparative Examples 1 and 2, respectively.

도 12를 참조하면, 비교예 1의 고체전해질의 XPS 분석 element S 구역에서 P2S5의 영역에 해당하는 피크는 162.32eV, LPSCl에 해당하는 피크는 161.1EeV이다. Element P구역에서 P-Cl, P2S5, P-O 등 P와의 결합에 해당하는 피크는 133.57eV, P2S5에 해당하는 피크는 132.20eV, LPSCl에 해당하는 피크는 131.37eV 이다. 비교예 1에서도 P-Cl, P2S5, P-O 등이 형성됨을 알 수 있다. 12, in the XPS analysis element S region of the solid electrolyte of Comparative Example 1, the peak corresponding to the region of P 2 S 5 is 162.32eV, and the peak corresponding to LPSCl is 161.1EeV. In the element P region, the peak corresponding to P-Cl, P 2 S 5, PO, etc. bonding to P is 133.57 eV, the peak corresponding to P 2 S 5 is 132.20 eV, and the peak corresponding to LPSCl is 131.37 eV. In Comparative Example 1, it can be seen that P-Cl, P 2 S 5, PO, and the like are formed.

도 12 및 도 13을 참조하면, 습식 합성법으로 합성된 고체전해질은 용매에 녹아 결합이 약해진 뒤 LPSCl을 형성하기 때문에 기존의 건식LPSCl과는 P의 다양한 결합 등을 보이며 특히 실시예 1에서 제조된 고체전해질의 경우 S와의 다양한 결합을 보이는 등 다소 정렬되지 않은 구조를 보이게 되며 이로 인해 높은 이온전도도를 나타낼 수 있다.12 and 13, since the solid electrolyte synthesized by the wet synthesis method dissolves in a solvent to form LPSCl after weakening the bond, it shows various bonds of P with the conventional dry LPSCl, and in particular, the solid prepared in Example 1 In the case of an electrolyte, it shows a somewhat unordered structure, such as showing various bonds with S, and thus can exhibit high ionic conductivity.

도 13을 참조하면, 비교예 2에서 제조된 고체전해질 LPSCl을 합성할때는 P-Cl, P2S5, P-O 등의 결합이 형성되지 않음을 알 수 있다. 또, XPS 분석 element S 구역에서 P2S5의 영역에 해당하는 피크는 162.12eV, LPSCl에 해당하는 피크는 160.90EeV이며, Element P구역에서 P2S5에 해당하는 피크는 132.15eV, LPSCl에 해당하는 피크는 131.28eV 이다. Referring to FIG. 13 , it can be seen that, when synthesizing the solid electrolyte LPSCl prepared in Comparative Example 2, bonds such as P-Cl, P 2 S 5 and PO are not formed. In addition, in the XPS analysis element S region, the peak corresponding to the region of P 2 S 5 is 162.12eV, the peak corresponding to LPSCl is 160.90EeV, and the peak corresponding to P2S5 in the element P region is 132.15eV, the peak corresponding to LPSCl is 131.28 eV.

Claims (9)

(a) 리튬 폴리설파이드(Li2Sx, 여기서 2<x<4)를 포함하는 제1 용액을 제공하는 단계;
(b) 상기 제1 용액에 P2S5를 혼합하여 Li3PS4+y (여기서, 0<y≤3)를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 제2 용액과 Li2S와 LiX(X=Cl, Br 또는 I)을 혼합한 제3 용액을 혼합하여 교반하는 단계; 및
(d) 혼합된 용액을 건조 및 열처리하여 LPSX 화합물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 제1 용액 내지 제3 용액은 THF, DMC 및 DME로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 동일 용매를 포함하는 용액이고,
상기 단계 (a)는 Li2S와 잉여의 황(S)의 혼합 용액을 기계적 밀링하여 리튬 폴리설파이드를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법.
(a) providing a first solution comprising lithium polysulfide (Li 2 S x , wherein 2<x<4);
(b) preparing a second solution containing Li 3 PS 4+y (here, 0<y≤3) by mixing P 2 S 5 with the first solution;
(c) mixing and stirring the second solution and a third solution in which Li 2 S and LiX (X=Cl, Br or I) are mixed; and
(d) drying and heat-treating the mixed solution to prepare an LPSX compound,
The first to third solutions are solutions containing the same solvent selected from the group consisting of THF, DMC and DME,
The step (a) is a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that it comprises the step of manufacturing lithium polysulfide by mechanical milling a mixed solution of Li 2 S and excess sulfur (S).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 LPSX은 Li6PS5+yCl (0<y≤3)인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법.
According to claim 1,
The LPSX is Li 6 PS 5+y Cl (0<y≤3) Method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that.
제5항에 있어서,
상기 단계 (d)의 열처리는 500~600℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The heat treatment of step (d) is a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that performed at a temperature of 500 ~ 600 ℃.
제1항에 있어서,
상기 LPSX 화합물 분말의 입자 크기는 1 μm 미만인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법.
According to claim 1,
The method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that the particle size of the LPSX compound powder is less than 1 μm.
제1항에 있어서,
상기 LPSX 화합물은 NMR 반치폭(δx)이 4<δx<5인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법.
According to claim 1,
The LPSX compound has an NMR half width (δx) of 4<δx<5.
제1항에 있어서,
상기 LPSX 화합물은 XPS 분석 상 원소 S 구역에서 브릿징 설퍼(bridging sulfur) 피크를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체 전해질의 제조 방법.
According to claim 1,
The method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that the LPSX compound contains a bridging sulfur peak in the element S region on XPS analysis.
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