KR102327215B1 - Glass ceramics for low temperature co-sintering of electrode and electrolyte and solid state battery using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전고체 전지용 전해질로서 전극과 전해질을 일체화 적층 후 저온에서 동시 소성이 가능한 유리전해질을 제안한다. 구체적으로, Li1.2+xFe0.2+xTi1.8-x(PO4)3-y(BO3)y 또는 Li2Sn0.5(BO3)1-x(PO4)x에 중간산화물 Ti 대신 Fe를, 망목산화물 PO4 대신 BO3 를 치환하거나 이온전도체인 Li1.5-xMxA0.5(A=Sn,Ti)(PO4)1..5BO3에 중간 또는 수식산화물과 망목산화물을 첨가한 후, 슈크로스를 조성에 혼합하여 환원분위기로 용융함으로써, 기존보다 200~300℃ 낮은 온도에서 10-4 ~ 10-5 S/cm의 고이온전도도를 갖는 유리전해질로서 리튬 이온전도 특성이 우수한 새로운 유리전해질을 제공한다. 이 유리전해질을 13 ~ 33wt%의 범위로 전해질과 전극에 혼합하여 복합전해질과 복합전극을 제조하고, 복합전해질과 복합전극을 적층하여 일체화시킨 셀을 750~825℃의 저온에서 동시에 소성하여 전고체 전지를 제조할 수 있다. 본 발명에 따르면, 전극과 전해질의 계면반응 없이 전고체 전지를 저온에서 적층 일체화할 수 있고, 새로운 소결조제 겸 유리전해질을 간단하고 저가로 제조할 수 있으며, 전고체 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The present invention proposes a glass electrolyte capable of simultaneous firing at a low temperature after integrally stacking an electrode and an electrolyte as an electrolyte for a lithium secondary all-solid-state battery. Specifically, Li 1.2+x Fe 0.2+x Ti 1.8-x (PO 4 ) 3-y (BO 3 ) y or Li 2 Sn 0.5 (BO 3 ) 1-x (PO 4 ) x Fe instead of Ti intermediate oxide a, mesh oxide PO 4 instead of replacing the BO 3 or ionic conductor is Li 1.5-x M x a 0.5 (a = Sn, Ti) (PO 4) was added to the intermediate or modified oxide with a mesh size oxide 1..5 BO 3 Then, by mixing sucrose with the composition and melting it in a reducing atmosphere, it is a glass electrolyte having high ionic conductivity of 10 -4 to 10 -5 S/cm at a temperature 200 to 300°C lower than before, and has excellent lithium ion conductivity. It provides a new glass electrolyte. A composite electrolyte and a composite electrode are manufactured by mixing this glass electrolyte with an electrolyte and an electrode in the range of 13 to 33 wt%, and a cell in which the composite electrolyte and composite electrode are laminated and integrated is simultaneously fired at a low temperature of 750 to 825° C. battery can be manufactured. According to the present invention, it is possible to laminate and integrate an all-solid-state battery at a low temperature without an interfacial reaction between the electrode and the electrolyte, and a new sintering aid and glass electrolyte can be manufactured simply and inexpensively, and the performance of the all-solid-state battery can be improved. .

Description

전해질-전극 저온 동시소결용 유리전해질 및 이를 이용한 전고체 전지 {Glass ceramics for low temperature co-sintering of electrode and electrolyte and solid state battery using the same}Glass electrolyte for low temperature co-sintering of electrode and electrolyte and solid state battery using the same

본 발명은 전고체 전지용 전해질에 관한 것으로서, 상세하게는 전극과 전해질을 일체화 적층 후 저온에서 동시 소성이 가능한 유리전해질 및 이 유리전해질을 이용한 복합전해질, 복합전극 및 복합 전지셀을 제안한다.The present invention relates to an electrolyte for an all-solid-state battery, and in particular, a glass electrolyte capable of simultaneous firing at a low temperature after integrating and laminating an electrode and an electrolyte, and a composite electrolyte, a composite electrode, and a composite battery cell using the glass electrolyte.

최근 리튬 이차전지는 사용 용도가 다양해지고 수요도 증가하고 있다. 특히 HEV, FHEV, EV 등의 전기자동차 전지로 적용되고 있을 뿐만 아니라 에너지저장시스템의 동력원으로도 사용되기 시작하여 고용량화, 경량화, 고에너지화, 저가격화, 고출력화, 대면적화되어가고 있다. 더욱이 전기자동차와 고용량 동력원에 적용되면서 고안전화와 고성능화가 추구되고 있다. Recently, lithium secondary batteries have various uses and demand is increasing. In particular, it is being applied to electric vehicle batteries such as HEVs, FHEVs, and EVs, as well as starting to be used as a power source for energy storage systems. Moreover, as it is applied to electric vehicles and high-capacity power sources, high-tech phones and higher performance are being pursued.

기존의 리튬 이차전지에 사용되는 액체전해질은 덴드라이트(Dendrite) 형성, 가연성(Flammability), 누설(Leakage) 등의 문제로 발화 위험성이 있기 때문에 안전성과 성능을 향상하고자 리튬 이차전지에서의 액체전해질을 불연성의 무기 고체전해질로 전환하는 연구가 집중되고 있다. 이러한 무기 고체전해질을 전고체 전지에 사용하면 화재의 위험성이 없고 제조 공정을 단순화할 수 있다. 고체전해질로는 산화물계와 황화물계가 있는데, 산화물계는 리튬과의 접촉 및 대기 중에서 안정하다는 큰 장점이 있으나, 이온전도성이 황화물계보다 낮고, 높은 계면저항 등의 문제가 있다. 황화물계의 경우 이온전도성은 높지만, 양극활물질 또는 음극활물질과 계면반응에 의해 저항성분이 생성되고 수분에 취약하며, 유독가스인 황화수소 가스가 발생하는 문제가 있어 장기간 연구에도 문제를 완전하게 해결하지 못하고 있다.The liquid electrolyte used in the existing lithium secondary battery has a risk of ignition due to problems such as dendrite formation, flammability, and leakage. Research on conversion to non-flammable inorganic solid electrolytes is being focused. When such an inorganic solid electrolyte is used in an all-solid-state battery, there is no risk of fire and the manufacturing process can be simplified. There are oxide-based and sulfide-based solid electrolytes, and oxide-based electrolytes have great advantages in that they are stable in contact with lithium and in the atmosphere, but have problems such as lower ionic conductivity and high interfacial resistance than sulfide-based electrolytes. In the case of sulfide systems, ion conductivity is high, but resistance components are generated by interfacial reaction with positive electrode active material or negative electrode active material, and they are vulnerable to moisture, and there are problems that hydrogen sulfide gas, a toxic gas, is generated. .

최근, 페로브스카이트(Perovskite)형 이나 가넷(Garnet)형 산화물계 전해질을 고온에서 소결하면 이온전도도가 10-3 ~ 10-4 S/cm 으로 높아 황화물계의 단점을 보완할 수 있다고 보고되고 있다. 이러한 산화물계 전해질 중에 산화(대기)분위기에서 다량으로 합성 가능한 전해질로 Li7La2Zr2O13(이하, LLZO)가 있다. LLZO 고체전해질은 900℃ 이상에서 장기간 합성하면 입방정(cubic) LLZO가 합성되지만 치밀화 되기 위해서는 1200~1250℃에서 소결하여야 안정한 입방정 구조를 갖고, 이온전도성도 높게 된다. 그러나 고온 소결에서 Li의 휘발이 일어나고, 소결범위가 좁아 소결이 까다롭다. 한편, 전고체 전지에서 양극으로 주로 사용되는 소재로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, Li[Ni0.5~0.8Co0.25~0.1Mn0.25~0.1]O2(이하NCM)등이 최근 널리 사용되고 있다. 이 양극 소재는 850~1000℃에서 합성이 이루어지고 그 이상의 온도에서는 제2상이 생성 되면서 Li이 휘발된다. Recently, it has been reported that sintering a perovskite-type or garnet-type oxide-based electrolyte at a high temperature can compensate for the disadvantages of sulfide- based electrolytes due to their high ionic conductivity of 10 -3 to 10 -4 S/cm. have. Among these oxide-based electrolytes, Li 7 La 2 Zr 2 O 13 (hereinafter, LLZO) is an electrolyte that can be synthesized in a large amount in an oxidizing (atmospheric) atmosphere. When LLZO solid electrolyte is synthesized at 900°C or higher for a long period of time, cubic LLZO is synthesized, but in order to be densified, it must be sintered at 1200 to 1250°C to have a stable cubic structure and high ionic conductivity. However, during high-temperature sintering, Li volatilization occurs, and the sintering range is narrow, making sintering difficult. On the other hand, materials mainly used as anodes in all-solid-state batteries include LiCoO 2, LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , Li[Ni 0.5~0.8 Co 0.25~0.1 Mn 0.25~0.1 ]O 2 (hereinafter referred to as NCM), etc. This has been widely used recently. This cathode material is synthesized at 850~1000℃, and at a temperature higher than that, a second phase is generated and Li is volatilized.

LLZO와 양극을 일체화 적층시켜, 동시 소결하기 위해서는 양극의 합성온도 이하인 850℃ 이하에서 소결해야 전해질과 양극의 반응을 제어할 수 있다. 전해질의 소결온도를 1200~1250℃에서 850℃ 이하로 낮추려면 저온 소결형 소결조제가 필요하고, 양극의 경우에도 소결온도가 합성온도보다 200~300℃ 정도 높기 때문에 850℃ 이하에서 소결하기 위해서는 소결조제가 필요하다.In order to integrally laminate and sinter the LLZO and the positive electrode, the reaction between the electrolyte and the positive electrode must be sintered at 850° C. or lower, which is below the synthesis temperature of the positive electrode. In order to lower the sintering temperature of the electrolyte from 1200 to 1250°C to 850°C or less, a low-temperature sintering aid is required. remedies are needed

특허공개공보 10-2019-0078804호에 따르면 Li7La3Zr2O12(garnet형) 고체전해질에 Li3BO3(이하LBO)계 유리프릿을 0.1~25%(중량)혼합하여 성형 후 900~1200℃(바람직하게는 1000~1150℃)에서 소결하였다. 첨가 LBO함량이 중량으로 12~16% 일 때 이온전도도가 1.18~1.28×10-4 S/cm 이고, 4~8퍼센트일 때는 1.12~1.54×10-5 S/cm이었다. 이때 LBO분말은 킬레이트제(시트르산C6H8O7,90~250℃에서 합성, 아미노카르복실산, 폴리인산, 에틸렌디아민C2H4(NH2)2)등)와 용매 에틸렌글리콜, H2O 및 디메틸에테르로 구성된 혼합물에 리튬 소스와 붕소 소스 물질을 용해한 후, 에스테르화 반응을 행하였다. 이 분말을 600~800℃ 산화분위기에서 하소하여 LBO 유리 프릿을 제조하였다. 이 기술에서는 소결조제로 LBO를 사용하였으나 소결온도가 1000~1150℃로 너무 높은 문제가 있다.According to Patent Publication No. 10-2019-0078804, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (garnet type) solid electrolyte is mixed with Li 3 BO 3 (hereinafter LBO)-based glass frit by 0.1 to 25% (weight), and after molding 900 Sintered at ~1200°C (preferably 1000-1150°C). When the added LBO content was 12 to 16% by weight, the ionic conductivity was 1.18 to 1.28×10 -4 S/cm, and when it was 4 to 8 percent, it was 1.12 to 1.54×10 -5 S/cm. At this time, the LBO powder is a chelating agent (citric acid C 6 H 8 O 7 , synthesized at 90~250℃, aminocarboxylic acid, polyphosphoric acid, ethylenediamine C 2 H 4 (NH 2 ) 2 ), etc.) and solvent ethylene glycol, H After dissolving a lithium source and a boron source material in a mixture composed of 2 O and dimethyl ether, an esterification reaction was performed. This powder was calcined in an oxidizing atmosphere at 600-800° C. to prepare an LBO glass frit. In this technology, LBO is used as a sintering aid, but there is a problem that the sintering temperature is too high as 1000~1150℃.

등록특허10-0883044호에서는 활물질에 결정성의 제1물질(제1인산화합물)을 포함시키고 고체전해질은 리튬이온전도성을 갖는 결정성의 제2물질( 제2인산화합물 : 제2,3인산화합물-Li1+xM xTi 2-x(PO4)3 (M은 Al,Y,Ga,In,La, 0≤x≤0.6) )을 포함하여 활물질층과 고체전해질층으로 이루어지는 적층체를 제조하였다. 활물질층이나 고체전해질층 중 어느 하나에 비정질산화물(연화점이 700~950℃인 것)을 중량퍼센트로 0.1~10% 포함시켜 700~1000℃ 이하에서 적층체를 제조하였다. 또한 양극이나 음극, 전해질중 어느 한 곳에 Li4P2O7 첨가하여 수증기와 분위기 가스 하에서 소결하였다. 이 기술에서 사용한 비정질산화물은 62~72wt.%SiO2-1~15wt.%Al2O3-14~20Na2O-0~3wt%MgO-0~10wt%CaO-0~15wt%BaO 의 조성으로 연화온도가 높아 소결 온도가 높을 뿐만 아니라 이온전도도도 낮은 단점이 있다.In Patent Registration No. 10-0883044, a crystalline first material (primary phosphate compound) is included in the active material, and the solid electrolyte is a crystalline second material having lithium ion conductivity (diphosphoric acid compound: dibasic phosphate compound-Li 1+x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (M is Al, Y, Ga, In, La, 0 ≤ x ≤ 0.6) A laminate comprising an active material layer and a solid electrolyte layer was prepared. A laminate was prepared at 700-1000° C. or less by including 0.1 to 10% by weight of an amorphous oxide (one having a softening point of 700 to 950° C.) in either the active material layer or the solid electrolyte layer. In addition, Li 4 P 2 O 7 in any one of the positive electrode, negative electrode, and electrolyte was added and sintered under water vapor and atmospheric gas. The amorphous oxide used in this technology has the composition of 62~72wt.%SiO 2 -1 ~15wt.%Al 2 O 3 -14~20Na 2 O-0~3wt%MgO-0~10wt%CaO-0~15wt%BaO As the softening temperature is high, the sintering temperature is high as well as the ionic conductivity is low.

Solid State Ionics 118(1999)853 에서는 전고체전지를 제조할 때 전해질과 활물질에 0.44LiBO2-0.56LiF를 소결 조제로서 15wt% 첨가하여, 750℃에서 소결하여 제조하였다. 이 경우 충분히 소결되지 않아 전해질과 활물질간의 계면 접합이 불충분함으로써 내부저항이 매우 커서 충방전 전류 값이 매우 작은 값을 나타내었다. Solid State Ionics 47(1991),257-264 에서는 NASICON 구조로 높은 이온전도도를 갖는 LiTi2(PO4)3 단독으로 1200℃에서 소결한 경우 소결성이 낮아, 이온전도도가 10-6 S/cm 정도 이기 때문에, 소결 조제로 Li3PO4 Li3BO3를 첨가하여 LiTi2(PO4)3를 800~900℃에서 소결하여 이온전도도를 향상할 수 있다고 보고 하였다. 그러나 소결조제의 이온전도도가 10-6 ~ 10-7 S/cm로 낮으며 소결온도 또한 높은 단점이 있다In Solid State Ionics 118(1999)853, 15wt% of 0.44LiBO 2 -0.56LiF was added to the electrolyte and active material as a sintering aid when manufacturing an all-solid-state battery, and sintered at 750° C. In this case, due to insufficient sintering, the interfacial bonding between the electrolyte and the active material was insufficient. In Solid State Ionics 47 (1991), 257-264, when LiTi 2 (PO 4 ) 3 with high ionic conductivity in NASICON structure is sintered at 1200℃ alone, sintering property is low, and the ionic conductivity is about 10 -6 S/cm. Therefore, as a sintering aid, Li 3 PO 4 I It was reported that the ionic conductivity could be improved by adding Li 3 BO 3 and sintering LiTi 2 (PO 4 ) 3 at 800~900℃. However, the ion conductivity of the sintering aid is low as 10 -6 ~ 10 -7 S/cm, and the sintering temperature is also high.

공개특허공보 10-2017-0008539호 에서는 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet)구조의 산화물에 비정질 리튬 이온전도체 50Li2O·35.7B2O3·14.3SiO2 를 1~20중량퍼센트를 첨가하여 700℃에서 3~15시간 소결 시 첨가량에 따라 차이는 있지만 이온전도도가 10-6 ~ 10-8 S/cm 로 낮은 이온전도도를 나타내었다. 전극과 전해질이 반응하는 온도인 900℃에서 소결 시는 이온전도체를 5~20% 첨가하였을 때 전해질의 이온전도도는 10-5 ~ 10-7 S/cm을 나타내었다. 1050℃에서 LLZO에 이온전도체를 1~5% 소량 첨가하여 소결한 경우 10-4 ~ 10-5 S/cm의 이온전도도를 나타내는 전해질을 얻을 수 있었다. 여기에서 이온전도체는 산화물 (Li2O, B2O3, SiO2, CaO, BaO, MgO, TiO2, GeO2, Sb2O3)과 인산화합물 또는 황화물 (Li2S, Li2SO4, Li3PO4, P2O5, P2O3, SiS2, SnS, TaS2, P2S5)등을 3종류 이상이 조합 1000~1250℃에서 3~10시간 동안 열처리한 후 0.5~2μm 입자크기로 분쇄한 것이다. 이 기술은 1050℃ 이상의 고온에서 소결하지 않으면 전고체 전지에서 원하는 성능을 얻을 수 없으며, 이온전도체의 이온전도도가 낮을 뿐만 아니라 제조방법도 복잡하다.In Laid-Open Patent Publication No. 10-2017-0008539, 1 to 20 weight percent of an amorphous lithium ion conductor 50Li 2 O·35.7B 2 O 3 ·14.3SiO 2 is added to an oxide of a garnet structure doped with tantalum (Ta). Therefore, when sintering at 700°C for 3 to 15 hours, the ionic conductivity was 10 -6 to 10 -8 S/cm, although there was a difference depending on the amount added. When sintering at 900°C, which is the temperature at which the electrode and the electrolyte react, when 5-20% of an ion conductor is added, the ionic conductivity of the electrolyte is 10 -5 to 10 -7 S/cm. When a small amount of 1 to 5% of an ion conductor was added to LLZO at 1050° C. and sintered, an electrolyte having an ionic conductivity of 10 -4 to 10 -5 S/cm was obtained. Here, the ion conductor is an oxide (Li 2 O, B 2 O 3 , SiO 2 , CaO, BaO, MgO, TiO 2 , GeO 2 , Sb 2 O 3 ) and a phosphate compound or a sulfide (Li 2 S, Li 2 SO 4 ). , Li 3 PO 4 , P 2 O 5 , P 2 O 3 , SiS 2 , SnS, TaS 2 , P 2 S 5 ), etc. in combination of 3 or more types 0.5 after heat treatment at 1000~1250℃ for 3~10 hours It is pulverized to a particle size of ~2 μm. This technology cannot achieve the desired performance in an all-solid-state battery unless sintering at a high temperature of 1050° C. or higher, and the ionic conductivity of the ion conductor is low, and the manufacturing method is complicated.

공개특허공보 10-2017-0034581호에서는 LixLayZrzO12 ( 6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3 )와 Li0 . 33La0 . 55TiO3 인 전도성 고체산화물에 1~50 wt%의 소결조제를 첨가 혼합한 후 250~750℃에서 1~4시간에서 소결하여 2.2~3.3×10-4 S/cm 의 높은 이온전도도를 갖는 고체전해질을 제조하였다고 보고하였다. 소결 조제는 질산리튬, 탄산리튬, 황산리튬, 아세트산리튬이었다. 제조한 전해질을 양극에 혼합하여 저온에서 동시 소결할 수 있을 것인지는 확인되지 않았다. 공개특허공보 10-2017-0133316호에서는 전해질로 산화물 결정(페로브스카이트형-La-Li-Ti-O또는 가넷형- Li-La-Zr-O) 및 유리 세라믹스(glass-ceramics - 인산화합물 LATP,LAGP) 중 적어도 1종의 리튬이온전도체와 소결온도 600℃ 이하이고 이온전도도가 5×10-7 S/cm 이상인 게르마늄(Ge), 규소(Si), 붕소(B), 인(P)등의 리튬이온전도체 중 1종을 혼합하여 600℃ 이하의 저온에서 전해질을 제조하여 전극과 적층하여 전지를 제조하였다고 보고하였는데 소결조제로 첨가되는 리튬이온전도체의 이온전도도가 낮은 단점이 있다. In Patent Publication No. 10-2017-0034581, Li x La y Zr z O 12 ( 6≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3 ) and Li 0 . 33 La 0 . 55 TiO 3 A solid electrolyte with high ionic conductivity of 2.2-3.3×10 -4 S/cm is prepared by adding and mixing 1-50 wt% of a sintering aid to phosphorus conductive solid oxide and then sintering at 250-750° C. for 1-4 hours. reported that it did. The sintering aids were lithium nitrate, lithium carbonate, lithium sulfate, and lithium acetate. It has not been confirmed whether the prepared electrolyte can be mixed with the positive electrode and simultaneously sintered at a low temperature. In Korean Patent Publication No. 10-2017-0133316, oxide crystals (perovskite type-La-Li-Ti-O or garnet type-Li-La-Zr-O) and glass-ceramics (phosphate compound LATP) as electrolytes , LAGP) of at least one lithium ion conductor and a sintering temperature of less than 600 ℃ species and ion conductivity of 5 × 10 -7 S / cm or more germanium (Ge), silicon (Si), boron (B), phosphorus (P), etc. It has been reported that a battery was manufactured by mixing one of the lithium ion conductors of a lithium ion conductor at a low temperature of 600° C. or less and laminating it with an electrode.

J.Power Sources 196 (2011) 764-767 에서는 LLZO 펠렛(pellet) 표면 위에 LiCoO2를 박막으로 코팅(deposite) 하여 937K 에서 소결하여 전극과 전해질을 일체화할 경우, 열처리 과정 중에 전극 층과 전해질 층 사이에서 도 1과 같이 La2CoO4 불순물상이 형성되는 문제가 있다고 보고하였다. 또한 J.Power Source, 81-82 (1999) 853-858 에서는 SPS(Spark-plasma-sintering) 방법으로 LTP(LiTi2(PO4)3)/LiCoO2 적층 펠렛화한 후 소결하면 소결 과정에서 양자가 반응하여 충방전 반응에 기여하지 않은 제2상이 생성되어 소결계면이 전기화학적으로 불활성화되어 충방전 지속시 전극이 구조적으로 붕괴되는 문제점이 있다고 보고하고 있다. 제2상의 생성은 소결온도에 따라 다른데, 1000℃ 소결의 경우 도 2와 같이 CoO, Co3O4 상이, 800℃ 이상의 온도에서 소결한 경우 CoTiO3, Co2TiO4, LiCoPO4상이 생성된다고 보고하였다. In J.Power Sources 196 (2011) 764-767, when LiCoO 2 is deposited as a thin film on the surface of LLZO pellets and sintered at 937K to integrate the electrode and the electrolyte, between the electrode layer and the electrolyte layer during the heat treatment process As shown in Figure 1 in La 2 CoO 4 It was reported that there was a problem in the formation of an impurity phase. Also, in J. Power Source, 81-82 (1999) 853-858, LTP(LiTi 2 (PO 4 ) 3 )/LiCoO 2 was prepared by SPS (Spark-plasma-sintering) method. When sintering after lamination pelletization, the protons react during the sintering process to generate a second phase that does not contribute to the charge/discharge reaction, and the sintering interface is electrochemically inactivated. have. The generation of the second phase varies depending on the sintering temperature. In the case of sintering at 1000°C, as shown in FIG. 2, CoO, Co 3 O 4 phases, and when sintering at a temperature of 800° C. or higher, CoTiO 3 , Co 2 TiO 4 , LiCoPO 4 phases are generated. did.

이러한 선행기술들은 대부분 전해질만의 소결을 언급하고 있고 소결조제로 사용된 물질은 소결온도만 낮추어 줄뿐 이온전도도가 낮고, 공정이 복잡하여 제조 단가가 높은 한계를 안고 있다. 또한, 전해질과 양극을 동시에 적층 소결하더라도 소결온도가 850℃ 이상으로 높아, 복합체의 소결 공정에 있어서 전극 활물질과 고체전해질이 대기 중의 산소와 반응하거나, 양극 내 산소를 방출하여 전이금속이 촉매 역할을 하고 서로 반응하게 함으로써 전해질 층 계면에 제2의 다른 화합물이 생성되어 저항이 높아지는 문제를 야기한다.Most of these prior arts refer to sintering only the electrolyte, and the material used as a sintering aid only lowers the sintering temperature, but has low ionic conductivity and a high manufacturing cost due to a complicated process. In addition, even if the electrolyte and the positive electrode are laminated and sintered at the same time, the sintering temperature is high as high as 850 ° C. And by allowing them to react with each other, a second different compound is generated at the interface of the electrolyte layer, causing a problem in that the resistance is increased.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 전해질과 양극 복합체를 일체화하여 동시에 850℃ 이하에서 소결할 수 있는 소결조제 겸 고이온전도성을 갖는 유리전해질을 제공하는 것이다. The present invention has been devised under the technical background described above, and an object of the present invention is to provide a glass electrolyte having high ionic conductivity as well as a sintering aid capable of sintering at 850° C. or lower at the same time by integrating an electrolyte and a positive electrode composite.

본 발명의 다른 목적은 유리전해질과 결정전해질의 복합화, 유리전해질과 양극의 복합화를 통해 850℃ 이하에서 동시 소결하여 리튬 이차 전고체 전지셀을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary all-solid-state battery cell by simultaneous sintering at 850° C. or less through a composite of a glass electrolyte and a crystalline electrolyte and a composite of a glass electrolyte and a positive electrode.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.In addition, other objects and technical features of the present invention will be presented in more detail in the following detailed description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Li1 .5- xMxA0 .5(PO4)1. 5BO3, (여기서, M은 금속 원소, A는 Sn 또는 Ti, 0 < x < 1.5), Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y (여기서, 0 < x < 0.3, 0 < y < 3), 또는 Li2Sn0 .5(BO3)1- x(PO4)x (여기서, 0 < x < 1) 에서 선택되는 어느 하나의 유리계 산화물로서 수식산화물 또는 중간산화물로 SnO, TiO2, Al2O5, Fe2O3를, 망목산화물로 P2O5나 B2O3를 치환 첨가한 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 전해질-전극 저온 동시소결용 유리전해질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is Li 1 .5- x M x A 0 .5 (PO 4) 1. 5 BO 3, ( where, M is a metal element, A is Sn or Ti, 0 <x < 1.5), Li 1 .2+ x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8-x (PO 4) 3- y (BO 3) y ( wherein, 0 <x <0.3, 0 <y <3), or Li 2 Sn 0 .5 (BO 3 ) 1- x (PO 4) x ( where, 0 <x <1) as a modifier oxide or an intermediate oxide as one of the glass-based oxide selected from SnO, TiO 2, Al 2 O 5 , Fe 2 O 3 , P 2 O 5 or B 2 O 3 All-solid-state battery, characterized in that the addition of a mesh oxide - provides a glass electrolyte for low-temperature co-sintering of the electrode.

본 발명은 또한, Li1 .5- xMxA0 .5(PO4)1. 5BO3, (여기서, M은 금속 원소, A는 Sn 또는 Ti, 0 < x < 1.5), Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y (여기서, 0 < x < 0.3, 0 < y < 3), 또는 Li2Sn0 .5(BO3)1- x(PO4)x (여기서, 0 < x < 1) 에서 선택되는 어느 하나의 유리계 산화물 원료 물질을 준비하고, 상기 원료 물질의 총 배합량의 5~20wt% 범위로 슈크로스를 혼합하고, Li 원료 물질은 Li 양에 대해 5 ~10wt% 초과하도록 첨가하고, 혼합된 원료들을 대기분위기에서 900 ~ 1350℃범위로 용융하고, 얻어진 용융물을 분쇄하는 단계를 포함하는 전고체 전지용 전해질-전극 저온 동시소결용 유리전해질 제조방법을 제공한다.The invention also, Li 1 .5- x M x A 0 .5 (PO 4) 1. 5 BO 3, ( where, M is a metal element, A is Sn or Ti, 0 <x <1.5) , Li 1 .2+ x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8-x (PO 4) 3- y (BO 3) y ( wherein, 0 <x <0.3, 0 <y <3), or Li 2 Sn 0. Prepare any one glass-based oxide raw material selected from 5 (BO 3 ) 1- x (PO 4 ) x (here, 0 < x < 1), and 5 to 20 wt% of the total blending amount of the raw material All-solid comprising the step of mixing sucrose, adding Li raw material in excess of 5 to 10 wt% with respect to the amount of Li, melting the mixed raw materials in an atmospheric atmosphere in the range of 900 to 1350° C., and pulverizing the obtained melt Provided is a method for manufacturing a glass electrolyte for battery electrolyte-electrode low-temperature co-sintering.

본 발명은 또한, 전술한 유리전해질과 결정전해질 혼합하여 제조되며, 중량 기준으로 17~33퍼센트의 유리전해질과 67~83퍼센트 결정전해질을 배합하여 구성되고, 이온전도도가 10-4 ~ 10-5 S/cm인 것을 특징으로 하는 복합전해질을 제공한다.The present invention is also prepared by mixing the above-mentioned glass electrolyte and crystalline electrolyte, and is composed of 17 to 33% of the glass electrolyte and 67 to 83% of the crystalline electrolyte by weight, and has an ionic conductivity of 10 -4 to 10 -5 It provides a composite electrolyte, characterized in that S / cm.

본 발명은 또한, 전술한 유리전해질을 이용한 복합양극으로서, 양극활물질, 결정전해질과 유리전해질, 전도체를 포함하며, 중량비로 양극활물질:결정전해질:유리전해질:전도체의 비율이 50~52 : 22.0~35.5 : 8~20 : 4.5~9 인 것을 특징으로 하는 복합양극을 제공한다. 유리전해질과 복합되는 결정전해질은 예를 들어 Al doped LLZO 을 이용할 수 있고, 양극활물질로는 NCM611나 NCM811, 전도체로는 ITO, Ag, Cu, Pd, 케첸블랙, C 를 이용할 수 있다. The present invention also provides a composite positive electrode using the above-described glass electrolyte, including a positive electrode active material, a crystalline electrolyte and a glass electrolyte, and a conductor, wherein the ratio of positive electrode active material: crystalline electrolyte: glass electrolyte: conductor is 50-52: 22.0- 35.5: 8-20: provides a composite anode, characterized in that 4.5-9. The crystal electrolyte compounded with the glass electrolyte may be, for example, Al doped LLZO, NCM611 or NCM811 as a cathode active material, and ITO, Ag, Cu, Pd, Ketjen Black, or C as a conductor.

본 발명은 또한, 전술한 유리전해질과 결정전해질 혼합하여 제조한 복합전해질과, 유리전해질을 이용한 복합양극으로서 양극활물질, 결정전해질과 유리전해질, 전도체를 포함하는 복합양극을 펠렛형 또는 쉬트형으로 적층하여 일체화시킨 전지 셀을 제조하고, 상기 전지 셀을 750~825℃에서 2~48시간 대기분위기로 소결하여 얻어진 것을 특징으로 하는 전고체 전지를 제공한다.The present invention also provides a composite electrolyte prepared by mixing the above-described glass electrolyte and a crystalline electrolyte, and a composite positive electrode including a positive electrode active material, a crystalline electrolyte and a glass electrolyte, and a conductor as a composite positive electrode using a glass electrolyte, in a pellet or sheet type. to provide an all-solid-state battery, characterized in that obtained by manufacturing an integrated battery cell, and sintering the battery cell at 750 to 825° C. for 2 to 48 hours in an atmospheric atmosphere.

본 발명에 따르면, 고이온전도도를 가지면서 저온 소결할 수 있는 유리전해질을 제공하며, 리튬 이차 전고체 전지에서 전해질과 전극을 적층 일체화하여 동시에 850℃ 이하로 소성이 가능하다. According to the present invention, a glass electrolyte capable of being sintered at a low temperature while having high ionic conductivity is provided, and in a lithium secondary all-solid-state battery, the electrolyte and the electrode are laminated and integrated and can be fired at 850° C. or less at the same time.

또한, 고전압 및 고용량을 갖는 전극재료를 사용할 수 있어 이를 최적화하면 LIB보다 공간을 감소할 수 있을 뿐만 아니라 높은 에너지밀도를 제공할 수 있다. In addition, since it is possible to use an electrode material having a high voltage and a high capacity, optimizing it can reduce the space compared to the LIB and provide a high energy density.

한편, 금속산화물을 포함한 유리전해질 원료에 슈크로스 환원제를 첨가하여 대기분위기로 용융하면 금속산화물 성분이 금속성분으로 전이되어 공융점이 낮아져 대기 중에서 용융할 때보다 250℃ 이상 낮은 온도에서 유리전해질을 얻을 수 있고, 용융과정에서 결정의 석출이나 실투를 방지하여 소재의 신뢰성을 높이며, 제조 비용도 낮출 수 있다.On the other hand, when a sucrose reducing agent is added to a raw material of a glass electrolyte containing a metal oxide and melted in an atmospheric atmosphere, the metal oxide component is transferred to the metal component and the eutectic point is lowered, so that the glass electrolyte can be obtained at a temperature 250 ° C or more lower than when melting in the air. In addition, it is possible to prevent crystal precipitation or devitrification in the melting process, thereby increasing the reliability of the material and lowering the manufacturing cost.

뿐만 아니라, 유기전해액을 고체전해질로 대체 사용하게 되면 현재의 리튬 이차전지의 이슈인 폭발, 발화 등의 안전상의 문제도 해결할 수 있고, 고온, 충격, 파손등과 같은 극한 조건 내에서 추가 2차 사고의 위험을 현저하게 낮출 수 있다. In addition, if the organic electrolyte is replaced with a solid electrolyte, safety problems such as explosion and ignition, which are issues of current lithium secondary batteries, can be solved, and additional secondary accidents can occur within extreme conditions such as high temperature, shock, and damage. can significantly reduce the risk of

또한, 공정의 단순화와 적층화는 저가화, 고용량화, 고출력화를 달성할 수가 있어 중대형 저장장치로도 적용될 수 있다.In addition, process simplification and lamination can achieve low cost, high capacity, and high output, and thus can be applied to medium and large storage devices.

본 발명에서 제안하는 고체전해질 소재는 리튬 금속과의 반응이 없고 리튬 이온 전도도가 높기 때문에, 리튬금속의 보호층(protective lithium electrode) 또는 덴드라이트 억제층으로도 활용될 수 있다.Since the solid electrolyte material proposed in the present invention does not react with lithium metal and has high lithium ion conductivity, it can be used as a protective lithium electrode or dendrite suppression layer of lithium metal.

도 1a 및 1b는 LiCoO2/LLZO(Li7La3Zr2O12) 계면의 단면 투사전자현미경(TEM) 사진 및 EDS 분석 곡선
도 2a 및 2b는 SPS(Spark-plasma-sintering) 법으로 LTP/LiCoO2를 적층하여 800℃ 이상 소결한 경우 전해질과 양극 사이 계면에 CoO,Co3O4, CoTiO3, Co2TiO4, LiCoPO4 제2상이 생성된 사진
도 3은 결정전해질과 전극의 열팽창곡선 (현재 사용하고 있는 전해질로 LCZO는 1000℃ 이상까지 직선적으로 팽창하나, 양극으로 LCO는 820℃, NCM은 870℃, LTO는 950℃ 이상에서 팽창하거나 급격히 감소함을 나타냄)
도 4는 본 발명에서 사용하기 위해 분쇄한 결정전해질(d)과 유리전해질(c)의 입자 크기 및 분포 (평균 입자크기가 유리전해질이 결정질 보다 적은 것으로 사용해야 함)
도 5a 및 5b는 시료2~11의 고온현미경으로 관찰한 연화곡선
도 6은 Li2O-FeO(TiO2)-B2O3(P2O5)계 유리전해질의 impedance 곡선
도 7은 슈크로스 첨가여부에 따른 용융 상태 외관 (슈크로스 첨가 경우가 무첨가보다 유리화 잘 이루어짐)
도 8은 NASICON형 LiTi2(PO4)3 와 Li1 . 2Fe0 .2~ 0.5Ti0 .8~1.5(PO4)3- y(BO3)y계 유리전해질의 impedance 곡선
도 9는 Li1 . 4Al0 . 1Sn0 .5(PO4)1. 5BO3 조성의 유리전해질에 대한 고온현미경사진
도 10은 유리전해질을 용융한 후 결정성을 확인하기 위한 엑스선회절 분석 패턴
도 11a 및 11b는 유리전해질 용융 후, 소결 후의 엑스선회절패턴 ((a) 1350℃ 용융 후, (b) 825℃ 소성 후)
도 12은 전해질을 825℃에서 2시간 소결한 후 미세구조
도 13은 테이프성형 방법을 이용 제조한 복합전해질, 복합양극 쉬트를 적층 일체화한 후 800℃에서 24시간 소결 전후 -복합양극면, 복합전해질면-전지셀 형상(복합양극쉬트 6~10장, 전해질1~2장 적층 두께 약150~ 180㎛, 전해질 두께 10~20㎛)
1a and 1b are cross-sectional projection electron microscopy (TEM) images and EDS analysis curves of the LiCoO 2 /LLZO (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) interface.
2a and 2b show the interface between the electrolyte and the anode when LTP/LiCoO 2 is laminated and sintered at 800° C. or higher by SPS (Spark-plasma-sintering) method , CoO,Co 3 O 4 , CoTiO 3 , Co 2 TiO 4 , LiCoPO 4 Photo from which phase 2 was created
3 shows the thermal expansion curve of the crystal electrolyte and the electrode (LCZO linearly expands up to 1000 ° C or higher with the electrolyte currently used, but LCO expands at 820 ° C, NCM 870 ° C, and LTO rapidly decreases at 950 ° C or higher as an anode indicates that)
Figure 4 shows the particle size and distribution of the pulverized crystalline electrolyte (d) and the glass electrolyte (c) for use in the present invention (the average particle size of the glass electrolyte should be smaller than that of the crystalline)
5a and 5b are the softening curves observed with a high-temperature microscope of Samples 2-11.
Figure 6 is Li 2 O—FeO (TiO 2 )-B 2 O 3 (P 2 O 5 ) Impedance curve of the glass electrolyte
7 is a molten state appearance depending on whether sucrose is added (the case of adding sucrose is better vitrified than without addition)
Figure 8 is NASICON-type LiTi 2 (PO 4 ) 3 and Li 1 . 2 Fe 0 .2 ~ 0.5 Ti 0 .8 ~ 1.5 (PO 4) 3- y (BO 3) y system impedance curve of the glass electrolyte
9 is Li 1 . 4 Al 0 . 1 Sn 0 .5 (PO 4) 1. hot micrograph of the electrolyte of the glass 5 BO 3 Composition
10 is an X-ray diffraction analysis pattern for confirming crystallinity after melting the glass electrolyte;
11A and 11B are X-ray diffraction patterns after melting glass electrolyte and sintering ((a) after melting at 1350°C, (b) after firing at 825°C)
12 is a microstructure after sintering the electrolyte at 825° C. for 2 hours.
13 shows the composite electrolyte and composite anode sheets manufactured using the tape forming method, before and after sintering at 800° C. for 24 hours after stacking and integrating -composite anode side, composite electrolyte side-battery cell shape (composite anode sheet 6 to 10 sheets, electrolyte 1~2 sheets stacking thickness of about 150~180㎛, electrolyte thickness of 10~20㎛)

본 발명은 고이온전도도를 가지면서 저온 소결할 수 있는 유리전해질을 제안하며, 이를 이용한 저온 동시 소결 전고체 전지를 제안한다.The present invention proposes a glass electrolyte capable of sintering at a low temperature while having high ionic conductivity, and a low-temperature co-sintering all-solid-state battery using the same.

산화물계인 고체전해질의 경우 리튬과의 접촉 및 대기 중에서 안정하며 이온전도도가 10-4 S/cm으로 우수한 장점이 있으나 높은 계면 저항 등의 문제가 있고, 유리산화물계 고체전해질은 전도도가 10-4 ~ 10-5 S/cm 수준인데 비하여 두께가 0.2~0.5mm 수준으로 두껍기 때문에 Ohmic 저항이 커서 충방전 시 평탄영역이 감소하고 전극 용량까지 감소하여 매우 낮은 에너지밀도를 나타내게 된다. Oxide sealed case of the solid electrolyte and stable in contact with the atmosphere with lithium and having excellent advantages, but the ionic conductivity in 10 -4 S / cm, and a problem of high interface resistance, a glass oxide-based solid electrolyte has a conductivity of 10 -4 to Compared to 10 -5 S/cm, the thickness is 0.2~0.5mm, so the ohmic resistance is large, so the flat area is reduced during charging and discharging, and the electrode capacity is also reduced, resulting in very low energy density.

한편, 산화물계 고체전해질을 전고체전지에 적용하기 위해서는 연성이 없고 부서지기 쉬운 특성 때문에 냉간 압착해서 적용하기는 불가능하다. 특히 두께를 제어하기 위해서는 고온에서의 소결 과정이 필수적이다. 상용화된 산하물계 전해질로는 페로브스카이트(perovskite)형의 Li0 . 33La0 . 56TiO3 , 나시콘(NASICON)형의 LiTi2(PO4)3 및 가넷(garnet)형의 Li7La3Zr2O12가 있는데, 높은 이온전도도를 나타내게 되는 소결온도는 1200℃ 이상이다. 그러나 고온 소결 시 전극과 전해질 사이에서 불순물상이 형성되는 등의 부반응이 일어나기 쉽다. 또한, 대부분의 양극 소재는 850~1000℃에서 합성이 이루어지고 그 이상의 온도에서는 제2상이 생성되면서 Li이 휘발된다. On the other hand, in order to apply an oxide-based solid electrolyte to an all-solid-state battery, it is impossible to apply it by cold pressing because of its inflexible and brittle characteristics. In particular, in order to control the thickness, a sintering process at a high temperature is essential. Commercially available acid-based electrolytes include perovskite-type Li 0 . 33 La 0 . 56 TiO 3 , NASICON-type LiTi 2 (PO 4 ) 3 and garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , and the sintering temperature to exhibit high ionic conductivity is 1200° C. or higher. However, during high-temperature sintering, side reactions such as formation of an impurity phase between the electrode and the electrolyte are likely to occur. In addition, most cathode materials are synthesized at 850 ~ 1000 °C, and at a temperature higher than that, a second phase is generated and Li is volatilized.

전해질과 양극 복합체를 동시에 적층 소결할 경우 소결온도가 850℃ 이상으로 높으면 Li의 휘발이 심하고, 또한 복합체의 소결 공정에 있어서 전극 활물질과 고체전해질이 대기 중의 산소와 반응하거나, 양극 내에 있는 산소를 방출하여 전이금속이 촉매 역할을 하여 서로 반응하게 함으로써 전해질 층 계면에 제2의 다른 화합물이 생성되어 저항이 높아지는 문제가 있다. 따라서 850℃ 이하에서 전해질과 전극을 동시 적층하여 소결할 수 있는 소결조제가 필요하다.When the electrolyte and the positive electrode composite are laminated and sintered at the same time, when the sintering temperature is higher than 850°C, Li volatilization is severe, and in the sintering process of the composite, the electrode active material and the solid electrolyte react with oxygen in the atmosphere, or oxygen in the positive electrode is released As a result, the transition metal acts as a catalyst to react with each other, thereby generating a second other compound at the electrolyte layer interface, thereby increasing the resistance. Therefore, there is a need for a sintering aid capable of sintering by laminating an electrolyte and an electrode at 850° C. or less at the same time.

소결조제로서 현재까지 제안된 것으로는 Li3BO3 , Li4P2O7 등 제2,3인산화합물, 0.44LiBO2-0.56LiF, Li3PO4, 62~72wt%SiO2-1~15wt%Al2O3-14~20wt%Na2O-0~3wt%MgO-0~10wt%CaO-0~15wt%BaO, 산화물(Li2O, B2O3, SiO2, CaO, BaO, MgO, TiO2, GeO2, Sb2O3)과 인산화합물 또는 황화물(Li2S, Li2SO4, Li3PO4, P2O5, P2O3 , SiS2 , SnS, TaS2, P2S5) 등을 3종류 이상이 조합, 질산리튬, 황산리튬, 아세트산리튬등의 용액, 게르마늄(Ge), 규소(Si), 붕소(B), 인(P)등의 리튬 이온 전도체 중 1종을 혼합하는 것 등이 있다. 일반적으로 Li3BO3 , Li4P2O7 및 Li3PO4 가 사용되는데 이온전도도가 낮은 단점이 있다. As a sintering aid, what has been proposed so far is Li 3 BO 3 , Li 4 P 2 O 7 and other di, triphosphate compounds, 0.44LiBO 2 -0.56LiF, Li 3 PO 4 , 62~72wt%SiO 2 -1~15wt %Al 2 O 3 -14~20wt%Na 2 O-0~3wt%MgO-0~10wt%CaO-0~15wt%BaO, oxide (Li 2 O, B 2 O 3 , SiO 2 , CaO, BaO, MgO, TiO 2 , GeO 2 , Sb 2 O 3 ) and phosphate compounds or sulfides (Li 2 S, Li 2 SO 4 , Li 3 PO 4 , P 2 O 5 , P 2 O 3 , SiS 2 , SnS, TaS 2 ) , P 2 S 5 ) in combination of three or more, lithium nitrate, lithium sulfate, lithium acetate, etc., lithium ion conductors such as germanium (Ge), silicon (Si), boron (B), phosphorus (P), etc. There is a mixture of one of them. Usually Li 3 BO 3 , Li 4 P 2 O 7 and Li 3 PO 4 It has the disadvantage of low ionic conductivity.

한편, NASICON 구조를 갖는 LiTi2(PO4)3 높은 이온전도도를 갖고 있으나 1200℃에서도 소결성이 매우 낮아 결정성 전해질과의 소결에 소결조제로서 사용할 수 없다. 또한, LiTi2(PO4)3를 용융법으로 제조하기 위해서는 강한 환원성 화합물을 혼합하여 용융하거나, 중성 또는 환원분위기로 1350℃ 이상의 고온에서 용융해야 하며, 제조 시 도가니(백금, 알루미나, 지르코니아 등) 또는 내화물을 심하게 부식시키는 공정상의 문제가 있다.On the other hand, LiTi 2 (PO 4 ) 3 having a NASICON structure Is Although it has high ionic conductivity, it cannot be used as a sintering aid for sintering with a crystalline electrolyte because its sinterability is very low even at 1200°C. In addition, in order to prepare LiTi 2 (PO 4 ) 3 by a melting method, It must be melted by mixing a strong reducing compound or melted at a high temperature of 1350°C or higher in a neutral or reducing atmosphere, and there is a problem in the process of severely corroding crucibles (platinum, alumina, zirconia, etc.) or refractories during manufacturing.

본 발명자들은 전해질과 양극 복합체를 일체화 적층하여 동시에 850℃ 이하에서 소결할 수 있도록 소결조제 겸, 고 이온전도성을 갖는 유리전해질을 개발하고자 하였으며, 이 유리전해질을 전해질과 양극에 일정량을 첨가 혼합하여 850℃ 이하에서 적층시킨 후 동시 소결하여 전고체 전지를 완성하게 되었다.The present inventors tried to develop a glass electrolyte with high ionic conductivity as a sintering aid so that the electrolyte and positive electrode composite can be integrated and laminated and sintered at 850° C. or lower at the same time. After lamination at ℃ or lower, simultaneous sintering was performed to complete an all-solid-state battery.

전해질과 전극이 어느 온도에서 반응하는지를 파악하여 반응하는 온도 이하로 소결 온도를 내려야 하므로, 이 반응을 확인하고자 전해질과 전극에 대해 열팽창을 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 전해질인 LALZO는 1000℃ 이상에서도 연화점 없이 직선적으로 팽창하고 있다. 양극재인 LCO는 약 820℃ 부근에서 전해질과 팽창 차이를 나타내면서 급격히 팽창을 하고 있는 것으로 보아 LCO의 분해가 시작되는 것으로 보이며, Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(이하NCM811)NCM811과 NCM622은 850℃ 부근에서 급격히 팽창이 감소하는 것으로 보아 연화가 일어나는 것으로 판단된다. Since the sintering temperature needs to be lowered below the reaction temperature by determining at which temperature the electrolyte and the electrode react, thermal expansion was measured for the electrolyte and the electrode to confirm this reaction, and the results are shown in FIG. 3 . The electrolyte, LALZO, expands linearly even at 1000°C or higher without a softening point. LCO, which is a cathode material, is rapidly expanding with a difference in expansion from electrolyte around 820℃, so it seems that the decomposition of LCO begins, Li[Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 ]O 2 (hereinafter referred to as NCM 811 )NCM 811 NCM 622 is judged to be softened by seeing that the expansion rapidly decreases around 850°C.

이러한 결과를 기초로, 전해질과 전극을 고려하여 850℃ 이하의 온도에서, 계면반응이 없이 저온 동시 소결이 이루어질 수 있도록 소결 조제이면서 이온전도도가 높아 그 자체가 전해질 역할을 할 수 있는 유리전해질 소재를 개발하였다.Based on these results, considering the electrolyte and electrode, a glass electrolyte material that can act as an electrolyte by itself as a sintering aid and high ionic conductivity was developed so that simultaneous sintering at a low temperature without interfacial reaction at a temperature of 850 ° C or less can be achieved. developed.

구체적으로, 본 발명에서는 일반적으로 알려진 소결조제인 Li3BO3 결정계 산화물 대신, 유리산화물계 이온전도체로 3mole의 Li2O 대신 수식 또는 중간산화물인 SnO, Al2O3, TiO2를 0.1~0.6mole, 망목산화물인 P2O5를 1.5mole 치환 첨가한 Li1 .5- xMxA0 .5(PO4)1. 5BO3 (M은 금속원소, A=Sn, Ti) 조성의 유리전해질을 제공한다.Specifically, in the present invention, Li 3 BO 3 which is a commonly known sintering aid etc Instead of crystalline oxide, as a free oxide-based ion conductor, 0.1 to 0.6 moles of SnO, Al 2 O 3 , TiO 2 as modified or intermediate oxides instead of 3 moles of Li 2 O, and 1.5 moles of P 2 O 5 as a mesh oxide, Li added 1 .5- x M x A 0 .5 (PO 4) 1. 5 BO 3 (M is a metallic element, A=Sn, Ti) A glass electrolyte having a composition is provided.

또한, 결정계산화물인 나시콘형 LiTi2(PO4)3, 페로브스카이트형 Li-La-Ti-O 등을 대신하여, 유리계 산화물로 Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y 또는 Li2Sn0 .5(BO3)1- x(PO4)x 조성으로서 TiO2 중간산화물을 Fe2O3로 치환하고, P2O5 망목산화물을 B2O3로 치환한 유리전해질을 제공한다. In addition, crystal-based oxide Nasicon-type LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Perovskite Li-La-Ti-O In place and the like, Li 1 .2+ a glass-based oxide x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8 -x (PO 4) 3- y (BO 3) y , or Li 2 Sn 0 .5 (BO 3 ) 1- x (PO 4 ) x Substituting the TiO 2 intermediate oxide with Fe 2 O 3 as a composition, P 2 O 5 To provide a glass electrolyte in which mesh oxide is substituted with B 2 O 3 .

유리전해질에 사용된 출발 물질은 1~2mole Li2O, 0.2~0.5mole Fe2O3, 1.5~1.8 mole TiO2 1~3mole P2O5, 1~3mole B2O3 이고, 유리전해질로 용융 시 Li의 휘발을 감안하여 Li2O 소스의 양은 5~10wt% 초과 포함할 수 있다. 또한, 유리질로의 용융성 향상을 위해 환원제로서 슈크로스(sucrose)를 유리전해질 출발물질의 배합량 전체에 대해 5~20wt% 첨가하여 함께 용융할 수 있다.The starting materials used for the glass electrolyte are 1-2 moles Li 2 O, 0.2-0.5 moles Fe 2 O 3 , 1.5-1.8 moles TiO 2 1-3 moles P 2 O 5 , 1-3 moles B 2 O 3 And, in consideration of the volatilization of Li when melting into a glass electrolyte, the amount of the Li 2 O source may include more than 5 to 10 wt%. In addition, 5 to 20 wt% of sucrose as a reducing agent may be added to the total amount of the glass electrolyte starting material to be melted together to improve the melting property of the glassy furnace.

위 조성으로 혼합한 혼합물은 1350℃에서 30분 대기분위기로 용융하여 유리전해질을 제조할 수 있다. 이 유리전해질을 결정전해질과 혼합하여 825℃ 이하로 소결할 수 있는 소결조제 겸 전고체 이차전지의 전해질로 사용할 수 있으며, 현재 보고된 결정질 전해질이나 유리질 전해질과 동등한 10-4 ~ 10-5 S/cm의 이온전도도를 갖는 것을 확인하였다. 특히, 기존보다 200~300℃ 낮은 저온에서, 대기분위기로 용융 가능하여 제조 비용을 낮출 수 있고, 또한 결정전해질보다 소결조제 역할을 할 수 있는 유리전해질의 입자 크기를 작게 분쇄함으로써 소결 시 젖음 특성이 우수하도록 하였다.The mixture mixed with the above composition may be melted at 1350° C. for 30 minutes in an atmospheric atmosphere to prepare a glass electrolyte. This glass electrolyte can be mixed with a crystalline electrolyte and used as a sintering aid and an electrolyte for an all-solid secondary battery that can be sintered below 825 ° C. 10 -4 ~ 10 -5 S/ It was confirmed to have an ionic conductivity of cm. In particular, it is possible to melt in the atmospheric atmosphere at a low temperature 200 to 300 ° C lower than before, thereby lowering the manufacturing cost, and by pulverizing the particle size of the glass electrolyte that can serve as a sintering aid than the crystal electrolyte, the wettability characteristics during sintering are improved. made to be excellent.

본 발명에 있어서, 유리전해질 제조 시 유리전해질 원료를 천칭 하는 단계, 혼합하는 단계, 용융하는 단계, 결정전해질 보다 입자크기를 작게 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 유리전해질을 이용하여 전고체 전지를 제조하는 방법으로서, 유리전해질과 결정전해질을 혼합하여 복합전해질을 제조하는 단계, 복합전해질과 전극을 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계, 복합전해질과 복합양극을 적층하여 일체화하고 825℃ 이하 저온에서 동시소결 하는 단계를 포함할 수 있다. 복합전해질, 복합양극, 적층 일체화된 전고체 전지는 펠렛(pellet)이나 쉬트(sheet) 등 다양한 형태로 성형될 수 있다. In the present invention, when manufacturing the glass electrolyte, it may include the steps of balancing, mixing, melting, and pulverizing the glass electrolyte raw material to a particle size smaller than that of the crystalline electrolyte. In addition, as a method of manufacturing an all-solid-state battery using a glass electrolyte, the steps of preparing a composite electrolyte by mixing a glass electrolyte and a crystalline electrolyte, preparing a composite anode by mixing the composite electrolyte and an electrode, a composite electrolyte and a composite anode It may include the step of stacking and integrating and co-sintering at a low temperature of 825° C. or less. The composite electrolyte, the composite anode, and the laminated integrated all-solid-state battery may be molded into various shapes, such as pellets or sheets.

이하에서는 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 기술적 특징 및 효과에 대해 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical features and effects of the present invention will be described in more detail through specific examples.

유리전해질free electrolyte 제조 I ( Manufacturing I ( 제조예manufacturing example 1) One)

소결 조제용 유리분말 화학조성으로 Li1 .5- xMxA0 .5(PO4)1. 5BO3 (M=Al, A=Sn, Ti)에 대하여 1.5mole Li2O 수식산화물에 0.5mole SnO 또는 TiO2 중간산화물, 0.7mole P2O5 와 0.5mole B2O3 망목산화물을 사용하여 표 1의 시료 조성과 같이 구성하고 소결조제용 유리전해질을 제조하였다.Sintering aid of a glass powder the chemical composition of Li x M x A 1 .5- 0 for .5 (PO 4) 1. to 1.5mole Li 2 O with respect to the modified oxide 5 BO 3 (M = Al, A = Sn, Ti) 0.5 mole SnO or TiO 2 intermediate oxide, 0.7 mole P 2 O 5 and 0.5 mole B 2 O 3 mesh oxide were used as the sample composition in Table 1 to prepare a glass electrolyte for a sintering aid.

시료 1-1 ~ 1-3와 같은 화학조성으로 제조하기 위한 원료 물질로서, Li2O는 LiOH·H2O, SnO는 SnO, TiO2는 TiO2, P2O5는 H3PO4, B2O3는 H3BO3를 사용하였다. 위 원료를 천칭한 후 혼합하고, 이 유리 혼합물을 날젠병(Nalgene. bottle) 안에 Φ5와 10mm인 알루미나 볼과 무수알콜과 함께 넣어 볼밀(ball mill)에서 6시간 혼합하였다. 이때, 시료 1-1 ~ 1-3에 슈크로스(sucrose, C12H22O11)를 유리 혼합물 전체 중량에 대해 5wt% 첨가하여 혼합하였다. 또한, Li2O는 고온에서 휘발성이 높기 때문에, Li2O 조성 소스보다 5wt% 더 추가로 첨가하였다. As a raw material for preparing the same chemical composition as Samples 1-1 to 1-3, Li 2 O is LiOH·H 2 O, SnO is SnO, TiO 2 is TiO 2 , P 2 O 5 is H 3 PO 4 , B 2 O 3 H 3 BO 3 was used. The above raw materials were weighed and mixed, and the glass mixture was put in a Nalgene . bottle with Φ5 and 10mm alumina balls and anhydrous alcohol, and mixed in a ball mill for 6 hours. At this time, 5wt% of sucrose (C 12 H 22 O 11 ) was added to samples 1-1 to 1-3 based on the total weight of the glass mixture and mixed. In addition, since Li 2 O is highly volatile at a high temperature, 5 wt% more than the Li 2 O composition source was additionally added.

유리 혼합물에 슈크로스를 첨가하여 혼합한 것은 기존 용융온도보다 낮은 온도로 용융하기 위한 것이며, 슈크로스를 첨가함에 따라 용융분위기를 환원분위기로 만들어 줌으로써 유리에 포함된 금속산화물이 금속으로 전환되면서 공융점(eutectic temperature)이 낮아지게 되며, 대기분위기보다 200~300℃ 낮은 온도에 용융이 가능하다. 슈크로스 첨가는 분위기를 제어해 주는 다른 설비가 필요하지 않아 제조공정이 간단해지는 장점이 있다. The addition and mixing of sucrose to the glass mixture is for melting at a temperature lower than the existing melting temperature, and by adding sucrose, the melting atmosphere is changed to a reducing atmosphere. (eutectic temperature) is lowered, and melting is possible at a temperature 200~300℃ lower than atmospheric atmosphere. The addition of sucrose has the advantage of simplifying the manufacturing process because other equipment for controlling the atmosphere is not required.

Figure 112020018941212-pat00001
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위 유리전해질의 화학조성으로 혼합한 혼합물 시료 1-1 ~ 1-3를 알루미나 도가니 안에 넣고 발열체가 탄화실리콘(SiC)인 전기로에서 900~1000℃에서 30분간 유지하여 유리 용융물을 제조하였다. Mixture samples 1-1 to 1-3 mixed with the chemical composition of the above glass electrolyte were placed in an alumina crucible and maintained at 900 to 1000° C. for 30 minutes in an electric furnace having a silicon carbide (SiC) heating element to prepare a glass melt.

유리 용융물은 먼저 조크러셔(Jaw crusher)를 이용하여 큰 입자를 조분쇄한 다음, 젯밀(Jet mill)에서 3㎛ 수준까지 건식으로 미분쇄하고, 그 다음 나노젯밀에서 초미분쇄하여 도 4와 같이 평균 입자크기(D50)를 0.245㎛ 이하가 되도록 하였다. 이때, 나노젯밀 분쇄는 무수에탄올 용매와 Φ0.5~0.8mm 지르코니아 볼을 함께 넣은 후 600rpm으로 10시간 분쇄하여 소결조제용 유리전해질을 완성하였다. The glass melt is first coarsely pulverized into large particles using a jaw crusher, then finely pulverized in a dry manner to a level of 3 μm in a jet mill, and then ultrafine pulverized in a nanojet mill to average as shown in FIG. The particle size (D 50 ) was set to 0.245 μm or less. At this time, nanojet mill grinding was performed by adding anhydrous ethanol solvent and Φ0.5-0.8mm zirconia balls together and grinding at 600rpm for 10 hours to complete a glass electrolyte for sintering aid.

유리전해질free electrolyte 제조 II ( Manufacturing II ( 제조예manufacturing example 2) 2)

유리전해질 화학조성으로 Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y 또는 Li2Sn0 .5(BO3)1- x(PO4)x 에 대해 TiO2 중간산화물을 Fe2O3로 치환하였고, P2O5 망목산화물은 B2O3 치환하여 표 2의 시료 3 ~ 14의 조성과 같이 소결조제용 유리전해질을 제조하였다. 이때, 저온으로 용융하기 위해 각 시료에 슈크로스를 첨가하였고, Li의 휘발을 감안하여 Li 소스는 양을 초과 포함하였다. 슈크로스 양은 유리전해질 출발물질의 혼합물 전체 중량에 대해 10퍼센트 (시료 11은 10퍼센트 외에도, 15퍼센트 및 20퍼센트), Li 초과 양은 Li 원료 소스에 대해 중량 기준 10퍼센트 추가 혼합하였다. A glass electrolyte chemical composition Li 1 .2+ x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8-x (PO 4) 3- y (BO 3) y , or Li 2 Sn 0 .5 (BO 3 ) 1- x ( For PO 4 ) x , the TiO 2 intermediate oxide was substituted with Fe 2 O 3 , P 2 O 5 Mesh oxide is B 2 O 3 By substitution, a glass electrolyte for a sintering aid was prepared as in the compositions of Samples 3 to 14 of Table 2. At this time, sucrose was added to each sample to melt at a low temperature, and the Li source was included in excess in consideration of the volatilization of Li. The amount of sucrose was 10% based on the total weight of the mixture of the glass electrolyte starting materials (in addition to 10% for Sample 11, 15% and 20%), and the amount of excess Li was further mixed by 10% by weight with respect to the Li raw material source.

시료 3 ~ 14와 같은 화학조성으로 유리전해질화하기 위한 원료로는 LiOH·H2O, α-Fe2O3, SnO, TiO2, H3PO4, H3BO3를 사용하였다. 표 2의 화학조성에 따라 천칭한 후, 날젠병 안에 알루미나 볼과 무수알콜 넣어 볼밀(ball mill)에서 6시간 혼합하였다. LiOH·H 2 O, α-Fe 2 O 3 , SnO, TiO 2 , H 3 PO 4 , and H 3 BO 3 were used as raw materials for glass electrolyte with the same chemical composition as in Samples 3 to 14. After weighing according to the chemical composition of Table 2, alumina balls and anhydrous alcohol were put in a Nalgen bottle and mixed in a ball mill for 6 hours.

시료 3 ~ 14의 혼합물은 알루미나 도가니에 넣어 최고 사용온도 1500℃용 SiC전기로에서 1350℃에서 30분 유지하여 유리전해질 용융물로 용융하였다. 용융방법과 분말화 방법은 제조예1의 방법과 동일하였다. The mixture of Samples 3 to 14 was placed in an alumina crucible and maintained at 1350° C. for 30 minutes in a SiC electric furnace for a maximum operating temperature of 1500° C., and then melted into a glass electrolyte melt. The melting method and the powdering method were the same as in Preparation Example 1.

Figure 112020018941212-pat00002
Figure 112020018941212-pat00002

이온전도도 평가Ionic conductivity evaluation

표 1의 조성을 제조예 1과 같이 용융한 소결 조제용 유리 시료에 대해 25℃에서 임피던스장치를 이용하여 이온전도도를 평가하여 표 3에 나타내었다. 평가 결과, 1.5mole Li 과 Sn0 .5(PO4)1.5 Ti0 .5(PO4)1. 5 로 구성된 조성은 4.65×10-6 S/cm 과 1.70×10-5 S/cm 의 이온전도도를 나타내었다. 반면 1.4mole Li 과 Al0 . 1Sn0 .5(PO4)1. 5 로 구성된 조성은 3.82×10-6 S/cm의 이온전도도 값을 나타내었다. 유리전해질의 이온전도도는 임피던스 장치로 1Hz~4MHz 조건에서 등가회로방법으로 전체저항(벌크와 계면저항)을 측정하였다. 이온전도도는 C=R(1-n)/ nQ1 / n 계산하였다.The composition of Table 1 is shown in Table 3 by evaluating the ionic conductivity of the glass sample for sintering aid melted as in Preparation Example 1 at 25° C. using an impedance device. As a result of the evaluation, 1.5 mole Li and And Sn 0 .5 (PO 4) 1.5 Ti 0 .5 (PO 4) 1. Composition composed of 5 4.65×10 -6 S/cm and It showed an ionic conductivity of 1.70×10 -5 S/cm. On the other hand, 1.4 moles Li and Al 0 . 1 Sn 0 .5 (PO 4) 1. Composition composed of 5 The ionic conductivity value was 3.82×10 -6 S/cm. The ionic conductivity of the glass electrolyte was measured with an impedance device and the total resistance (bulk and interfacial resistance) was measured by the equivalent circuit method under the conditions of 1 Hz to 4 MHz. Ionic conductivity is C=R (1-n)/ n Q 1 / n Calculated.

Li의 치환은 0~1.5mole 의 범위일 수 있고, Li2O과 치환 가능한 물질로서 중간산화물은 예를 들어 Al2O3, 치환 양은 0.1mole, 수식산화물 원소로서 Sn, Ti의 함량은 예를 들어 0.4 ~ 0.5mole, 망목산화물인 B의 치환은 예를 들어 1mole로 치환할 수 있다.Substitution of Li may be in the range of 0 to 1.5 moles, and as a material substitutable with Li 2 O, the intermediate oxide is, for example, Al 2 O 3 , the substitution amount is 0.1 mole, and the content of Sn and Ti as the modifying oxide elements is, for example, For example, 0.4 to 0.5 moles, the substitution of B, which is a network oxide, can be replaced by, for example, 1 mole.

Figure 112020018941212-pat00003
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고온현미경high temperature microscope 관찰 및 이온전도도 평가 Observation and evaluation of ionic conductivity

표 2의 조성을 제조예 2의 방법으로 제조한 시료에 대해 825℃ 이하의 저온에서 동시소결 가능 여부를 확인하고자 고온현미경으로 관찰하였으며, 그 결과는 도 5에 나타내었다. 또한 25℃에서 임피던스장치를 이용하여 이온전도도를 평가하여 표 4에 나타내었다. The composition of Table 2 was observed with a high temperature microscope to confirm whether co-sintering at a low temperature of 825° C. or less for the sample prepared by the method of Preparation Example 2 was possible, and the results are shown in FIG. 5 . In addition, the ionic conductivity was evaluated using an impedance device at 25°C, and it is shown in Table 4.

평가 결과, 800℃에서 2차 연화가 일어나는 유리전해질은 시료 11이고, 600℃에서 연화가 시작되어 온도가 상승함에 따라 계속 연화가 있는 시료는 시료 6 과 10이었다. 또한 800℃ 부근에서 연화가 일어나기 시작하여 계속 연화가 되는 조성은 시료 9였다. As a result of the evaluation, the glass electrolyte in which the secondary softening occurred at 800°C was sample 11, and the samples 6 and 10 were samples that softened at 600°C and continued to soften as the temperature increased. In addition, the composition in which softening began to occur around 800° C. and continued to soften was sample 9.

따라서 본 실시예에서 Li2O-FeO(TiO2)-B2O3(P2O5)계를 동시소결용 유리전해질로 800℃부근에서 사용하려면 시료 6, 10 및 11이 적합하였다.Therefore, in this Example, samples 6, 10 and 11 were suitable to use Li 2 O-FeO(TiO 2 )-B 2 O 3 (P 2 O 5 )-based glass electrolyte for co-sintering at around 800°C.

위 화학조성을 갖는 유리 전해질의 이온전도도는 표 4와 도 6을 참조하면 Li1 .2·Fe0.2·Ti1.8·(PO4)3에 BO3 첨가량을 1.5mole까지 증가할수록 이온전도도는 낮아지다가 PO4를 1mole 로 하고 BO3를 2mole 첨가한 경우 10-4 S/cm을 나타내었다. 그러나 PO4 없이 BO3만 첨가한 경우는 다시 이온전도도가 증가하였다. 한편 Fe2O3 양을 0.5mole로 증가시키고, PO4와 BO3를 치환 첨가한 경우 이온전도도는 크게 변화하지 않았으나 BO3만을 첨가한 경우 이온전도도가 증가하는 현상을 나타내었다. The ionic conductivity of the electrolyte glass having the above chemical composition, see Fig. 6 and Table 4, when Li 1 .2 · Fe 0.2 · Ti 1.8 · (PO 4) with increasing the addition amount to 3 BO 3 to 1.5mole ionic conductivity is lowered jidaga PO When 4 was 1 mole and BO 3 was added 2 moles, 10 -4 S/cm was obtained. However , when only BO 3 was added without PO 4 , the ionic conductivity increased again. On the other hand, Fe 2 O 3 When the amount was increased to 0.5 moles and PO 4 and BO 3 were added by substitution, the ionic conductivity did not change significantly, but when only BO 3 was added, the ionic conductivity increased.

이온전도도가 10-4 S/cm으로 높은 화학조성으로는 Li1.2Fe0.2Ti1.8(PO4)(BO3)2 와 Li1.5Fe0.5Ti1.5(BO3)3 이었다. 이온전도도 측정은 실험예 1과 동일하게 측정 계산하였다. Chemical compositions with high ionic conductivity of 10 -4 S/cm were Li 1.2 Fe 0.2 Ti 1.8 (PO 4 )(BO 3 ) 2 and Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 (BO 3 ) 3 . Ion conductivity was measured and calculated in the same manner as in Experimental Example 1.

Li1 .2+x·Fe0 .2+x·Ti1 .8-x·(PO4)3-y·(BO3)y 조성에서 Li의 범위는 1.0~1.5mole, Fe의 양은 0.2~0.5mole, Ti는 1.5~1.8mole, P는 1~3mole, B는 1~3mole로 이루어진 것이 바람직하다. Li 1 .2 + x · Fe 0 .2 + x · Ti 1 .8-x · (PO 4) 3-y · (BO 3) y range of Li in the composition is the amount of 1.0 ~ 1.5mole, Fe 0.2 ~ Preferably, 0.5 moles, Ti is 1.5 to 1.8 moles, P is 1 to 3 moles, and B is 1 to 3 moles.

Figure 112020018941212-pat00004
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입자크기 분석Particle size analysis

제조예1과 2의 시료를 1350℃에서 30분간 용융한 후, 용융물을 전기로에서 꺼내 냉각수가 흐르면서 롤링(rolling)이 되는 냉각장치에 부어서 얇은 카렛트(cullet)로 제조하였다. 이 얇은 박편의 카렛트를 텅스턴자(W Jar)가 장착된 조크러셔로 약 1~2㎜가 되게끔 조분쇄한 다음, 앞서 조분쇄된 유리전해질을 알루미나(Al2O3) 자(Jar)가 장착된 젯트밀(Jet mill)로 약 3㎛ 수준으로 미분쇄를 행하였다. 약 3㎛정도로 미분쇄된 유리전해질은 나노젯밀(Nano Jet mill)에서 Φ0.5 ~ Φ0.8 ㎜ 알루미나 미디어를 사용, 무수에탄올을 용매로 하여 평균 입자크기가 약 0.245㎛ 되게끔 초미분쇄를 행하였다. 바람직한 평균 입자크기는 0.1~0.5㎛이며, 입자크기분포는 0.01~3㎛ 범위이다. 초미분쇄된 입자크기 및 분포는 나노입자크기 측정기를 이용하여 입자크기 및 분포를 분석하였다. After the samples of Preparation Examples 1 and 2 were melted at 1350° C. for 30 minutes, the melt was taken out of the electric furnace and poured into a cooling device for rolling while cooling water flows to prepare a thin cullet. This thin flaky cartridge is coarsely pulverized to about 1~2mm with a jaw crusher equipped with a tungsten ruler (W jar), and then the previously coarsely pulverized glass electrolyte is treated with an alumina (Al 2 O 3 ) ruler (Jar). ) was finely pulverized to a level of about 3 μm with a jet mill equipped with. The glass electrolyte finely pulverized to about 3 μm is ultra-finely pulverized so that the average particle size is about 0.245 μm using Φ0.5 ~ Φ0.8 mm alumina media in a nano jet mill and anhydrous ethanol as a solvent. did. The preferred average particle size is 0.1 to 0.5 μm, and the particle size distribution is in the range of 0.01 to 3 μm. The particle size and distribution of the ultra-fine pulverized particles were analyzed using a nanoparticle size meter.

슈크로스의of sucrose 첨가에 따른 용융 결과 Melting results according to the addition

유리전해질을 제조하기 위해 용융할 때에 혼합물에 슈크로스의 첨가 유무에 따라 용융온도와 용융물이 어떻게 달라지나를 확인하기 위하여, 제조예1 에서의 유리전해질의 화학조성에 슈크로스를 첨가하지 않은 시료를 1100℃에서, 슈크로스를 첨가한 혼합물은 900℃에서 용융하여 용융된 형상을 비교 시험하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이때 사용원료, 혼합, 용융은 제조예 1과 동일한 방법으로 행하였다. 슈크로스를 첨가했을 때가 첨가하지 않은 것보다 용융온도는 200℃ 낮았고 용융물의 유리화 상태도 우수하였다.In order to check how the melting temperature and the melt change depending on whether or not sucrose is added to the mixture when melting to prepare the glass electrolyte, a sample in which sucrose is not added to the chemical composition of the glass electrolyte in Preparation Example 1 was used. At 1100°C, the mixture to which sucrose was added was melted at 900°C to compare the molten shape, and the results are shown in FIG. 7 . In this case, the raw materials used, mixing, and melting were performed in the same manner as in Preparation Example 1. When sucrose was added, the melting temperature was 200°C lower than that without the addition of sucrose, and the vitrification state of the melt was excellent.

슈크로스의of sucrose 첨가량에 따른 이온전도도 Ion conductivity according to the amount added

유리전해질 혼합물을 용융할 때 혼합물에 슈크로스의 첨가량에 따라 용융물의 이온전도도가 어떻게 달라지는가 확인하였다. Li1.5Fe0.5Ti1.5(BO3)3 (시료11)에 슈크로스를 중량으로 10퍼센트, 15퍼센트, 20퍼센트 첨가하여 1350℃에서 용융하여 비교하여 보았다. 그 결과는 표 5에 나타내었다. 이때 사용원료, 혼합, 용융은 제조예1과 동일한 방법으로 행하였다. 슈크로스의 첨가량이 중량으로 10와 15 퍼센트에서 20퍼센트로 증가 될 때 이온전도도는 10-5 S/cm에서 10-4 S/cm으로 향상되었다.It was confirmed how the ionic conductivity of the melt changes depending on the amount of sucrose added to the mixture when the glass electrolyte mixture is melted. Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 (BO 3 ) 3 (Sample 11) was added with 10%, 15%, and 20% of sucrose by weight and melted at 1350° C. for comparison. The results are shown in Table 5. At this time, the raw materials used, mixing, and melting were performed in the same manner as in Preparation Example 1. When the addition amount of sucrose was increased from 10 and 15 percent to 20 percent by weight, the ionic conductivity improved from 10 -5 S/cm to 10 -4 S/cm.

Figure 112020018941212-pat00005
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이온전도도 비교 IIon Conductivity Comparison I

기존에 리튬이온전도체로 알려져 있는 Li3BO3 리튬이온전도체와 본 발명의 소결조제 겸 리튬이온전도체인 유리전해질의 이온전도 특성을 비교하기 위하여 소결 조제용 유리전해질 화학조성으로 Li1 . 5Ti0 .5(PO4)1. 5BO3에 대해 이온 전도 특성을 비교하였다. Li3BO3와 Li1 . 5Ti0 .5(PO4)1. 5BO3 화학조성을 제조예1과 동일한 방법으로 칭량, 혼합, 용융하였다. 비교 결과 표 6에서와 같이 Li3BO3는 이온전도도가 7.83×10-7S/cm으로 비교적 낮은 값을 나타내었고, Li1 . 5Ti0 .5(PO4)1. 5BO3는 이보다 2 order 높은 1.70×10-5 S/cm 값을 나타내었다. Li 3 BO 3 previously known as a lithium ion conductor Li 1 . 5 Ti 0 .5 (PO 4) 1. We compared the ion conductive property for 5 BO 3. Li 3 BO 3 and Li 1 . 5 Ti 0 .5 (PO 4) 1. 5 BO 3 The chemical composition was weighed, mixed, and melted in the same manner as in Preparation Example 1. As a result of comparison, as shown in Table 6, Li 3 BO 3 had an ionic conductivity It showed a relatively low value of 7.83×10 -7 S/cm, Li 1 . 5 Ti 0 .5 (PO 4) 1. 5 BO 3 are order than 2 exhibited a high 1.70 × 10 -5 S / cm value.

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Figure 112020018941212-pat00006

이온전도도 비교 IIIon Conductivity Comparison II

나시콘(NASICON)형 결정구조를 갖는 결정전해질의 조성 LiTi2(PO4)3 와 본 발명 Li1.2Fe0.2Ti1.8(PO4)(BO3)2 Li1 . 5Fe0 . 5Ti1 .5(BO3)3의 이온전도도를 비교하기 위해, 제조예 2와 동일한 방법으로 혼합, 용융하여 이온전도도를 비교하였다. 그 결과 표 7과 같이, 비교 조성인 LiTi2(PO4)3는 7.81×10-7S/cm의 이온전도도를 나타내는 반면에, 본 발명의 Li1 . 2Fe0 . 2Ti1 .8(PO4)(BO3)2 와 Li1 . 5Fe0 . 5Ti1 . 5(BO3)3는 도 8에 나타낸 바와 같이 각각 2.35×10-4 S/cm와 5.29×10-4 S/cm 의 높은 이온전도도 값을 나타내었다. Composition of a crystalline electrolyte having a NASICON-type crystal structure LiTi 2 (PO 4 ) 3 And the present invention Li 1.2 Fe 0.2 Ti 1.8 (PO 4 )(BO 3 ) 2 And Li 1 . 5 Fe 0 . 5 Ti 1 .5 (BO 3) The ion conductivity compared to compare the ion conductivity of 3, mixed in the same manner as in Preparation Example 2, melted. As a result, as shown in Table 7, the comparative composition LiTi 2 (PO 4 ) 3 On the other hand, the ionic conductivity of 7.81 × 10 -7 S/cm, Li 1 of the present invention. 2 Fe 0 . 2 Ti 1 .8 (PO 4) (BO 3) 2 and Li 1. 5 Fe 0 . 5 Ti 1 . 5 (BO 3 ) 3 showed high ionic conductivity values of 2.35×10 −4 S/cm and 5.29×10 −4 S/cm, respectively, as shown in FIG. 8 .

본 발명의 유리전해질의 이온전도도가 높아, 이 유리 전해질을 전고체 전지에 적용하게 되면 우수한 전지특성을 나타내게 될 것으로 판단되었다. Since the ionic conductivity of the glass electrolyte of the present invention is high, it was determined that the glass electrolyte would exhibit excellent battery characteristics when applied to an all-solid-state battery.

Figure 112020018941212-pat00007
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유리전해질의free electrolyte 연화점 분석 Softening Point Analysis

제조예1에서 화학조성 중에 이온전도체이면서 소결조제인 유리조성으로 Li1.4Al0.1Sn0.5(PO4)1.5BO3 선정하였다. 수식산화물인 Li2O 대신 도판트(dopant)로 Al2O3를 0.1mole 치환하였고, 이때 Al2O3 dopant의 양은 0.05~0.3몰(mole)이며, 바람직한 것은 0.1mole이다. 중간산화물로는 Ti 대신 Sn을 첨가하여 실시하였다. Li2O-SnO-B2O3(P2O5)계 유리는 SnO 단독 첨가보다 SnO와 P2O5를 함께 첨가한 경우 결정성이 낮게 나타난다. 결정성이 높으면 유리로서 역할을 못할 수 있기 때문에 가급적이면 용융 후에는 결정성이 적은 것이 소결조제로서 적합하다고 할 수 있다. Li 1.4 Al 0.1 Sn 0.5 (PO 4 ) 1.5 BO 3 as a glass composition that is an ion conductor and a sintering aid in the chemical composition in Preparation Example 1 was selected. Modified oxide of Li 2 O was substituted instead of the Al 2 O 3 as a dopant (dopant) 0.1mole, wherein an Al 2 O 3 dopant amount of 0.05 to 0.3 mol (mole) of a preferred 0.1mole. As an intermediate oxide, Sn was added instead of Ti. Li 2 O-SnO-B 2 O 3 (P 2 O 5 )-based glass exhibits lower crystallinity when SnO and P 2 O 5 are added together than when SnO is added alone. If the crystallinity is high, it may not function as a glass, so it can be said that one with low crystallinity is suitable as a sintering aid after melting if possible.

용융 시 슈크로스 첨가, Li의 초과 첨가, 제조방법은 제조예1과 같이 실시하였다. 이때 원료로는 LiOH·H2O, SnO2, Al2O3, H3PO4 및 H3BO3를 사용하였다.The addition of sucrose during melting, excess addition of Li, and the preparation method were carried out as in Preparation Example 1. At this time, as raw materials, LiOH·H 2 O, SnO 2 , Al 2 O 3 , H 3 PO 4 and H 3 BO 3 were used.

본 실시예의 유리전해질에 대해 고온현미경(5℃/min승온)으로 관찰한 열수축(thermal shrinkage)과 고온현미경이미지(hot-stage microscope image)를 도 9에 나타내었다. 이온전도도는 낮지만, 매우 낮은 연화점을 나타내었다. 전이점이 670℃ 부근이며 결정화 시작은 710℃이고, 780℃에서 완전한 젖음(wetting)이 일어나고 있다. 따라서 이 계를 소결조제 겸 리튬이온전도체로 사용하게 되면 750~800℃에서 전해질과 전극을 동시 소성하여 일체화시킨 전고체 전지셀을 제조할 수 있다.FIG. 9 shows thermal shrinkage and hot-stage microscope images of the glass electrolyte of this example observed with a high-temperature microscope (temperature increased by 5° C./min). Although the ionic conductivity was low, it showed a very low softening point. The transition point is around 670°C, the start of crystallization is 710°C, and complete wetting is occurring at 780°C. Therefore, if this system is used as a sintering aid and lithium ion conductor, an all-solid-state battery cell in which the electrolyte and the electrode are simultaneously fired at 750 to 800° C. can be manufactured.

유리전해질의free electrolyte 결정성 분석 I Crystallinity Analysis I

유리전해질 화학조성으로 Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y에서 TiO2 중간산화물을 Fe2O3로 치환하고, P2O5 망목산화물은 B2O3 치환하여 표 2의 시료 3~7과 같이 유리전해질을 제조하였다. 예를 들어 시료 3의 유리전해질 조성 Li1 . 2Fe0 . 2Ti1 .8(PO4)3에서 시료 7 유리전해질 조성 Li1 . 2Fe0 . 2Ti1 .8(BO3)3 로 변환시키기 위해 동일구조(망목)를 갖는 3mole의 (PO4)3 대신 BO3를 1mole ~ 3mole로 치환시켰다. 혼합, 용융, 분쇄 방법은 제조예2와 동일하다. 중간산화물과 망목산화물을 치환하여 제조했을 때, 유리와 결정성 변화를 확인한 결과 결정상은 도 10에, 임피던스에 의한 이온전도도 변화는 도 8과 표 4에 나타내었다.Replacing the intermediate TiO 2 oxide glass in electrolyte chemical composition as Li 1 .2+ x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8-x (PO 4) 3- y (BO 3) y as Fe 2 O 3, and P 2 O 5 Mesh oxide is B 2 O 3 By substitution, glass electrolytes were prepared as shown in Samples 3 to 7 of Table 2. For example, the composition of the glass electrolyte of sample 3 Li 1 . 2 Fe 0 . 2 Ti 1 .8 (PO 4) samples 7-3 the glass electrolyte composition Li 1. 2 Fe 0 . 2 Ti 1 .8 (BO 3) (PO 4) of 3mole having the same structure (mesh size) to convert to replace the 3 BO 3 to 1mole ~ 3mole 3 instead. Mixing, melting, and grinding methods were the same as in Preparation Example 2. When the intermediate oxide and mesh oxide were substituted, the glass and crystallinity changes were confirmed. The crystal phase is shown in FIG. 10, and the change in ionic conductivity due to impedance is shown in FIG. 8 and Table 4.

결정상 분석을 보면 Li2O-SnO(TiO2)-B2O3(P2O5)계 조성에서 수식산화물이면서 망목산화물이나 중간산화물도 가능한 SnO를 중간산화물인 Fe2O3로 0.2mole 대체하고, 망목산화물인 P2O5대신 B2O3 치환 첨가하여 용융한 경우 B2O3 치환 양이 많아지면, 결정성이 낮아지면서 주결정으로 TiO2로 나타났다. PO4가 BO3로 치환되면서 유리화되나 TiO2 단일 결정도 같이 존재하였다. P2O5만 첨가한 Li1 . 5Fe0 . 5Ti1 . 5(PO4)3 의 경우 비정질상으로 나타났다. According to the crystal phase analysis, 0.2 moles of SnO, which is a modifier oxide and can be a mesh oxide or an intermediate oxide, is replaced with Fe 2 O 3 as an intermediate oxide in the Li 2 O-SnO(TiO 2 )-B 2 O 3 (P 2 O 5 )-based composition. and B 2 O 3 instead of P 2 O 5 , which is a mesh oxide In case of melting by substitution B 2 O 3 As the amount of substitution increased, the crystallinity decreased and TiO 2 appeared as the main crystal. PO 4 is liberated as BO 3 is replaced, but TiO 2 A single crystal was also present. Li 1 with only P 2 O 5 added. 5 Fe 0 . 5 Ti 1 . In the case of 5 (PO 4 ) 3 , it appeared as an amorphous phase.

유리전해질의free electrolyte 결정성 분석 II Crystallinity Analysis II

유리전해질 화학조성으로 Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y 에 대해 TiO2 중간산화물을 Fe2O3로 0.5mole 치환하였고, P2O5 망목산화물은 B2O3로 1~3mole 치환하여 표 2의 시료8~11 조성과 같이 저온소결용 유리전해질을 제조하였다. A glass electrolyte chemical composition Li 1 .2+ x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8-x (PO 4) 3- y (BO 3) 0.5mole replacing the intermediate oxide TiO 2 for y in Fe 2 O 3 did, P 2 O 5 The mesh oxide was substituted with B 2 O 3 1-3 moles to prepare a glass electrolyte for low-temperature sintering as shown in Samples 8-11 in Table 2.

시료 8의 유리전해질 조성을 시료 11의 조성으로 변환시키기 위해 중간산화물인 Fe의 양은 0.2mole에서 0.5mole로 증가시키고 그 대신 Li와 Ti양은 감소시킴과 동시 PO4를 BO3로 치환시켰을 경우 Fe가 0.5mole인 경우 0.2mole 인 경우에 비해 결정성은 감소하였으나, 이온전도도는 표 4와 도 6에서와 같이 10-4~ 10-6S/cm을 나타내었다. 결정성은 Fe에 영향을 받고, 이온전도도는 Fe의 양보다 PO4 나 BO3 양에 영향을 받는 것으로 판단된다. 이러한 결과로부터 결정질과의 소결 시에 유리전해질이 저온화를 유도해 양극이 전해질과 반응하지 않은 온도에서 소결 가능할 것으로 예측된다. 결정성이 높으면 유리전해질로서 역할을 못할 수 있기 때문에 가급적이면 용융 후에는 결정성이 적은 것이 동시소결용 유리전해질로서 적합하다고 할 수 있다. 엑스선회절분석 상으로 검토하면 시료 5,6,7,8,9,11이 저온소결 온도에 적당한 유리전해질이었다. 한편, 유리전해질 시료 중에 이온전도도가 10-4 ~10-5S/cm로 높게 나타내는 시료는 시료 6,7 및 11이었다. 이온전도도는 PO4와 BO3가 1.5mole 될 때까지 낮아지다가 BO3 양이 2mole, PO4가 1mole 될 때 이온전도도가 매우 높게 나타났다. In order to convert the composition of the free electrolyte of Sample 8 to that of Sample 11, the amount of Fe as an intermediate oxide was increased from 0.2 moles to 0.5 moles, and instead, the Li and Ti amounts were decreased and at the same time PO 4 was substituted with BO 3 , Fe was 0.5 In the case of mole, crystallinity was decreased compared to the case of 0.2 mole, but the ionic conductivity was 10 -4 to 10 -6 S/cm as shown in Table 4 and FIG. 6 . Crystallinity is affected by Fe, and ionic conductivity is judged to be affected by the amount of PO 4 or BO 3 rather than the amount of Fe. From these results, it is predicted that the glass electrolyte induces a lower temperature during sintering with crystalline material, so that the positive electrode can be sintered at a temperature that does not react with the electrolyte. If the crystallinity is high, it may not function as a glass electrolyte, so it can be said that a glass electrolyte with low crystallinity after melting is suitable as a glass electrolyte for co-sintering. Examining from X-ray diffraction analysis, samples 5, 6, 7, 8, 9, and 11 were glass electrolytes suitable for low-temperature sintering temperature. On the other hand, samples 6, 7, and 11 showed high ionic conductivity of 10 -4 to 10 -5 S/cm among the glass electrolyte samples. The ionic conductivity was lowered until PO 4 and BO 3 were 1.5 moles, but when the amount of BO 3 was 2 moles and PO 4 was 1 mole, the ionic conductivity was very high.

유리전해질의free electrolyte 저온소결 가능성 Low temperature sintering possibility

유리전해질이 저온소결 가능한지 여부 및 저온소결 시 이온전도도가 유지되는가를 시료 11에 대해 검토하였다. 소결 후 결정상 변화와 이온전도도를 확인하였다. 소결조건은 복합전해질과 동일한 조건인 825℃에서 2시간으로 소결하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다. 소결 전과 후의 결정상을 비교했을 때 소결 후가 소결 전보다 유리상의 생성으로 결정의 intensity 가 낮아졌으나 결정의 상은 그대로였다. 소결 전후 이온전도도는 7.23×10-5 ~ 3.63×10- 5을 나타내었다. 유리전해질로 소결한 후에도 결정상은 감소하고 동일한 이온전도도를 나타낸 것을 알 수 있다.Whether the glass electrolyte can be sintered at a low temperature and whether the ionic conductivity is maintained during low-temperature sintering was examined for Sample 11. After sintering, the crystal phase change and ionic conductivity were confirmed. The sintering conditions were the same as those of the composite electrolyte, sintering at 825° C. for 2 hours. The results are shown in FIG. 11 . When the crystal phases before and after sintering were compared, the intensity of crystals was lowered after sintering than before sintering due to the generation of a glass phase, but the phases of crystals remained the same. Before and after sintering the ionic conductivity is 7.23 × 10 -5 ~ 3.63 × 10 - 5 exhibited. It can be seen that even after sintering with a glass electrolyte, the crystal phase decreased and the same ionic conductivity was exhibited.

펠렛형pellet type 복합전해질 composite electrolyte

저온에서 소결이 이루어지고 전해질 역할도 할 수 있으면서 안전성이 확보된 전지 개발을 위해 표 8과 같이 초미분말의 유리전해질과 결정전해질을 일정한 배합비로 혼합하여 복합전해질을 제조하였다. In order to develop a battery that is sintered at low temperature and can serve as an electrolyte and secure safety, as shown in Table 8, a composite electrolyte was prepared by mixing an ultrafine powder of a glass electrolyte and a crystalline electrolyte at a constant mixing ratio.

825℃ 이하에서 소결되어 일체화가 이루어질 수 있는 배합 조건으로, 유리전해질 시료 11인 Li1 . 5Fe0 . 5Ti1 .5(BO3)3 와 결정전해질인 Li7La3Zr2O12(LLZO, 이천세라믹랜드사)분말을 중량비로 17~33퍼센트 : 67~83퍼센트 배합 비율로 혼합하여 복합전해질을 제조하였다. 유리전해질은 전술한 바와 같이 용융하여 분쇄 가공한 것을 사용하였다. Li 1 , which is the glass electrolyte sample 11, as a compounding condition that can be integrated by sintering at 825° C. or less . 5 Fe 0 . 5 Ti 1 .5 (BO 3) 3 crystals with an electrolyte of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO, two thousand ceramic raendeusa) 17-33% of the powder in a weight ratio: the composite electrolyte were mixed in a 67-83% blending ratio prepared. As the glass electrolyte, melted and pulverized as described above was used.

배합된 복합전해질은 지르코니아 볼과 무수에탄올을 함께 날젠병(Nalgene. bottle)에 넣고 볼밀(ball mill)에서 48시간 혼합하였다. 혼합된 복합전해질을 Φ15mm인 금형에 넣어 두께가 0.2 ~ 0.3mm가 되도록, 200kgf/m2 압력으로 펠렛(pellet)을 성형한 후, 성형된 펠렛을 1800바(bar)의 압력으로 냉간정수압(CIP)처리하여 균일한 성형체가 되도록 성형하였다. 성형된 복합전해질 펠렛은 750~825℃에서 2~36시간 동안에 소결이 가능하였는데, 본 실시예에서는 825℃에서 2시간 소결하여 제 물성을 검토하였다. The combined composite electrolyte is placed in a jenbyeong (Nalgene. Bottle) day with a zirconia ball with absolute ethanol and mixed with 48 hours in a ball mill (ball mill). Put the mixed composite electrolyte into a Φ15mm mold to form pellets with a pressure of 200kg f / m 2 so that the thickness becomes 0.2 ~ 0.3mm, and then press the molded pellets with cold hydrostatic pressure ( CIP) treatment to form a uniform molded body. The molded composite electrolyte pellets were sintered at 750 to 825° C. for 2 to 36 hours, and in this example, the physical properties were reviewed by sintering at 825° C. for 2 hours.

유리전해질 단독과 유리전해질 양과 결정전해질 양을 조정한 복합전해질을 이용하여 펠렛을 제조하여 825℃에서 2시간 소결 후 물성을 표 8에 나타내었다. 유리전해질 양이 증가할수록 수축율이 증가하다가 유리전해질과 결정전해질의 배합비가 중량비로 33:67일 때 수축율이 24퍼센트로 소결이 완료되었다. 유리전해질 단독의 경우(GE) 21퍼센트의 수축을 나타내었다. 한편 이온전도도는 유리전해질 단독이나 유리전해질과 결정전해질의 배합비가 17:83~33:67일 때 1.62~2.59×10-5 S/cm 이상으로 큰 차이를 나타내지 않았다. 이때 소결한 복합전해질의 이온전도도는 임피던스장치로 1Hz~4MHz 조건에서 등가회로방법으로 전체저항(벌크와 계면저항)을 측정하였다. 이온전도도는 C=R(1-n)/ nQ1 / n 계산하였다.Table 8 shows the properties of pellets after sintering at 825° C. for 2 hours by using a glass electrolyte alone and a composite electrolyte in which the amount of glass electrolyte and the amount of crystal electrolyte are adjusted. As the amount of the glass electrolyte increased, the shrinkage increased. When the mixing ratio of the glass electrolyte and the crystalline electrolyte was 33:67 by weight, the shrinkage ratio was 24%, and sintering was completed. The glass electrolyte alone (GE) exhibited a shrinkage of 21%. On the other hand, the ionic conductivity did not show a significant difference between the glass electrolyte alone and the mixing ratio of the glass electrolyte and the crystalline electrolyte of more than 1.62-2.59×10 -5 S/cm when the mixing ratio was 17:83-33:67. At this time, the ionic conductivity of the sintered composite electrolyte was measured with an impedance device and the total resistance (bulk and interfacial resistance) was measured by the equivalent circuit method under the conditions of 1 Hz to 4 MHz. Ionic conductivity is C=R (1-n)/ n Q 1 / n Calculated.

한편, 복합전해질 일부에 대해 소결상태 등을 파악하고자 미세구조를 관찰하여 도 12에 나타내었다. 결정전해질에 유리전해질을 혼합한 시료 CG-3경우 그레인(grain)으로의 성장이 잘 이루어진 것으로 관찰되었다.On the other hand, the microstructure was observed to determine the sintered state of a part of the composite electrolyte and is shown in FIG. 12 . In the case of sample CG-3, in which a glass electrolyte was mixed with a crystal electrolyte, it was observed that growth into grains was performed well.

Figure 112020018941212-pat00008
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이러한 결과로부터, 825℃ 이하의 저온에서 소결 가능한 복합전해질의 결정전해질과 유리전해질의 배합비는 결정전해질이 중량으로 67~83퍼센트, 유리전해질이 17~33퍼센트가 바람직함을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the mixing ratio of the crystal electrolyte and the glass electrolyte of the composite electrolyte capable of being sintered at a low temperature of 825° C. or less is preferably 67 to 83 percent by weight of the crystal electrolyte and 17 to 33 percent by weight of the glass electrolyte.

펠렛형pellet type 복합양극 제조 Composite Anode Manufacturing

리튬 이차 전고체 전지는 양극/고체전해질/음극으로 구성되며, 고체전해질은 높은 이온전도도와 낮은 전자전도도가 요구되고, 양극 내지 음극에 포함되는 고체전해질은 이온전도도와 전자전도도 높아야 하고, 양극도 전해질과 동시 소결과 양극에서 전해질로의 이온이동과 전해질 첨가에 의해 절연화된 양극의 전자 이동을 원활히 이루어지기 위해서는 양극 외에도 이온전도체와 전기전도체를 필수적으로 첨가하여 복합화하여야 한다A lithium secondary all-solid-state battery consists of a positive electrode / a solid electrolyte / a negative electrode, and the solid electrolyte requires high ionic conductivity and low electronic conductivity, and the solid electrolyte included in the positive electrode and negative electrode must also have high ionic and electronic conductivity, and the positive electrode is also an electrolyte Simultaneous sintering, ion movement from the positive electrode to the electrolyte, and the electron movement of the insulated positive electrode by the addition of electrolyte require the addition of an ion conductor and an electrical conductor in addition to the positive electrode to make it complex.

적층 일체화된 전고체 전지의 복합양극으로서 본 실시예에서는 LiNi0.8Co0.1Mn0.1 양극(이천세라믹랜드사), Al doped LLZO 결정고체전해질(이온전도도 10-4~5 S/cm, 이천세라믹랜드사), Li1.5Fe0.5Ti1.5(BO3)3 유리전해질(이온전도도 10-4~5 S/cm), 케첸블랙(ketjenblack) 전자전도체를 표 8과 같은 배합비로 날젠병(Nalgene.bottle)에 넣고 혼합하였다. 배합된 복합양극은 볼밀(ball mill)에서 지르코니아볼과 무수에탄올을 함께 넣고 48시간 혼합하였다. 혼합된 복합양극을 이용하여 성형체 제작방법은 실시예 6과 동일하다. 성형된 복합양극 펠렛은 온도가 750~825℃범위에서 2~36시간 열처리하면 소결이 가능하였으며, 본 실시예에서는 825 ℃에서 2시간 소결하여 표 9에 물성을 나타내었다. 유리전해질 양이 증가할수록 수축율과 밀도는 증가하여 유리전해질의 양이 20퍼센트인 시료 CA-4일 때 수축율이 23.1퍼센트로 소결이 완료되었다. 또한, 유리전해질의 함량이 20퍼센트 일 때 어느 정도 소결 밀도도 달성되었다. As a composite anode of a stacked integrated all-solid-state battery, in this embodiment, LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 anode (Icheon Ceramic Land Co.), Al doped LLZO crystalline solid electrolyte (ion conductivity 10 -4 to 5 S/cm, Icheon Ceramic Land Co.), Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 (BO 3) 3 into a glass electrolyte (ion conductivity of 10 -4 ~ 5 S / cm) , Ketjen black (ketjenblack) me the electron conductor to the compounding ratio as shown in Table 8 jenbyeong (Nalgene. bottle) mixed did. The combined composite anode was mixed with zirconia balls and absolute ethanol in a ball mill and mixed for 48 hours. A method of manufacturing a molded body using the mixed composite anode is the same as in Example 6. The molded composite anode pellets could be sintered by heat treatment at a temperature of 750 to 825° C. for 2 to 36 hours, and in this example, physical properties were shown in Table 9 by sintering at 825° C. for 2 hours. As the amount of glass electrolyte increased, the shrinkage and density increased, so that when sample CA-4 with an amount of free electrolyte of 20%, sintering was completed with a shrinkage of 23.1%. In addition, a certain degree of sintering density was achieved when the content of the free electrolyte was 20%.

Figure 112020018941212-pat00009
Figure 112020018941212-pat00009

쉬트형sheet type 복합전해질 composite electrolyte

소결형 전고체전지에서 전해질과 전극을 적층할 때 전해질 층이 두꺼우면 Li이온이 전해질을 통해 이동하기가 어렵기 때문에 가급적 전해질 층은 치밀하면서도 얇게 적층 되어야만 한다. 현재 비소결 전고체 전지에서 전해질 층의 두께는 50㎛ 이상이어서 충분히 Li이온이 이동하지 못하는 단점이 있다. 반면 본 발명은 소결형으로 전고체 전지를 제공하기 위해 전해질의 두께를 가급적 얇게 후막화한다. 본 실시예에서는 쉬트(sheet)형으로 전해질을 얇게 제작하여 전극 위에 적층함으로써 Li이온이 전해질을 통해 이동이 어려운 문제를 해결하고자 하였다.In a sintered all-solid-state battery, when the electrolyte and electrodes are stacked, if the electrolyte layer is thick, it is difficult for Li ions to move through the electrolyte. In the current non-sintered all-solid-state battery, the thickness of the electrolyte layer is 50 μm or more, so there is a disadvantage in that Li ions cannot sufficiently move. On the other hand, in the present invention, in order to provide an all-solid-state battery in a sintered type, the thickness of the electrolyte is made as thin and thick as possible. In this embodiment, by making a thin electrolyte in a sheet type and stacking it on the electrode, it was attempted to solve the problem that Li ions are difficult to move through the electrolyte.

쉬트를 제작하기 위해 우선 유리전해질 시료 11인 Li1 . 5Fe0 . 5Ti1 .5 (BO3)3 와 결정전해질인 Li7La3Zr2O12 (이하 LLZO, 이천세라믹랜드사) 분말을 중량비로 17~33퍼센트 : 67~83퍼센트 배합 비율로 혼합하여 복합전해질을 제조하였다. To fabricate the sheet, first, Li 1 , which is the glass electrolyte sample 11 . 5 Fe 0 . 5 Ti 1 .5 (BO 3) 3 crystals with an electrolyte of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (hereinafter LLZO, Icheon Ceramic Land) powder was mixed in a weight ratio of 17 to 33 percent: 67 to 83 percent to prepare a composite electrolyte.

배합된 복합전해질은 표 10의 비율(분말1에 대한 중량비율)로 혼합하여 점도가400~1000cps가 되도록 슬러리(slurry)화 한 후, 테이프성형(tape casting) 방법으로 쉬트(sheet)를 제조하였다. 이때 1차적으로 분말과 용매1,2의 절반, 분산제, 그리고 Φ0.5mm 지르코니아 볼을 날젠병(Nalgene.bottle)에 넣고 볼밀에서 120rpm으로 48시간 복합전해질 분말을 분쇄 및 분산시켰다. 2차적으로 1차 과정에서 잘 분산된 복합전해질에 용매1,2의 절반, 바인다, 가소제, 소포제를 넣고 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 테이프성형 조건으로 갭(gap)은 45~150㎛로, 폭은 15cm로 하여 실제 쉬트의 두께가 15~30㎛ 되도록 성형하였다. 이때 성형속도는 1m/min.로 행하였다. 성형시 건조는 구간별로 20-30-35-40-50-55-60℃로 하였다.The compounded composite electrolyte was mixed at the ratio of Table 10 (weight ratio relative to powder 1) and slurried so as to have a viscosity of 400 to 1000 cps, and then a sheet was prepared by a tape casting method. . At this time were primarily pulverizing and dispersing the powder and half of the solvent 1, 2, a dispersing agent, and Φ0.5mm zirconia put the ball on day jenbyeong (Nalgene. Bottle) 48 hour composite electrolyte powder by a ball mill at 120rpm. Second, in the first process, half of solvents 1 and 2, binder, plasticizer, and antifoaming agent were added to the well-dispersed composite electrolyte and mixed to prepare a slurry. As the tape forming conditions, a gap of 45 to 150 μm and a width of 15 cm were formed so that the actual sheet thickness was 15 to 30 μm. At this time, the molding speed was performed at 1 m/min. During molding, drying was performed at 20-30-35-40-50-55-60°C for each section.

Figure 112020018941212-pat00010
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쉬트형sheet type 복합 양극 composite anode

소결형 전고체 전지에서 전해질과 전극을 적층할 때에는 전해질의 지지층으로 전극 층중 양극이 보통 사용된다. 또한 양극 층은 전지의 용량을 충분하게 낼 수 있게 쉬트를 제작하여야 한다. 그런데 앞서 설명한 바와 같이 양극에서 충분한 이온이동을 하기 위해서 전해질을 첨가하면, 양극이 절연화 되어 양극에서의 전자 이동이 원활하지 못해, 이를 위해 양극 외에 전해질과 전기전도체를 첨가하여 복합화하여야 한다When stacking an electrolyte and an electrode in a sintered all-solid-state battery, the positive electrode is usually used as a support layer for the electrolyte. In addition, the positive electrode layer should be made of a sheet so that the capacity of the battery can be sufficiently produced. However, as described above, if an electrolyte is added for sufficient ion movement in the anode, the anode is insulated and electrons cannot move smoothly in the anode.

복합양극 조성으로 LiNi0.8Co0.1Mn0.1 양극(이천세라믹랜드 제), Al doped LLZO 결정고체전해질(이온전도도 10-4~5s/cm, 이천세라믹랜드사), Li1.5Fe0.5Ti1.5 (BO3)3 유리전해질(이온전도도 10-4~5 S/cm), 전자전도체로 아이티오(ITO: indium tin oxide)를 중량비로 52:23.5:20:4.5와 같은 배합비로 날젠병(Nalgene.bottle)에 넣고 혼합하였다. 혼합된 복합양극의 쉬트를 제작하기 위해 우선 배합된 복합양극 1에 대해(복합분말1에 대한 중량비율로 ) 표 10의 비율로 혼합하여 점도가 400~1000cps가 되도록 슬러리화 한 후, 테이프성형법으로 쉬트를 제조하였다. 이때 슬러리 제조, 테이프성형 방법 및 조건은 실시예8과 동일하다Composite anode composition: LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 anode (manufactured by Icheon Ceramic Land), Al doped LLZO crystalline solid electrolyte (ionic conductivity 10 -4 to 5 s/cm, Icheon Ceramic Land Co., Ltd.), Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 (BO 3 ) 3 Glass electrolyte (ion conductivity 10 -4 to 5 S/cm) and electron conductor ITO (indium tin oxide) in a weight ratio of 52:23.5:20:4.5 in a Nalgene . bottle was added and mixed. In order to produce a sheet of mixed composite anode, first, for the compounded composite anode 1 (in weight ratio with respect to composite powder 1), mix in the ratio of Table 10 and slurry so that the viscosity becomes 400~1000cps, and then, by the tape forming method. A sheet was prepared. At this time, the slurry preparation, tape forming method and conditions are the same as in Example 8.

전도체는 산화(공기)분위기, 중성분위기 소결이나, 환원소결에서 종류가 다른 전도체가 사용되며, 전도체의 첨가량이나 전도체 종류에 의해 소결밀도와 수축율에 영향을 줄 수 있다. 본 실시예에서 전기전도체로 아이티오를 4.5퍼센트 사용하고 있으나 소결 분위기에 따라 다른 전도체와 함량을 사용할 수도 있다. Different types of conductors are used in oxidizing (air) atmosphere, neutral atmosphere sintering, or reduction sintering. Although 4.5% of Ithio is used as the electrical conductor in this embodiment, other conductors and content may be used depending on the sintering atmosphere.

예를 들면 전도체로는 산화(대기)분위기에서는 ITO와 Ag, Pd를, 중성분위에서는 Ag, Cu, Pd를, 환원분위기에서는 Cu, C, 케첸블랙(ketjenblack)을 사용할 수 있다. 이때 양극에 포함되는 전해질의 양이나 전도체의 종류에 따라 다를 수 있으나 중량으로 3~15퍼센트이다. 산화분위기에는 ITO 이고, 함량은 4.5~9퍼센트가 바람직하다.For example, as a conductor, ITO, Ag, and Pd may be used in an oxidizing (atmospheric) atmosphere, Ag, Cu, and Pd in a neutral atmosphere, and Cu, C, or ketjenblack in a reducing atmosphere. At this time, it may be different depending on the amount of electrolyte or the type of conductor included in the positive electrode, but it is 3 to 15% by weight. The oxidizing atmosphere is ITO, and the content is preferably 4.5 to 9 percent.

펠릿형pellet type 전지 셀 battery cell

복합양극을 지지층으로 하여 그 위에 전해질을 적층시켜 펠렛을 제조하였다.Using the composite anode as a support layer, an electrolyte was laminated thereon to prepare pellets.

복합전해질의 배합비는 결정전해질과 유리전해질을 중량비로 75:25로 고정하고, 복합양극의 배합비를 표 11과 같이 유리전해질이나 전도체의 양을 변화시켰다. 배합 방법, 성형, 소결 등은 실시예 6 및 7과 동일하다. The compounding ratio of the composite electrolyte was fixed at 75:25 by weight of the crystalline electrolyte and the glass electrolyte, and the mixing ratio of the composite anode was changed as shown in Table 11 by changing the amount of the glass electrolyte or the conductor. The mixing method, molding, sintering, etc. are the same as in Examples 6 and 7.

복합전해질과 복합양극으로 적층하여 소결한 결과, 적층 펠렛은 이 조건으로 충분하게 소결이 완료된 것으로 판단되었다. 유리전해질 양을 변화시킨 경우 소결 수축율은 크게 변화하지는 않았다. 이는 소결조재로 15퍼센트 이상 첨가하면 충분한 역할을 할 수 있다는 것을 나타낸다. 이때 소결 밀도도 환원분위기 소결을 제외하고 높은 값을 나타낸 것으로 보아 치밀한 소결이 이루어진 것으로 판단되었다.As a result of lamination with a composite electrolyte and a composite anode and sintering, the laminated pellets were judged to be sufficiently sintered under these conditions. When the amount of glass electrolyte was changed, the sintering shrinkage did not change significantly. This indicates that adding 15% or more as a sintering aid can play a sufficient role. At this time, the sintering density also showed a high value except for the reducing atmosphere sintering, so it was judged that the dense sintering was made.

이러한 결과로부터, 복합전해질과 복합전극을 적층하여 전지 셀을 제작할 경우, 결정전해질과 유리전해질의 배합비는 중량비로 75:25, 복합양극에서 양극:결정전해질:유리전해질:전도체의 배합비는 50~52:22~28.5:15~20:4.5~9가 바람직함을 알 수 있다.From these results, when manufacturing a battery cell by stacking a composite electrolyte and a composite electrode, the mixing ratio of the crystalline electrolyte and the glass electrolyte is 75:25 by weight, and the mixing ratio of the positive electrode: the crystalline electrolyte: the glass electrolyte: the conductor in the composite anode is 50 to 52 It can be seen that :22~28.5:15~20:4.5~9 is preferable.

Figure 112020018941212-pat00011
Figure 112020018941212-pat00011

쉬트형sheet type 전지 셀 battery cell

실시예 8과 실시예 9에 의해 제조된 복합전해질과 복합전극 쉬트를 이용, 복합전극을 지지층으로 하여 그 위에 복합전해질을 적층 일체화한 후 동시 소결하여 전지 셀로 제작하였다. 이때 쉬트 한장의 조성이나 제조방법은 실시예8과 실시예9와 동일하다. 제조한 복합양극쉬트 6~10장, 복합전해질쉬트 1~2장을, 복합양극 위에 복합전해질 순서로 적층 후, 압착기를 이용하여 5MPa 압력으로 65℃에서 1분간 압착하여 적층하였다. 적층 후 정수압성형기(WIP)를 이용하여 그린상태에서 두께가 150~250㎛ 정도 되도록 적층 일체화시켜 제작하였다. 이때 WIP 조건은 65℃에서 5분간 예열 가열(heating)을 행한 후 23Mpa 압력으로 30분 유지하여 도 13과 같이 적층 일체화된 셀을 제작하였다.Using the composite electrolyte and composite electrode sheet prepared in Examples 8 and 9, using the composite electrode as a support layer, the composite electrolyte was laminated and integrated thereon, and then simultaneously sintered to prepare a battery cell. In this case, the composition or manufacturing method of one sheet is the same as in Examples 8 and 9. The prepared composite anode sheets 6 to 10 sheets and composite electrolyte sheets 1 to 2 sheets were laminated on the composite anode in order of the composite electrolyte, and then laminated by pressing using a press at 5 MPa pressure at 65° C. for 1 minute. After lamination, using a hydrostatic molding machine (WIP), the thickness was about 150-250 μm in the green state, and the laminate was integrated and manufactured. In this case, the WIP condition was performed by preheating at 65° C. for 5 minutes and then maintained at a pressure of 23 Mpa for 30 minutes to fabricate a stacked and integrated cell as shown in FIG. 13 .

저온 동시 소성Low temperature simultaneous firing

적층 일체화된 셀을 810~850℃에서 24시간 대기분위기(산화분위기)에서 소결하는 실시 예이다. 소결 결과, 810℃ 이상에서 24시간 동안 소결한 경우는 수축율로 보아 소결이 완료된 것으로 판단되었다. 810℃ 이상의 온도에서의 수축율은 20.4 ~ 20.8퍼센트로 큰 차이가 없었다. This is an embodiment of sintering the stacked integrated cell at 810 ~ 850 °C for 24 hours in an atmospheric atmosphere (oxidizing atmosphere). As a result of sintering, when sintering at 810° C. or higher for 24 hours, it was judged that sintering was completed in view of the shrinkage rate. The shrinkage rate at a temperature of 810°C or higher was 20.4 to 20.8%, and there was no significant difference.

Figure 112020018941212-pat00012
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이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.Although the present invention has been exemplarily described through preferred embodiments above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various forms within the scope of the technical spirit presented in the present invention, specifically, the claims may be modified, changed, or improved.

Claims (5)

Li1 .5- xMxA0 .5(PO4)1. 5BO3, (여기서, M은 금속 원소, A는 Sn 또는 Ti, 0 < x < 1.5),
Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y (여기서, 0 < x < 0.3, 0 < y < 3), 또는
Li2Sn0 .5(BO3)1- x(PO4)x (여기서, 0 < x < 1) 에서 선택되는 어느 하나의 유리계 산화물로서 수식산화물 또는 중간산화물로 SnO, TiO2, Al2O5, Fe2O3를, 망목산화물로 P2O5나 B2O3를 치환 첨가한 것을 특징으로 하는
전고체 전지용 전해질-전극 저온 동시소결용 유리전해질.
Li 1 .5- x M x A 0 .5 (PO 4) 1. 5 BO 3, ( where, M is a metal element, A is Sn or Ti, 0 <x <1.5) ,
Li 1 .2+ x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8-x (PO 4) 3- y (BO 3) y ( wherein, 0 <x <0.3, 0 <y <3), or
Li 2 Sn 0 .5 (BO 3 ) 1- x (PO 4) x ( where, 0 <x <1) as a modifier oxide or an intermediate oxide as one of the glass-based oxide selected from SnO, TiO 2, Al 2 O 5 , Fe 2 O 3 , characterized in that P 2 O 5 or B 2 O 3 Substituted with a mesh oxide
Electrolyte for all-solid-state batteries - Glass electrolyte for low-temperature co-sintering of electrodes.
Li1 .5- xMxA0 .5(PO4)1. 5BO3, (여기서, M은 금속 원소, A는 Sn 또는 Ti, 0 < x < 1.5),
Li1 .2+ xFe0 .2+ xTi1 .8-x(PO4)3- y(BO3)y (여기서, 0 < x < 0.3, 0 < y < 3), 또는
Li2Sn0 .5(BO3)1- x(PO4)x (여기서, 0 < x < 1) 에서 선택되는 어느 하나의 유리계 산화물 원료 물질을 준비하고,
상기 원료 물질의 총 배합량의 5~20wt% 범위로 슈크로스를 혼합하고,
Li 원료 물질은 Li 양에 대해 5 ~10wt% 초과하도록 첨가하고,
혼합된 원료들을 대기분위기에서 900 ~ 1350℃범위로 용융하고,
얻어진 용융물을 분쇄하는 단계를 포함하는
전고체 전지용 전해질-전극 저온 동시소결용 유리전해질 제조방법.
Li 1 .5- x M x A 0 .5 (PO 4) 1. 5 BO 3, ( where, M is a metal element, A is Sn or Ti, 0 <x <1.5) ,
Li 1 .2+ x Fe 0 .2+ x Ti 1 .8-x (PO 4) 3- y (BO 3) y ( wherein, 0 <x <0.3, 0 <y <3), or
Li 2 Sn 0 .5 (BO 3 ) preparing any one of the glass-containing oxide starting material is selected from 1- x (PO 4) x (where, 0 <x <1), and
Mixing sucrose in the range of 5-20 wt% of the total blending amount of the raw material,
Li raw material is added in an amount exceeding 5 to 10 wt% based on the amount of Li,
The mixed raw materials are melted in the atmospheric atmosphere in the range of 900 ~ 1350 ℃,
pulverizing the obtained melt;
A method for manufacturing a glass electrolyte for low-temperature co-sintering of electrolyte-electrode for all-solid-state batteries.
제2항에 따라 제조된 유리전해질과 결정전해질 혼합하여 제조되며,
중량 기준으로 17~33퍼센트의 유리전해질과 67~83퍼센트 결정전해질을 배합하여 구성되고, 이온전도도가 10-4 ~ 10-5 S/cm인 것을 특징으로 하는
복합전해질.
It is prepared by mixing the glass electrolyte prepared according to claim 2 and the crystal electrolyte,
It is composed of 17 to 33% of a glass electrolyte and 67 to 83% of a crystalline electrolyte by weight, and has an ionic conductivity of 10 -4 to 10 -5 S/cm.
complex electrolyte.
제2항에 따라 제조된 유리전해질을 이용한 복합양극으로서,
양극활물질, 결정전해질과 유리전해질, 전도체를 포함하며, 중량비로 양극활물질:결정전해질:유리전해질:전도체의 비율이 50~52 : 22.0~35.5 : 8~20 : 4.5~9 인 것을 특징으로 하는 복합양극.
As a composite anode using the glass electrolyte prepared according to claim 2,
A composite comprising a cathode active material, a crystalline electrolyte, a glass electrolyte, and a conductor, wherein the ratio by weight of the cathode active material: crystalline electrolyte: glass electrolyte: conductor is 50 to 52: 22.0 to 35.5: 8 to 20: 4.5 to 9 anode.
제2항에 따라 제조된 유리전해질과 결정전해질 혼합하여 제조한 복합전해질과,
제2항에 따라 제조된 유리전해질을 이용한 복합양극으로서 양극활물질, 결정전해질과 유리전해질, 전도체를 포함하는 복합양극을 펠렛형 또는 쉬트형으로 적층하여 일체화시킨 전지 셀을 제조하고,
상기 전지 셀을 750~825℃에서 2~48시간 대기분위기로 소결하여 얻어진 것을 특징으로 하는
전고체 전지
A composite electrolyte prepared by mixing the glass electrolyte prepared according to claim 2 and a crystalline electrolyte;
As a composite positive electrode using the glass electrolyte prepared according to claim 2, a composite positive electrode including a positive electrode active material, a crystalline electrolyte, a glass electrolyte, and a conductor is laminated in a pellet or sheet type to prepare a battery cell,
Characterized in that obtained by sintering the battery cells at 750 ~ 825 ℃ 2 ~ 48 hours in an atmospheric atmosphere
all-solid-state battery
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