KR102388035B1 - Sulfide-based solid electrolyte with increased doped amount of silicon element and preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 규소 도핑량이 증가되고, 불순물을 포함하지 않는 황화물계 고체전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfide-based solid electrolyte having an increased silicon doping amount and containing no impurities and a method for preparing the same.

Description

규소 도핑량이 증가된 황화물계 고체전해질 및 이의 제조방법{SULFIDE-BASED SOLID ELECTROLYTE WITH INCREASED DOPED AMOUNT OF SILICON ELEMENT AND PREPARING METHOD THEREOF}SULFIDE-BASED SOLID ELECTROLYTE WITH INCREASED DOPED AMOUNT OF SILICON ELEMENT AND PREPARING METHOD THEREOF

본 발명은 규소 도핑량이 증가되고, 불순물을 포함하지 않는 황화물계 고체전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfide-based solid electrolyte having an increased silicon doping amount and containing no impurities and a method for preparing the same.

휴대폰, 노트북 등의 전자기기와 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 운송수단에 사용되는 이차전지 기술은 더 높은 안정성과 에너지 밀도를 갖는 전기화학 소자를 요구하고 있다.Secondary battery technology used in electronic devices such as mobile phones and laptops and transportation means such as hybrid vehicles and electric vehicles requires electrochemical devices with higher stability and energy density.

기존 이차전지 기술은 현재 대부분 유기용제(유기 액체전해질)를 기반으로 셀을 구성하고 있으므로 안정성 및 에너지 밀도의 향상에 있어서 그 한계를 보이고 있는 실정이다. Existing secondary battery technologies are currently mostly composed of cells based on organic solvents (organic liquid electrolytes), and thus have limitations in improving stability and energy density.

반면에 무기 고체전해질을 이용하는 전고체 전지는 유기용제를 배제한 기술을 토대로 하고 있어 더욱 안전하고 간소한 형태로 셀을 제작할 수 있기 때문에 최근 큰 각광을 받고 있다.On the other hand, all-solid-state batteries using inorganic solid electrolytes are receiving a lot of attention recently because they are based on technology that excludes organic solvents and can produce cells in a safer and simpler form.

하지만, 현재까지 개발된 가장 대표적인 전고체 전지용 고체전해질인 리튬-인-황(Li-P-S) 기반 소재, 리튬-안티몬-황 (Li-Sb-S) 기반 소재 등은 낮은 상온 리튬이온 전도도, 결정상의 불안정성, 취약한 대기 안정성, 공정 제한성, 좁은 영역의 고전도상 조성 비율과 같은 문제점이 있어 양산을 위해서는 아직 많은 연구가 필요하다.However, lithium-phosphorus-sulfur (Li-P-S)-based materials and lithium-antimony-sulfur (Li-Sb-S)-based materials, which are the most representative solid electrolytes for all-solid-state batteries developed so far, have low room temperature lithium ion conductivity, crystal There are problems such as phase instability, weak atmospheric stability, process limitations, and the composition ratio of the high-conductivity phase in a narrow area, so much research is still needed for mass production.

최근에는 황화물계 고체전해질의 물리화학적 물성을 향상시키기 위해 각종 원소들을 도핑(doping)하는 시도가 많이 이루어지고 있다. Recently, many attempts have been made to doping various elements in order to improve the physicochemical properties of the sulfide-based solid electrolyte.

J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19002-19013은 Li6 . 7Si0 . 7Sb0 . 3S5I로 표현되는 황화물계 고체전해질을 보고하였고, Chem. Mater. 2019, 31, 4936-4944는 Li6.5Si0.5P0.5S5I로 표현되는 황화물계 고체전해질을 제조하였는데, 규소(Si) 원소의 도핑량을 증가시키는 데에 한계가 있었다. 이에 더해 위 종래의 황화물계 고체전해질에는 불순물상이 존재하며, 리튬이온 전도도가 낮고, 제조에 소요되는 시간이 너무 길다는 문제도 있었다.J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19002-19013 are Li 6 . 7 Si 0 . 7 Sb 0 . A sulfide-based solid electrolyte represented by 3 S 5 I was reported, Chem. Mater. 2019, 31, 4936-4944 prepared a sulfide-based solid electrolyte represented by Li 6.5 Si 0.5 P 0.5 S 5 I, but there was a limit in increasing the doping amount of the silicon (Si) element. In addition, the conventional sulfide-based solid electrolyte has problems in that an impurity phase exists, lithium ion conductivity is low, and the manufacturing time is too long.

한국등록특허 제10-2063159호Korean Patent Registration No. 10-2063159 한국등록특허 제10-1939568호Korean Patent No. 10-1939568 한국등록특허 제10-1745209호Korean Patent Registration No. 10-1745209

J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19002-19013J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19002-19013 Chem. Mater. 2019, 31, 4936-4944Chem. Mater. 2019, 31, 4936-4944

본 발명은 규소의 도핑량을 증가시켜 리튬이온 전도도가 향상된 황화물계 고체전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a sulfide-based solid electrolyte having improved lithium ion conductivity by increasing the doping amount of silicon.

본 발명은 안티몬(Sb) 대신 규소의 도핑량을 증가시켜 고체전해질의 가격, 무게, 독성을 감소시키는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to reduce the price, weight, and toxicity of a solid electrolyte by increasing the doping amount of silicon instead of antimony (Sb).

또한, 본 발명은 불순물이 형성되지 않는 황화물계 고체전해질의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a sulfide-based solid electrolyte in which impurities are not formed.

또한, 본 발명은 상온에서의 리튬이온 전도도가 높고, 동시에 활성화 에너지가 낮아 저온에서도 리튬이온 전도도가 우수한 황화물계 고체전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a sulfide-based solid electrolyte having high lithium ion conductivity at room temperature and low activation energy and excellent lithium ion conductivity even at low temperatures.

또한, 본 발명은 합성 시간이 짧아 양산에 유리한 황화물계 고체전해질의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a sulfide-based solid electrolyte advantageous for mass production due to a short synthesis time.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The object of the present invention will become clearer from the following description, and will be realized by means and combinations thereof described in the claims.

본 발명의 일 실시예에 따른 황화물계 고체전해질은 하기 화학식1로 표현되는 것일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention may be represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식1][Formula 1]

Li6 + aM1 - aSiaS5XLi 6 + a M 1 - a Si a S 5 X

여기서, 0 ≤ a ≤ 1, M은 Sb, P 및 As로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함하고, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 할로겐 원소를 포함한다.Here, 0 ≤ a ≤ 1, M includes any one or more selected from the group consisting of Sb, P, and As, and X includes any one or more halogen elements selected from the group consisting of Cl, Br and I.

상기 황화물계 고체전해질은 상기 a가 0.7 < a ≤ 1을 만족하는 것일 수 있다.In the sulfide-based solid electrolyte, a may satisfy 0.7 < a ≤ 1.

상기 황화물계 고체전해질은 아지로다이트형 결정구조를 포함하는 것일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may have an azirodite-type crystal structure.

상기 황화물계 고체전해질은 불순물상을 포함하지 않는 것일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may not include an impurity phase.

상기 황화물계 고체전해질은 20 ℃ ~ 30 ℃에서의 리튬이온 전도도가 13 mS/cm 이상인 것일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may have a lithium ion conductivity of 13 mS/cm or more at 20°C to 30°C.

상기 황화물계 고체전해질은 활성화 에너지가 0.18 eV 이하인 것일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may have an activation energy of 0.18 eV or less.

상기 황화물계 고체전해질은 0 ℃ ~ 10 ℃에서의 리튬이온 전도도가 6 mS/cm 이상인 것일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may have a lithium ion conductivity of 6 mS/cm or more at 0°C to 10°C.

본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 제조방법은 Li2S, MbSc (M은 Sb, P 및 As로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함, 0 ≤ b ≤ 5, 0 ≤ c ≤ 5), LiX (X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 할로겐 원소), Si를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계, 상기 출발물질을 분쇄하는 단계 및 분쇄물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.The method for preparing a sulfide-based solid electrolyte according to the present invention includes Li 2 S, M b S c (M includes at least one selected from the group consisting of Sb, P and As, 0 ≤ b ≤ 5, 0 ≤ c ≤ 5 ), LiX (X is any one or more halogen elements selected from the group consisting of Cl, Br, and I), preparing a starting material containing Si, pulverizing the starting material, and heat-treating the pulverized product can do.

상기 제조방법은 상기 출발물질을 볼밀(ball-milling)로 분쇄하되, 400 rpm 내지 600 rpm으로 10분 내지 30분 동안 분쇄한 뒤, 30분 내지 50분 동안 방치하는 것을 반복 실시하여 분쇄하는 것일 수 있다.The manufacturing method may be that the starting material is pulverized with a ball-milling, followed by pulverizing at 400 rpm to 600 rpm for 10 to 30 minutes, and then repeating the steps of leaving for 30 to 50 minutes. there is.

상기 제조방법은 상기 출발물질을 50회 내지 100회 반복 실시하여 분쇄하는 것일 수 있다.The manufacturing method may be pulverizing the starting material by repeating it 50 to 100 times.

상기 제조방법은 상기 분쇄물을 분말 상태로 열처리하는 것일 수 있다.The manufacturing method may be to heat-treat the pulverized product in a powder state.

상기 제조방법은 상기 분쇄물을 진공 상태로 열처리하는 것일 수 있다.The manufacturing method may be to heat-treat the pulverized product in a vacuum state.

상기 제조방법은 상기 분쇄물을 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 3시간 내지 10시간 동안 열처리하는 것일 수 있다.The manufacturing method may be to heat-treat the pulverized product at a temperature of 400° C. to 600° C. for 3 hours to 10 hours.

상기 제조방법은 상기 분쇄물의 열처리를 위해 상온으로부터 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도로 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 승온 속도로 가열하는 것일 수 있다.The manufacturing method may be to heat the pulverized product from room temperature to a temperature of 400 °C to 600 °C at a temperature increase rate of 1 °C/min to 5 °C/min for heat treatment.

본 발명에 따르면 황화물계 고체전해질의 규소 도핑량을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 리튬을 추가로 넣게 되므로 황화물계 고체전해질의 리튬이온 전도도를 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the silicon doping amount of the sulfide-based solid electrolyte can be increased, and thus lithium is additionally added, so that the lithium ion conductivity of the sulfide-based solid electrolyte can be improved.

또한, 본 발명에 따르면 높은 규소(Si) 함량을 갖는 황화물계 고체전해질을 얻을 수 있고, 그에 따라 기존의 안티모니(Sb)의 함량이 줄어들기 때문에 가격과 무게 면에서 큰 이점을 가질 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to obtain a sulfide-based solid electrolyte having a high silicon (Si) content, and accordingly, since the conventional antimony (Sb) content is reduced, it can have great advantages in terms of price and weight.

또한, 본 발명에 따르면 불순물이 형성되지 않는 황화물계 고체전해질을 얻을 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to obtain a sulfide-based solid electrolyte in which impurities are not formed.

또한, 본 발명에 따르면 상온에서의 리튬이온 전도도가 높을 뿐만 아니라, 활성화 에너지가 낮아 저온에서도 리튬이온 전도도가 우수한 황화물계 고체전해질을 얻을 수 있다.In addition, according to the present invention, a sulfide-based solid electrolyte having high lithium ion conductivity at room temperature and low activation energy and excellent lithium ion conductivity even at low temperatures can be obtained.

또한, 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 제조방법은 합성 시간이 짧아 양산에 큰 도움이 될 수 있다. In addition, the method for producing a sulfide-based solid electrolyte according to the present invention can be of great help in mass production because the synthesis time is short.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 제조방법을 도시한 것이다.
도 2a는 실시예1, 실시예2 및 실시예3에 따른 황화물계 고체전해질의 XRD 분석 결과이고, 도 2b는 도 2a 중 2θ = 26°, 30°, 42°부근의 확대된 XRD 패턴이고, 도 2c는 도 2a 중 2θ = 30°, 50° 부근의 확대된 XRD 패턴이다. 도 2b에서는 LiI, Li2S, Li3SbS4, Li4SiS4의 불순물상의 피크가 나타나지 않는다.
실시예2에 따른 황화물계 고체전해질의 XRD 분석 결과이며, 도 2c은 실시예3에 따른 황화물계 고체전해질의 XRD 분석 결과이다.
도 3은 비교예1에 따른 황화물계 고체전해질의 XRD 분석 결과이다.
도 4는 비교예2에 따른 황화물계 고체전해질의 XRD 분석 결과이다.
도 5a는 실시예1에 따른 황화물계 고체전해질의 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 분석 결과이고, 도 5b는 실시예2에 따른 황화물계 고체전해질의 EIS 분석 결과이며, 도 5c는 실시예3에 따른 황화물계 고체전해질의 EIS 분석 결과이다.
도 6은 실시예1 내지 실시예3에 따른 황화물계 고체전해질의 활성화 에너지를 측정한 결과이다.
도 7은 비교예1에 따른 황화물계 고체전해질의 활성화 에너지를 측정한 결과이다.
도 8은 비교예2에 따른 황화물계 고체전해질의 활성화 에너지를 측정한 결과이다.
1 shows a method for preparing a sulfide-based solid electrolyte according to the present invention.
2a is an XRD analysis result of the sulfide-based solid electrolyte according to Examples 1, 2 and 3, and FIG. 2b is an enlarged XRD pattern near 2θ = 26°, 30°, and 42° in FIG. 2a, FIG. 2C is an enlarged XRD pattern in the vicinity of 2θ = 30° and 50° in FIG. 2A. In FIG. 2b , peaks of the impurity phase of LiI, Li 2 S, Li 3 SbS 4 , and Li 4 SiS 4 do not appear.
It is the XRD analysis result of the sulfide-based solid electrolyte according to Example 2, and FIG. 2C is the XRD analysis result of the sulfide-based solid electrolyte according to Example 3.
3 is an XRD analysis result of a sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 1. FIG.
4 is an XRD analysis result of a sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 2.
5A is an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis result of the sulfide-based solid electrolyte according to Example 1, FIG. 5B is an EIS analysis result of the sulfide-based solid electrolyte according to Example 2, and FIG. 5C is a sulfide-based solid electrolyte according to Example 3 These are the results of EIS analysis of solid electrolytes.
6 is a result of measuring the activation energy of the sulfide-based solid electrolyte according to Examples 1 to 3.
7 is a result of measuring the activation energy of the sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 1.
8 is a result of measuring the activation energy of the sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 2.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged than the actual size for clarity of the present invention. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Also, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” another part, it includes not only the case where the other part is “directly on” but also the case where there is another part in between. Conversely, when a part, such as a layer, film, region, plate, etc., is "under" another part, this includes not only cases where it is "directly under" another part, but also a case where another part is in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values, and/or expressions expressing quantities of ingredients, reaction conditions, polymer compositions and formulations used herein, contain all numbers, values and/or expressions in which such numbers essentially occur in obtaining such values, among others. Since they are approximations reflecting various uncertainties in the measurement, it should be understood as being modified by the term "about" in all cases. Also, where the disclosure discloses numerical ranges, such ranges are continuous and inclusive of all values from the minimum to the maximum inclusive of the range, unless otherwise indicated. Furthermore, when such ranges refer to integers, all integers inclusive from the minimum to the maximum inclusive are included, unless otherwise indicated.

도 1은 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 황화물계 고체전해질의 제조방법은 Li2S, MbSc (M은 Sb, P 및 As로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함, 0 ≤ b ≤ 5, 0 ≤ c ≤ 5), LiX (X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 할로겐 원소), Si 를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계(S10), 상기 출발물질을 분쇄하는 단계(S20) 및 분쇄물을 열처리하는 단계(S30)를 포함한다.1 schematically shows a method for manufacturing a sulfide-based solid electrolyte according to the present invention. Referring to this, the method for preparing the sulfide-based solid electrolyte includes Li 2 S, M b S c (M is any one or more selected from the group consisting of Sb, P and As, 0 ≤ b ≤ 5, 0 ≤ c ≤ 5), LiX (X is any one or more halogen elements selected from the group consisting of Cl, Br and I), preparing a starting material containing Si (S10), pulverizing the starting material (S20) and pulverizing and heat-treating the water (S30).

상기 황화물계 고체전해질의 제조방법에 따르면 불순물이 없는 황화물계 고체전해질을 얻을 수 있고, 규소의 도핑량을 종래에 비해 증가시킬 수 있기 때문에 추가 리튬을 넣게 되어 황화물계 고체전해질의 리튬이온 전도도를 향상시킬 수 있다.According to the manufacturing method of the sulfide-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte without impurities can be obtained, and since the doping amount of silicon can be increased compared to the prior art, additional lithium is added to improve the lithium ion conductivity of the sulfide-based solid electrolyte can do it

상기 황화물계 고체전해질은 하기 화학식1로 표현되는 화합물일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may be a compound represented by the following formula (1).

[화학식1][Formula 1]

Li6 + aM1 - aSiaS5XLi 6 + a M 1 - a Si a S 5 X

여기서, 상기 a는 0 ≤ a ≤ 1, 또는 0 < a ≤ 1, 또는 0.7 < a ≤ 1, 또는 0.75 ≤ a ≤ 1을 만족하는 것일 수 있다.Here, a may satisfy 0 ≤ a ≤ 1, or 0 < a ≤ 1, or 0.7 < a ≤ 1, or 0.75 ≤ a ≤ 1.

상기 M은 Sb, P 및 As로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함하는 것일 수 있다.The M may include any one or more selected from the group consisting of Sb, P and As.

상기 X는 할로겐 원소를 포함할 수 있다. 상기 할로겐 원소는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 X가 2 이상의 할로겐 원소를 포함하는 경우 상기 황화물계 고체전해질은 하기 화학식2로 표현되는 화합물일 수 있다.X may include a halogen element. The halogen element may be any one or more selected from the group consisting of Cl, Br, and I. When X includes two or more halogen elements, the sulfide-based solid electrolyte may be a compound represented by Formula 2 below.

[화학식2][Formula 2]

Li6+aM1-aSiaS5X1bX21-b Li 6+a M 1-a Si a S 5 X1 b X2 1-b

여기서, 상기 a 및 M은 전술한 바와 같다.Here, a and M are the same as described above.

상기 X1 및 X2는 서로 다른 할로겐 원소를 의미하고, 상기 b는 0 < b < 1을 만족하는 것일 수 있다.X1 and X2 may represent different halogen elements, and b may satisfy 0<b<1.

이하 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 제조방법의 각 단계를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each step of the method for producing a sulfide-based solid electrolyte according to the present invention will be described in detail.

상기 출발물질에 포함된 각 성분의 함량은 최종적으로 얻고자 하는 황화물계 고체전해질의 조성에 따라 적절히 조절하여 준비할 수 있다.The content of each component included in the starting material can be prepared by appropriately adjusting it according to the composition of the sulfide-based solid electrolyte to be finally obtained.

이후 상기 출발물질을 고에너지 밀링을 통해 분쇄할 수 있다(S20). 구체적으로 상기 출발물질을 볼밀(ball-milling) 방식으로 분쇄할 수 있다. 보다 구체적으로 볼밀 장치를 사용하여 400 rpm 내지 600 rpm의 높은 속도로 10분 내지 30분 동안 분쇄한 뒤, 30분 내지 50분 동안 방치하는 것을 1 사이클이라 할 때, 이를 50회 내지 100회 반복 실시하여 분쇄하는 것일 수 있다. 상기 볼밀 장치의 분쇄 속도, 분쇄 시간, 방치 시간 등이 위 수치 범위 미만이면 상기 출발물질의 반응 및 유리질화가 충분히 일어나지 않을 수 있고, 위 수치 범위를 초과하면 상기 출발물질이 파괴될 가능성이 있다.Thereafter, the starting material may be pulverized through high-energy milling (S20). Specifically, the starting material may be pulverized by a ball-milling method. More specifically, using a ball mill device, grinding at a high speed of 400 rpm to 600 rpm for 10 to 30 minutes and then leaving it for 30 to 50 minutes is referred to as one cycle, and this is repeated 50 to 100 times. to be crushed. If the grinding speed, grinding time, and leaving time of the ball mill device are less than the above numerical range, the reaction and vitrification of the starting material may not sufficiently occur, and if the above numerical range is exceeded, the starting material may be destroyed.

상기 출발물질을 분쇄하는 단계의 총 수행 시간은 한정되지 않으나, 예를 들어 50시간 내지 70시간일 수 있다. The total execution time of the pulverizing the starting material is not limited, but may be, for example, 50 hours to 70 hours.

마지막으로 위와 같은 공정을 거친 분쇄물을 열처리할 수 있다(S30).Finally, the pulverized product that has been subjected to the above process may be heat-treated (S30).

본 발명은 상기 분쇄물을 분말 상태로 열처리하는 것을 특징으로 한다. 후술하겠으나 종래의 황화물계 고체전해질의 제조방법은 원료를 펠릿(pellet) 상태로 열처리한다. 본 발명은 상기 분쇄물을 표면적이 넓은 분말 상태로 열처리하여 상기 분쇄물에 열이 더욱 고르게 전달될 수 있도록 하고, 동시에 불순물을 효과적으로 제거한 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that the pulverized product is heat-treated in a powder state. As will be described later, in the conventional method of manufacturing a sulfide-based solid electrolyte, a raw material is heat-treated in a pellet state. The present invention is characterized in that the pulverized material is heat-treated in a powder state with a large surface area so that heat can be more evenly transmitted to the pulverized material, and impurities are effectively removed at the same time.

또한, 상기 분쇄물을 분말 상태로 열처리함으로써, 열처리 시간을 상당히 줄일 수 있는바 상기 분쇄물을 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 3시간 내지 10시간 동안 열처리할 수 있다. 여기서 상기 분쇄물의 열처리를 위해 상온으로부터 목적하는 열처리의 온도 또는 온도 구간까지 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 승온 속도로 가열할 수 있다. 본 명세서에서 "상온"은 20±5 ℃를 의미할 수 있다.In addition, by heat-treating the pulverized product in a powder state, the heat treatment time can be significantly reduced, and the pulverized product may be heat-treated at a temperature of 400° C. to 600° C. for 3 hours to 10 hours. Here, for the heat treatment of the pulverized product, it may be heated at a temperature increase rate of 1 °C/min to 5 °C/min from room temperature to the desired temperature or temperature range of the heat treatment. In this specification, "room temperature" may mean 20 ± 5 ℃.

상기 분쇄물을 열처리하는 단계의 총 수행 시간은 한정되지 않으나, 예를 들어 7시간 내지 15시간일 수 있다.The total execution time of the step of heat-treating the pulverized material is not limited, but may be, for example, 7 hours to 15 hours.

또한, 상기 분쇄물을 닫힌 계(closed system)에서 진공 상태로 열처리할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 불활성 기체 분위기 등 사용하는 장치, 환경에 따라 적절한 분위기에서 열처리할 수 있다. 다만, 황화물계 고체전해질은 대기 중에서 불안정할 수 있기 때문에 공기 분위기는 피하는 것이 바람직할 수 있다.In addition, the pulverized product may be heat-treated in a vacuum state in a closed system. However, the present invention is not limited thereto, and the heat treatment may be performed in an appropriate atmosphere depending on the device and environment used, such as an inert gas atmosphere. However, since the sulfide-based solid electrolyte may be unstable in the atmosphere, it may be desirable to avoid an air atmosphere.

이하 실시예를 통해 본 발명의 다른 형태를 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described in more detail through Examples. The following examples are only examples to help the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예1Example 1

Li6SbS5I(a=0)로 표현되는 황화물계 고체전해질을 제조하기 위하여 각 출발물질을 칭량하여 준비하였다.In order to prepare a sulfide-based solid electrolyte represented by Li 6 SbS 5 I (a=0), each starting material was weighed and prepared.

상기 출발물질을 볼밀 장치로 분쇄하였다. 약 510 rpm의 속도로 약 20분 밀링한 뒤 약 40분 휴식하였다. 이것을 1 사이클로 하여 총 60 사이클을 반복하였다.The starting material was pulverized with a ball mill. After milling for about 20 minutes at a speed of about 510 rpm, it was rested for about 40 minutes. This was made 1 cycle, and a total of 60 cycles were repeated.

분쇄물을 진공 분위기에서 상온으로부터 약 2 ℃/min의 승온 속도로 약 450 ℃의 온도까지 가열한 뒤, 약 5시간 동안 열처리를 하였다. 상기 분쇄물은 분말 상태의 것을 사용하였다.The pulverized material was heated from room temperature to a temperature of about 450° C. at a temperature increase rate of about 2° C./min in a vacuum atmosphere, and then heat-treated for about 5 hours. The pulverized product was used in a powder state.

열처리를 완료하고 Li6SbS5I로 표현되는 황화물계 고체전해질을 얻었다.After the heat treatment was completed, a sulfide-based solid electrolyte represented by Li 6 SbS 5 I was obtained.

실시예2Example 2

Li6 . 5Sb0 . 5Si0 . 5S5I(a=0.5)로 표현되는 황화물계 고체전해질을 제조하기 위하여 각 출발물질을 칭량하여 준비한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 황화물계 고체전해질을 제조하였다.Li 6 . 5 Sb 0 . 5 Si 0 . A sulfide-based solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that each starting material was weighed and prepared to prepare a sulfide-based solid electrolyte represented by 5 S 5 I (a=0.5).

실시예3Example 3

Li6 . 75Sb0 . 25Si0 . 75S5I(a=0.75)로 표현되는 황화물계 고체전해질을 제조하기 위하여 각 출발물질을 칭량하여 준비한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 황화물계 고체전해질을 제조하였다.Li 6 . 75 Sb 0 . 25 Si 0 . A sulfide-based solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that each starting material was weighed and prepared to prepare a sulfide-based solid electrolyte represented by 75 S 5 I (a=0.75).

비교예1Comparative Example 1

J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19002-19013에 개시된 황화물계 고체전해질을 비교예1로 설정하였다. 비교예1에 따른 황화물계 고체전해질은 하기 화학식2로 표현되는 화합물이다.J. Am. Chem. Soc. The sulfide-based solid electrolyte disclosed in 2019, 141, 19002-19013 was set as Comparative Example 1. The sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 1 is a compound represented by the following formula (2).

[화학식2][Formula 2]

Li6+xSb1-xSixS5ILi 6+x Sb 1-x Si x S 5 I

X=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7X=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7

상기 비교예1은 다음과 같은 방법으로 황화물계 고체전해질을 제조한다. In Comparative Example 1, a sulfide-based solid electrolyte was prepared as follows.

출발물질을 마노 유발(agate mortar)로 혼합하여 혼합물을 얻는다.The starting materials are mixed with an agate mortar to obtain a mixture.

상기 혼합물을 펠릿 상태로 진공 상태에서 열처리를 한다. 구체적으로 500 ℃에서 7일 동안 1차 열처리를 하고, 상기 펠릿을 분쇄한 뒤 다시 펠릿 상태로 만들어 500 ℃에서 7일 동안 2차 열처리를 한다.The mixture is heat-treated in a vacuum state in a pellet state. Specifically, the primary heat treatment is performed at 500° C. for 7 days, and the pellets are pulverized and then re-formed into pellets and subjected to secondary heat treatment at 500° C. for 7 days.

비교예2Comparative Example 2

Chem. Mater. 2019, 31, 4936-4944에 개시된 황화물계 고체전해질을 비교예2로 설정하였다. 비교예2에 따른 황화물계 고체전해질은 하기 화학식3으로 표현되는 화합물이다.Chem. Mater. The sulfide-based solid electrolyte disclosed in 2019, 31, 4936-4944 was set as Comparative Example 2. The sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 2 is a compound represented by the following formula (3).

[화학식3][Formula 3]

Li6+xP1-xSixS5ILi 6+x P 1-x Si x S 5 I

X=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8X=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8

상기 비교예2는 다음과 같은 방법으로 황화물계 고체전해질을 제조한다. In Comparative Example 2, a sulfide-based solid electrolyte was prepared as follows.

출발물질을 마노 유발(agate mortar)로 혼합하여 혼합물을 얻는다.The starting materials are mixed with an agate mortar to obtain a mixture.

상기 혼합물을 펠릿 상태로 진공 상태에서 열처리를 한다. 구체적으로 550 ℃에서 14일 동안 온도를 유지하며 열처리를 한다.The mixture is heat-treated in a vacuum state in a pellet state. Specifically, heat treatment is performed while maintaining the temperature at 550 °C for 14 days.

실험예1 - XRD(X-ray diffraction) 분석Experimental Example 1 - XRD (X-ray diffraction) analysis

실시예1 내지 실시예3, 비교예1 및 비교예2에 따른 황화물계 고체전해질의 XRD 분석을 실시하였다. 실시예1 내지 실시예3에 따른 황화물계 고체전해질의 결과는 도 2a와 같다. 도 2b는 도 2a 중 2θ = 26°, 30°, 42° 부근의 확대된 XRD 패턴이고, 도 2c는 도 2a 중 2θ = 30°, 50° 부근의 확대된 XRD 패턴이다. 비교예1에 따른 황화물계 고체전해질의 결과는 도 3과 같다. 비교예2에 따른 황화물계 고체전해질의 결과는 도 4와 같다.XRD analysis of the sulfide-based solid electrolytes according to Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2 was performed. The results of the sulfide-based solid electrolytes according to Examples 1 to 3 are shown in FIG. 2A. FIG. 2B is an enlarged XRD pattern near 2θ = 26°, 30°, and 42° in FIG. 2A , and FIG. 2C is an enlarged XRD pattern near 2θ = 30° and 50° in FIG. 2A . The result of the sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 1 is shown in FIG. 3 . The result of the sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 2 is shown in FIG. 4 .

도 3을 참조하면, 비교예1은 LiI, Li2S 등의 불순물에 해당하는 피크가 발견됨을 알 수 있다. 또한, 도 4를 참조하면, 비교예2는 규소의 도핑량이 높은 x=0.7, 0.8의 결과에서 2θ = 30° 부근에 불순물에 해당하는 피크가 발견됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that in Comparative Example 1, peaks corresponding to impurities such as LiI and Li 2 S were found. Also, referring to FIG. 4 , it can be seen that in Comparative Example 2, a peak corresponding to an impurity was found near 2θ = 30° in the results of x=0.7 and 0.8 with high silicon doping amount.

한편, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면 실시예1 내지 실시예3은 LiI, Li2S, Li3SbS4, Li4SiS4 등의 불순물에 해당하는 피크가 전혀 발견되지 않고, 2θ = 30° 부근에서도 피크가 갈라지지 않고 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다. 결과적으로 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질은 불순물을 포함하지 않는 것임을 확인할 수 있다.Meanwhile, referring to FIGS. 2A to 2C , in Examples 1 to 3, peaks corresponding to impurities such as LiI, Li 2 S, Li 3 SbS 4 , Li 4 SiS 4 were not found at all, and 2θ = 30° It can be seen that the peak does not split and appears clearly even in the vicinity. As a result, it can be confirmed that the sulfide-based solid electrolyte according to the present invention does not contain impurities.

또한, 실시예1 내지 실시예3은 2θ = 17˚±1.00˚, 24˚±1.00˚, 28˚±1.00˚, 30˚±1.00˚, 38±1.00˚, 42˚±1.00˚, 49˚±1.00˚, 53±1.00˚, 56±1.00˚ 및 59±1.00˚의 범위에서 피크가 나타나는바 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질은 아지로다이트형 결정구조를 가진 것임을 알 수 있다.In addition, Examples 1 to 3 are 2θ = 17˚±1.00˚, 24˚±1.00˚, 28˚±1.00˚, 30˚±1.00˚, 38±1.00˚, 42˚±1.00˚, 49˚± As peaks appear in the ranges of 1.00˚, 53±1.00˚, 56±1.00˚ and 59±1.00˚, it can be seen that the sulfide-based solid electrolyte according to the present invention has an azirodite-type crystal structure.

실험예2 - Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 분석Experimental Example 2 - Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis

실시예1 내지 실시예3에 따른 황화물계 고체전해질의 리튬이온 전도도를 측정하기 위하여 상온에서 교류 임피던스 분석을 수행하였다. 각 분말을 전도도 측정 몰드에 장입하고 1.2 톤의 일축 냉각 압축(Uniaxial Cold Press) 성형을 통해 직경 6mm, 두께 0.5-5 mm의 시료를 제작하였다. 상기 시료에 100mV의 교류 전위를 주고, 1Hz에서 1MHz까지 주파수 스윕(Frequency Sweep)을 실시하여 상기 시료의 임피던스를 얻었다. 실시예1 내지 실시예3의 결과를 각각 도 5a 내지 도 5c에 표시하였다.In order to measure the lithium ion conductivity of the sulfide-based solid electrolytes according to Examples 1 to 3, AC impedance analysis was performed at room temperature. Each powder was charged into a conductivity measuring mold, and a sample having a diameter of 6 mm and a thickness of 0.5-5 mm was prepared through 1.2-ton uniaxial cold press molding. An AC potential of 100 mV was applied to the sample, and a frequency sweep was performed from 1 Hz to 1 MHz to obtain the impedance of the sample. The results of Examples 1 to 3 are shown in FIGS. 5A to 5C, respectively.

이를 참조하면, 실시예1 내지 실시예3의 리튬이온 전도도는 각각 7.81×10-3 mS/cm, 11.6 mS/cm 및 13.1 mS/cm로 측정되었다.Referring to this, the lithium ion conductivity of Examples 1 to 3 was measured to be 7.81×10 −3 mS/cm, 11.6 mS/cm, and 13.1 mS/cm, respectively.

비교예1 및 비교예2에 따른 황화물계 고체전해질의 상온에서의 리튬이온 전도도는 하기 표 1과 같다.The lithium ion conductivity at room temperature of the sulfide-based solid electrolytes according to Comparative Examples 1 and 2 is shown in Table 1 below.

제조방법Manufacturing method 조성Furtherance 리튬이온 전도도(상온)Li-ion conductivity (room temperature) 실시예1Example 1 Li6SbS5ILi 6 SbS 5 I 7.81×10-3 mS/cm7.81×10 -3 mS/cm 실시예2Example 2 Li6 . 5Sb0 . 5Si0 . 5S5ILi 6 . 5 Sb 0 . 5 Si 0 . 5 S 5 I 11.6 mS/cm11.6 mS/cm 실시예3Example 3 Li6.75Sb0.25Si0.75S5ILi 6.75 Sb 0.25 Si 0.75 S 5 I 13.1 mS/cm13.1 mS/cm 비교예1Comparative Example 1 Li6 . 5Sb0 . 5Si0 . 5S5ILi 6 . 5 Sb 0 . 5 Si 0 . 5 S 5 I 9.98 mS/cm9.98 mS/cm 비교예1Comparative Example 1 Li6 . 7Sb0 . 3Si0 . 7S5ILi 6 . 7 Sb 0 . 3 Si 0 . 7 S 5 I 12.6 mS/cm12.6 mS/cm 비교예2Comparative Example 2 Li6 .7P0. 3Si0 . 7S5ILi 6.7 P 0.3 Si 0 . 7 S 5 I 2.0 mS/cm2.0 mS/cm

이를 참조하면, 규소의 도핑량이 유사한 실시예3, 비교예1, 비교예2 중 본 발명에 따른 실시예3의 리튬 이온 전도도가 가장 높다는 것을 알 수 있다.Referring to this, it can be seen that the lithium ion conductivity of Example 3 according to the present invention is the highest among Examples 3, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 in which the doping amount of silicon is similar.

실험예3 - 활성화 에너지(Ea) 측정Experimental Example 3 - Measurement of activation energy (E a )

실시예1 내지 실시예3에 따른 황화물계 고체전해질의 활성화 에너지를 측정하였다. 상기 활성화 에너지는 온도에 따른 이온전도도를 측정하여 Arrhenius 관계식을 이용하여 측정하였다. Arrhenius 관계식은

Figure 112020041893810-pat00001
로, 전도도
Figure 112020041893810-pat00002
는 온도에 따른 exponential 관계식으로 표현되며 (
Figure 112020041893810-pat00003
는 fitting되는 상수 값,
Figure 112020041893810-pat00004
는 볼츠만 상수) 이를 통해,
Figure 112020041893810-pat00005
을 구할 수 있다. 그 결과는 도 6과 같다.The activation energy of the sulfide-based solid electrolytes according to Examples 1 to 3 was measured. The activation energy was measured using the Arrhenius relational expression by measuring the ion conductivity according to the temperature. The Arrhenius relation is
Figure 112020041893810-pat00001
furnace, conductivity
Figure 112020041893810-pat00002
is expressed as an exponential relation according to temperature (
Figure 112020041893810-pat00003
is the constant value to be fitted,
Figure 112020041893810-pat00004
is the Boltzmann constant) through which,
Figure 112020041893810-pat00005
can be obtained The result is shown in FIG. 6 .

비교예1 및 비교예2에 따른 황화물계 고체전해질의 활성화 에너지를 각각 도 7 및 도 8에 표시하였다.The activation energy of the sulfide-based solid electrolyte according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is shown in FIGS. 7 and 8, respectively.

이를 참조하면, 실시예1 내지 실시예3은 활성화 에너지가 각각 0.18 eV, 0.16 eV 및 0.17 eV인 반면에, 비교예2 및 비교예3은 모든 시료의 결과값이 0.2 eV 이상임을 알 수 있다.Referring to this, it can be seen that Examples 1 to 3 have activation energies of 0.18 eV, 0.16 eV, and 0.17 eV, respectively, whereas Comparative Examples 2 and 3 show that all samples have a result value of 0.2 eV or more.

결과적으로 본 발명에 따르면 활성화 에너지가 낮은 황화물계 고체전해질을 얻을 수 있는바, 저온에서의 리튬이온 전도도가 향상되었다고 할 수 있다. 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질은 활성화 에너지가 0.18 eV 이하로써, 25 ℃ ~ 100 ℃에서의 측정값을 Arrhenius 관계식,

Figure 112020041893810-pat00006
을 이용하여 저온에서의 값을 예측하면, 0 ℃ ~ 10 ℃에서의 리튬이온 전도도가 6 mS/cm 이상인 것을 특징으로 한다.As a result, according to the present invention, a sulfide-based solid electrolyte having a low activation energy can be obtained, and it can be said that lithium ion conductivity at low temperature is improved. The sulfide-based solid electrolyte according to the present invention has an activation energy of 0.18 eV or less.
Figure 112020041893810-pat00006
When the value at low temperature is predicted using

종래의 방법으로 제조된 황화물계 고체전해질은 불순물이 존재하고, 합성 시간이 오래 걸리며, 규소의 도핑량에 한계가 있었다.The sulfide-based solid electrolyte prepared by the conventional method contains impurities, takes a long synthesis time, and has a limit in the doping amount of silicon.

반면에 본 발명에 따른 방법으로 황화물계 고체전해질을 제조하면 종래에 비해 규소의 도핑량을 높일 수 있다. 이에 따라 리튬이온 전도도가 향상되고, 안티몬(Sb) 에 대한 규소의 치환량이 높기 때문에 가격, 무게 및 독성이 감소한다. On the other hand, when the sulfide-based solid electrolyte is prepared by the method according to the present invention, the doping amount of silicon can be increased compared to the prior art. Accordingly, the lithium ion conductivity is improved, and since the amount of silicon substitution for antimony (Sb) is high, the price, weight and toxicity are reduced.

또한, 본 발명에 따르면 불순물이 전부 제거된 황화물계 고체전해질을 얻을 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to obtain a sulfide-based solid electrolyte from which all impurities are removed.

이에 더해 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질은 활성화 에너지가 낮기 때문에 저온에서도 높은 리튬이온 전도도를 보인다. 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 상온에서의 리튬이온 전도도(10 mS/cm 이상)와 낮은 활성화 에너지(0.2 eV 이하)는 최초로 보고되는 것이다.In addition, since the sulfide-based solid electrolyte according to the present invention has low activation energy, it exhibits high lithium ion conductivity even at low temperatures. The lithium ion conductivity (10 mS/cm or more) and low activation energy (0.2 eV or less) at room temperature of the sulfide-based solid electrolyte according to the present invention is reported for the first time.

또한, 본 발명에 따르면 위와 같은 황화물계 고체전해질을 짧은 시간 안에 합성할 수 있으므로 양산에도 굉장히 유리하다.In addition, according to the present invention, since the above-described sulfide-based solid electrolyte can be synthesized in a short time, it is very advantageous for mass production.

이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.As the experimental examples and examples of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited to the above-described experimental examples and examples, and the basic concept of the present invention defined in the following claims. Various modifications and improved forms used by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.

Claims (20)

하기 화학식1로 표현되고 불순물상을 포함하지 않는 것인 황화물계 고체전해질.
[화학식1]
Li6+aM1-aSiaS5X
여기서, 0 < a < 1, M은 Sb, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 할로겐 원소를 포함한다.
A sulfide-based solid electrolyte that is represented by the following formula (1) and does not include an impurity phase.
[Formula 1]
Li 6+a M 1-a Si a S 5 X
Here, 0 < a < 1, M is Sb, X includes any one or more halogen elements selected from the group consisting of Cl, Br, and I.
제1항에 있어서,
상기 a는 0.7 < a < 1을 만족하는 것인 황화물계 고체전해질.
According to claim 1,
Wherein a is a sulfide-based solid electrolyte that satisfies 0.7 < a < 1.
제1항에 있어서,
아지로다이트형 결정구조를 포함하는 것인 황화물계 고체전해질.
According to claim 1,
A sulfide-based solid electrolyte comprising an azirodite-type crystal structure.
삭제delete 제1항에 있어서,
20 ℃ ~ 30 ℃에서의 리튬이온 전도도가 13 mS/cm 이상인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질.
According to claim 1,
A sulfide-based solid electrolyte having a lithium ion conductivity of 13 mS/cm or more at 20°C to 30°C.
제1항에 있어서,
활성화 에너지가 0.18 eV 이하인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질.
According to claim 1,
A sulfide-based solid electrolyte, characterized in that the activation energy is 0.18 eV or less.
제1항에 있어서,
0 ℃ ~ 10 ℃에서의 리튬이온 전도도가 6 mS/cm 이상인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질.
According to claim 1,
A sulfide-based solid electrolyte having a lithium ion conductivity of 6 mS/cm or more at 0°C to 10°C.
Li2S, MbSc (M은 Sb, 0 < b ≤ 5, 0 < c ≤ 5), LiX (X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 할로겐 원소임) 및 Si를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;
상기 출발물질을 분쇄하는 단계; 및
분쇄물을 열처리하는 단계를 포함하고,
하기 화학식1로 표현되고 불순물상을 포함하지 않는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
[화학식1]
Li6+aM1-aSiaS5X
여기서, 0 < a < 1, M은 Sb, X는 Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 할로겐 원소를 포함한다.
Li 2 S, M b S c (M is Sb, 0 < b ≤ 5, 0 < c ≤ 5), LiX (X is any one or more halogen elements selected from the group consisting of Cl, Br and I) and Si Preparing a starting material comprising;
grinding the starting material; and
heat-treating the pulverized product;
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte represented by the following formula (1) and does not include an impurity phase.
[Formula 1]
Li 6+a M 1-a Si a S 5 X
Here, 0 < a < 1, M is Sb, X includes any one or more halogen elements selected from the group consisting of Cl, Br, and I.
제8항에 있어서,
상기 a는 0.7 < a < 1을 만족하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
wherein a satisfies 0.7 < a < 1. A method for producing a sulfide-based solid electrolyte.
제8항에 있어서,
아지로다이트형 결정구조를 포함하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte comprising an azirodite-type crystal structure.
삭제delete 제8항에 있어서,
20 ℃ ~ 30 ℃에서의 리튬이온 전도도가 13 mS/cm 이상인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that the lithium ion conductivity at 20°C to 30°C is 13 mS/cm or more.
제8항에 있어서,
활성화 에너지가 0.18 eV 이하인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that the activation energy is 0.18 eV or less.
제8항에 있어서,
0 ℃ ~ 10 ℃에서의 리튬이온 전도도가 6 mS/cm 이상인 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte, characterized in that the lithium ion conductivity at 0 °C to 10 °C is 6 mS/cm or more.
제8항에 있어서,
상기 출발물질을 볼밀(ball-milling)로 분쇄하되,
400 rpm 내지 600 rpm으로 10분 내지 30분 동안 분쇄한 뒤, 30분 내지 50분 동안 방치하는 것을 반복 실시하여 분쇄하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The starting material is pulverized with a ball-milling,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte, wherein the grinding is performed repeatedly at 400 rpm to 600 rpm for 10 to 30 minutes and then left for 30 to 50 minutes.
제15항에 있어서,
상기 출발물질을 50회 내지 100회 반복 실시하여 분쇄하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
16. The method of claim 15,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte in which the starting material is pulverized by repeating 50 to 100 times.
제8항에 있어서,
상기 분쇄물을 분말 상태로 열처리하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte by heat-treating the pulverized product in a powder state.
제8항에 있어서,
상기 분쇄물을 진공 상태로 열처리하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte by heat-treating the pulverized product in a vacuum state.
제8항에 있어서,
상기 분쇄물을 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 3시간 내지 10시간 동안 열처리하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte by heat-treating the pulverized product at a temperature of 400° C. to 600° C. for 3 hours to 10 hours.
제19항에 있어서,
상기 분쇄물의 열처리를 위해 상온으로부터 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도로 1 ℃/min 내지 5 ℃/min의 승온 속도로 가열하는 것인 황화물계 고체전해질의 제조방법.
20. The method of claim 19,
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte in which the pulverized material is heated from room temperature to a temperature of 400° C. to 600° C. at a temperature increase rate of 1° C./min to 5° C./min for heat treatment of the pulverized product.
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