KR102443704B1 - 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법 - Google Patents
메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탈 콜로이드 입자를 금속 전극 호일에 직접 코팅하여 원하는 조성의 고체 전해질 소재를 설계할 수 있으며, 고체 전해질 형성층에 복잡한 파우더 프로세싱 공정 없이 롤투롤 방법에 의해 순차적으로 황화 반응을 유도함으로써 공극 없는 황화물계 고체 전해질 소재를 형성할 수 있는 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탈 콜로이드 입자를 금속 전극 호일에 코팅하고 순차적으로 롤투롤(Roll-to-roll) 방법에 의해 황화 반응을 유도하여 황화물계 고체 전해질을 형성하는 방법에 관한 것이다.
이차전지는 반복적인 충 방전을 통해 반영구적으로 사용가능한 전지로, 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장했다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 의미하며, 이차전지의 핵심 4대 소재는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성된다.
대표적인 이차전지인 리튬이온전지의 경우, 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피 소형화가 가능하며, 보통 배터리보다 높은 출력 구현이 가능하다는 이점이 있다. 리튬이온전지는 소형 배터리 시장에서 전기차, 중대형 시장으로 급속한 성장 중에 있으며, 미래 산업의 핵심기술로 적용 가능하며 다양한 산업으로 확장 가능성이 있다.
그러나, 일반적인 이차전지 리튬이온전지는 유기용매를 함유하는 액체전해질을 사용하기 때문에 유기용매의 사용에 따른 누출, 충격, 발화 및 폭발 등에 의한 전지의 안정성에 있어서 여러 문제점이 있다.
이에 따라, 기존 리튬이차전지의 구성요소 가운데 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 전고체전지가 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 전고체 전지는 고체 전해질을 사용함에 따라 화재 및 폭발 위험이 현저히 줄어들어 배터리의 활용 범위가 넓어지고 제조공정이 단순화되며 고에너지 밀도화 가능한 장점이 있다.
종래 전고체전지는 전고체전지의 핵심 구성인 고체 전해질을 형성하기 위하여 원하는 조성의 황화물 파우더 합성, 전극 코팅, 압연 및 열처리 등과 같은 복잡한 과정을 거치는 문제가 있다.
특히 (1) 황화물 파우더를 치밀화하는 공정에서 기합성된 세라믹 입자는 공극 없이 치밀화하기 어렵다는 점과 (2) 기합성된 세라믹 입자는 양극과 음극을 구성하는 입자들과 균질한 계면을 형성하기 어려운 단점을 가지고 있다.
본 발명은 메탈 콜로이드 입자를 금속 전극 호일(Foil)에 직접 코팅하여 원하는 조성의 고체전해질 소재를 설계하고, 복잡한 파우더 프로세싱 공정 없이 롤투롤 방법에 의한 순차적인 황화 반응을 유도함으로써 공극 없는 황화물계 고체 전해질 소재를 형성할 수 있는 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 금속 전극 호일에 메탈 콜로이드 입자를 직접 코팅하는 고체 전해질층 형성 단계;
(b) (a)단계에서 형성된 고체 전해질 층에 황 소스 공급을 통해 황화 반응을 유도하여 황화물계 고체 전해질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법을 제공한다.
상기 고체 전해질층을 형성하는 직접 코팅 단계에서, 상기 메탈 콜로이드 입자는 구리(Cu), 리튬(Li), 게르마늄(Ge), 인(P), 실리콘(Si), 나트륨(Na), 몰리브데늄(Mo), 란타늄(La), 지르코늄(Zr) 단일 금속입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 합금 금속입자 중 적어도 어느 하나로 이루어진 콜로이드 형태인 것일 수 있다.
상기 황화 반응을 유도하는 황화물계 고체 전해질층 형성 단계에서, 상기 황 소스 공급은 황화수소(H2S), 황 기체(S Vapor), 메틸메르캅탄(CH3SH) 중 적어도 하나를 포함하며, 기체의 연속 또는 펄스 공급에 의해 공급되어 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법에 의하면, 구리, 리튬 등의 단일금속 콜로이드 입자 또는 금속합금 콜로이드 입자를 금속 전극 호일에 직접 코팅하여 원하는 조성의 고체 전해질 소재를 설계할 수 있다.
또한, 고체 전해질 형성층에 복잡한 파우더 프로세싱 공정 없이 롤투롤 방법에 의해 순차적으로 황화 반응을 유도함으로써 공극 없는 황화물계 고체 전해질 소재를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 콜로이드 입자를 이용하여 금속 전극 호일에 직접 코팅하는 단계의 과정을 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 전극 호일에 코팅한 고체 전해질 형성층에 황 소스 공급을 통해 순차적인 황화반응을 유도하는 단계의 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 콜로이드 입자를 이용하여 금속 전극 호일에 직접 코팅하는 단계의 과정을 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 전극 호일에 코팅한 고체 전해질 형성층에 황 소스 공급을 통해 순차적인 황화반응을 유도하는 단계의 과정을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태는 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법에 관한 것으로서,
금속 전극 호일에 메탈 콜로이드 입자를 직접 코팅하는 고체 전해질층 형성 단계;
상기 단계에서 형성된 고체 전해질층에 황 소스 공급을 통해 황화 반응을 유도하여 황화물계 고체 전해질층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 본 발명의 방법은 메탈 콜로이드 입자를 전극에 직접 코팅하여 고체 전해질 층을 형성하기 위한 것이며, 메탈 콜로이드를 전극에 직접 코팅한 후 롤투롤 방식에 의해 순차적으로 황 소스를 공급함으로써 황화물계 고체 전해질을 제조하기 위한 것이다. 또한, 발생할 수 있는 전극-금속입자 계면의 공극 또는 금속 입자 사이의 공극을 최소화시킬 수 있다.
여기서 롤투롤 방식은, 전극 공정에서 소재를 회전하는 롤(Roll)에 감으면서 물질을 도포, 코팅 또는 인쇄하는 것이다. 이러한 롤투롤 방식의 기술은 대면적화 및 공정 간소화에 적합한 장점으로 이차전지 산업에 있어서 그 중요도가 상승하고 있다. 본 발명은 이러한 롤투롤 방식에 의한 순차적 공정 방법을 통해 메탈 콜로이드 입자를 전극에 코팅하고, 코팅한 메탈 콜로이드 고체 전해질 형성층에 순차적으로 황 소스를 공급하여 공극을 최소화한 황화물계 고체 전해질을 형성시키기 위한 것이다.
본 발명의 메탈 콜로이드와 같이 단일금속 입자 또는 금속합금 입자가 도입된 콜로이드형 전해질은 계면의 물성을 직접적으로 제어할 수 있어 고체 전해질을 간단히 설계할 수 있는 장점이 있다. 고체 전해질은 유기계(고분자) 전해질과 무기계 전해질로 나누어진다. 본 발명의 메탈 콜로이드와 같은 콜로이드형 전해질은 무기계 전해질로 구분될 수 있다.
상기 메탈 콜로이드 입자는 구리(Cu), 리튬(Li), 게르마늄(Ge), 인(P), 실리콘(Si), 나트륨(Na), 몰리브데늄(Mo), 란타늄(La), 지르코늄(Zr) 단일 금속입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 합금 금속입자 중 적어도 어느 하나로 이루어진 콜로이드 형태인 것일 수 있다.
상기 메탈 콜로이드 입자에는 분산성 확보와 도핑의 목적에 의하여 염소(Cl), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na) 등이 포함될 수 있으며, polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene difluoride (PVDF), poly(methyl methacrylate) (PMMA) 등의 분자와 함께 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
콜로이드형 전해질 형성에 사용 가능한 분산매는 fluoroethylene carbonate (FEC), poly(ethylene glycol) (PEG), dimethylsulfoxide (DMSO), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC)의 단일 용매 또는 이들의 혼합물이 포함될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에서, 황 소스 공급은 황화수소(H2S), 황 기체(S Vapor), 메틸메르캅탄(CH3SH) 중 적어도 하나를 포함하며, 기체의 연속 또는 펄스 공급에 의해 공급되는 것을 특징으로 한다. 금속 전극 호일에 메탈 콜로이드 입자를 직접 코팅하여 형성시킨 고체 전해질층에 순차적으로 기체의 공급 또는 펄스 공급에 의해 황 소스를 공급하여 황화 반응을 유도함으로써 황화물계 고체 전해질을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서 황 소스에는 싸이올(Thiol) 기를 포함하는 싸이올계 분자(Thiol-containing molecules)가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 황 소스 공급 시 금속 전극 호일은 메탈 콜로이드의 종류에 따라 상온 내지 500 °C 범위에서 가열된 상태일 수 있다.
종래 기술에서와 같이, 원하는 조성의 황화물 파우더를 1차 합성하여 전극에 코팅해야하는 번거로움이나, 황화물 파우더의 조성 및 결정성 확보를 위해 고에너지 볼밀 등의 공정을 사용하거나, 고체 전해질 형성을 위한 압연 및 열처리 등의 복잡한 과정을 거치지 않고, 금속 전극 호일에 직접 코팅한 메탈 콜로이드 고체 전해질 층에 황 소스를 공급함으로써 황화 반응을 유도할 수 있다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (3)
- 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법에 있어서,
(a) 금속 전극 호일에 메탈 콜로이드 입자를 직접 코팅하는 고체 전해질층 형성 단계;
(b) (a)단계에서 형성된 고체 전해질층에 황 소스 공급을 통해 황화 반응을 유도하여 황화물계 고체 전해질층을 형성하는 단계;를 포함하는 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법
- 제 1항에 있어서,
상기 메탈 콜로이드 입자는 구리(Cu), 리튬(Li), 게르마늄(Ge), 인(P), 실리콘(Si), 나트륨(Na), 몰리브데늄(Mo), 란타늄(La), 지르코늄(Zr) 단일 금속입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 합금 금속입자 중 적어도 어느 하나로 이루어진 콜로이드 입자 형태인 것을 특징으로 하는 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법
- 제 1항에 있어서,
상기 황 소스 공급은 황화수소(H2S), 황 기체(S Vapor), 메틸메르캅탄(CH3SH) 중 적어도 하나를 포함하며, 기체의 연속 또는 펄스 공급에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 메탈 콜로이드 입자를 이용한 고체 전해질의 롤투롤 형성 방법.
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