KR102449815B1 - Cathode active material for all solid battery, manufacturing method thereof and all solid battery comprising the cathode active material - Google Patents

Cathode active material for all solid battery, manufacturing method thereof and all solid battery comprising the cathode active material Download PDF

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Abstract

본 발명은 전고체 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기용매에 전구체들이 분산된 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합한 후 이를 건조 및 열처리를 차례로 실시함으로써 리튬 전이금속 산화물 상에 황화물계 고체전해질이 고르게 표면 코팅된 양극 활물질을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 전고체 전지용 양극 활물질은 전극 내 고체전해질과 양극 활물질간의 공극 생성을 억제하고, 고밀도화함으로써 고체전해질 및 활물질의 입자간 접촉 특성을 향상시킬 수 있으며, 대량 생산이 가능하고, 전극의 안정성 및 수명특성을 개선할 수 있다.
The present invention relates to a cathode active material for an all-solid-state battery, a method for manufacturing the same, and an all-solid-state battery comprising the same, and more particularly, to a precursor solution in which precursors are dispersed in an organic solvent is mixed with lithium transition metal oxide, followed by drying and heat treatment By sequentially carrying out, it is possible to form a positive electrode active material in which the surface of the sulfide-based solid electrolyte is uniformly coated on the lithium transition metal oxide.
In addition, the positive active material for an all-solid-state battery of the present invention can improve the contact characteristics between the particles of the solid electrolyte and the active material by suppressing the formation of voids between the solid electrolyte and the positive active material in the electrode and increasing the density, and mass production is possible, and the stability of the electrode and lifespan characteristics can be improved.

Description

전고체 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체 전지{CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR ALL SOLID BATTERY, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND ALL SOLID BATTERY COMPRISING THE CATHODE ACTIVE MATERIAL}A cathode active material for an all-solid-state battery, a manufacturing method thereof, and an all-solid-state battery comprising the same

본 발명은 전고체 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode active material for an all-solid-state battery, a manufacturing method thereof, and an all-solid-state battery comprising the same.

리튬이차전지는 휴대폰, 노트북 등의 소형기기부터 전기 자동차, 전력저장시스템 등의 대형기기까지 널리 사용되며 그 수요가 증가하고 있다. 리튬이차전지의 경우 리튬염이 첨가된 유기 액체 전해질을 이용하므로 전해질의 누액뿐만 아니라 이에 따른 발화 및 폭발의 잠재적인 위험성을 안고 있다.Lithium secondary batteries are widely used from small devices such as mobile phones and laptops to large devices such as electric vehicles and power storage systems, and their demand is increasing. In the case of a lithium secondary battery, since an organic liquid electrolyte to which lithium salt is added is used, there is a potential risk of not only electrolyte leakage but also ignition and explosion.

최근에는 이러한 리튬이차전지가 가진 한계들을 극복하고, 전지의 안정성 향상을 위해 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 전고체 전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 전고체 전지는 고체 전해질을 이용함으로써 온도 변화에 따른 전해액의 증발 또는 외부 충격에 의한 누액이 없으며, 폭발 및 화재로부터의 안정성이 매우 우수한 장점이 있다. 또한 높은 에너지 밀도를 가져 전기자동차 및 전력저장시스템과 같은 중대형 기기에 사용될 수 있다. Recently, research on all-solid-state batteries in which a liquid electrolyte is replaced with a solid electrolyte to overcome the limitations of such lithium secondary batteries and to improve battery stability has been conducted. Since the all-solid-state battery uses a solid electrolyte, there is no evaporation of electrolyte according to temperature change or leakage due to external impact, and has very excellent stability from explosion and fire. In addition, it has high energy density, so it can be used in medium and large-sized devices such as electric vehicles and power storage systems.

이러한 전고체 전지의 성능을 발현하기 위해서는 그 기반이 되는 활물질의 이론 용량을 온전히 발현시킬 수 있을 정도로 전고체 전지 내 고체 전해질 및 활물질의 입자 간 접촉 특성을 향상시키는 것이 중요하다. 그러나 현재까지 연구된 바로는 그 요구 수준에 부합하지 못하고 있다.In order to express the performance of such an all-solid-state battery, it is important to improve the contact characteristics between the particles of the solid electrolyte and the active material in the all-solid-state battery to the extent that the theoretical capacity of the active material, which is the basis thereof, can be fully expressed. However, studies so far have not been able to meet the required level.

한편, 전고체 전지에 주로 사용되는 고체전해질로는 산화물계 및 황화물계 고체전해질이 있으며, 특히 황화물계 고체전해질은 산화물계 고체전해질과 비교하여 우수한 리튬 이온전도도를 가지며 넓은 전압 범위에서 안정적인 장점이 있다. 황화물계 고체전해질은 주로 고상법을 이용하여 제조되는데 고상법의 경우 밀링 용기 내에 출발원료 및 볼을 넣어 분쇄한 후 고에너지를 제공하여 열처리하는 공정으로 이루어진다. 그러나 이러한 고상법을 이용한 고체전해질은 출발원료의 균일한 분산이 어렵고, 비정질화하는데 한계가 있으며, 밀링 용기를 대형화하기 어려워 대량 합성이 용이하지 않은 문제가 있다.On the other hand, solid electrolytes mainly used in all-solid-state batteries include oxide-based and sulfide-based solid electrolytes. In particular, sulfide-based solid electrolytes have superior lithium ion conductivity compared to oxide-based solid electrolytes and are stable over a wide voltage range. . The sulfide-based solid electrolyte is mainly manufactured using a solid-phase method. In the solid-phase method, starting materials and balls are put in a milling vessel and pulverized, and then heat-treated by providing high energy. However, the solid electrolyte using such a solid-phase method has problems in that it is difficult to uniformly disperse the starting material, there is a limit to amorphization, and it is difficult to enlarge the milling vessel, so that mass synthesis is not easy.

따라서 기존의 고체전해질이 가진 한계를 개선하는 동시에 전고체 전지 내 활물질과 고체전해질의 입자 간 접촉 특성을 개선하여 전고체 전지의 성능을 향상시키기 위한 연구 개발이 필요하다.Therefore, there is a need for research and development to improve the performance of the all-solid-state battery by improving the limitations of the existing solid electrolyte and at the same time improving the contact characteristics between the particles of the active material and the solid electrolyte in the all-solid-state battery.

한국공개특허 제2014-0058165호Korea Patent Publication No. 2014-0058165

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어의 표면 전체 또는 일부에 황화물계 고체전해질이 코팅된 전고체 전지용 양극 활물질을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material for an all-solid-state battery in which a sulfide-based solid electrolyte is coated on all or a part of a surface of a core including a lithium transition metal oxide.

또한 본 발명은 전극 내 고체전해질과 활물질간의 공극 생성을 억제하여 고밀도화된 양극 활물질을 포함하는 전고체 전지용 양극을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a positive electrode for an all-solid-state battery comprising a high-density positive electrode active material by suppressing the formation of voids between the solid electrolyte and the active material in the electrode.

또한 본 발명은 전극의 안정성 및 수명특성이 향상된 상기 양극을 포함하는 전고체 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide an all-solid-state battery including the positive electrode having improved stability and lifespan characteristics of the electrode.

또한 본 발명은 전고체 전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a cathode active material for an all-solid-state battery.

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 objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means and combinations thereof described in the claims.

본 발명은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어; 및 상기 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어의 표면 전체 또는 일부에 코팅된 하기 화학식 1로 표시되는 황화물계 고체전해질;을 포함하는 전고체 전지용 양극 활물질로, 상기 양극 활물질은 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물을 포함하는 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합하고, 이를 건조하여 혼합분말을 수득한 후 열처리하여 수득된 것인 전고체 전지용 양극 활물질을 제공한다. The present invention includes a core comprising a lithium transition metal oxide; And a sulfide-based solid electrolyte represented by the following formula (1) coated on all or part of the surface of the core including the lithium transition metal oxide; A positive electrode active material for an all-solid-state battery comprising a, wherein the positive active material is lithium sulfide, phosphorus sulfide and halide To provide a cathode active material for an all-solid-state battery, which is obtained by mixing lithium transition metal oxide with a precursor solution containing the compound, drying it to obtain a mixed powder, and then heat-treating it.

[화학식 1][Formula 1]

LaPbScXd L a P b S c X d

(상기 화학식 1에서 X는 F, Cl, Br 또는 I이고, 0<a≤10이고, 0<b≤10이고, 0<c≤15이고, 0≤d≤20임)로 이루어진 것임)(In Formula 1, X is F, Cl, Br, or I, 0<a≤10, 0<b≤10, 0<c≤15, 0≤d≤20)

상기 리튬 전이금속 산화물은 LiCoO2, LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNiO2, LiCoPO4, LiFePO4, LiMn2O4, LiMnPO4, LiFe1-xMnxPO4(0<x≤0.8), LiVOPO4, Li3V2(PO4)3, LiNi0.5Mn0.5O2, LixM2(PO4)3(M=Fe 또는 Ti이고, 0<x≤3임) 및 Li4+xMn5O12(0<x≤3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The lithium transition metal oxide is LiCoO 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNiO 2 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnPO 4 , LiFe 1-x Mn x PO 4 (0<x≤0.8), LiVOPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LixM 2 (PO 4 ) 3 (M=Fe or Ti, and 0<x≤3) and Li 4+x Mn 5 O 12 (0<x≤3) may be at least one selected from the group consisting of have.

상기 황화물계 고체전해질은 Li3PS4, Li7P3S11, Li6PS5F, Li6PS5Br, Li6PS5Cl 및 Li7P2S8I로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte is one selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , Li 6 PS 5 F, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 Cl and Li 7 P 2 S 8 I. may be more than

상기 황화물계 고체전해질은 입자 크기가 0.1 내지 10 ㎛이고, 이온 전도도가 25 ℃에서 1 x 10-5 내지 5 x 10-3 S/cm일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may have a particle size of 0.1 to 10 μm and an ionic conductivity of 1 x 10 -5 to 5 x 10 -3 S/cm at 25 °C.

상기 황화물계 고체전해질은 X선 회절 분석 결과, 2θ가 ① 13° 내지 14° 범위, ② 16° 내지 18° 범위, ③ 24° 내지 26° 범위, ④ 27° 내지 29° 범위, ⑤ 30° 내지 32° 범위, ⑥ 43° 내지 45° 범위, ⑦ 46° 내지 48° 범위, ⑧ 52° 내지 54° 범위에서 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크, 제4 유효 피크, 제5 유효 피크, 제6 유효 피크, 제7 유효 피크 및 제8 유효 피크를 보이고; 상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 1.6 내지 1.8이고, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 0.1 내지 0.4이며, 상기 (제3 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.7 내지 1.1, 상기 (제4 유효 피크)/(제5 유효 피크)의 세기 비율은 1.2 내지 1.5, 상기 (제5 유효 피크)/(제6 유효 피크)의 세기 비율은 2.5 내지 2.8, 상기 (제6 유효 피크)/(제7 유효 피크)의 세기 비율은 1.2 내지 1.5, 상기 (제7 유효 피크)/(제8 유효 피크)의 세기 비율은 0.5 내지 0.8일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte has an X-ray diffraction analysis result, 2θ is ① 13° to 14° range, ② 16° to 18° range, ③ 24° to 26° range, ④ 27° to 29° range, ⑤ 30° to 32° range, ⑥ 43° to 45° range, ⑦ 46° to 48° range, ⑧ 52° to 54° range, first effective peak, second effective peak, third effective peak, fourth effective peak, fifth an effective peak, a sixth effective peak, a seventh effective peak and an eighth effective peak; an intensity ratio of (first effective peak)/(second effective peak) is 1.6 to 1.8, and an intensity ratio of (second effective peak)/(third effective peak) is 0.1 to 0.4; The intensity ratio of (3rd effective peak)/(4th effective peak) is 0.7 to 1.1, the intensity ratio of (4th effective peak)/(5th effective peak) is 1.2 to 1.5, the (5th effective peak) The intensity ratio of /(6th effective peak) is 2.5 to 2.8, the intensity ratio of (6th effective peak)/(7th effective peak) is 1.2 to 1.5, the (7th effective peak)/(8th effective peak) is ) may have an intensity ratio of 0.5 to 0.8.

상기 양극 활물질은 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%의 황화물계 고체전해질이 코팅될 수 있다.The positive active material may be coated with 0.01 to 10% by weight of a sulfide-based solid electrolyte based on the total weight of the positive active material.

상기 양극 활물질은 X선 회절 분석 결과, 2θ가 16° 내지 20° 범위, ② 35° 내지 37° 범위, ③ 38° 내지 40° 범위, ④ 44° 내지 47° 범위에서 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크 및 제4 유효 피크를 보이고; 상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 2.2 내지 2.5이고, 상기 (제1 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.9 내지 1.2이며, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 4.9 내지 5.2이며, 상기 (제2 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.4 내지 0.7일 수 있다.The positive active material has an X-ray diffraction analysis result, 2θ is in the range of 16° to 20°, ② in the range of 35° to 37°, ③ in the range of 38° to 40°, ④ in the range of 44° to 47°, the first effective peak, the second an effective peak, a third effective peak and a fourth effective peak; an intensity ratio of (first effective peak)/(second effective peak) is 2.2 to 2.5, and an intensity ratio of (first effective peak)/(fourth effective peak) is 0.9 to 1.2, wherein An intensity ratio of (second effective peak)/(third effective peak) may be 4.9 to 5.2, and an intensity ratio of (second effective peak)/(fourth effective peak) may be 0.4 to 0.7.

한편, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 전고체 전지용 양극을 제공한다.Meanwhile, the present invention provides a positive electrode for an all-solid-state battery including the positive electrode active material.

또한, 본 발명은 상기 양극; 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 개제된 고체 전해질;을 포함하는 전고체 전지를 제공한다.In addition, the present invention is the positive electrode; cathode; and a solid electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode.

또한, 본 발명은 유기용매에 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물을 혼합하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 상기 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액을 건조시켜 혼합분말을 수득하는 단계; 및 상기 혼합분말을 불활성 분위기하에서 열처리하여 리튬 전이금속 산화물의 표면 전체 또는 일부에 황화물계 고체전해질이 코팅된 양극 활물질을 제조하는 단계;를 포함하는 전고체 전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a precursor solution by mixing a mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide in an organic solvent; preparing a mixed solution by mixing a lithium transition metal oxide with the precursor solution; drying the mixed solution to obtain a mixed powder; and heat-treating the mixed powder in an inert atmosphere to prepare a positive electrode active material in which a sulfide-based solid electrolyte is coated on all or part of a surface of a lithium transition metal oxide;

상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 리튬 황화물 및 인 황화물이 3~7:1 몰비로 혼합할 수 있다.In the mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide, lithium sulfide and phosphorus sulfide may be mixed in a molar ratio of 3 to 7:1.

상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함하고, 상기 혼합물의 인 황화물 대비 할로겐화 화합물을 1: 0.1~4 몰비로 혼합할 수 있다.The mixture including lithium sulfide and phosphorus sulfide may further include a halogenated compound, and a halogenated compound to phosphorus sulfide of the mixture may be mixed in a molar ratio of 1:0.1 to 4 molar ratio.

상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 0.01~10 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 90~99.99 중량%를 포함할 수 있다.The mixed solution may include 0.01 to 10% by weight of the precursor solution and 90 to 99.99% by weight of the lithium transition metal oxide.

상기 혼합용액을 제조하는 단계는 상온 내지 80 ℃에서 분당 회전수 100 내지 900 rpm 로 6 내지 24 시간 동안 혼합할 수 있다.In the step of preparing the mixed solution, the mixture may be mixed at room temperature to 80° C. at a rotation speed of 100 to 900 rpm for 6 to 24 hours.

상기 혼합분말을 수득하는 단계는 상온 내지 160 ℃에서 1 내지 4시간 동안 진공 건조할 수 있다.The step of obtaining the mixed powder may be vacuum dried at room temperature to 160° C. for 1 to 4 hours.

상기 불활성 분위기는 아르곤, 수소, 질소, 헬륨, 네온, 제논 및 크립톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행할 수 있다.The inert atmosphere may be performed in at least one inert gas selected from the group consisting of argon, hydrogen, nitrogen, helium, neon, xenon, and krypton.

상기 양극 활물질을 제조하는 단계에서 열처리는 250 내지 800 ℃에서 10분 내지 5시간 동안 수행할 수 있다.In the step of preparing the positive active material, the heat treatment may be performed at 250 to 800° C. for 10 minutes to 5 hours.

상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 리튬 황화물 및 인 황화물이 4.3~5.7: 1 몰비로 혼합된 것이고, 상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함하고, 상기 혼합물의 인 황화물 대비 할로겐화 화합물을 1: 1.5~2.5 몰비로 혼합하는 것이고, 상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 4~7 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 93~96 중량%를 포함하고, 상기 혼합용액을 제조하는 단계는 상온에서 분당 회전수 650 내지 850 rpm으로 10 내지 14시간 동안 수행하고, 상기 혼합분말을 수득하는 단계는 95 내지 140 ℃에서 1.5 내지 3 시간 동안 진공 건조하고, 상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행하고, 상기 양극 활물질을 제조하는 단계에서 열처리는 500 내지 600 ℃에서 2.5 내지 3.5시간 동안 수행할 수 있다.The mixture including lithium sulfide and phosphorus sulfide is a mixture of lithium sulfide and phosphorus sulfide in a molar ratio of 4.3 to 5.7: 1, and the mixture including lithium sulfide and phosphorus sulfide further includes a halogenated compound, and phosphorus in the mixture A step of mixing a halogenated compound with respect to a sulfide in a molar ratio of 1: 1.5 to 2.5, wherein the mixed solution contains 4 to 7 wt % of the precursor solution and 93 to 96 wt % of the lithium transition metal oxide, and preparing the mixed solution is carried out for 10 to 14 hours at room temperature at 650 to 850 rpm at revolutions per minute, and the step of obtaining the mixed powder is vacuum dried at 95 to 140 ° C. for 1.5 to 3 hours, and the inert atmosphere is carried out in argon gas, , the heat treatment in the step of preparing the positive active material may be performed at 500 to 600 ℃ for 2.5 to 3.5 hours.

상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함하되, 상기 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물은 5:1:2 몰비로 혼합된 것이고, 상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 5 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 95 중량%를 포함하고, 상기 혼합용액을 제조하는 단계는 상온에서 분당 회전수 700 rpm으로 12시간 동안 수행하고, 상기 혼합분말을 수득하는 단계는 120 ℃에서 2 시간 동안 진공 건조하고, 상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행하고, 상기 양극 활물질을 제조하는 단계에서 열처리는 550 ℃에서 3시간 동안 수행할 수 있다.The mixture comprising lithium sulfide and phosphorus sulfide further includes a halogenated compound, wherein the lithium sulfide, phosphorus sulfide and halogenated compound are mixed in a molar ratio of 5: 1:2, and the mixed solution is 5 wt% of the precursor solution and Containing 95% by weight of the lithium transition metal oxide, the step of preparing the mixed solution is performed at room temperature at 700 rpm per minute for 12 hours, and the step of obtaining the mixed powder is vacuum dried at 120° C. for 2 hours And, the inert atmosphere may be performed in argon gas, and the heat treatment in the step of preparing the positive active material may be performed at 550° C. for 3 hours.

본 발명에 따른 전고체 전지용 양극 활물질은 유기용매에 전구체들이 분산된 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합한 후 이를 건조 및 열처리를 차례로 실시함으로써 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어의 표면 전체 또는 일부에 황화물계 고체전해질이 코팅된 양극 활물질을 형성할 수 있다. The cathode active material for an all-solid-state battery according to the present invention is obtained by mixing lithium transition metal oxide with a precursor solution in which precursors are dispersed in an organic solvent, followed by drying and heat treatment on the whole or part of the surface of the core including lithium transition metal oxide. A positive active material coated with a sulfide-based solid electrolyte may be formed.

또한 본 발명에 따른 전고체 전지용 양극 활물질은 전극 내 고체전해질과 양극 활물질간의 공극 생성을 억제하고 고밀도화함으로써 고체전해질 및 활물질의 입자간 접촉 특성을 향상시킬 수 있으며, 대량 생산이 가능한 이점이 있다. In addition, the positive electrode active material for an all-solid-state battery according to the present invention can improve the contact characteristics between the particles of the solid electrolyte and the active material by suppressing the formation of voids between the solid electrolyte and the positive active material in the electrode and increasing the density, and there is an advantage that can be mass-produced.

또한 본 발명에 따른 전고체 전지용 양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물을 기존의 고상공정 대비 높은 합성 수율 및 순도를 가지며, 결정성 및 이온전도도가 향상된 황화물계 고체전해질로 표면 처리함으로써 전극의 안정성 및 수명특성과 같은 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. In addition, the cathode active material for an all-solid-state battery according to the present invention has a high synthesis yield and purity of lithium transition metal oxide compared to the conventional solid-state process, and is surface-treated with a sulfide-based solid electrolyte with improved crystallinity and ionic conductivity, resulting in electrode stability and lifespan characteristics It is possible to improve the electrochemical performance such as

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 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 황화물계 고체전해질의 X선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 양극 활물질에 대하여 황화물계 고체전해질의 코팅 전(Before coated)과 코팅 후(After coated)의 X선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 4는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 황화물계 고체전해질의 전기화학 임피던스 분석(EIS)결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조된 전고체 전지의 단면에 대한 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조된 전고체 전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
1 shows the results of X-ray diffraction analysis (XRD) of the sulfide-based solid electrolytes prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 according to the present invention.
FIG. 2 shows X-ray diffraction analysis (XRD) results of the sulfide-based solid electrolyte before (Before coated) and after (After coated) the cathode active material prepared in Example 1 according to the present invention.
3 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the positive active material prepared in Example 1 according to the present invention.
4 shows electrochemical impedance analysis (EIS) results of the sulfide-based solid electrolytes prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2;
5 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of a cross-section of the all-solid-state battery prepared in Example 2 according to the present invention.
6 is a graph showing the charging and discharging results of the all-solid-state battery prepared in Example 2 according to the present invention.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of an embodiment.

본 발명에서 "비정질"은 원자들이 규칙적인 배열을 하지 못하고 무질서한 배열을 보이는 것을 의미한다.In the present invention, "amorphous" means that atoms do not have a regular arrangement but show a disordered arrangement.

본 발명에서 "결정질"은 원자들이 규칙적인 배열을 가지며, 원자의 배열이 공간적으로 반복된 패턴을 가지는 것을 의미한다.In the present invention, "crystalline" means that atoms have a regular arrangement, and the arrangement of atoms has a spatially repeated pattern.

본 발명에서 "유효(significant or effective) 피크"란 XRD 데이터에서 분석 조건이나 분석 수행자에 크게 영향을 받지 않고 실질적으로 동일한 패턴으로 반복 검출되는 피크를 의미한다.In the present invention, "significant or effective peak" refers to a peak repeatedly detected in substantially the same pattern without being significantly affected by analysis conditions or an analysis performer in XRD data.

본 발명은 전고체 전지용 양극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a cathode active material for an all-solid-state battery, a manufacturing method thereof, and an all-solid-state battery comprising the same.

구체적으로 본 발명은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어; 및 상기 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어의 표면 전체 또는 일부에 코팅된 하기 화학식 1로 표시되는 황화물계 고체전해질;을 포함하는 전고체 전지용 양극 활물질로, 상기 양극 활물질은 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물을 포함하는 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합하고, 이를 건조하여 혼합분말을 수득한 후 열처리하여 수득된 것인 전고체 전지용 양극 활물질을 제공한다.Specifically, the present invention includes a core comprising a lithium transition metal oxide; And a sulfide-based solid electrolyte represented by the following Chemical Formula 1 coated on all or part of the surface of the core including the lithium transition metal oxide; A positive electrode active material for an all-solid-state battery comprising a, wherein the positive active material is lithium sulfide, phosphorus sulfide and halide To provide a cathode active material for an all-solid-state battery obtained by mixing a lithium transition metal oxide with a precursor solution containing the compound, drying it to obtain a mixed powder, and then performing heat treatment.

[화학식 1][Formula 1]

LaPbScXd L a P b S c X d

(상기 화학식 1에서 X는 F, Cl, Br 또는 I이고, 0<a≤10이고, 0<b≤10이고, 0<c≤15이고, 0≤d≤20임)로 이루어진 것임)(In Formula 1, X is F, Cl, Br, or I, 0<a≤10, 0<b≤10, 0<c≤15, 0≤d≤20)

상기 리튬 전이금속 산화물은 LiCoO2, LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNiO2, LiCoPO4, LiFePO4, LiMn2O4, LiMnPO4, LiFe1-xMnxPO4(0<x≤0.8), LiVOPO4, Li3V2(PO4)3, LiNi0.5Mn0.5O2, LixM2(PO4)3(M=Fe 또는 Ti이고, 0<x≤3임) 및 Li4+xMn5O12(0<x≤3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 리튬 전이금속 산화물은 LiCoO2, LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNiO2, LiCoPO4, LiFePO4, LiMn2O4 및 LiMnPO4,이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 LiCoO2일 수 있다.The lithium transition metal oxide is LiCoO 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNiO 2 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnPO 4 , LiFe 1-x Mn x PO 4 (0<x≤0.8) , LiVOPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LixM 2 (PO 4 ) 3 (M=Fe or Ti, 0<x≤3) and Li 4+x Mn 5 It may be at least one selected from the group consisting of O 12 (0<x≤3). Preferably, the lithium transition metal oxide may be at least one selected from the group consisting of LiCoO 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNiO 2 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiMn 2 O 4 and LiMnPO 4 , and most preferably For example, it may be LiCoO 2 .

상기 황화물계 고체전해질은 Li3PS4, Li7P3S11, Li6PS5F, Li6PS5Br, Li6PS5Cl 및 Li7P2S8I로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 황화물계 고체전해질은 Li6PS5F, Li6PS5Br, Li6PS5Cl, Li6PS5I 및 Li7P2S8I로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 Li6PS5Cl일 수 있다. The sulfide-based solid electrolyte is one selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , Li 6 PS 5 F, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 Cl and Li 7 P 2 S 8 I. may be more than Preferably, the sulfide-based solid electrolyte may be at least one selected from the group consisting of Li 6 PS 5 F, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 I and Li 7 P 2 S 8 I, , most preferably Li 6 PS 5 Cl.

상기 황화물계 고체전해질은 입자 크기가 0.1 내지 10 ㎛이고, 이온 전도도가 25 ℃에서 1 x 10-5 내지 5 x 10-3 S/cm일 수 있다. 바람직하게는 입자 크기가 3 내지 10 ㎛이고, 이온전도도가 3 x 10-4 내지 4 x 10-3 S/cm, 가장 바람직하게는 입자 크기가 5 내지 10 ㎛이고, 이온전도도가 3.77 x 10-3 S/cm일 수 있다. The sulfide-based solid electrolyte may have a particle size of 0.1 to 10 μm and an ionic conductivity of 1 x 10 -5 to 5 x 10 -3 S/cm at 25 °C. Preferably, the particle size is 3 to 10 μm, the ionic conductivity is 3 x 10 -4 to 4 x 10 -3 S/cm, most preferably the particle size is 5 to 10 μm, and the ionic conductivity is 3.77 x 10 - 3 S/cm.

상기 황화물계 고체전해질은 X선 회절 분석 결과, 2θ가 ① 13° 내지 14° 범위, ② 16° 내지 18° 범위, ③ 24° 내지 26° 범위, ④ 27° 내지 29° 범위, ⑤ 30° 내지 32° 범위, ⑥ 43° 내지 45° 범위, ⑦ 46° 내지 48° 범위, ⑧ 52° 내지 54° 범위에서 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크, 제4 유효 피크, 제5 유효 피크, 제6 유효 피크, 제7 유효 피크 및 제8 유효 피크를 보일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte has an X-ray diffraction analysis result, 2θ is ① 13° to 14° range, ② 16° to 18° range, ③ 24° to 26° range, ④ 27° to 29° range, ⑤ 30° to 32° range, ⑥ 43° to 45° range, ⑦ 46° to 48° range, ⑧ 52° to 54° range, first effective peak, second effective peak, third effective peak, fourth effective peak, fifth An effective peak, a sixth effective peak, a seventh effective peak and an eighth effective peak may be seen.

여기서, 상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 1.6 내지 1.8이고, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 0.1 내지 0.4이며, 상기 (제3 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.7 내지 1.1, 상기 (제4 유효 피크)/(제5 유효 피크)의 세기 비율은 1.2 내지 1.5, 상기 (제5 유효 피크)/(제6 유효 피크)의 세기 비율은 2.5 내지 2.8, 상기 (제6 유효 피크)/(제7 유효 피크)의 세기 비율은 1.2 내지 1.5, 상기 (제7 유효 피크)/(제8 유효 피크)의 세기 비율은 0.5 내지 0.8일 수 있다.Here, an intensity ratio of (first effective peak)/(second effective peak) is 1.6 to 1.8, and an intensity ratio of (second effective peak)/(third effective peak) is 0.1 to 0.4, and , the (third effective peak)/(4th effective peak) intensity ratio is 0.7 to 1.1, the (4th effective peak)/(5th effective peak) intensity ratio is 1.2 to 1.5, the (5th effective peak) intensity ratio is The intensity ratio of peak)/(6th effective peak) is 2.5 to 2.8, the intensity ratio of (6th effective peak)/(7th effective peak) is 1.2 to 1.5, the (7th effective peak)/(8th effective peak) is effective peak) may have an intensity ratio of 0.5 to 0.8.

위와 같은 XRD 특성의 결정구조를 가지는 경우, 상기 황화물계 고체전해질은 아지로다이트(Argyrodite)형의 Li6PS5Cl이면서 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만 수득된 황화물계 고체전해질의 순도 및 결정성이 매우 높고, 전극과의 안정적인 계면을 형성하여 높은 에너지밀도를 가지면서 전위안정성 및 이온전도도가 크게 향상됨을 확인하였다.In the case of having the crystal structure of the XRD characteristics as described above, the sulfide-based solid electrolyte is an argyrodite-type Li 6 PS 5 Cl, and the sulfide-based solid electrolyte obtained is not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples. It was confirmed that the purity and crystallinity of the solid electrolyte was very high, and the potential stability and ionic conductivity were greatly improved while having a high energy density by forming a stable interface with the electrode.

상기 양극 활물질은 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 4 내지 7 중량%, 가장 바람직하게는 5 중량%의 황화물계 고체전해질이 코팅될 수 있다. 이때, 상기 황화물계 고체전해질의 코팅량이 0.01 중량% 미만이면 전극 내 활물질과 고체전해질간의 공극 억제와 고밀도화가 충분히 발휘되지 않을 수 있고, 반대로 10 중량% 초과이면 과도한 함량의 고체전해질로 인해 전지 내부에 저항이 발생하여 결과적으로 전지의 성능이 저하될 수 있다.The positive active material may be coated with a sulfide-based solid electrolyte in an amount of 0.01 to 10% by weight, preferably 4 to 7% by weight, and most preferably 5% by weight based on the total weight of the positive active material. At this time, if the coating amount of the sulfide-based solid electrolyte is less than 0.01% by weight, void suppression and densification between the active material and the solid electrolyte in the electrode may not be sufficiently exhibited. Resistance is generated, and as a result, the performance of the battery may be deteriorated.

상기 전고체 전지용 양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어의 표면 전체 또는 일부에 상기 황화물계 고체전해질이 코팅되어 있어 활물질과 고체전해질의 입자간 접촉 특성을 향상시킬 수 있으며 전극 내 공극 형성을 억제하고, 고밀도화할 수 있다.The positive electrode active material for all-solid-state batteries is coated with the sulfide-based solid electrolyte on all or part of the surface of the core including lithium transition metal oxide, so that the contact characteristics between the active material and the solid electrolyte can be improved, and the formation of pores in the electrode is suppressed and densification can be achieved.

상기 양극 활물질은 X선 회절 분석 결과, 2θ가 16° 내지 20° 범위, ② 35° 내지 37° 범위, ③ 38° 내지 40° 범위, ④ 44° 내지 47° 범위에서 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크 및 제4 유효 피크를 보일 수 있다.The positive active material has an X-ray diffraction analysis result, 2θ is in the range of 16° to 20°, ② in the range of 35° to 37°, ③ in the range of 38° to 40°, ④ in the range of 44° to 47°, the first effective peak, the second An effective peak, a third effective peak and a fourth effective peak may be seen.

여기서, 상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 2.2 내지 2.5이고, 상기 (제1 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.9 내지 1.2이며, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 4.9 내지 5.2이며, 상기 (제2 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.4 내지 0.7일 수 있다.Here, the intensity ratio of the (first effective peak)/(the second effective peak) is 2.2 to 2.5, and the intensity ratio of the (first effective peak)/(the fourth effective peak) is 0.9 to 1.2, and , an intensity ratio of (second effective peak)/(third effective peak) may be 4.9 to 5.2, and an intensity ratio of (second effective peak)/(fourth effective peak) may be 0.4 to 0.7.

위와 같은 XRD 특성의 결정구조를 가지는 경우, 상기 양극 활물질은 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만 전극과 고체전해질층의 계면에서 부반응이 발생하지 않았으며, 가역적인 방전 용량의 증대와 율 특성이 향상되었다.In the case of having the crystal structure of the XRD characteristics as described above, the positive active material did not have a side reaction at the interface between the electrode and the solid electrolyte layer, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, and reversible increase in discharge capacity The vortex characteristics were improved.

한편, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 전고체 전지용 양극을 제공한다.Meanwhile, the present invention provides a positive electrode for an all-solid-state battery including the positive electrode active material.

또한, 본 발명은 상기 양극; 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 개제된 고체 전해질;을 포함하는 전고체 전지를 제공한다.In addition, the present invention is the positive electrode; cathode; and a solid electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode.

또한, 본 발명은 유기용매에 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물을 혼합하여 전구체 용액을 제조하는 단계(S1); 상기 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(S2); 상기 혼합용액을 건조시켜 혼합분말을 수득하는 단계(S3); 및 상기 혼합분말을 불활성 분위기하에서 열처리하여 리튬 전이금속 산화물의 표면 전체 또는 일부에 황화물계 고체전해질이 코팅된 양극 활물질을 제조하는 단계(S4);를 포함하는 전고체 전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a precursor solution by mixing a mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide in an organic solvent (S1); preparing a mixed solution by mixing a lithium transition metal oxide with the precursor solution (S2); drying the mixed solution to obtain a mixed powder (S3); and heat-treating the mixed powder in an inert atmosphere to prepare a positive electrode active material in which a sulfide-based solid electrolyte is coated on all or part of the surface of a lithium transition metal oxide (S4); do.

상기 전구체 용액을 제조하는 단계(S1)는 유기용매에 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물을 혼합하여 전구체 용액을 제조할 수 있다. 상기 (S1) 단계는 유기용매에 2종 이상의 전구체들을 혼합하여 분산시킴으로써 고상공정의 분말 혼합에 비해 전구체들의 분산성이 증대되어 미세한 크기의 고체전해질을 합성할 수 있다. In the step (S1) of preparing the precursor solution, a precursor solution may be prepared by mixing a mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide in an organic solvent. In the step (S1), by mixing and dispersing two or more kinds of precursors in an organic solvent, the dispersibility of the precursors is increased compared to powder mixing in the solid-state process, so that a fine-sized solid electrolyte can be synthesized.

상기 유기용매는 아세토니트릴(Acetonitrile), 에틸 아세테이트(Ethyl Acetate), 디부틸에테르(Dibutyl Ether), 에틸 프로피오네이트(Ethyl Propionate) 및 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 유기용매는 아세토니트릴, 에틸아세테이트 및 디부틸에테르로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 아세토니트릴일 수 있다. 상기 아세토니트릴은 우수한 분산 특성을 가지며, 황화물계 고체전해질의 합성 시 다른 유기용매에 비해 월등하게 우수한 입자 크기 및 분포도를 달성할 수 있다. 상기 유기용매는 상기 전구체 용액 전체 중량을 기준으로 30~90 중량%일 수 있다.The organic solvent may be at least one selected from the group consisting of acetonitrile, ethyl acetate, dibutyl ether, ethyl propionate, and tetrahydrofuran. . Preferably, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of acetonitrile, ethyl acetate and dibutyl ether, and most preferably acetonitrile. The acetonitrile has excellent dispersing properties, and can achieve superior particle size and distribution compared to other organic solvents when synthesizing a sulfide-based solid electrolyte. The organic solvent may be 30 to 90% by weight based on the total weight of the precursor solution.

상기 (S1) 단계에서 상기 리튬 황화물은 황화리튬(Li2S)일 수 있고, 상기 인 황화물은 오황화인(P2S5)일 수 있다. 상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 리튬 황화물 및 인 황화물이 3~7:1 몰비, 바람직하게는 4~6: 1 몰비, 보다 바람직하게는 4.3~5.7: 1 몰비, 가장 바람직하게는 5:1 몰비로 혼합된 것일 수 있다. 이때, 상기 리튬 황화물의 비율이 3 몰 미만이면 황화물계 고체전해질의 이온전도도가 급격하게 저하될 수 있고, 반대로 7 몰 초과이면 미반응된 리튬 황화물이 잔여하면서 불순물로 작용할 수 있다.In step (S1), the lithium sulfide may be lithium sulfide (Li 2 S), and the phosphorus sulfide may be phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ). In the mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide, lithium sulfide and phosphorus sulfide are present in a 3-7:1 molar ratio, preferably 4-6:1 molar ratio, more preferably 4.3-5.7:1 molar ratio, most preferably 5 It may be mixed in a molar ratio of 1:1. In this case, if the ratio of lithium sulfide is less than 3 moles, the ionic conductivity of the sulfide-based solid electrolyte may be rapidly reduced, and if it exceeds 7 moles, unreacted lithium sulfide may remain and act as an impurity.

상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 (S1) 단계에서 유기용매에 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물을 혼합하여 1차 교반한 후 상기 할로겐화 화합물을 추가로 혼합하여 2차 교반하는 공정을 수행할 수 있다. 상기 (S1) 단계를 두 번에 걸쳐 교반하게 되면 출발원료들끼리 응집되는 현상을 최대한으로 방지하여 수득되는 황화물계 고체전해질의 입자 크기를 최소화할 수 있다. The mixture including lithium sulfide and phosphorus sulfide may further include a halogenated compound. In the step (S1), a mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide is mixed in an organic solvent and first stirred, and then the halogenated compound is additionally mixed to perform a second stirring process. When the step (S1) is stirred twice, the particle size of the obtained sulfide-based solid electrolyte can be minimized by maximally preventing aggregation of the starting materials.

또한 상기 혼합물의 인 황화물 대비 할로겐화 화합물은 1: 0.1~4 몰비, 바람직하게는 1: 1~3 몰비, 보다 바람직하게는 1: 1.5~2.5 몰비, 가장 바람직하게는 1: 2 몰비로 혼합할 수 있다. 상기 할로겐화 화합물은 황화물계 고체전해질의 이온전도도를 증대시키기 위해 혼합될 수 있다. 이때, 상기 할로겐화 화합물의 비율이 0.1 몰 미만이면 고체전해질의 이온전도도가 저하될 수 있다. 반대로 상기 할로겐화 화합물의 비율이 4 몰 초과이면 더 이상의 향상된 이온전도도를 기대할 수 없고, 미반응 할로겐화 화합물이 불순물로 작용할 수 있다.In addition, the halogenated compound to phosphorus sulfide in the mixture may be mixed in a molar ratio of 1: 0.1 to 4, preferably 1: 1 to 3, more preferably 1: 1.5 to 2.5, and most preferably 1: 2 have. The halogenated compound may be mixed to increase the ionic conductivity of the sulfide-based solid electrolyte. In this case, when the ratio of the halogenated compound is less than 0.1 mol, the ionic conductivity of the solid electrolyte may be reduced. Conversely, if the ratio of the halogenated compound is more than 4 mol, further improved ionic conductivity cannot be expected, and the unreacted halogenated compound may act as an impurity.

상기 할로겐화 화합물은 플루오르화리튬(LiF), 브롬화리튬(LiBr), 염화리튬(LiCl) 및 요오드화리튬(LiI)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 염화리튬(LiCl)일 수 있다. 다른 할로겐 원소들에 비해 상기 염화리튬을 포함하는 고체전해질의 경우 이온전도도가 높을 뿐만 아니라 안정적인 계면을 형성함으로써 계면저항을 현저하게 줄여 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.The halogenated compound may be at least one selected from the group consisting of lithium fluoride (LiF), lithium bromide (LiBr), lithium chloride (LiCl) and lithium iodide (LiI), preferably lithium chloride (LiCl). . Compared to other halogen elements, the solid electrolyte containing lithium chloride has high ionic conductivity and forms a stable interface, thereby significantly reducing interfacial resistance and greatly improving battery performance.

상기 혼합용액을 제조하는 단계(S2)에서 상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 0.01~10 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 90~99.99 중량%를 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 황화물계 고체전해질 4~7 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 93~96 중량%를 혼합할 수 있고, 가장 바람직하게는 상기 황화물계 고체전해질 5 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 95 중량%를 혼합할 수 있다. In the step (S2) of preparing the mixed solution, the mixed solution may include 0.01 to 10% by weight of the precursor solution and 90 to 99.99% by weight of the lithium transition metal oxide. Preferably, 4 to 7 wt% of the sulfide-based solid electrolyte and 93 to 96 wt% of the lithium transition metal oxide may be mixed, and most preferably 5 wt% of the sulfide-based solid electrolyte and 95 wt% of the lithium transition metal oxide % can be mixed.

상기 (S2) 단계는 상온 내지 80 ℃에서 분당 회전수 100 내지 900 rpm 로 6 내지 24 시간 동안 혼합할 수 있다. 바람직하게는 상온에서 분당 회전수 500 내지 800 rpm으로 8 내지 16 시간, 보다 바람직하게는 분당 회전수 650 내지 850 rpm으로 10 내지 14 시간, 가장 바람직하게는 분당 회전수 700 rpm으로 12시간 동안 혼합 교반할 수 있다. In the step (S2), the mixture may be mixed at room temperature to 80° C. at a rotation speed of 100 to 900 rpm for 6 to 24 hours. Preferably mixing and stirring at room temperature for 8 to 16 hours at 500 to 800 rpm at revolutions per minute, more preferably for 10 to 14 hours at 650 to 850 rpm at revolutions per minute, and most preferably at 700 rpm at revolutions per minute for 12 hours. can do.

이때, 상기 교반온도가 상온 미만이거나, 분당 회전수가 100 rpm 미만이거나, 교반시간이 6시간 미만인 경우 전구체들의 분산성이 저하되어 균일한 입자크기를 갖는 고체전해질을 합성할 수 없으며, 상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에 고체전해질이 제대로 코팅되지 않을 수 있다. 반대로 상기 교반온도가 80 ℃ 초과이거나, 분당 회전수가 900 rpm 초과이거나, 교반시간이 24시간 초과인 경우 고체전해질의 입자 크기가 지나치게 성장할 수 있어 바람직하지 않으며, 상기 리튬 전이금속 산화물의 표면에 고체전해질이 과량 코팅되어 양극 활물질의 리튬이온의 이동을 방해할 수 있다. 상기 (S1) 단계는 마그네틱 교반기 또는 초음파 분산기를 이용하여 혼합 교반할 수 있으며, 바람직하게는 마그네틱 교반기를 이용할 수 있다. At this time, when the stirring temperature is less than room temperature, the number of revolutions per minute is less than 100 rpm, or the stirring time is less than 6 hours, the dispersibility of the precursors is lowered, so that a solid electrolyte having a uniform particle size cannot be synthesized, and the lithium transition metal The solid electrolyte may not be properly coated on the surface of the oxide. Conversely, if the stirring temperature exceeds 80 ° C, the number of revolutions per minute exceeds 900 rpm, or the stirring time exceeds 24 hours, it is not preferable because the particle size of the solid electrolyte may grow excessively, and the solid electrolyte on the surface of the lithium transition metal oxide This excessive coating may interfere with the movement of lithium ions in the positive electrode active material. The step (S1) may be mixed and stirred using a magnetic stirrer or an ultrasonic disperser, preferably a magnetic stirrer.

상기 혼합분말을 수득하는 단계(S3)는 상온 내지 160 ℃에서 1 내지 4시간, 바람직하게는 95 내지 140 ℃에서 1.5 내지 3시간, 가장 바람직하게는 120 ℃에서 2시간 동안 진공 건조할 수 있다. 이때, 상기 건조 온도가 상온 미만이거나, 건조 시간이 1 시간 미만인 경우 제대로 건조되지 않아 비정질상의 전구체 분말을 형성할 수 없고, 반대로 상기 건조 온도가 160 ℃ 초과이거나, 건조 시간이 4 시간 초과인 경우 비정질상이 아닌 결정질의 전구체 분말이 형성되어 결과적으로 황화물계 고체전해질의 입자 크기를 조절하는 것이 어렵고 이온전도도가 낮은 상으로의 전이가 발생할 수 있다.The step (S3) of obtaining the mixed powder may be vacuum-dried at room temperature to 160°C for 1 to 4 hours, preferably at 95 to 140°C for 1.5 to 3 hours, and most preferably at 120°C for 2 hours. At this time, if the drying temperature is less than room temperature or the drying time is less than 1 hour, it is not dried properly and thus an amorphous precursor powder cannot be formed. As a result, it is difficult to control the particle size of the sulfide-based solid electrolyte and transition to a phase with low ionic conductivity may occur.

상기 진공 건조는 진공 건조기, 미량 증발 장치 또는 회전 증발 농축기를 사용할 수 있고, 바람직하게는 미량 증발 장치를 사용하여 진공 건조할 수 있다.The vacuum drying may be performed using a vacuum dryer, a micro-evaporator or a rotary evaporator, preferably vacuum-drying using a micro-evaporator.

상기 불활성 분위기는 아르곤, 수소, 질소, 헬륨, 네온, 제논 및 크립톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 불활성 가스에서 수행할 수 있다. 바람직하게는 아르곤, 수소 및 질소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 아르곤 가스에서 수행할 수 있다.The inert atmosphere may be performed in at least one inert gas selected from the group consisting of argon, hydrogen, nitrogen, helium, neon, xenon, and krypton. Preferably, it may be at least one selected from the group consisting of argon, hydrogen and nitrogen, and most preferably, it may be carried out in argon gas.

상기 양극 활물질을 제조하는 단계(S4)에서 열처리는 250 내지 800 ℃에서 10분 내지 5시간, 바람직하게는 400~700 ℃에서 1 내지 4시간, 보다 바람직하게는 500 내지 600 ℃에서 2.5 내지 3.5시간, 가장 바람직하게는 550 ℃에서 3시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도가 250 ℃ 미만이거나, 열처리 시간이 10분 미만이면 결정화가 충분히 진행되지 않을 수 있고, 반대로 상기 열처리 온도가 800 ℃ 초과이거나, 열처리 시간이 5시간 초과이면 황화물계 고체전해질의 입자가 지나치게 커져 균일한 크기의 입자 제조가 어려울 수 있다. 또한 불균일한 입자크기로 인해 이온전도도가 저하될 수 있다.In the step (S4) of preparing the positive active material, the heat treatment is performed at 250 to 800° C. for 10 minutes to 5 hours, preferably at 400 to 700° C. for 1 to 4 hours, more preferably at 500 to 600° C. for 2.5 to 3.5 hours. , most preferably at 550 °C for 3 hours. At this time, if the heat treatment temperature is less than 250 ℃ or the heat treatment time is less than 10 minutes, crystallization may not proceed sufficiently, on the contrary, if the heat treatment temperature is more than 800 ° C. is too large, so it may be difficult to manufacture particles of a uniform size. In addition, the ionic conductivity may be lowered due to the non-uniform particle size.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 전고체 전지용 양극 활물질의 제조방법에 있어서, 상기 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물의 몰비율, 전구체 용액과 리튬 전이금속 산화물의 혼합비율, 교반 조건, 건조 조건 및 열처리 조건을 달리하여 제조된 양극 활물질을 전고체 전지에 적용한 후 300℃의 온도에서 200회 충방전을 실시하여 캐소드 표면을 주사전자현미경(SEM) 분석을 통해 확인하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, in the method for manufacturing a positive electrode active material for an all-solid-state battery according to the present invention, the molar ratio of lithium sulfide, phosphorus sulfide and halogenated compound, precursor solution and lithium transition After applying the cathode active material prepared by varying the mixing ratio of metal oxides, stirring conditions, drying conditions, and heat treatment conditions to an all-solid-state battery, charging and discharging 200 times at a temperature of 300 ° C. to analyze the cathode surface by scanning electron microscope (SEM) was confirmed through

그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 전극과 고체전해질층간의 계면 안정성이 우수하였으며, 이온전도도를 높게 유지하면서 활성화 에너지를 낮추어 전지의 안정성 및 수명특성이 향상되었음을 확인하였다.As a result, unlike other conditions and other numerical ranges, when all of the following conditions were satisfied, the interfacial stability between the electrode and the solid electrolyte layer was excellent, and the stability and lifespan characteristics of the battery were improved by lowering the activation energy while maintaining high ionic conductivity. Confirmed.

① 상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 리튬 황화물 및 인 황화물이 4.3~5.7: 1 몰비로 혼합된 것이고, ② 상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함하고, 상기 혼합물의 인 황화물 대비 할로겐화 화합물을 1: 1.5~2.5 몰비로 혼합하는 것이고, ③ 상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 4~7 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 93~96 중량%를 포함하고, ④ 상기 혼합용액을 제조하는 단계는 상온에서 분당 회전수 650 내지 850 rpm으로 10 내지 14시간 동안 수행하고, ⑤ 상기 혼합분말을 수득하는 단계는 95 내지 140 ℃에서 1.5 내지 3 시간 동안 진공 건조하고, ⑥ 상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행하고, ⑦ 상기 양극 활물질을 제조하는 단계에서 열처리는 500 내지 600 ℃에서 2.5 내지 3.5시간 동안 수행할 수 있다.① The mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide is a mixture of lithium sulfide and phosphorus sulfide in a molar ratio of 4.3 to 5.7:1, ② the mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide further includes a halogenated compound, and the mixture of phosphorus sulfide and halogenated compound in a molar ratio of 1: 1.5 to 2.5, ③ the mixed solution contains 4 to 7 wt% of the precursor solution and 93 to 96 wt% of the lithium transition metal oxide, ④ the mixed solution The manufacturing step is performed at room temperature at 650 to 850 rpm for 10 to 14 hours, ⑤ the step of obtaining the mixed powder is vacuum dried at 95 to 140 ° C. for 1.5 to 3 hours, ⑥ the inert atmosphere is performed in argon gas, and ⑦ heat treatment in the step of preparing the positive active material may be performed at 500 to 600° C. for 2.5 to 3.5 hours.

다만, 상기 7가지 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 이온전도도는 어느 정도 높게 유지되었으나, 활성화 에너지도 함께 높아져 전지의 안정성 및 수명특성이 저하되었다.However, when any one of the above seven conditions was not satisfied, the ionic conductivity was maintained to some extent, but the activation energy was also increased, thereby deteriorating the stability and lifespan characteristics of the battery.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 제조방법에 있어서, 보다 바람직한 아래 조건들을 모두 만족하는 황화물계 고체전해질을 전고체 전지에 적용한 후 800 ℃의 온도에서 500 시간 동안 충방전을 실시하여 캐소드 표면을 주사전자현미경(SEM) 분석을 통해 확인하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, in the method for producing a sulfide-based solid electrolyte according to the present invention, after applying a sulfide-based solid electrolyte satisfying all of the following more desirable conditions to an all-solid-state battery The cathode surface was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) analysis by carrying out charging and discharging at a temperature of 800° C. for 500 hours.

그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 고온에서 작동한 후에도 전극 내 양극 활물질이 유실되지 않고 고밀도 상태로 유지되어 열적 안정성과 전지의 수명 특성이 매우 우수한 것을 확인하였다.As a result, unlike in other conditions and other numerical ranges, it was confirmed that when all of the following conditions were satisfied, the positive active material in the electrode was not lost and maintained in a high-density state even after operation at a high temperature, which confirmed that the thermal stability and lifespan characteristics of the battery were very excellent. .

① 상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함하되, 상기 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물은 5:1:2 몰비로 혼합된 것이고, ② 상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 5 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 95 중량%를 포함하고, ③ 상기 혼합용액을 제조하는 단계는 상온에서 분당 회전수 700 rpm으로 12시간 동안 수행하고, ④ 상기 혼합분말을 수득하는 단계는 120 ℃에서 2 시간 동안 진공 건조하고, ⑤ 상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행하고, ⑥ 상기 양극 활물질을 제조하는 단계에서 열처리는 550 ℃에서 3시간 동안 수행할 수 있다.① The mixture including lithium sulfide and phosphorus sulfide further includes a halogenated compound, wherein the lithium sulfide, phosphorus sulfide and halogenated compound are mixed in a molar ratio of 5: 1:2, ② The mixed solution is the precursor solution by weight of 5 % and 95% by weight of the lithium transition metal oxide, ③ preparing the mixed solution is performed at room temperature at 700 rpm at revolutions per minute for 12 hours, ④ obtaining the mixed powder is 2 at 120 ° C. Vacuum drying for time, ⑤ the inert atmosphere is performed in argon gas, ⑥ heat treatment in the step of preparing the positive electrode active material may be performed at 550 ℃ for 3 hours.

다만, 상기 6가지 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 황화물계 고체전해질이 열에 의해 일부 유실되어 전극 표면에 다수의 공극이 생성되었고, 에너지밀도가 저하되어 전지의 수명이 급격하게 저하되었다.However, when any one of the above six conditions is not satisfied, some of the sulfide-based solid electrolyte is lost by heat, and a number of pores are generated on the electrode surface, and the energy density is lowered, resulting in a sharp decrease in the lifespan of the battery.

이상과 같이, 본 발명에 따른 전고체 전지용 양극 활물질은 유기용매에 전구체들이 분산된 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합한 후 이를 건조 및 열처리를 차례로 실시함으로써 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어의 표면 전체 또는 일부에 황화물계 고체전해질이 코팅된 양극 활물질을 형성할 수 있다. As described above, the cathode active material for an all-solid-state battery according to the present invention mixes a lithium transition metal oxide with a precursor solution in which precursors are dispersed in an organic solvent, and then drying and heat-treating it sequentially. A positive active material in which all or part of a sulfide-based solid electrolyte is coated may be formed.

상기 양극 활물질은 전극 내 고체전해질과 양극 활물질간의 공극 생성을 억제하고 고밀도화함으로써 고체전해질 및 활물질의 입자간 접촉 특성을 향상시킬 수 있으며, 대량 생산이 가능한 이점이 있다. 상기 양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물을 기존의 고상공정 대비 높은 합성 수율 및 순도를 가지며, 결정성 및 이온전도도가 향상된 황화물계 고체전해질로 표면 처리함으로써 전극의 안정성 및 수명특성과 같은 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. The positive active material can improve the contact characteristics between the particles of the solid electrolyte and the active material by suppressing the formation of voids between the solid electrolyte and the positive active material in the electrode and increasing the density, and has the advantage that mass production is possible. The positive electrode active material has a higher synthesis yield and purity than the conventional solid-state process of lithium transition metal oxide, and by surface-treating the lithium transition metal oxide with a sulfide-based solid electrolyte with improved crystallinity and ionic conductivity, electrochemical performance such as stability and lifespan characteristics of the electrode is improved can do it

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1: 전고체 전지용 양극 활물질 제조Example 1: Preparation of a cathode active material for an all-solid-state battery

모든 실험은 수분 및 산소에 노출되지 않는 글러브박스에서 수행하였다. 황화 리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 염화리튬(LiCl)을 몰 비율 기준으로 5:1:2로 정량하여 아세토니트릴(Acetonitrile)에 넣어 전구체 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 전구체 용액 95 중량%에 리튬 전이금속 산화물인 LiCoO2 5 중량%를 혼합하여 상온에서 700 rpm으로 12시간 동안 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 이때 상기 유기용매는 혼합용액 전체 중량에 대하여 40 중량%였다. 그 다음 상기 혼합용액을 미량 증발 장치에 넣고 120℃에서 2시간 동안 진공 건조하여 혼합분말을 제조하였다. 그런 다음 상기 혼합분말을 아르곤 분위기에서 550℃에서 3시간 동안 열처리하여 LiCoO2의 표면 전체 또는 일부에 황화물계 고체전해질(Li6PS5Cl)이 코팅된 양극 활물질을 제조하였다. 이때, 코팅된 상기 황화물계 고체전해질은 양극 활물질 전체 중량에 대하여 5 중량%였으며, 입자크기는 5 내지 10 ㎛였다. All experiments were performed in a glove box not exposed to moisture and oxygen. Lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium chloride (LiCl) were quantified at a molar ratio of 5::1:2 and put in acetonitrile to prepare a precursor solution. Then, 95 wt% of the precursor solution was mixed with 5 wt% of LiCoO 2 , a lithium transition metal oxide, and stirred at room temperature at 700 rpm for 12 hours to prepare a mixed solution. At this time, the organic solvent was 40% by weight based on the total weight of the mixed solution. Then, the mixed solution was put into a micro-evaporator and vacuum dried at 120° C. for 2 hours to prepare a mixed powder. Then, the mixed powder was heat-treated at 550° C. for 3 hours in an argon atmosphere to prepare a cathode active material coated with a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) on all or part of the surface of LiCoO 2 . At this time, the coated sulfide-based solid electrolyte was 5 wt% based on the total weight of the positive electrode active material, and the particle size was 5 to 10 μm.

실시예 2: 전고체 전지의 제조Example 2: Preparation of an all-solid-state battery

상기 실시예 1의 황화물계 고체전해질(Li6PS5Cl) 0.15g을 15ㅨ 크기의 몰드에 넣어 고체전해질층을 가압 성형하고, 상기 고체전해질층의 일면에 표면처리된 상기 실시예 1에서 제조된 양극 활물질, NCM523(니켈, 코발트, 망간), 상기 황화물계 고체전해질 및 VGCF(vapor grown carbon nanofiber)를 혼합한 복합 양극 0.03g을 가압하였다. 또한 상기 고체전해질층의 다른 일면에 Li-In alloy 분말 0.1g을 가압하여 전고체 전지를 제조하였다. 0.15 g of the sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) of Example 1 was put into a 15 ㅨ mold, the solid electrolyte layer was press-molded, and one surface of the solid electrolyte layer was surface-treated prepared in Example 1 0.03 g of a composite positive electrode in which NCM523 (nickel, cobalt, manganese), the sulfide-based solid electrolyte and VGCF (vapor grown carbon nanofiber) were mixed was pressurized. In addition, an all-solid-state battery was prepared by pressing 0.1 g of Li-In alloy powder on the other surface of the solid electrolyte layer.

비교예 1: 액상법(Liquid synthesized)에 의해 제조된 황화물계 고체전해질을 이용한 양극 활물질 제조Comparative Example 1: Preparation of a cathode active material using a sulfide-based solid electrolyte prepared by liquid synthesized

비정질의 전구체 분말을 형성하지 않고, 아세토니트릴(Acetonitrile)에 황화 리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 염화리튬(LiCl)을 혼합하여 전구체 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 전구체 용액을 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 양극 활물질을 제조하였다.A precursor solution was prepared by mixing lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium chloride (LiCl) in acetonitrile without forming an amorphous precursor powder. Then, a cathode active material was prepared in the same manner as in Example 1 using the precursor solution.

비교예 2: 고상법(Solid synthesized)에 의해 제조된 황화물계 고체전해질을 이용한 양극 활물질 제조Comparative Example 2: Preparation of a positive active material using a sulfide-based solid electrolyte prepared by solid synthesized

황화 리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 염화리튬(LiCl)을 혼합한 후 볼 밀링하여 혼합분말을 제조하였다. 그 다음 아세토니트릴에 상기 혼합분말 5 중량%와 리튬 전이금속 산화물인 LiCoO2 95 중량%를 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 양극 활물질을 제조하였다.Lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium chloride (LiCl) were mixed and then ball milled to prepare a mixed powder. Then, 5% by weight of the mixed powder and 95% by weight of LiCoO 2 , which is a lithium transition metal oxide, were mixed in acetonitrile in the same manner as in Example 1 to prepare a cathode active material.

실험예 1: X선 회절(XRD), 주사전자현미경(FE-SEM) 및 전기화학 임피던스(EIS) 분석Experimental Example 1: X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (FE-SEM) and electrochemical impedance (EIS) analysis

상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 황화물계 고체전해질과 상기 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 합성성분 및 형태를 확인하기 위해 XRD(X-ray diffraction) 및 FE-SEM(Scanning Electron Microscope) 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 1 내지 4에 나타내었다. XRD (X-ray diffraction) and FE-SEM (Scanning Electron) to confirm the composition and shape of the sulfide-based solid electrolyte prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 and the cathode active material prepared in Example 1 Microscope) analysis was performed. The results are shown in FIGS. 1 to 4 .

도 1은 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 황화물계 고체전해질의 X선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2는 모두 동일한 위치에서 피크가 확인되어 합성된 고체전해질의 성분이 동일한 것을 알 수 있었다. 특히, 상기 실시예 1(dried after dispersion)의 경우 각 피크의 세기(intensity)가 상기 비교예 1(Liquid synthesized) 및 2(Solid synthesized)에 비해 상대적으로 더 높은 것을 확인하였다. 이를 통해 합성된 황화물계 고체전해질의 수율 및 순도가 가장 우수한 것을 알 수 있었다.1 shows the results of X-ray diffraction analysis (XRD) of the sulfide-based solid electrolytes prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 above. Referring to FIG. 1 , in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, peaks were confirmed at the same position, and it was found that the components of the synthesized solid electrolyte were the same. In particular, in the case of Example 1 (dried after dispersion), it was confirmed that the intensity of each peak was relatively higher than Comparative Examples 1 (Liquid synthesized) and 2 (Solid synthesized). Through this, it was found that the yield and purity of the synthesized sulfide-based solid electrolyte were the best.

도 2는 상기 실시예 1에서 제조된 양극 활물질에 대하여 황화물계 고체전해질의 코팅 전(Before coated)과 코팅 후(After coated)의 X선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 황화물계 고체전해질의 코팅 전(Before coated)과 코팅 후(After coated) 모두 동일한 위치에서 피크가 확인된 것으로 보아 리튬 전이금속 산화물 표면에 황화물계 고체전해질이 잘 코팅되었음을 알 수 있었다. 또한 황화물계 고체전해질의 코팅 후(After coated) 각 피크의 세기가 코팅 전(Before coated)에 비해 샘플링이 각각 이루어짐에 따라 다소 낮아졌으나, 각 위치의 피크 세기의 비율은 유사한 것을 확인하였다.FIG. 2 shows the results of X-ray diffraction analysis (XRD) of the positive active material prepared in Example 1 before (Before coated) and after (After coated) the sulfide-based solid electrolyte was coated. Referring to FIG. 2, peaks were confirmed at the same position both before and after coating of the sulfide-based solid electrolyte, indicating that the sulfide-based solid electrolyte was well coated on the surface of the lithium transition metal oxide. could In addition, the intensity of each peak after coating (After coated) of the sulfide-based solid electrolyte was slightly lower than that of before coating (Before coated), as each sampling was performed, but it was confirmed that the ratio of peak intensity at each position was similar.

도 3은 상기 실시예 1에서 제조된 양극 활물질의 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 실시예 1의 양극 활물질은 황화물계 고체전해질에 함유된 원소들이 리튬 전이금속 산화물 표면 상에 고르게 분산되어 있음을 확인하였다.3 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the positive active material prepared in Example 1. FIG. Referring to FIG. 3, in the positive active material of Example 1, it was confirmed that the elements contained in the sulfide-based solid electrolyte were uniformly dispersed on the surface of the lithium transition metal oxide.

도 4는 상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 황화물계 고체전해질의 전기화학 임피던스 분석(EIS)결과를 나타낸 것이다. 상기 EIS 분석 결과에 대하여 이온전도도는 다음의 계산식에 의해 산출하였다. 4 shows electrochemical impedance analysis (EIS) results of the sulfide-based solid electrolytes prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2; With respect to the EIS analysis result, the ion conductivity was calculated by the following formula.

[이온전도도 = 두께(mm)/{저항(Ω) x 면적(mm2)}] [Ion conductivity = thickness (mm)/{resistance (Ω) x area (mm 2 )}]

상기 도 4를 참조하면, 상기 실시예 1(dried after dispersion)은 임피던스 저항값이 48.76 Ω이었고, 이온전도도는 3.77 x 10-3 S/cm였다. 또한 상기 비교예 1(Liquid synthesized)는 임피던스 저항값이 172.30 Ω였고, 이온전도도는 1.85 x 10-3 S/cm였다. 또한 상기 비교예 2(Solid synthesized)은 임피던스 저항값이 131.42 Ω였고, 이온전도도는 2.42 x 10-3 S/cm였다. 이를 통해, 상기 실시예 1은 상기 비교예 1 및 2에 비해 임피던스 저항값이 가장 낮았으며, 이온전도도는 가장 높은 값을 가지는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 4, in Example 1 (dried after dispersion), the impedance resistance value was 48.76 Ω, and the ionic conductivity was 3.77 x 10 -3 S/cm. In addition, in Comparative Example 1 (Liquid synthesized), the impedance resistance value was 172.30 Ω, and the ionic conductivity was 1.85 x 10 -3 S/cm. In addition, in Comparative Example 2 (solid synthesized), the impedance resistance value was 131.42 Ω, and the ionic conductivity was 2.42 x 10 -3 S/cm. Through this, it was confirmed that Example 1 had the lowest impedance resistance value and the highest ionic conductivity compared to Comparative Examples 1 and 2.

실험예 2: 충/방전 평가 및 전기화학 임피던스(EIS) 분석Experimental Example 2: Charge/discharge evaluation and electrochemical impedance (EIS) analysis

상기 실시예 2에서 제조된 전고체 전지를 이용하여 2.0~3.6 V 구간에서 0.1 C rate의 조건으로 충방전 실험을 실시하였다. 그 결과는 도 5 및 6에 나타내었다.A charging/discharging experiment was performed using the all-solid-state battery prepared in Example 2 under the condition of 0.1 C rate in the range of 2.0 to 3.6 V. The results are shown in FIGS. 5 and 6 .

도 5는 상기 실시예 2에서 제조된 전고체 전지의 단면에 대한 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다. 상기 도 5를 참조하면, 상기 실시예 2의 전고체 전지는 황화물계 고체전해질에 함유된 원소들이 전극 상에 고르게 분산되어 있음을 확인하였다.5 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of a cross-section of the all-solid-state battery prepared in Example 2. FIG. Referring to FIG. 5 , in the all-solid-state battery of Example 2, it was confirmed that the elements contained in the sulfide-based solid electrolyte were uniformly dispersed on the electrode.

도 6은 상기 실시예 2에서 제조된 전고체 전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 실시예 2의 전고체 전지는 황화물계 고체전해질이 전극 상에 공극없이 고밀도로 형성됨으로써 전지 구동이 잘 이루어지는 것을 확인하였다. 6 is a graph showing the charging and discharging results of the all-solid-state battery prepared in Example 2. Referring to FIG. 6 , in the all-solid-state battery of Example 2, it was confirmed that the sulfide-based solid electrolyte was formed at a high density without voids on the electrode, so that the battery was well driven.

Claims (19)

리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어; 및
상기 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 코어의 표면 전체 또는 일부에 코팅된 하기 화학식 1로 표시되는 황화물계 고체전해질;을 포함하는 전고체 전지용 양극 활물질로,
상기 양극 활물질은 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물을 포함하는 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액을 건조하여 혼합분말을 수득한 후 열처리하여 수득된 것이고,
상기 전구체 용액은 유기용매에 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물을 혼합하여 1차 교반한 후 상기 할로겐화 화합물을 추가로 혼합하여 2차 교반한 것이고,
상기 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물을 포함하는 전구체 용액은 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물이 4.3~5.7: 1: 1.5~2.5 몰비로 혼합된 것이고,
상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 4~7 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 93~96 중량%를 포함하고,
상기 혼합용액은 상온에서 분당 회전수 650 내지 850 rpm으로 10 내지 14 시간 동안 수행하여 제조되고,
상기 혼합분말은 95 내지 140 ℃에서 1.5 내지 3 시간 동안 진공 건조하여 수득하고,
상기 열처리는 아르곤 가스에서 500 내지 600 ℃에서 2.5 내지 3.5 시간 동안 수행하는 것이고,
상기 황화물계 고체전해질은 입자 크기가 5 내지 10 ㎛이고, 이온 전도도가 25 ℃에서 3.77 x 10-3 S/cm인 것인 전고체 전지용 양극 활물질.
[화학식 1]
LaPbScXd
(상기 화학식 1에서 X는 F, Cl, Br 또는 I이고, 0<a≤10이고, 0<b≤10이고, 0<c≤15이고, 0≤d≤20임)로 이루어진 것임)
a core comprising lithium transition metal oxide; and
A positive electrode active material for an all-solid-state battery comprising; a sulfide-based solid electrolyte represented by the following Chemical Formula 1 coated on all or part of the surface of the core including the lithium transition metal oxide,
The positive active material is obtained by mixing a lithium transition metal oxide with a precursor solution containing lithium sulfide, phosphorus sulfide and a halogenated compound to prepare a mixed solution, drying the mixed solution to obtain a mixed powder, and then heat-treating,
The precursor solution is obtained by mixing a mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide in an organic solvent and first stirring, followed by second stirring by further mixing the halogenated compound,
The precursor solution comprising lithium sulfide, phosphorus sulfide and halogenated compound is a mixture of lithium sulfide, phosphorus sulfide and halogenated compound in a molar ratio of 4.3 to 5.7: 1: 1.5 to 2.5,
The mixed solution contains 4 to 7% by weight of the precursor solution and 93 to 96% by weight of the lithium transition metal oxide,
The mixed solution is prepared by performing for 10 to 14 hours at room temperature at 650 to 850 rpm per minute,
The mixed powder is obtained by vacuum drying at 95 to 140 ℃ for 1.5 to 3 hours,
The heat treatment is to be performed for 2.5 to 3.5 hours at 500 to 600 ℃ in argon gas,
The sulfide-based solid electrolyte has a particle size of 5 to 10 μm, and an ionic conductivity of 3.77 x 10 -3 S/cm at 25° C. The cathode active material for an all-solid-state battery.
[Formula 1]
L a P b S c X d
(In Formula 1, X is F, Cl, Br, or I, 0<a≤10, 0<b≤10, 0<c≤15, 0≤d≤20)
제1항에 있어서,
상기 리튬 전이금속 산화물은 LiCoO2, LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, LiNiO2, LiCoPO4, LiFePO4, LiMn2O4, LiMnPO4, LiFe1-xMnxPO4(0<x≤0.8), LiVOPO4, Li3V2(PO4)3, LiNi0.5Mn0.5O2, LixM2(PO4)3(M=Fe 또는 Ti이고, 0<x≤3임) 및 Li4+xMn5O12(0<x≤3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전고체 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The lithium transition metal oxide is LiCoO 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNiO 2 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnPO 4 , LiFe 1-x Mn x PO 4 (0<x≤0.8) , LiVOPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LixM 2 (PO 4 ) 3 (M=Fe or Ti, 0<x≤3) and Li 4+x Mn 5 O 12 (0<x≤3) is at least one selected from the group consisting of a positive electrode active material for an all-solid-state battery.
제1항에 있어서,
상기 황화물계 고체전해질은 Li3PS4, Li7P3S11, Li6PS5F, Li6PS5Br, Li6PS5Cl 및 Li7P2S8I로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전고체 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The sulfide-based solid electrolyte is one selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , Li 6 PS 5 F, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 Cl and Li 7 P 2 S 8 I. The positive active material for an all-solid-state battery that is the above.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 황화물계 고체전해질은 X선 회절 분석 결과, 2θ가 ① 13° 내지 14° 범위, ② 16° 내지 18° 범위, ③ 24° 내지 26° 범위, ④ 27° 내지 29° 범위, ⑤ 30° 내지 32° 범위, ⑥ 43° 내지 45° 범위, ⑦ 46° 내지 48° 범위, ⑧ 52° 내지 54° 범위에서 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크, 제4 유효 피크, 제5 유효 피크, 제6 유효 피크, 제7 유효 피크 및 제8 유효 피크를 보이고;
상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 1.6 내지 1.8이고, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 0.1 내지 0.4이며, 상기 (제3 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.7 내지 1.1, 상기 (제4 유효 피크)/(제5 유효 피크)의 세기 비율은 1.2 내지 1.5, 상기 (제5 유효 피크)/(제6 유효 피크)의 세기 비율은 2.5 내지 2.8, 상기 (제6 유효 피크)/(제7 유효 피크)의 세기 비율은 1.2 내지 1.5, 상기 (제7 유효 피크)/(제8 유효 피크)의 세기 비율은 0.5 내지 0.8인 것인 전고체 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The sulfide-based solid electrolyte has an X-ray diffraction analysis result, 2θ is ① 13° to 14° range, ② 16° to 18° range, ③ 24° to 26° range, ④ 27° to 29° range, ⑤ 30° to 32° range, ⑥ 43° to 45° range, ⑦ 46° to 48° range, ⑧ 52° to 54° range, first effective peak, second effective peak, third effective peak, fourth effective peak, fifth an effective peak, a sixth effective peak, a seventh effective peak and an eighth effective peak;
an intensity ratio of (first effective peak)/(second effective peak) is 1.6 to 1.8, and an intensity ratio of (second effective peak)/(third effective peak) is 0.1 to 0.4; The intensity ratio of (3rd effective peak)/(4th effective peak) is 0.7 to 1.1, the intensity ratio of (4th effective peak)/(5th effective peak) is 1.2 to 1.5, the (5th effective peak) The intensity ratio of /(6th effective peak) is 2.5 to 2.8, the intensity ratio of (6th effective peak)/(7th effective peak) is 1.2 to 1.5, the (7th effective peak)/(8th effective peak) is ) of the positive active material for an all-solid-state battery that the intensity ratio is 0.5 to 0.8.
제1항에 있어서,
상기 양극 활물질은 양극 활물질 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%의 황화물계 고체전해질이 코팅되어 있는 것인 전고체 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The cathode active material is a cathode active material for an all-solid-state battery in which 0.01 to 10% by weight of a sulfide-based solid electrolyte is coated based on the total weight of the cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 양극 활물질은 X선 회절 분석 결과, 2θ가 16° 내지 20° 범위, ② 35° 내지 37° 범위, ③ 38° 내지 40° 범위, ④ 44° 내지 47° 범위에서 제1 유효 피크, 제2 유효 피크, 제3 유효 피크 및 제4 유효 피크를 보이고;
상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 세기(intensity) 비율은 2.2 내지 2.5이고, 상기 (제1 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.9 내지 1.2이며, 상기 (제2 유효 피크)/(제3 유효 피크)의 세기 비율은 4.9 내지 5.2이며, 상기 (제2 유효 피크)/(제4 유효 피크)의 세기 비율은 0.4 내지 0.7인 것인 전고체 전지용 양극 활물질.
According to claim 1,
The positive active material has an X-ray diffraction analysis result, 2θ is in the range of 16° to 20°, ② in the range of 35° to 37°, ③ in the range of 38° to 40°, ④ in the range of 44° to 47°, the first effective peak, the second an effective peak, a third effective peak and a fourth effective peak;
an intensity ratio of (first effective peak)/(second effective peak) is 2.2 to 2.5, and an intensity ratio of (first effective peak)/(fourth effective peak) is 0.9 to 1.2, wherein The (second effective peak)/(third effective peak) intensity ratio is 4.9 to 5.2, and the (second effective peak)/(fourth effective peak) intensity ratio is 0.4 to 0.7. active material.
제1항의 양극 활물질을 포함하는 전고체 전지용 양극.
A positive electrode for an all-solid-state battery comprising the positive active material of claim 1 .
제8항의 양극;
음극; 및
상기 양극 및 음극 사이에 개제된 고체 전해질;
을 포함하는 전고체 전지.
The positive electrode of claim 8;
cathode; and
a solid electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode;
An all-solid-state battery comprising a.
유기용매에 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물을 혼합하여 1차 교반한 후 할로겐화 화합물을 추가로 혼합하여 2차 교반하여 전구체 용액을 제조하는 단계;
상기 전구체 용액에 리튬 전이금속 산화물을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 혼합용액을 건조시켜 혼합분말을 수득하는 단계; 및
상기 혼합분말을 불활성 분위기하에서 열처리하여 리튬 전이금속 산화물의 표면 전체 또는 일부에 황화물계 고체전해질이 코팅된 양극 활물질을 제조하는 단계;
를 포함하고,
상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 리튬 황화물 및 인 황화물이 4.3~5.7: 1 몰비로 혼합된 것이고,
상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함하고, 상기 혼합물의 인 황화물 대비 할로겐화 화합물을 1: 1.5~2.5 몰비로 혼합하는 것이고,
상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 4~7 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 93~96 중량%를 포함하고,
상기 혼합용액을 제조하는 단계는 상온에서 분당 회전수 650 내지 850 rpm으로 10 내지 14 시간 동안 수행하고,
상기 혼합분말을 수득하는 단계는 95 내지 140 ℃에서 1.5 내지 3 시간 동안 진공 건조하고,
상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행하고,
상기 양극 활물질을 제조하는 단계에서 열처리는 500 내지 600 ℃에서 2.5 내지 3.5 시간 동안 수행하는 것이고,
상기 황화물계 고체전해질은 입자 크기가 5 내지 10 ㎛이고, 이온 전도도가 25 ℃에서 3.77 x 10-3 S/cm인 것인 전고체 전지용 양극 활물질의 제조방법.
preparing a precursor solution by mixing a mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide in an organic solvent and first stirring, followed by additional mixing of a halogenated compound and second stirring;
preparing a mixed solution by mixing a lithium transition metal oxide with the precursor solution;
drying the mixed solution to obtain a mixed powder; and
preparing a positive electrode active material in which a sulfide-based solid electrolyte is coated on all or part of a surface of a lithium transition metal oxide by heat-treating the mixed powder in an inert atmosphere;
including,
The mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide is a mixture of lithium sulfide and phosphorus sulfide in a molar ratio of 4.3 to 5.7: 1,
The mixture containing lithium sulfide and phosphorus sulfide further includes a halogenated compound, and a mixture of a halogenated compound with respect to phosphorus sulfide of the mixture in a molar ratio of 1: 1.5 to 2.5,
The mixed solution contains 4 to 7% by weight of the precursor solution and 93 to 96% by weight of the lithium transition metal oxide,
The step of preparing the mixed solution is performed at room temperature at 650 to 850 rpm for revolutions per minute for 10 to 14 hours,
The step of obtaining the mixed powder is vacuum-dried at 95 to 140 ℃ for 1.5 to 3 hours,
The inert atmosphere is carried out in argon gas,
In the step of preparing the positive active material, the heat treatment is performed at 500 to 600° C. for 2.5 to 3.5 hours,
The sulfide-based solid electrolyte has a particle size of 5 to 10 µm, and an ionic conductivity of 3.77 x 10 -3 S/cm at 25 °C.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 리튬 황화물 및 인 황화물을 포함하는 혼합물은 할로겐화 화합물을 더 포함하되, 상기 리튬 황화물, 인 황화물 및 할로겐화 화합물은 5:1:2 몰비로 혼합된 것이고,
상기 혼합용액은 상기 전구체 용액 5 중량% 및 상기 리튬 전이금속 산화물 95 중량%를 포함하고,
상기 혼합용액을 제조하는 단계는 상온에서 분당 회전수 700 rpm으로 12시간 동안 수행하고,
상기 혼합분말을 수득하는 단계는 120 ℃에서 2 시간 동안 진공 건조하고,
상기 불활성 분위기는 아르곤 가스에서 수행하고,
상기 양극 활물질을 제조하는 단계에서 열처리는 550 ℃에서 3시간 동안 수행하는 것인 전고체 전지용 양극 활물질의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The mixture comprising lithium sulfide and phosphorus sulfide further includes a halogenated compound, wherein the lithium sulfide, phosphorus sulfide and halogenated compound are mixed in a molar ratio of 5: 1:2,
The mixed solution contains 5% by weight of the precursor solution and 95% by weight of the lithium transition metal oxide,
The step of preparing the mixed solution is carried out at room temperature at 700 rpm at the number of revolutions per minute for 12 hours,
The step of obtaining the mixed powder is vacuum-dried at 120 ° C. for 2 hours,
The inert atmosphere is carried out in argon gas,
In the step of preparing the cathode active material, the heat treatment is performed at 550° C. for 3 hours.
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