KR102464823B1 - Anode for lithium metal battery, manufacturing method of the same, lithium metal battery including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 리튬 금속 전지용 음극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 본 발명의 일 구현예에서는, 리튬 금속(Li-metal) 음극; 및 상기 리튬 금속(Li-metal) 음극의 일면 또는 양면에 위치하는, 질화리튬(Li3N) 박막;을 포함하는, 리튬 금속 전지용 음극을 제공한다.
The present invention relates to a negative electrode for a lithium metal battery, a manufacturing method thereof, and a lithium metal battery including the same.
Specifically, in one embodiment of the present invention, a lithium metal (Li-metal) negative electrode; and a lithium nitride (Li 3 N) thin film positioned on one or both surfaces of the lithium metal (Li-metal) negative electrode.

Description

리튬 금속 전지용 음극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지{ANODE FOR LITHIUM METAL BATTERY, MANUFACTURING METHOD OF THE SAME, LITHIUM METAL BATTERY INCLUDING THE SAME}Anode for lithium metal battery, manufacturing method thereof, and lithium metal battery comprising the same

본 발명은, 리튬 금속 전지용 음극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 금속 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium metal battery, a manufacturing method thereof, and a lithium metal battery including the same.

리튬 금속 전지는, 리튬 금속(Li-metal)이나 리튬 합금(Li-alloy) 소재의 음극 활물질을 적용하는 전지이며, 이론적으로 매우 높은 에너지 용량을 가지는 이점이 있다.A lithium metal battery is a battery to which an anode active material of lithium metal (Li-metal) or a lithium alloy (Li-alloy) material is applied, and has the advantage of theoretically having a very high energy capacity.

다만, 리튬 금속 전지는, 그 이점에도 불구하고, 안정적 구동이 어려워, 상용화 단계에는 이르지 못한 상태이다. 구체적으로, 리튬 메탈 또는 리튬 합금은, 특히 카보네이트계 유기 용매를 포함하는 전해액과 (전기)화학적 반응성이 높은 소재이다. 이로 인해, 리튬 금속 전지의 구동 사이클이 진행될수록, 음극 표면에는 전해액과의 부반응에 의한 저항층이 형성되고, 그러한 저항층이 형성된 음극 표면에서의 리튬 이온의 전착/탈리는 불균일하게 이루어지고, 점차 전지 용량이 감소하며, 결국 전지 구동이 멈출 수 밖에 없다.However, the lithium metal battery, despite its advantages, is difficult to drive stably and has not reached the commercialization stage. Specifically, lithium metal or lithium alloy is a material having high (electro)chemical reactivity with an electrolyte containing a carbonate-based organic solvent. For this reason, as the driving cycle of the lithium metal battery proceeds, a resistance layer is formed on the surface of the negative electrode due to a side reaction with the electrolyte, and the electrodeposition/desorption of lithium ions on the surface of the negative electrode on which the resistance layer is formed becomes non-uniform, and gradually The battery capacity is reduced, and eventually, the battery has no choice but to stop.

이와 관련하여, 리튬 금속 음극의 표면에 보호막을 형성하는 다양한 소재와 방법이 제안되었으나, 현재까지 제안된 소재와 방법으로는 음극과 전해액의 계면을 안정화면서도 음극 표면에서 리튬 이온의 균일한 전착/탈리를 지속시키는데 한계가 있다. In this regard, various materials and methods for forming a protective film on the surface of a lithium metal negative electrode have been proposed. However, the materials and methods proposed so far have stabilized the interface between the negative electrode and the electrolyte and uniform electrodeposition/desorption of lithium ions from the surface of the negative electrode. There is a limit to sustain.

본 발명의 구현예들에서는, 리튬 금속 음극과 전해액(특히, 카보네이트계 유기 용매를 포함하는 전해액)의 계면을 안정화면서도, 음극 표면에서 리튬 이온의 균일한 전착/탈리를 지속시키기 위하여, 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating) 방법을 이용함으로써, 질화리튬(Li3N) 소재 보호막을 수 ㎚ 내지 수백 ㎛ 수준으로 형성하는 기술을 제시한다. In embodiments of the present invention, in order to maintain the uniform electrodeposition/desorption of lithium ions on the surface of the anode, dip coating ( dip coating) or a spray coating method, a technique for forming a lithium nitride (Li 3 N) material protective film to a level of several nm to several hundreds of μm is proposed.

구체적으로, 본 발명의 일 구현예에서는, 리튬 금속(Li) 음극; 및 상기 리튬 금속(Li) 음극의 금속판의 일면 또는 양면에 위치하는, 질화리튬(Li3N) 박막;을 포함하는, 리튬 금속 전지용 음극을 제공한다.Specifically, in one embodiment of the present invention, a lithium metal (Li) negative electrode; and a lithium nitride (Li 3 N) thin film positioned on one or both surfaces of the metal plate of the lithium metal (Li) negative electrode.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating) 방법으로, 리튬 금속(Li) 음극의 일면 또는 양면에, 질화리튬(Li3N) 박막을 형성하는 단계;를 포함하는, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, by a dip coating or spray coating method, on one or both surfaces of a lithium metal (Li) negative electrode, forming a lithium nitride (Li 3 N) thin film; It provides a method of manufacturing a negative electrode for a lithium metal battery, comprising a.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 상기 일 구현예의 음극; 카보네이트계 유기 용매 및 상기 카보네이트계 유기 용매에 해리되는 리튬 염을 포함하는 전해액; 및 양극;을 포함하는, 리튬 금속 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the negative electrode of the embodiment; an electrolyte comprising a carbonate-based organic solvent and a lithium salt dissociated into the carbonate-based organic solvent; and a positive electrode; provides a lithium metal battery comprising.

본 발명의 구현예들에 따르면, 리튬 금속 음극과 전해액(특히, 카보네이트계 유기 용매를 포함하는 전해액)의 계면을 안정화면서도 음극 표면에서 리튬 이온의 균일한 전착/탈리를 지속시킬 수 있고, 궁극적으로는 리튬 금속 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.According to the embodiments of the present invention, uniform electrodeposition/desorption of lithium ions from the surface of the anode can be sustained while stabilizing the interface between the lithium metal anode and the electrolyte (especially, the electrolyte including the carbonate-based organic solvent), and ultimately can improve the lifespan characteristics of a lithium metal battery.

도 1은, 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 4의 각 리튬 금속 전지의 90 사이클 구동에 따른 용량 유지율을 도시한 것이다.1 shows the capacity retention rate according to 90 cycle driving of each lithium metal battery of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 4;

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. As used throughout this specification, the terms "about," "substantially," and the like are used in a sense at or close to the numerical value when presented with manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning, and are intended to enhance the understanding of this application. To help, precise or absolute figures are used to prevent unfair use by unscrupulous infringers of the stated disclosure. The term "step of" or "step of" to the extent used throughout this specification does not mean "step for".

본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In the present specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, and the components It means to include one or more selected from the group consisting of.

위와 같은 정의를 기반으로, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들은 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Based on the above definition, embodiments of the present invention will be described in detail. However, these are presented as examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

리튬 금속 전지용 음극Anode for lithium metal battery

본 발명의 일 구현예에서는, 리튬 금속(Li) 음극; 및 상기 리튬 금속(Li) 음극의 일면 또는 양면에 위치하며, 20 ㎚ 초과 400 ㎛ 이하의 두께를 가지는, 단일층의 질화리튬(Li3N) 박막;을 포함하는, 리튬 금속 전지용 음극을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a lithium metal (Li) negative electrode; and a single-layer lithium nitride (Li 3 N) thin film positioned on one or both sides of the lithium metal (Li) negative electrode and having a thickness of greater than 20 nm and less than or equal to 400 μm; .

보호막(protective film ( 질화리튬lithium nitride 박막) pellicle)

전술한 바와 같이, 리튬 금속 음극 표면에 보호막을 형성하는 다양한 기술이 제안되었으나, 현재까지 제안된 기술로는 음극과 전해액의 계면을 안정화면서도 음극 표면에서 리튬 이온의 균일한 전착/탈리를 지속시키는데 한계가 있었다. As described above, various techniques for forming a protective film on the surface of a lithium metal anode have been proposed, but the techniques proposed so far have limitations in stabilizing the interface between the anode and the electrolyte while maintaining uniform electrodeposition/desorption of lithium ions from the surface of the anode. there was

구체적으로, Li3N 및 LIBON의 다중층 보호막이 제안된 바 있다. 그러나 이는, Li3N과 LiBON 계면 저항과, LiBON과 전해액 계면 저항으로 인하여, 리튬 금속 전지의 수명 특성을 저하시키는 문제가 있다. 이뿐만 아니라, 기재인 리튬 메탈(Li metal)의 표면이 균일하지 않은 경우, 그 표면에 코팅되는 Li3N 층과 LiBON 층 또한 불균일하게 생성되어, 음극 표면의 전자 밀도를 불균일하게 하는 문제가 있다. Specifically, a multilayer protective film of Li 3 N and LIBON has been proposed. However, this has a problem of lowering the lifespan characteristics of the lithium metal battery due to the Li 3 N and LiBON interface resistance and the LiBON and the electrolyte solution interface resistance. In addition, when the surface of the lithium metal (Li metal), which is the base material, is not uniform, the Li 3 N layer and the LiBON layer coated on the surface are also non-uniformly generated, and there is a problem of non-uniform electron density on the surface of the anode. .

한편, 방법적인 측면에서, 스퍼터링을 이용하여 리튬 금속 전지의 음극 표면에 보호막을 형성하는 기술도 제안되었으나, 스퍼터링으로는 전극의 양면에 보호층을 형성하기 어렵고 공정상의 문제가 있어 적층형 셀 제작이 어렵다. On the other hand, in terms of method, a technique for forming a protective film on the surface of the negative electrode of a lithium metal battery by using sputtering has also been proposed, but it is difficult to form a protective layer on both sides of the electrode by sputtering, and there is a problem in the process, so it is difficult to manufacture a stacked cell. .

이와 관련하여, 후술되는 비교예들을 보더라도, 음극 보호막을 전혀 형성하지 않은 경우는 물론, 스퍼터링 방법으로 Li3N 단일층 또는 Li3N- LIBON 이중층의 음극 보호막을 형성하는 경우, 리튬 금속 전지의 용량 저하가 극심함을 확인할 수 있다. 이와 관련하여, 스퍼터링 방식으로는 양면 전극을 구성하기 어렵고 질소가스로 치환된 밀폐된 챔버 안에서만 가능하기 때문에, 롤 투 롤(roll to roll) 공정이 어려워 대용량, 대면적의 적층형 전지에는 적용이 어려움을 수 있다. In this regard, even in the comparative examples to be described later, when the cathode protective film is not formed at all, as well as when the cathode protective film of the Li 3 N single layer or the Li 3 N-LIBON double layer is formed by sputtering, the capacity of the lithium metal battery It can be seen that the deterioration is extreme. In this regard, since it is difficult to construct a double-sided electrode by the sputtering method and it is possible only in a closed chamber substituted with nitrogen gas, the roll to roll process is difficult, making it difficult to apply to large-capacity, large-area stacked batteries. can

그에 반면, 후술되는 실시예들에서 사용된 딥 코팅 방법, 또는 이와 유사한 물성 구현이 가능한 스프레이 코팅 방법의 경우, 롤 투 롤(roll to roll) 공정이 가능하기 때문에, 고 에너지 밀도의 리튬 메탈 이온 전지에 적합하다.On the other hand, in the case of the dip coating method used in the embodiments to be described below, or the spray coating method capable of implementing similar physical properties, a roll to roll process is possible, so a lithium metal ion battery having a high energy density suitable for

따라서, 리튬 금속 전지의 상용화를 위해서는, 음극과 전해액의 계면을 안정화면서도 음극 표면에서 리튬 이온의 균일한 전착/탈리를 지속시킬 수 있는, 보호막 소재와 구조, 그 형성 방법을 적절히 선택할 필요가 있다.Therefore, for the commercialization of lithium metal batteries, it is necessary to appropriately select a protective film material, structure, and formation method that can sustain the uniform electrodeposition/desorption of lithium ions on the surface of the anode while stabilizing the interface between the anode and the electrolyte.

이와 관련하여, 상기 일 구현예에서는, 질화리튬(Li3N) 소재로 이루어진 단일층의 보호막을, 스퍼터링 방법 이외의 방법을 이용하여 형성함으로써 수 ㎚ 내지 수백 ㎛ 수준의 단일층, 구체적으로 20 ㎚ 초과 400 ㎛ 이하, 예컨대 40 ㎚ 이상 200 ㎛ 이하의 박막으로 형성한, 리튬 금속 전지의 음극을 제공한다.In this regard, in one embodiment, a single layer of a single layer of a protective film made of a lithium nitride (Li 3 N) material is formed using a method other than a sputtering method to form a single layer having a level of several nm to several hundred μm, specifically 20 nm Provided is a negative electrode of a lithium metal battery formed into a thin film exceeding 400 μm or less, such as 40 nm or more and 200 μm or less.

상기 일 구현예의 음극 보호막은 질화리튬을 소재로 하는데, 이는 LIBON에 비하여 리튬금속 음극과 용매의 반응성을 억제하여 리튬 금속 음극 표면에 보호 피막을 만들기 때문에, 안정적인 음극-전해액 계면을 형성할 수 있다.The negative electrode protective film of the embodiment is made of lithium nitride, which suppresses the reactivity of the lithium metal negative electrode and the solvent compared to LIBON to form a protective film on the surface of the lithium metal negative electrode, so that a stable negative electrode-electrolyte interface can be formed.

더욱이, 상기 일 구현예의 음극 보호막은, 안정적인 음극-전해액 계면을 형성할 수 있는 질화리튬(Li3N) 소재를 이용하여, 단일층의 보호막을 형성하며, 더욱이 스퍼터링 방법 이외의 방법을 이용함으로써 박막(thin film)으로 형성한 것이므로, (보호막이 형성된) 음극 표면에서 리튬 이온의 균일한 전착/탈리를 지속시킬 수 있는 이점이 있다.Furthermore, the cathode protective film of one embodiment uses a lithium nitride (Li 3 N) material capable of forming a stable cathode-electrolyte interface to form a single layer protective film, and furthermore, a thin film by using a method other than the sputtering method. Since it is formed as a (thin film), there is an advantage in that the uniform electrodeposition/desorption of lithium ions on the surface of the anode (with a protective film formed) can be maintained.

따라서, 상기 일 구현예의 음극 보호막은, LIBON 등 다른 소재, 이중층 이상의 다층 구조, 스퍼터링 방법을 이용할 경우 형성되는 두께 등에 대비하여, 음극과 전해액의 계면을 안정화면서도 음극 표면에서 리튬 이온의 균일한 전착/탈리를 지속시킬 수 있는 소재(Li3N), 구조(단일층), 균일한 표면 처리의 이점이 있다. 이러한 이점은, 궁극적으로 리튬 금속 전지의 구동 중 용량 저하를 억제하며 그 수명 특성을 향상시키는 데 기여할 수 있는 것이다.Therefore, the negative electrode protective film of the embodiment stabilizes the interface between the negative electrode and the electrolyte in preparation for other materials such as LIBON, a multi-layer structure with more than a double layer, and a thickness formed when a sputtering method is used, while uniform electrodeposition of lithium ions on the surface of the negative electrode / There are advantages of a material that can sustain desorption (Li 3 N), a structure (single layer), and a uniform surface treatment. These advantages can ultimately contribute to suppressing a decrease in capacity during driving of a lithium metal battery and improving its lifespan characteristics.

한편, 상기 일 구현예의 음극 보호막은, 상기 리튬 금속판의 일면에 형성된 것일 수 있고, 후술되는 실시예처럼 양면에 형성된 것일 수 있다.On the other hand, the negative electrode protective film of the embodiment may be formed on one surface of the lithium metal plate, or may be formed on both surfaces as in the embodiment to be described later.

리튬 금속(lithium metal ( LiLi -metal) 음극-metal) cathode

한편, 상기 리튬 금속(Li-metal) 음극은, 일반적으로 리튬 금속 전지의 음극에 적용하는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 5 내지 300 ㎛ 두께를 가지는 구리(Cu) 집전체; 상기 구리(Cu) 집전체의 일면 또는 양면에 위치하며, 리튬 금속(Li-metal) 또는 리튬 합금(Li-alloy)을 포함하는 박막;을 포함하는 것을, 적절한 형태로 재단한 것일 수 있다. Meanwhile, the lithium metal (Li-metal) negative electrode is not particularly limited as long as it is generally applied to the negative electrode of a lithium metal battery. For example, a copper (Cu) current collector having a thickness of 5 to 300 μm; A thin film disposed on one or both surfaces of the copper (Cu) current collector and including a lithium metal (Li-metal) or a lithium alloy (Li-alloy) may be cut into an appropriate shape.

이때, 질화리튬 박막은, 상기 리튬 금속(Li-metal) 또는 리튬 합금(Li-alloy)을 포함하는 박막 상에 위치할 수 있다.In this case, the lithium nitride thin film may be positioned on the thin film including the lithium metal (Li-metal) or lithium alloy (Li-alloy).

리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법 Manufacturing method of negative electrode for lithium metal battery

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating) 방법으로, 리튬 금속판의 일면 또는 양면에, 단일층의 질화리튬(Li3N) 박막을 형성하는 단계;를 포함하는, 리튬 금속 전지용 음극의 제조 방법을 제공한다. In another embodiment of the present invention, by a dip coating or spray coating method, on one or both sides of the lithium metal plate, forming a single-layer lithium nitride (Li 3 N) thin film; It provides a method of manufacturing a negative electrode for a lithium metal battery, including.

이는, 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating) 방법을 이용하여, 스퍼터링 방법으로는 달성할 수 없는 수 ㎚ 수준의 질화리튬(Li3N) 박막을 상기 리튬 금속판 표면에 형성함으로써, 전술한 음극을 최종적으로 수득할 수 있는 방법이다.This is by using a dip coating or spray coating method to form a lithium nitride (Li 3 N) thin film having a level of several nm, which cannot be achieved by a sputtering method, on the surface of the lithium metal plate. It is a method that can finally obtain one negative electrode.

이하에서는, 상기 일 구현예의 제조 방법과 관련하여, 공정 특성을 상세히 설명하며, 이에 따라 최종적으로 수득되는 음극에 대한 설명은 전술한 것과 중복되므로 생략한다.Hereinafter, with respect to the manufacturing method of the embodiment, process characteristics will be described in detail, and accordingly, the description of the anode finally obtained will be omitted because it overlaps with the above.

코팅 방법 1 (딥 코팅)Coating method 1 (dip coating)

상기 질화리튬(Li3N) 박막을 형성하는 단계;는, 후술되는 실시예처럼, 상기 딥 코팅 방법으로 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 질산리튬(LiNO3)을 포함하는 코팅 용액에 상기 리튬 금속판을 침지시키는 것일 수 있다.The forming of the lithium nitride (Li 3 N) thin film may be performed by the dip coating method, as in an embodiment to be described later. Specifically, the lithium metal plate may be immersed in a coating solution containing lithium nitrate (LiNO 3 ).

코팅 방법 1 (딥 코팅)에 따른 코팅 용액Coating solution according to coating method 1 (dip coating)

상기 딥 코팅 시, 제1 리튬 염, 에테르(ether)계 용매, 및 질산리튬(LiNO3)을 포함하는 코팅 용액을 사용할 수 있다. 이러한 코팅 용액을 사용하는 경우, 하기 반응식에 따라, 상기 리튬 금속판 표면에 질화리튬(Li3N)이 증착될 수 있다. During the dip coating, a coating solution including a first lithium salt, an ether-based solvent, and lithium nitrate (LiNO 3 ) may be used. When such a coating solution is used, lithium nitride (Li 3 N) may be deposited on the surface of the lithium metal plate according to the following reaction formula.

LiNO3 + 8Li+ + 8e- Li3N + 3Li2OLiNO 3 + 8Li + + 8e - Li 3 N + 3Li 2 O

상기 코팅 용액에 있어서, 질산리튬(LiNO3)의 함량은 0.5 내지 30 중량%일 수 있다. 다시 말해, 상기 리튬 염, 에테르(ether)계 용매, 및 질산리튬(LiNO3)을 포함하는 코팅 용액 총량(100 중량%) 중, 상기 질산리튬(LiNO3)의 중량이 0.5 내지 30 중량%일 수 있다. In the coating solution, the content of lithium nitrate (LiNO 3 ) may be 0.5 to 30% by weight. In other words, the weight of the lithium nitrate (LiNO 3 ) in the total amount (100% by weight) of the coating solution including the lithium salt, the ether-based solvent, and lithium nitrate (LiNO 3 ) is 0.5 to 30% by weight can

상기 코팅 용액에 있어서, 상기 에테르계 용매의 경우, 그 분자 구조 내 에테르(ether) 작용기를 포함하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 다이옥솔란(Dioxolane, DOL), 및 디메틸 에테르(Dimethyl ether, DME), 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 에테르계 용매를 사용할 수 있다.In the coating solution, the ether-based solvent is not particularly limited as long as it contains an ether functional group in its molecular structure. For example, tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), dioxolane (DOL), and dimethyl ether (Dimethyl ether, DME), an ether containing at least one selected from the group consisting of A solvent may be used.

상기 제1 리튬 염의 경우, 상기 에테르계 용매 내에서 해리 가능한 음이온과 리튬 양이온이 조합된 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 리튬 염을 사용할 수 있다.The first lithium salt is not particularly limited as long as an anion capable of dissociating in the etheric solvent and a lithium cation are combined. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 ) SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, LiI, and LiB(C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 1 selected from the group consisting of Lithium salts comprising more than one species may be used.

상기 코팅 용액 제조 시, 상기 제1 리튬 염의 몰 농도가 0.8 내지 5 M이 되도록 할 수 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.When preparing the coating solution, the molar concentration of the first lithium salt may be 0.8 to 5 M, but the present invention is not limited thereto.

코팅 방법 1 (딥 코팅)에 따른 공정 조건Process conditions according to coating method 1 (dip coating)

한편, 상기 딥 코팅 공정 조건, 구체적으로 침지 시간을 제어함으로써, 최종적으로 형성되는 질화리튬 박막 두께가 조절될 수 있다. On the other hand, by controlling the dip coating process conditions, specifically, the immersion time, the thickness of the lithium nitride thin film finally formed can be adjusted.

코팅 방법 2 (스프레이 코팅)Coating Method 2 (Spray Coating)

한편, 상기 질화리튬(Li3N) 박막을 형성하는 단계;는, 후술되는 실시예와 달리, 상기 스프레이 코팅 방법으로 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 질산리튬(LiNO3)을 포함하는 코팅 용액을 상기 리튬 금속판 표면에 분사하는 것일 수 있다.Meanwhile, the forming of the lithium nitride (Li 3 N) thin film may be performed by the spray coating method, unlike the embodiments to be described later. Specifically, a coating solution containing lithium nitrate (LiNO 3 ) may be sprayed on the surface of the lithium metal plate.

상기 코팅 용액은, 상기 딥 코팅 방법에서 사용하는 것과 동일하게, 제1 리튬 염, 에테르(ether)계 용매, 및 질산리튬(LiNO3)을 포함하는 것을 사용할 수 있다. 이러한 코팅 용액을 상기 리튬 금속판 표면에 분사하면, 전술한 반응식과 동일한 반응에 의해, 상기 리튬 금속판 표면에 질화리튬(Li3N)이 증착될 수 있다. 이에, 상기 코팅 용액에 대한 중복되는 설명은 생략한다.The coating solution, in the same manner as used in the dip coating method, a first lithium salt, an ether-based solvent, and lithium nitrate (LiNO 3 ) It may be used. When the coating solution is sprayed on the surface of the lithium metal plate, lithium nitride (Li 3 N) may be deposited on the surface of the lithium metal plate by the same reaction as the above-described reaction formula. Accordingly, the overlapping description of the coating solution will be omitted.

한편, 상기 스프레이 코팅 공정 조건, 구체적으로 분사 시간을 제어함으로써, 최종적으로 형성되는 질화리튬 박막 두께가 조절될 수 있다. On the other hand, by controlling the spray coating process conditions, specifically, the spraying time, the thickness of the lithium nitride thin film finally formed can be adjusted.

리튬 금속 전지lithium metal battery

본 발명의 또 다른 일 구현예서는, 전술한 음극; 카보네이트계 유기 용매 및 제2 리튬 염을 포함하는 전해액; 및 양극;을 포함하는, 리튬 금속 전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention, the above-described negative electrode; an electrolyte including a carbonate-based organic solvent and a second lithium salt; and a positive electrode; provides a lithium metal battery comprising.

음극 및 전해액의 cathode and electrolyte 혼용성compatibility (리튬 금속 전지의 수명 특성) (Lifetime characteristics of lithium metal batteries)

현재까지 알려진 리튬 금속 전지의 연구에서는, 에테르계 용매를 포함하는 전해액이 주로 사용되어 왔다. 이는, 카보네이트계 유기 용매가 산화안정성이 우수하여 4V급의 고전압 전지에서 특성이 우수함에도 불구하고, 리튬 메탈 또는 리튬 합금 소재의 음극과 접촉 시 음극 소재와 전해액의 반응성으로 인해 구동 중 덴드라이트를 형성하여 단락 문제를 야기하기 때문에, 카보네이트계 유기 용매의 사용이 기피되고, 상기 리튬 메탈과의 반응성이 적은 에테르계 용매가 사용되어 왔으나 산화안정성이 열위하여 낮은 구동 전압을 갖는 전지로 사용이 제한되어 왔다. In research on lithium metal batteries known to date, an electrolyte solution containing an ether-based solvent has been mainly used. Although the carbonate-based organic solvent has excellent oxidation stability and excellent characteristics in a 4V class high voltage battery, dendrites are formed during operation due to the reactivity of the negative electrode material and the electrolyte when in contact with the negative electrode made of lithium metal or lithium alloy material Thus, the use of a carbonate-based organic solvent is avoided, and an ether-based solvent having a low reactivity with the lithium metal has been used, but its use has been limited to a battery having a low driving voltage due to poor oxidation stability. .

그러나, 전술한 일 구현예의 음극은, 그 보호막 소재의 에테르계 전해액과 질산리튬을 사용하여 리튬 메탈 표면에 질화리튬층을 형성시켜 카보네이트계 용매와 접촉 시 리튬 메탈과의 직접적인 반응성을 억제할 수 있다. However, the negative electrode of one embodiment described above uses an ether-based electrolyte and lithium nitrate as the protective film material to form a lithium nitride layer on the surface of the lithium metal, thereby suppressing direct reactivity with lithium metal when in contact with a carbonate-based solvent. .

따라서, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 카보네이트계 용매를 포함하는 전해액을 사용함에도 불구하고, 전술한 일 구현예의 음극을 적용함으로써 음극-전해액 계면을 안정적으로 형성할 수 있어, 상기 카보네이트계 용매의 이점을 취할 수 있다. Therefore, in the lithium metal battery of one embodiment, in spite of using the electrolyte containing the carbonate-based solvent, the negative electrode-electrolyte interface can be stably formed by applying the negative electrode of the above-described embodiment, and the carbonate-based solvent can take advantage

이와 더불어, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 전술한 일 구현예의 음극의 이점을 그대로 가짐에 따라, 그 구동 중 용량 저하가 억제되어, 향상된 수명 특성을 가질 수 있다. In addition, as the lithium metal battery of the embodiment has the advantages of the negative electrode of the embodiment described above, a decrease in capacity during driving thereof is suppressed, and thus, it can have improved lifespan characteristics.

상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 다공성 세퍼레이터을 포함하는 전극 조립체에, 상기 전해액을 함침시켜 제조할 수 있다.The lithium metal battery of the embodiment may be manufactured by impregnating the electrolyte into an electrode assembly including a porous separator between the positive electrode and the negative electrode.

상기 일 구현예의 리튬 금속 전지에 적용되는 음극에 대한 설명은 전술한 바와 같고, 이하에서는 음극 이외의 전지 구성 요소를 상세히 설명하기로 한다.The description of the negative electrode applied to the lithium metal battery of the embodiment is the same as described above, and below, battery components other than the negative electrode will be described in detail.

카보네이트계carbonate 유기 용매 organic solvent

상기 리튬 금속 전지의 전해액에 있어서, 상기 카보네이트계 유기 용매로는, 일반적으로 전지 분야에 널리 알려진 1종 이상의 카보네이트계 유기 용매를 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.In the electrolyte solution of the lithium metal battery, as the carbonate-based organic solvent, one or more carbonate-based organic solvents widely known in the field of batteries may be used alone or in mixture of one or more, and when one or more are mixed The mixing ratio can be appropriately adjusted according to the desired battery performance, which can be widely understood by those skilled in the art.

일반적으로 전지 분야에 널리 알려진 카보네이트계 유기 용매에는, 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate, EC), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate, EMC), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(Diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(Dipropyl carbonate, DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(Ethyl propyl carbonate, EPC), 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(Butylene carbonate, BC), 플루오로에틸렌 카보네이트(Fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있다.In general, carbonate-based organic solvents widely known in the battery field include ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), fluorine and fluoroethylene carbonate (FEC).

상기 리튬 금속 전지 제조 시, 상기 카보네이트계 유기 용매는, 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용할 수 있다. When manufacturing the lithium metal battery, the carbonate-based organic solvent may be used by mixing a cyclic carbonate and a chain carbonate.

전해액 첨가제electrolyte additive

또한, 상기 리튬 금속 전지의 전해액은, 전지 수명을 향상시키기 위하여, 일반적으로 전지 분야에 널리 알려진 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate, VC), 또는 하기 화학식 2의 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 포함할 수도 있다.In addition, the electrolyte of the lithium metal battery may further include one or more additives widely known in the field of batteries in order to improve battery life. For example, vinylene carbonate (VC), or an ethylene carbonate-based compound represented by the following Chemical Formula 2 may be further included.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112022091060846-pat00001
Figure 112022091060846-pat00001

상기 화학식 2에서, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이며, 상기 R7과 R8중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이다.In Formula 2, R 7 and R 8 are each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ), or a C1 to C5 fluoroalkyl group, and at least one of R 7 and R 8 is a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ), or a C1 to C5 fluoroalkyl group.

상기 에틸렌 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 상기 비닐렌 카보네이트 또는 상기 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 사용하는 경우 그 사용량을 적절하게 조절하여 수명을 향상시킬 수 있다.Representative examples of the ethylene carbonate-based compound include difluoroethylene carbonate, chloroethylene carbonate, dichloroethylene carbonate, bromoethylene carbonate, dibromoethylene carbonate, nitroethylene carbonate, cyanoethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, and the like. can When the vinylene carbonate or the ethylene carbonate-based compound is further used, the lifespan can be improved by appropriately adjusting the amount used.

제2 리튬 염secondary lithium salt

상기 리튬 금속 전지의 전해액에 있어서, 상기 제2 리튬 염은, 상기 카보네이트 유기 용매에 용해되어, 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지의 기본적인 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다. In the electrolyte solution of the lithium metal battery, the second lithium salt is dissolved in the carbonate organic solvent, and serves as a source of lithium ions to enable the basic operation of the lithium metal battery of the embodiment, and between the positive electrode and the negative electrode It can play a role in promoting the movement of lithium ions.

상기 제2 리튬 염은 일반적으로 전해액에 널리 적용되는 리튬 염을 사용할 수 있다. 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. As the second lithium salt, a lithium salt widely applied to an electrolyte may be used. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x + 1 SO 2 )(C y F 2y + 1 ) SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, LiI, LiB(C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB), or a combination thereof may be used, but , but not limited thereto.

또한, 상기 전해액에 있어서, 제2 리튬 염의 농도는 0.1 내지 5.0M 범위 내로 제어할 수 있다. 이 범위에서, 상기 전해액이 적절한 전도도 및 점도를 가질 수 있고, 상기 일 구현예의 리튬 금속 전지 내에서 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다. 다만, 이는 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.In addition, in the electrolyte, the concentration of the second lithium salt may be controlled within the range of 0.1 to 5.0M. Within this range, the electrolyte may have appropriate conductivity and viscosity, and lithium ions may effectively move within the lithium metal battery of the embodiment. However, this is only an example, and the present invention is not limited thereto.

다공성 porous 세퍼레이터separator

상기 전해액은, 상기 음극 및 상기 양극 사이에 위치하는 다공성 세퍼레이터에 함침된 형태일 수 있다. 여기서, 다공성 세퍼레이터는, 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다.  즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다.  The electrolyte may be impregnated in a porous separator positioned between the negative electrode and the positive electrode. Here, the porous separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions to move, and any one commonly used in lithium batteries may be used. That is, a material having low resistance to ion movement of the electrolyte and excellent moisture content of the electrolyte may be used.

예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.  예를 들어, 리튬이온전지에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 세퍼레이터가 주로 사용되고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.For example, it may be selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), or a combination thereof, and may be in the form of a nonwoven fabric or a woven fabric. For example, a polyolefin-based polymer separator such as polyethylene or polypropylene is mainly used for lithium ion batteries, and a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and optionally single-layer or multi-layer structure can be used.

양극anode

상기 양극은, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 위치하는 양극 합제층을 포함할 수 있다. The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer disposed on the positive electrode current collector.

상기 양극은 활물질 및 바인더, 경우에 따라서는 도전재, 충진재 등을 용매 중에서 혼합하여 슬러리 상의 전극 합제으로 제조하고, 이 전극 합제를 각각의 전극 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. The positive electrode is prepared by mixing an active material and a binder, in some cases, a conductive material, a filler, and the like in a solvent to form an electrode mixture in a slurry phase, and applying the electrode mixture to each electrode current collector. Since such an electrode manufacturing method is widely known in the art, a detailed description thereof will be omitted herein.

상기 양극 활물질의 경우, 리튬 이온의 가역적인 삽입 및 탈리가 가능한 물질이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속; 및 리튬;의 복합 산화물 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. The positive active material is not particularly limited as long as it is a material capable of reversible insertion and deintercalation of lithium ions. metals of, for example, cobalt, manganese, nickel, or combinations thereof; and lithium;

보다 구체적인 예를 들어, 상기 양극 활물질로, 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. LiaA1 - bRbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bRbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 및 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bRbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobRcO2 - αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobRcO2 - αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcO2 - αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbRcO2 - αZ2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5 및 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5 및 0 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiTO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.As a more specific example, a compound represented by any one of the following formulas may be used as the cathode active material. Li a A 1 -b R b D 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8 and 0 ≤ b ≤ 0.5); Li a E 1 -b R b O 2 -c D c ( wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, and 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE 2 -b R b O 4 - c D c (wherein 0 ≤ b ≤ 0.5 and 0 ≤ c ≤ 0.05); Li a Ni 1 -b- c Co b R c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 and 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1 -b- c Co b R c O 2 -α Z α ( wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 and 0 < α <2); Li a Ni 1 -b- c Co b R c O 2 Z 2 ( wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 and 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Mn b R c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 and 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1 -b- c Mn b R c O 2 -α Z α ( wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 and 0 < α <2); Li a Ni 1 -b- c Mn b R c O 2 Z 2 ( wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 and 0 < α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5 and 0.001 ≤ d ≤ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5 and 0 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8 and 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a CoG b O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8 and 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a MnG b O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8 and 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8 and 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiTO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); and LiFePO 4 .

상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; Z는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; T는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합이다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; R is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; Z is F, S, P or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn or a combination thereof; T is Cr, V, Fe, Sc, Y or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.

물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 코팅층은 코팅 원소 화합물로서, 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트를 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, a compound having a coating layer on the surface of the compound may be used, or a mixture of the compound and a compound having a coating layer may be used. The coating layer is a coating element compound, and may include oxide, hydroxide, oxyhydroxide of a coating element, oxycarbonate of a coating element, or hydroxycarbonate of a coating element. The compound constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. As the coating element included in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or a mixture thereof may be used. In the coating layer forming process, any coating method may be used as long as it can be coated by a method that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using these elements in the compound (eg, spray coating, dipping, etc., for this Since it is a content that can be well understood by those engaged in the field, a detailed description will be omitted.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The positive electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 μm. The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. Carbon, nickel, titanium, silver, etc. surface-treated on the surface of the can be used. The current collector may increase the adhesive force of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam body, and a nonwoven body are possible.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black, such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.

상기 일 구현예의 리튬 금속 전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 사용될 수 있다.The lithium metal battery of one embodiment may be used not only in a battery cell used as a power source for a small device, but also as a unit cell in a medium/large battery module including a plurality of battery cells.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예, 이에 대비되는 비교예, 이들을 평가하는 시험예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples of the present invention, comparative examples, and test examples for evaluating them are described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

<< 실시예Example >>

실시예Example 1 One

(1) 음극의 제조(1) Preparation of negative electrode

하기 표 1에 기재된 바와 같이, 딥 코팅(dip coating) 방법으로 리튬 금속판의 양면에 각각 40 ㎚ 두께의 질화리튬(Li3N) 박막을 형성하였다. As shown in Table 1 below, a lithium nitride (Li 3 N) thin film having a thickness of 40 nm was formed on both sides of the lithium metal plate by a dip coating method.

구체적으로, 코팅 용액의 제조 공정 및 딥 코팅 공정은 다음과 같다.Specifically, the manufacturing process of the coating solution and the dip coating process are as follows.

코팅 용액: TEGDME, DOL, DME이 1:1:1의 부피비로 혼합된 용매에, 리튬 염인 LiTFSI를 2M 농도로 용해시키고, LiNO3를 첨가하여 코팅 용액을 제조하였다. 여기서, 제조된 코팅 용액의 총량(100 중량%) 중 LiNO3의 함량을 3 중량로 하였다. Coating solution : In a solvent in which TEGDME, DOL, and DME were mixed in a volume ratio of 1:1:1, LiTFSI, a lithium salt, was dissolved at a concentration of 2M, and LiNO 3 was added to prepare a coating solution. Here, the content of LiNO 3 in the total amount (100% by weight) of the prepared coating solution was 3 weight.

딥 코팅: 상온에서, 상기 코팅 용액에 리튬 금속 음극 (리튬 단면 20 ㎛, Cu 10 ㎛)을 2시간 동안 침지(dipping)시켜, 상기 리튬 금속 음극의 리튬 단면 상에 40 ㎚ 두께의 질화리튬(Li3N) 박막을 형성하였다. Dip coating : At room temperature, by dipping a lithium metal anode (lithium cross section 20 μm, Cu 10 μm) in the coating solution for 2 hours, 40 nm thick lithium nitride (Li 3 N) A thin film was formed.

(2) 리튬 금속 전지의 제조(2) Preparation of lithium metal batteries

하기 표 1에 기재된 바와 같이, 상기 질화리튬(Li3N) 박막이 양면에 형성된 리튬 금속판을 음극으로 하고, 카보네이트계 용매를 포함하는 전해액(1M LiPF6 in EC/EMC 1:1 (v/v), VC 0.5%), 양극(양극 활물질: LiCoO2)을 사용하였다. 상기 준비된 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하고, 이를 파우치에 넣은 다음 밀봉하고 상기 준비한 비수 전해액을 셀 내에 주입하여 리튬 메탈 이차전지를 준비하였다. As shown in Table 1 below, the lithium metal plate formed on both sides of the lithium nitride (Li 3 N) thin film as an anode, and an electrolyte containing a carbonate-based solvent (1M LiPF 6 in EC/EMC 1:1 (v/v) ), VC 0.5%), and a positive electrode (positive electrode active material: LiCoO 2 ) were used. A separator was interposed between the prepared positive electrode and the negative electrode, placed in a pouch, sealed, and the prepared non-aqueous electrolyte was injected into the cell to prepare a lithium metal secondary battery.

구체적으로, 전해액의 제조 공정, 양극의 제조 공정, 및 셀 조립 공정은 다음과 같다.Specifically, the manufacturing process of the electrolyte solution, the manufacturing process of the positive electrode, and the cell assembly process are as follows.

전해액: EC 및 EMC가 3:7 부피비로 혼합된 카보네이트계 용매에, 리튬 염인 LiPF6을 1M 농도로 용해시키고, 첨가제로 VC를 첨가하여, 전해액을 제조하였다. 여기서, 제조된 전해액 총량(100 중량%) 중 첨가제(VC)의 함량을 0.5 중량%로 하였다(1M LiPF6 in EC/EMC 1:1 (v/v), VC 0.5%). Electrolyte : In a carbonate-based solvent in which EC and EMC are mixed in a volume ratio of 3:7, LiPF 6 , a lithium salt, is dissolved at a concentration of 1M, and VC is added as an additive, An electrolyte solution was prepared. Here, the content of the additive (VC) in the total amount of the prepared electrolyte solution (100 wt%) was 0.5 wt% (1M LiPF 6 in EC/EMC 1:1 (v/v), VC 0.5%).

실시예Example 2 2

실시예 1의 침지 시간을 24시간으로 변경하여, 하기 표 1에 기재된 바와 같이, 200 ㎛의 보호막 두께를 가지는 음극을 제조하였다.By changing the immersion time of Example 1 to 24 hours, as shown in Table 1 below, a negative electrode having a protective film thickness of 200 μm was prepared.

음극을 제외한 나머지는 실시예 1과 동일하게 하여, 파우치형 리튬 금속 전지를 제조하였다.A pouch-type lithium metal battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except for the negative electrode.

<< 비교예comparative example >>

비교예comparative example 1 One

하기 표 1에 기재된 바와 같이, 전혀 코팅되지 않은 리튬 금속 음극 을 사용하고, 음극을 제외한 나머지는 실시예 1과 동일하게 하여, 파우치형 리튬 금속 전지를 제조하였다.As shown in Table 1 below, a pouch-type lithium metal battery was prepared in the same manner as in Example 1 except for the negative electrode using a lithium metal negative electrode that was not coated at all.

비교예comparative example 2 2

하기 표 1에 기재된 바와 같이, 전혀 코팅되지 않은 리튬 금속 음극 을 사용하고, 실시예 1의 전해액에 LiNO3이 더 포함된 것을 전해액으로 하고, 음극 및 전해액을 제외한 나머지는 실시예 1과 동일하게 하여, 파우치형 리튬 금속 전지를 제조하였다.As shown in Table 1 below, using a lithium metal negative electrode that is not coated at all, the electrolyte solution containing LiNO 3 in the electrolyte solution of Example 1 was used as the electrolyte solution, and the rest except for the negative electrode and the electrolyte solution were the same as in Example 1. , a pouch-type lithium metal battery was prepared.

구체적으로, 전해액의 제조 공정은 다음과 같다.Specifically, the manufacturing process of the electrolyte solution is as follows.

전해액: EC 및 EMC가 3:7 부피비로 혼합된 카보네이트계 용매에, 리튬 염인 LiPF6을 1M 농도로 용해시키고, 첨가제로 VC를 첨가하고, LiNO3 또한 첨가하여, 전해액(1M LiPF6 in EC/EMC 1:1 (v/v), VC 0.5%, LiNO3 1%)을 제조하였다. Electrolyte : In a carbonate-based solvent in which EC and EMC are mixed in a volume ratio of 3:7, LiPF 6 , a lithium salt, is dissolved at a concentration of 1M, and VC is added as an additive, LiNO 3 was also added to prepare an electrolyte solution (1M LiPF 6 in EC/EMC 1:1 (v/v), VC 0.5%, LiNO 3 1%).

비교예comparative example 3 3

(1) 음극의 제조(1) Preparation of negative electrode

하기 표 1에 기재된 바와 같이, 스퍼터링(sputtering) 방법으로, 리튬 금속 음극의 일면에, 20 ㎚(즉, 0.02 ㎛) 두께의 질화리튬(Li3N) 박막 및 200 ㎚(즉, 0.2 ㎛) 두께의 LIBON 박막을 순차적으로 형성하였다. As shown in Table 1 below, by a sputtering method, on one side of the lithium metal negative electrode, a lithium nitride (Li 3 N) thin film having a thickness of 20 nm (ie, 0.02 μm) and a thickness of 200 nm (ie, 0.2 μm) of LIBON thin films were sequentially formed.

구체적으로, 스퍼터링 공정은 다음과 같다.Specifically, the sputtering process is as follows.

진공 챔버 내에서 질소(N2) 가스 0.1Pa, 5분 노출시키는 반응성 스퍼터링법으로, 리튬 금속판(두께: 20㎛)의 일면에 각각 질화리튬(Li3N) 박막(두께: 0.02㎛)을 형성하고, 상기 질화리튬 박막이 형성된 리튬 금속판을 상기 진공 챔버 내에 그대로 둔 채로 연속하여, Li2BO3를 타겟으로 사용하는 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering)으로, Li3 . 09BO2 . 53N0 .52의 조성을 갖는 LiBON 박막(두께: 0.2㎛)을 형성하였다.A lithium nitride (Li 3 N) thin film (thickness: 0.02 μm) is formed on one side of a lithium metal plate (thickness: 20 μm) by a reactive sputtering method in which nitrogen (N 2 ) gas is exposed for 5 minutes at 0.1 Pa in a vacuum chamber. And, by continuously leaving the lithium metal plate on which the lithium nitride thin film is formed in the vacuum chamber as it is, Li 2 BO 3 In a reactive sputtering method using as a target, Li 3 . 09 BO 2 . A LiBON thin film (thickness: 0.2 μm) having a composition of 53 N 0.52 was formed.

(2) 리튬 금속 전지의 제조(2) Preparation of lithium metal batteries

하기 표 1에 기재된 바와 같이, 상기 질화리튬(Li3N) 박막 및 LiBON 박막의 이중층이 양면에 형성된 리튬 금속 음극을 사용하고 음극을 제외한 나머지는 실시예 1과 동일하게 하여, 파우치형 리튬 금속 전지를 제조하였다.As shown in Table 1 below, a lithium metal negative electrode in which a double layer of the lithium nitride (Li 3 N) thin film and the LiBON thin film was formed on both sides was used, and the rest except for the negative electrode was the same as in Example 1, and a pouch-type lithium metal battery was prepared.

비교예comparative example 4 4

비교예 3에서 질화리튬 박막만 형성된 리튬 금속 음극을 사용하고, 음극을 제외한 나머지는 실시예 1과 동일하게 하여, 파우치형 리튬 금속 전지를 제조하였다.In Comparative Example 3, a lithium metal negative electrode in which only a lithium nitride thin film was formed was used, and except for the negative electrode, a pouch-type lithium metal battery was prepared in the same manner as in Example 1.

음극cathode cell 보호막 유무
(코팅 방법)
With or without a shield
(coating method)
보호막 구성 물질protective film material 보호막 두께protective film thickness 전해액electrolyte
실시예 1Example 1
(dip coating)
you
(dip coating)
Li3NLi 3 N 40 ㎚40 nm 1M LiPF6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%1M LiPF 6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%
실시예 2Example 2 200 ㎛200 μm 비교예 1Comparative Example 1 radish -- -- 비교예 2Comparative Example 2 radish -- -- 1M LiPF6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%, LiNO3 1%1M LiPF 6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%, LiNO 3 1% 비교예 3Comparative Example 3
(sputtering)
you
(sputtering)
Li3N, LiBON
(이중층)
Li 3 N, LiBON
(double layer)
0.02 ㎛(Li3N),
0.2 ㎛(LiBON)
0.02 μm (Li 3 N),
0.2 μm (LiBON)
1M LiPF6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%1M LiPF 6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%
비교예 4Comparative Example 4
(sputtering)
you
(sputtering)
Li3NLi 3 N 0.02 ㎛(Li3N)0.02 μm (Li 3 N)

실험예Experimental example 1 (리튬 금속 전지의 전기화학적 특성 평가) 1 (Evaluation of electrochemical properties of lithium metal batteries)

다음과 같은 조건으로, 각 리튬 금속 전지의 사이클(Cycle)을 진행하며, 초기 용량 대비 30번째 사이클 후 용량과 90번째 사이클 후 용량의 특성을 평가하여, 그 평가 결과를 하기 표 2에 기록하고, 도 1에 나타내었다. The cycle of each lithium metal battery is performed under the following conditions, and the characteristics of the capacity after the 30th cycle and the capacity after the 90th cycle are evaluated compared to the initial capacity, and the evaluation results are recorded in Table 2 below, 1 is shown.

Charge: 0. 1C, CC/CV, 4.25V, 1/20C cut-offCharge: 0. 1C, CC/CV, 4.25V, 1/20C cut-off

Discharge: 0.5C, CC, 3.0 V, cut-offDischarge: 0.5C, CC, 3.0V, cut-off

용량 유지율 (%)Capacity retention rate (%) @ 30th @ 30 th @ 80th @ 80 th 실시예 1Example 1 99.4199.41 95.89 95.89 실시예 2Example 2 98.8498.84 97.4097.40 비교예 1Comparative Example 1 90.5290.52 78.43 78.43 비교예 2Comparative Example 2 94.4894.48 77.6477.64 비교예 3Comparative Example 3 38.5538.55 -- 비교예 4Comparative Example 4 96.9%96.9% 53.9353.93

상기 표 2 및 도 1에 따르면, 리튬 금속 전지에 있어서, 음극 보호막의 소재, 구조, 두께, 및 이의 형성 방법의 중요성을 파악할 수 있다.According to Table 2 and FIG. 1 , in the lithium metal battery, the material, structure, and thickness of the negative electrode protective layer, and the importance of the formation method thereof can be grasped.

구체적으로, 비교예 2를 제외하고, 모든 리튬 금속 전지에 공통적으로 적용된 전해액 조성은(1M LiPF6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%), 리튬 금속 전지 분야에서는 그 사용이 기피되지만, (리튬 메탈 음극을 사용하지 않는) 리튬 이온 전지 분야에서는 널리 사용되는, 카보네이트계 용매를 포함하는 전해액 조성이다. Specifically, except for Comparative Example 2, the electrolyte composition commonly applied to all lithium metal batteries (1M LiPF 6 in EC/EMC 3:7, VC 0.5%) is avoided in the lithium metal battery field, but ( It is an electrolyte composition including a carbonate-based solvent that is widely used in the field of lithium ion batteries (not using a lithium metal negative electrode).

1) 비교예 1은, 보호막을 전혀 형성하지 않은 리튬 메탈 음극을, 상기 카보네이트계 용매를 포함하는 전해액과 함께 적용한 것인데, 80 사이클 후 용량 유지율이 78.4% 에 불과한 것으로 나타났다.1) In Comparative Example 1, a lithium metal negative electrode having no protective film was applied together with an electrolyte containing the carbonate-based solvent, and the capacity retention rate after 80 cycles was found to be only 78.4%.

한편, 비교예 2에서는, 비교예 1의 전해액에 질산리튬을 더한 전해액을 사용한 결과, 80 사이클 후 용량 유지율이 77.6 %로, 비교예 1보다 오히려 낮아진 것으로 나타났다.On the other hand, in Comparative Example 2, as a result of using the electrolyte in which lithium nitrate was added to the electrolyte of Comparative Example 1, the capacity retention rate after 80 cycles was 77.6%, which was rather lower than in Comparative Example 1.

이로써, 보호막을 전혀 형성하지 않은 리튬 메탈 음극은, 카보네이트계 용매와 반응하여 리튬 메탈의 소모가 가속화되고 고갈되어, 전지 사이클 구동 중 용량을 점진적으로 저하시키는 문제가 있음을 확인할 수 있다. As a result, it can be confirmed that the lithium metal negative electrode in which the protective film is not formed at all reacts with the carbonate-based solvent to accelerate and deplete the consumption of the lithium metal, thereby gradually reducing the capacity during battery cycle driving.

2) 비교예 3은, 연속적인 스퍼터링 방법으로, 리튬 메탈 음극의 일면에 질화리튬(Li3N)과 LiBON을 순차적으로 코팅하여, 각 층의 두께가 0.02 ㎛(Li3N) 및 0.2 ㎛(LiBON)인 이중층의 보호막을 형성한 것을, 음극으로 적용한 것이다. 이러한 음극을 적용한 비교예 3 전지는, 80 사이클까지 충방전이 불가하며, 30 사이클 후 용량 유지율이 이미 38.5 %에 불과한 것으로 나타났다. 2) Comparative Example 3 is a continuous sputtering method, in which lithium nitride (Li 3 N) and LiBON are sequentially coated on one surface of a lithium metal negative electrode, and the thickness of each layer is 0.02 μm (Li 3 N) and 0.2 μm ( LiBON) formed with a double layer protective film was applied as a cathode. The battery of Comparative Example 3 to which such a negative electrode was applied could not be charged and discharged until 80 cycles, and it was found that the capacity retention rate after 30 cycles was already only 38.5%.

한편, 비교예 4는, 비교예 3에서 LIBON을 코팅하는 공정을 생략하고, 스퍼터링 방법으로, 두께가 0.02 ㎛인 단일층의 질화리튬(Li3N) 보호막을 형성한 것을, 음극으로 적용한 것이다. 이러한 음극을 적용한 비교예 4 전지는, 비교예 3보다는 용량 유지율이 개선되었지만, 80 사이클 후 용량 유지율이 오히려, 보호막을 전혀 형성하지 않은 비교예 1 및 2보다도 저하된 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, in Comparative Example 4, the step of coating LIBON in Comparative Example 3 was omitted, and a single layer lithium nitride (Li 3 N) protective film having a thickness of 0.02 μm was formed by a sputtering method as a cathode. The battery of Comparative Example 4 to which the negative electrode was applied had improved capacity retention compared to Comparative Example 3, but it was confirmed that the capacity retention rate after 80 cycles was rather lower than those of Comparative Examples 1 and 2 in which no protective film was formed.

이로써, 리튬 메탈 음극 위에 물리적으로 Li3N과 LiBON층을 적층하는 경우 메탈과 Li3N, Li3N과 LiBON, LiBON과 전해질 사이의 계면에서 저항이 증가하여, 전지 사이클 구동 중 용량을 더욱 급격하게 저하시키는 문제가 있음을 확인할 수 있다. Accordingly, when the Li 3 N and LiBON layers are physically stacked on the lithium metal anode, the resistance increases at the interface between the metal and Li 3 N, Li 3 N and LiBON, and LiBON and the electrolyte, which further increases the capacity during battery cycle driving. It can be seen that there is a problem of slowing down.

비교예 3 보다 비교예 4의 리튬 금속 전지 용량 유지율이 개선된 것으로 보아, LiBON 보다는 질화리튬(Li3N) 소재가 카보네이트계 용매와 직접 접촉할 때, 그 표면 부반응 자체는 저하됨을 알 수 있다. 다만, 코팅 방법으로 스퍼터링 방법을 사용하는 한계로, 리튬 금속 음극의 양면에 보호층을 코팅할 수 없어 전지 용량이 제한되고, 스퍼터링 과정 중 공기를 질소로 치환해야 하기 때문에. 대면적 전극을 제작하기에 어려움이 따른다.It can be seen that the lithium metal battery capacity retention rate of Comparative Example 4 is improved compared to Comparative Example 3, and when the lithium nitride (Li 3 N) material rather than LiBON is in direct contact with the carbonate-based solvent, the surface side reaction itself is lowered. However, as a limitation of using the sputtering method as a coating method, a protective layer cannot be coated on both sides of the lithium metal negative electrode, so battery capacity is limited, and air must be replaced with nitrogen during the sputtering process. It is difficult to manufacture a large-area electrode.

3) 그에 반면, 실시예 1 및 2는 공통적으로, 질화리튬(Li3N) 소재의 단일층 박막을, 딥 코팅(dip coating) 방법으로 형성한 것이다. 3) On the other hand, in Examples 1 and 2, a single-layer thin film made of a lithium nitride (Li 3 N) material was formed by a dip coating method in common.

이들은 공통적으로, 30 사이클 후 용량 유지율이 98 % 이상, 90 사이클 후에도 용량 유지율이 95 % 이상으로, 상용 리튬 이온 전지 수준을 달성 할 수 있었다.In common, they were able to achieve the level of commercial lithium-ion batteries with a capacity retention rate of 98% or more after 30 cycles and a capacity retention rate of 95% or more after 90 cycles.

이는, 앞서 본 비교예들과 비교해볼 때, 부반응을 억제하여 음극-전해액 계면을 안정화시키는 질화리튬(Li3N) 소재를, 단일층으로, 그것도 수 ㎚ 내지 수백 ㎛ 수준의 두께를 가지며, 균일한 표면을 가지는 박막으로 형성한 결과로 볼 수 있다. This is compared with the previous comparative examples, a lithium nitride (Li 3 N) material that stabilizes the negative electrode-electrolyte interface by suppressing side reactions, as a single layer, it also has a thickness of several nm to several hundred μm, and is uniform It can be seen as a result of forming a thin film having one surface.

4) 한편, 실시예 1 및 2에서는, 실험실 스케일에서, 구리 집전체의 일면에만 리튬 금속(Li-metal) 박막을 포함하는 리튬 금속(Li-metal) 음극을 사용하고, 그 리튬 금속(Li-metal) 박막 상에만 질화리튬(Li3N) 소재의 단일층 박막을 형성하여, 이른바 모노셀(mono-cell)을 구현한 것이다. 4) On the other hand, in Examples 1 and 2, a lithium metal (Li-metal) negative electrode including a lithium metal (Li-metal) thin film is used only on one surface of the copper current collector on a laboratory scale, and the lithium metal (Li- A so-called mono-cell is realized by forming a single-layer thin film made of lithium nitride (Li 3 N) material only on the metal) thin film.

하지만, 실제 제품화 공정에서, 실시예 1 및 2와 같은 딥 코팅(dip coating) 또는 이와 유사한 스프레이 코팅을 이용할 때, 양면 코팅이 용이하며, 대기 중에서 코팅을 진행할 수 있기에 대면적 코팅도 가능하다. 따라서, 실시예 1 및 2와 같은 딥 코팅(dip coating) 또는 이와 유사한 스프레이 코팅은, 대면적 및/또는 양면 음극을 구현하는 데 유용하며, 그에 따라 제조된 대면적의 양면 음극은 적층형 셀에 적용될 수 있다.However, in the actual production process, when dip coating or similar spray coating is used as in Examples 1 and 2, double-sided coating is easy, and large-area coating is possible because coating can be performed in the air. Therefore, dip coating or similar spray coating as in Examples 1 and 2 is useful for realizing large-area and/or double-sided negative electrodes, and the large-area double-sided negative electrode thus prepared is applied to a stacked cell. can

Claims (14)

리튬 금속(Li-metal) 음극; 및 상기 리튬 금속(Li-metal) 음극의 일면 또는 양면에 위치하며, 20 ㎚ 초과 400 ㎛ 이하인 두께를 가지고, 단일층이며, 제 1 리튬염, 에테르계 용매, 및 질산리튬(LiNO3)을 포함하는 코팅 용액을 사용하여 형성되는 질화리튬(Li3N) 및 Li2O로 이루어진 질화리튬 박막;으로 구성되는 음극,
카보네이트계 유기 용매 및 제2 리튬염을 포함하는 전해액, 및
양극을 포함하는 리튬 금속 전지.
lithium metal (Li-metal) negative electrode; and located on one or both sides of the lithium metal (Li-metal) negative electrode, having a thickness of more than 20 nm and 400 μm or less, and a single layer, including a first lithium salt, an ether-based solvent, and lithium nitrate (LiNO 3 ) A cathode comprising; a lithium nitride thin film made of lithium nitride (Li 3 N) and Li 2 O formed using a coating solution to
An electrolyte comprising a carbonate-based organic solvent and a second lithium salt, and
A lithium metal battery comprising a positive electrode.
제1항에 있어서,
상기 질화리튬 박막의 두께는,
40 ㎚ 이상 200 ㎛ 이하인,
리튬 금속 전지.
According to claim 1,
The thickness of the lithium nitride thin film is,
40 nm or more and 200 μm or less,
lithium metal battery.
제1항에 있어서,
상기 리튬 금속(Li-metal) 음극은,
집전체; 및
상기 집전체의 일면 또는 양면에 위치하며, 리튬 금속(Li-metal) 또는 리튬 합금(Li-alloy)을 포함하는 박막;을 포함하는 것인,
리튬 금속 전지.
According to claim 1,
The lithium metal (Li-metal) negative electrode,
current collector; and
It is located on one side or both sides of the current collector, and a thin film containing lithium metal (Li-metal) or lithium alloy (Li-alloy);
lithium metal battery.
제3항에 있어서,
상기 질화리튬 박막은,
상기 리튬 금속(Li-metal) 또는 리튬 합금(Li-alloy)을 포함하는 박막 상에 위치하는 것인,
리튬 금속 전지.
4. The method of claim 3,
The lithium nitride thin film,
Which is located on a thin film containing the lithium metal (Li-metal) or lithium alloy (Li-alloy),
lithium metal battery.
제1항에 따른 리튬 금속 전지를 제조하는 방법으로서,
제 1 리튬염, 에테르계 용매, 및 질산리튬(LiNO3)을 포함하는 코팅 용액을 사용하여, 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating) 방법으로 리튬 금속(Li-metal) 음극의 일면 또는 양면에, 질화리튬(Li3N) 및 Li2O으로 이루어진 질화리튬 박막을 형성하여 음극을 제조하는 단계;를 포함하는,
리튬 금속 전지의 제조 방법.
A method for manufacturing a lithium metal battery according to claim 1, comprising:
One surface of a lithium metal (Li-metal) negative electrode by dip coating or spray coating using a coating solution containing a first lithium salt, an ether-based solvent, and lithium nitrate (LiNO 3 ) or on both sides, forming a lithium nitride thin film made of lithium nitride (Li 3 N) and Li 2 O to prepare an anode;
A method for manufacturing a lithium metal battery.
제5항에 있어서,
상기 질화리튬(Li3N) 박막을 형성하는 단계;는 상기 딥 코팅 방법으로 수행되고,
상기 딥 코팅 방법은, 상기 코팅 용액에 상기 리튬 금속 음극을 침지시키는 것인,
리튬 금속 전지의 제조 방법.

6. The method of claim 5,
Forming the lithium nitride (Li 3 N) thin film; is performed by the dip coating method,
The dip coating method is to immerse the lithium metal negative electrode in the coating solution,
A method for manufacturing a lithium metal battery.

삭제delete 제5항에 있어서,
상기 코팅 용액 내 질산리튬(LiNO3)의 함량은,
상기 코팅 용액 총량(100 중량%) 중 0.5 내지 30 중량%인 것인,
리튬 금속 전지의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The content of lithium nitrate (LiNO 3 ) in the coating solution is,
0.5 to 30% by weight of the total amount of the coating solution (100% by weight),
A method for manufacturing a lithium metal battery.
제5항에 있어서,
상기 에테르계 용매는,
테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), 다이옥솔란(Dioxolane, DOL), 및 디메틸 에테르(Dimethyl ether, DME) 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인,
리튬 금속 전지의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The ether-based solvent is
Tetraethylene glycol dimethyl ether (Tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME), dioxolane (Dioxolane, DOL), and dimethyl ether (Dimethyl ether, DME) comprising at least one selected from the group consisting of,
A method for manufacturing a lithium metal battery.
제5항에 있어서,
상기 제1리튬 염은,
LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인,
리튬 금속 전지의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The first lithium salt is
LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 )( Here, x and y are natural numbers), LiCl, LiI, and LiB(C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) includes at least one selected from the group consisting of that is,
A method for manufacturing a lithium metal battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 카보네이트계 유기 용매는,
에틸 카보네이트(Ethyl carbonate, EC), 에틸 메틸 카보네이트(Ethyl methyl carbonate, EMC), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(Diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(Dipropyl carbonate, DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(Ethyl propyl carbonate, EPC), 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate, PC), 및 부틸렌 카보네이트(Butylene carbonate, BC~ 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인,
리튬 금속 전지.
According to claim 1,
The carbonate-based organic solvent,
Ethyl carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methyl Propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (Ethyl propyl carbonate, EPC), propylene carbonate (Propylene carbonate, PC), and butylene carbonate (Butylene carbonate, BC to containing at least one selected from the group consisting of ~ ,
lithium metal battery.
제1항에 있어서,
상기 제2 리튬 염은,
LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 포함하는 것인,
리튬 금속 전지.
According to claim 1,
The second lithium salt is
LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiN(C x F 2x+1 SO 2 )(C y F 2y+1 SO 2 )( where x and y are natural numbers), LiCl, LiI, LiB(C 2 O 4 ) 2 (lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) or a combination thereof,
lithium metal battery.
제1항에 있어서.
상기 양극은,
코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속. 및 리튬의 복합 산화물 중 1종 이상의 양극 활물질을 포함하는 것인,
리튬 금속 전지.
The method of claim 1 .
The anode is
A metal of cobalt, manganese, nickel, or a combination thereof. and at least one positive electrode active material among lithium composite oxides,
lithium metal battery.
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