KR102539126B1 - Lithium recovery system including solid electrolyte membrane and method of manufacturing the solid electrolyte membrane - Google Patents

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Abstract

리튬 회수 시스템을 제공한다. 상기 리튬 회수 시스템은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 고체전해질막 및 상기 음극과 고체전해질막 사이에 유기전해액을 함침한 세퍼레이터를 포함하고, 상기 양극 및 고체전해질막 사이에 양이온 교환막이 위치하며, 상기 양극과 음극은 도선을 통해 전기적으로 연결된 구성을 포함하는 전기화학셀이 적용된다.
상기 고체전해질막의 제조는 전구체 물질들을 계량하여 일정 비율로 혼합하는 단계; 상기 혼합된 전구체 물질들을 용융후 quenching하는 단계; 상기 수득한 유리를 열처리 후 냉각하는 단계; 및 상기 유리를 소성하여 결정화하고 가공하는 단계;를 포함한다.
A lithium recovery system is provided. The lithium recovery system includes a positive electrode, a negative electrode, a solid electrolyte membrane positioned between the positive electrode and the negative electrode, and a separator impregnated with an organic electrolyte between the negative electrode and the solid electrolyte membrane, and a cation exchange membrane is formed between the positive electrode and the solid electrolyte membrane. position, and the anode and cathode are applied to an electrochemical cell including a configuration electrically connected through a conducting wire.
The preparation of the solid electrolyte film may include weighing and mixing precursor materials in a predetermined ratio; quenching after melting the mixed precursor materials; cooling the obtained glass after heat treatment; and sintering the glass to crystallize and process it.

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Figure 112021013653296-pat00001

Description

고체전해질막을 포함하는 리튬 회수 시스템과 상기 고체전해질막의 제조 방법{Lithium recovery system including solid electrolyte membrane and method of manufacturing the solid electrolyte membrane}Lithium recovery system including solid electrolyte membrane and method of manufacturing the solid electrolyte membrane}

본 발명은 리튬 회수 시스템에 관한 것으로 폐리튬용액 등에 포함된 리튬을 회수하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium recovery system and relates to an apparatus and method for recovering lithium contained in a waste lithium solution or the like.

리튬은 2차 전지, 유리, 세라믹, 합금, 윤활유, 제약 등 각종 산업 전반에 다양하게 사용되고 있는데, 특히 리튬 2차 전지는 최근 하이브리드 및 전기자동차의 주요 동력원으로 주목받고 있으며, 휴대폰, 노트북 등 기존의 소형배터리 시장 또한 향후 100배 규모의 거대 시장으로 성장할 것으로 예측되고 있다.Lithium is widely used in various industries such as secondary batteries, glass, ceramics, alloys, lubricants, and pharmaceuticals. In particular, lithium secondary batteries are recently attracting attention as a major power source for hybrid and electric vehicles, and The small battery market is also expected to grow into a huge market 100 times larger in the future.

게다가, 범세계적으로 이루어지고 있는 환경 규제 강화 움직임으로 인하여 가까운 미래에는 하이브리드 및 전기 자동차 산업 뿐만 아니라 전자, 화학, 에너지 등으로 그 응용 분야도 크게 확대되어 21세기 산업 전반에 걸쳐 리튬에 대한 국내외 수요가 급증할 것으로 예상되고 있다.In addition, due to the global movement to strengthen environmental regulations, its application fields will greatly expand not only to the hybrid and electric vehicle industries, but also to electronics, chemicals, and energy in the near future, and domestic and international demand for lithium throughout the 21st century industry will increase. is expected to soar.

이에, 폐전지로부터의 리튬추출 등 리튬의 재사용에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 폐전지로부터의 리튬추출은 리튬이온전도성 고체전해질막을 이용한 전기화학공정을 이용하여 수행될 수 있다. Accordingly, many studies are being conducted on the reuse of lithium, such as lithium extraction from waste batteries. Lithium extraction from waste batteries can be performed using an electrochemical process using a lithium ion conductive solid electrolyte membrane.

상기 리튬이온전도성 고체전해질막의 제조는 일반적으로 sol-gel 법 등을 통해 얻은 고체전해질 분말을 펠렛화한 후 소결하는 과정으로 진행될 수 있다. 그러나 상기 방법으로 제조한 고체전해질막의 경우 실질적으로 이용하기에 충분하지 않은 이온전도성을 갖는다는 문제가 있을 수 있다. 소결조제(sintering additive) 등을 첨가하여 밀도를 높이고 어느 정도 높은 이온전도성을 갖는 전해질막을 제작할 수 있으나, 리튬 회수 시스템에 적용할 경우에는 약간의 기공들만 존재해도 용액에 의해 전해질 막이 뚫려 회수 시스템의 구성요소들을 분리시켜주는 역할을 제대로 할 수 없게 되는 문제점이 있다.The production of the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may generally be performed by pelletizing solid electrolyte powder obtained through a sol-gel method or the like and then sintering. However, in the case of the solid electrolyte membrane prepared by the above method, there may be a problem in that it has insufficient ion conductivity for practical use. An electrolyte membrane with high density and high ion conductivity can be manufactured by adding a sintering additive, etc., but when applied to a lithium recovery system, the electrolyte membrane is pierced by the solution even if there are only a few pores, and the composition of the recovery system There is a problem that the role of separating the elements cannot be properly performed.

한국등록특허공보 제10-2123988호Korean Registered Patent Publication No. 10-2123988

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 높은 이온전도도를 가지면서 우수한 기계적 강도를 갖는 리튬이온전도성 고체전해질막을 적용한 리튬 회수 장치 및 이를 이용한 리튬 회수 방법을 제공하고자 한다.The problem to be solved by the present invention is to provide a lithium recovery device to which a lithium ion conductive solid electrolyte membrane having high ion conductivity and excellent mechanical strength is applied and a lithium recovery method using the same.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 리튬 회수 시스템을 제공한다. 상기 리튬 회수 시스템은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 고체전해질막, 상기 음극과 고체전해질막 사이에 위치하는 유기전해액이 함침된 세퍼레이터, 상기 양극 및 고체전해질막 사이에 위치하는 양이온 교환막으로 구비된 전기화학셀 및 상기 전기화학셀의 일 측면에 저장조가 배치되되, 상기 양극이 상기 저장고에 인접하는 측에 배치될 수 있다.In order to achieve the above technical problem, one aspect of the present invention provides a lithium recovery system. The lithium recovery system includes a positive electrode, a negative electrode, a solid electrolyte membrane positioned between the positive electrode and the negative electrode, a separator impregnated with an organic electrolyte positioned between the negative electrode and the solid electrolyte membrane, and a cation exchange membrane positioned between the positive electrode and the solid electrolyte membrane. An electrochemical cell provided with and a reservoir may be disposed on one side of the electrochemical cell, and the anode may be disposed on a side adjacent to the reservoir.

상기 양극집전체는 탄소 펠트(carbon felt), 탄소페이퍼, 탄소섬유, 탄소 천, 카본나노튜브층 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.The positive current collector may be made of carbon felt, carbon paper, carbon fiber, carbon cloth, carbon nanotube layer, or a combination thereof.

상기 음극으로 리튬 금속 혹은 리튬과 Mg, Au, Ag, Al, Zn, Sn, 또는 이들 중 둘 이상의 조합의 합금이 사용될 수 있다.As the anode, lithium metal or an alloy of lithium and Mg, Au, Ag, Al, Zn, Sn, or a combination of two or more thereof may be used.

상기 유기전해액에 사용되는 비수성 유기용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매 중 하나일 수 있다.The non-aqueous organic solvent used in the organic electrolyte may be one of carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based, or aprotic solvents.

상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 함유하는 필름적층제이거나 셀룰로오스, 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌을 함유하는 섬유부직포 또는 다공성 유리필터 중 하나일 수 있다.The separator may be one of a film laminate containing polyethylene or polypropylene, a fibrous nonwoven fabric containing cellulose, polyester or polypropylene, or a porous glass filter.

상기 고체전해질막의 제조는 Li2CO3 및 H3PO4을 포함하고, GeO2, Al(PO3)3, SiO2 및 TiO2에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 전구체 물질들을 계량하여 일정 비율로 혼합하는 단계, 상기 혼합된 전구체 물질들을 용융후 350 ℃ 내지 450 ℃에서 quenching하는 단계, 상기 수득한 유리를 열처리(annealing) 후 냉각하는 단계 및 상기 유리를 소성하여 결정화하고 가공하여 고체전해질막을 수득하는 단계를 포함하며 상기 고체전해질막은 화학식 1로 표시되는 결정을 주요 결정상으로 갖고,In the manufacture of the solid electrolyte membrane, precursor materials including Li 2 CO 3 and H 3 PO 4 , and at least one selected from GeO 2 , Al(PO 3 ) 3 , SiO 2 and TiO 2 are measured in a predetermined ratio. mixing, melting the mixed precursor materials and then quenching at 350 ° C to 450 ° C, cooling the obtained glass after annealing, and firing the glass to crystallize and process to obtain a solid electrolyte film And the solid electrolyte membrane has a crystal represented by Formula 1 as a main crystal phase,

[화학식 1][Formula 1]

Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12

상기 화학식 1에 대하여, 0≤x≤1 및 0≤y≤1일 수 있다.For Chemical Formula 1, 0≤x≤1 and 0≤y≤1 may be satisfied.

일 예로서, 상기 고체전해질막의 제조시 quenching온도는 350 ℃ 내지 400 ℃일 수 있다.As an example, a quenching temperature may be 350 °C to 400 °C when manufacturing the solid electrolyte membrane.

상기 제조된 고체전해질막의 이온전도도는 1 x 10-5 내지 4 x 10-4 S/cm일 수 있다.Ionic conductivity of the prepared solid electrolyte membrane may be 1 x 10 -5 to 4 x 10 -4 S/cm.

상기 리튬 회수 시스템의 구동은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 고체전해질막, 상기 음극과 고체전해질막 사이에 위치하는 세퍼레이터, 상기 양극 및 고체전해질막 사이에 위치하는 양이온 교환막으로 구비된 전기화학셀 및 상기 전기화학셀의 일 측면에 저장조가 배치된 리튬 회수 시스템을 제공하는 단계, 상기 저장조 내에 폐용액을 넣고, 충전동작을 수행하여 음극에서 리튬 금속을 석출하는 단계 및 상기 저장조 내에 폐용액 대신 물을 넣고, 방전동작을 수행하여 양극에서 LiOH 및 Li2CO3와 같은 리튬염을 수득하는 단계를 포함할 수 있다.The lithium recovery system is driven by a positive electrode, a negative electrode, a solid electrolyte membrane positioned between the positive electrode and the negative electrode, a separator positioned between the negative electrode and the solid electrolyte membrane, and a cation exchange membrane positioned between the positive electrode and the solid electrolyte membrane. Providing a lithium recovery system in which an electrochemical cell and a storage tank are disposed on one side of the electrochemical cell, putting a waste solution into the storage tank and performing a charging operation to deposit lithium metal from the negative electrode, and depositing lithium metal in the storage tank. A step of obtaining a lithium salt such as LiOH and Li 2 CO 3 from the positive electrode by adding water instead of the solution and performing a discharging operation.

상기 폐용액은 리튬 포함 물질을 포함하고, 상기 리튬 포함물질은 폐전지, 폐양극재, 폐음극재, LAS순환자원(Lithium-Aluminium-Silicate)로부터 유래된 물질 또는 이들의 조합일 수 있다.The waste solution includes a lithium-containing material, and the lithium-containing material may be a waste battery, a waste cathode material, a waste anode material, a material derived from LAS recycled resources (Lithium-Aluminium-Silicate), or a combination thereof.

상기 방전시 사용된 상기 저장조에 담긴 물은 반응 전에 CO2(g)가 버블링의 방식으로 물에 첨가되어 용해된 상태일 수 있다.The water contained in the storage tank used during the discharge may be in a state in which CO 2 (g) is added to the water in a bubbling manner and dissolved before the reaction.

본 발명은 높은 이온전도도를 가지면서 우수한 기계적 강도를 갖는 고체전해질막을 제조하고, 상기 고체전해질막을 적용한 리튬 회수 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can manufacture a solid electrolyte membrane having high ionic conductivity and excellent mechanical strength, and provide a lithium recovery system to which the solid electrolyte membrane is applied.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학셀을 포함한 리튬 회수 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학셀의 충전과정시 리튬 이온의 이동을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학셀의 방전과정시 리튬 이온의 이동을 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질막 평가용 전기화학셀 조립시 환원현상 방지 실험의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질막 평가용 전기화학셀 조립시 충방전 실험 후 XPS 분석 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 전기화학셀의 구성요소인 고체전해질막의 제조과정의 개략 순서도이다.
도 7는 quenching온도를 상온(25 ℃)으로 하여 제조된 고체전해질막의 XRD 분석 결과 및 SEM 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 quenching온도를 150 ℃로 하여 제조된 고체전해질막의 XRD 분석 결과 및 SEM 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 quenching온도를 250 ℃로 하여 제조된 고체전해질막의 XRD 분석 결과 및 SEM 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 quenching온도를 350 ℃로 하여 제조된 고체전해질막의 XRD 분석 결과 및 SEM 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 quenching온도를 400 ℃로 하여 제조된 고체전해질막의 XRD 분석 결과 및 SEM 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 quenching온도를 450 ℃로 하여 제조된 고체전해질막의 XRD 분석 결과 및 SEM 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 제조예에 따른 고체전해질막의 이온전도도 계산을 위해 측정한 임피던스(impedance)를 각각 quenching온도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체전해질막을 적용한 전기화학셀의 충방전 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a lithium recovery system including an electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing movement of lithium ions during a charging process of an electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing movement of lithium ions during discharging of an electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of a reduction phenomenon prevention experiment when assembling an electrochemical cell for evaluating an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph of XPS analysis results after a charge/discharge experiment when assembling an electrochemical cell for evaluating an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic flowchart of a manufacturing process of a solid electrolyte membrane, which is a component of the electrochemical cell of the present invention.
7 is a graph showing XRD analysis results and SEM observation results of a solid electrolyte membrane prepared at room temperature (25 ° C.) as a quenching temperature.
8 is a graph showing XRD analysis results and SEM observation results of a solid electrolyte membrane prepared at a quenching temperature of 150 °C.
9 is a graph showing XRD analysis results and SEM observation results of a solid electrolyte membrane prepared at a quenching temperature of 250 °C.
10 is a graph showing XRD analysis results and SEM observation results of solid electrolyte membranes prepared at a quenching temperature of 350 °C.
11 is a graph showing XRD analysis results and SEM observation results of a solid electrolyte membrane prepared at a quenching temperature of 400 °C.
12 is a graph showing XRD analysis results and SEM observation results of solid electrolyte membranes prepared at a quenching temperature of 450 °C.
13 is a graph showing the impedance measured for calculating the ionic conductivity of the solid electrolyte membrane according to the preparation example according to the quenching temperature.
14 is a charge/discharge graph of an electrochemical cell to which a solid electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention is applied.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numbers indicate like elements throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학셀을 포함한 리튬 회수 시스템을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a lithium recovery system including an electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체전해질막이 적용된 전기화학셀은 폐용액 속의 풍부한 리튬 이온을 이용하여 에너지를 저장하고 그 저장된 에너지를 리튬염을 생성하는데 제공하는 것으로 양극(500), 음극(100) 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 고체전해질막(300)을 포함하며, 상기 양극(500)의 일측에 연결된 저장조(1000)에 폐용액, 해수 등이 유입될 수 있다.Referring to FIG. 1, an electrochemical cell to which a solid electrolyte membrane is applied according to an embodiment of the present invention stores energy using abundant lithium ions in a waste solution and provides the stored energy to generate a lithium salt, and an anode (500 ), a negative electrode 100, and a solid electrolyte membrane 300 disposed between the positive electrode and the negative electrode, and the storage tank 1000 connected to one side of the positive electrode 500 may introduce waste solutions, seawater, etc. .

상기 양극(500)은 전자전도성이 우수한 다공성 물질로 리튬 이온이 투과 가능한 물질일 수 있다. 상기 양극(500)은 탄소계 화합물 또는 금속 메쉬일 수 있다. 그러나 당해 장치에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 보다 구체적으로, 밀도가 낮으면서 전기전도도가 좋은 탄소계 화합물로, 탄소 펠트(carbon felt), 탄소페이퍼, 탄소섬유, 탄소 천, 카본나노튜브층 또는 이들의 조합일 수 있다.The positive electrode 500 may be a porous material having excellent electronic conductivity and capable of transmitting lithium ions. The anode 500 may be a carbon-based compound or a metal mesh. However, it is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the device. More specifically, as a carbon-based compound having low density and good electrical conductivity, it may be a carbon felt, carbon paper, carbon fiber, carbon cloth, carbon nanotube layer, or a combination thereof.

상기 음극(100)은 리튬 금속층 혹은 리튬 합금층일 수 있다. 상기 음극(100)에서는 방전과정에서 리튬 금속이 리튬 이온으로 산화되고 충전 과정에서 리튬 이온이 리튬 금속으로 환원되는 반응이 일어날 수 있다. 리튬 금속층은 리튬 포일일 수 있고, 리튬 합금층은 리튬 합금 포일일 수 있다. 리튬 합금은 리튬과 다른 금속 예를 들어, Mg, Au, Ag, Al, Zn, Sn, 또는 이들 중 둘 이상의 조합의 합금일 수 있다.The anode 100 may be a lithium metal layer or a lithium alloy layer. In the negative electrode 100, a reaction in which lithium metal is oxidized to lithium ions during discharging and reduced to lithium metal during charging may occur. The lithium metal layer may be a lithium foil, and the lithium alloy layer may be a lithium alloy foil. The lithium alloy may be an alloy of lithium and another metal, such as Mg, Au, Ag, Al, Zn, Sn, or a combination of two or more thereof.

상기 고체전해질막(300)은 리튬이온만 선택적으로 통과시킬 수 있는 막으로 리튬 초이온 전도체(Li ion super ionic conductor, LISICON), 비정질 이온 전도도 물질(phosphorus-based glass, oxide-based glass, oxide/sulfide based glass), 세라믹 이온 전도도 물질(lithium beta-alumina), 리튬 황화물계 고체전해질, 리튬산화물계 고체전해질, 또는 이들의 조합일 수 있다.The solid electrolyte film 300 is a film through which only lithium ions can selectively pass, and includes a lithium super ionic conductor (LISICON), an amorphous ion conductive material (phosphorus-based glass, oxide-based glass, oxide/ sulfide based glass), a ceramic ion conductive material (lithium beta-alumina), a lithium sulfide-based solid electrolyte, a lithium oxide-based solid electrolyte, or a combination thereof.

구체적으로 상기 고체전해질막(300)은 인계 유리, 산화물계 유리, 인-산질화물계 유리, 황계 유리, 산화물/황화물계 유리, 셀레나이드(selenide)계 유리, 갈륨계 유리, 게르마늄계 유리, 유리-세라믹 활성 금속 이온 전도체, LiPON, Li3PO4·Li2S·SiS2, Li2S·GeS2·Ga2S3, Li2O·11Al2O3, Li1+xTi2-xAlx(PO4)3(0.6≤x≤0.9) 및 결정학적으로 관련된 구조체, Li3Zr2Si2PO12, Li5ZrP3O12, Li5TiP3O12, Li3Fe2P3O12, 또는 Li4NbP3O12 일 수 있다. 보다 구체적으로 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 (단, 0≤x≤1, 0<y≤1)일 수 있다.Specifically, the solid electrolyte film 300 is phosphorus-based glass, oxide-based glass, phosphorus-oxynitride-based glass, sulfur-based glass, oxide/sulfide-based glass, selenide-based glass, gallium-based glass, germanium-based glass, or glass. -ceramic active metal ion conductor, LiPON, Li 3 PO 4 Li 2 S SiS 2 , Li 2 S GeS 2 Ga 2 S 3 , Li 2 O 11Al 2 O 3 , Li 1+x Ti 2-x Al x (PO 4 ) 3 (0.6≤x≤0.9) and crystallographically related structures, Li 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Li 5 ZrP 3 O 12 , Li 5 TiP 3 O 12 , Li 3 Fe 2 P 3 O 12 , or Li 4 NbP 3 O 12 . More specifically, it may be Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (where 0≤x≤1, 0<y≤1).

상기 음극(100)과 상기 고체전해질막(300) 사이에 유기전해액이 함침된 세퍼레이터(200)가 삽입될 수 있다. 상기 세퍼레이터(200)는 절연성의 다공체로서 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌(PP)을 함유하는 필름적층체이거나 셀룰로오스, 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌(PP)를 함유하는 섬유 부직포 또는 다공성 유리필터일 수 있다.A separator 200 impregnated with an organic electrolyte may be inserted between the anode 100 and the solid electrolyte layer 300 . The separator 200 is an insulating porous material, and may be a film laminate containing polyethylene or polypropylene (PP), a fiber non-woven fabric containing cellulose, polyester, or polypropylene (PP), or a porous glass filter.

상기 유기전해액(미도시)은 일반적인 리튬이온전지에서 사용되는 전해질과 비수성 유기용매를 포함하는 것일 수 있다. 상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.The organic electrolyte solution (not shown) may include an electrolyte used in a general lithium ion battery and a non-aqueous organic solvent. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.

상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.Carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based, or aprotic solvents may be used as the non-aqueous organic solvent. As the carbonate-based solvent, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC), ethylene carbonate ( EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), etc. may be used, and the ester-based solvent includes methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, 1,1-dimethylethyl acetate, methyl propionate , ethylpropionate, γ-butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, and the like can be used. Dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, etc. may be used as the ether-based solvent, and cyclohexanone or the like may be used as the ketone-based solvent. there is. In addition, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, etc. may be used as the alcohol-based solvent, and as the aprotic solvent, R-CN (R is a C2 to C20 linear, branched or cyclic hydrocarbon group, among which aromatic rings or ether linkages may be included), nitriles such as dimethylformamide, amides such as dimethylformamide, dioxolanes such as 1,3-dioxolane, sulfolanes, and the like may be used.

상기 리튬염의 대표적인 예로는 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 들 수 있으며, 이들을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.Representative examples of the lithium salt include 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 combinations thereof. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1 to 2.0 M. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, Excellent electrolyte performance can be exhibited, and lithium ions can move effectively.

상기 고체전해질막(300)과 상기 양극(500)사이에는 양이온 교환막(400)이 위치할 수 있다. 상기 양이온 교환막(400)은 양이온, 구체적으로 리튬이온을 선택적으로 투과시킬 수 있으며, 이온전도체이면서 동시에 전기적 부도체일 수 있다. 상기 양이온 교환막(400)은 기공 표면에 음이온성 작용기가 결합된 고분자 다공성 막으로 음이온성 작용기로 설포닐(SO3 -)기가 결합된 폴리올레핀막일 수 있다.A cation exchange membrane 400 may be positioned between the solid electrolyte membrane 300 and the anode 500 . The cation exchange membrane 400 may selectively transmit cations, specifically lithium ions, and may be an ion conductor and an electrical insulator at the same time. The cation exchange membrane 400 is a polymeric porous membrane in which an anionic functional group is bonded to the pore surface, and may be a polyolefin membrane in which a sulfonyl (SO 3 - ) group is bonded to an anionic functional group.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학셀의 충전과정시 리튬 이온의 이동을 보여주는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing movement of lithium ions during a charging process of an electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 먼저 리튬금속이 음극(100)에 석출되는 과정인 충전과정시, 먼저 상기 저장조(1000)에 폐용액이 유입된다. 이 때, 폐용액 내의 리튬염은 양극(500)에서 이온화하고, 리튬 이온은 양이온 교환막(400), 고체전해질막(300) 및 세퍼레이터(200)을 순차적으로 통과하여 음극(100)과 접할 수 있다.Referring to FIG. 2 , during a charging process in which lithium metal is precipitated on the negative electrode 100 , a waste solution is first introduced into the storage tank 1000 . At this time, the lithium salt in the waste solution is ionized at the positive electrode 500, and the lithium ions sequentially pass through the cation exchange membrane 400, the solid electrolyte membrane 300, and the separator 200 to come into contact with the negative electrode 100. .

상기 폐용액은 리튬 포함 물질을 포함하고, 상기 리튬 포함물질은 폐전지, 폐양극재, 폐음극재, LAS순환자원(Lithium-Aluminium-Silicate)으로부터 유래된 물질, 일 예로서 리튬 산화물, 리튬염 또는 이들의 조합이 용매에 분산 혹은 용해된 것일 수 있다.The waste solution includes a lithium-containing material, and the lithium-containing material is a waste battery, a waste cathode material, a waste anode material, a material derived from LAS recycled resources (Lithium-Aluminium-Silicate), for example, lithium oxide, lithium salt Or a combination thereof may be dispersed or dissolved in a solvent.

상기 양극(500)과 상기 음극(100) 사이에 외부 도선을 연결하면, 상기 양극(500)에서는 상기 리튬 포함 물질로부터 리튬이온과 전자를 생성하고 전자는 외부 도선을 따라 음극(100)으로 이동하며, 리튬이온은 양이온 교환막(400), 고체전해질막(300), 세퍼레이터(200)를 순차적으로 통과하여 음극(100)까지 이동할 수 있다. 음극(100)에서 상기 전자와 리튬이온이 만나 음극 상에서 리튬금속이 석출될 수 있다.When an external conductor is connected between the positive electrode 500 and the negative electrode 100, the positive electrode 500 generates lithium ions and electrons from the lithium-containing material, and the electrons move to the negative electrode 100 along the external conductor, , Lithium ions may pass through the cation exchange membrane 400, the solid electrolyte membrane 300, and the separator 200 in sequence to move to the negative electrode 100. In the negative electrode 100, the electrons and lithium ions meet and lithium metal may be deposited on the negative electrode.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학셀의 방전과정시 리튬 이온의 이동을 보여주는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing movement of lithium ions during discharging of an electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 저장조(1000)에 폐리튬용액을 제거하고 물을 주입할 수 있다. 외부 도선으로 연결된 상기 양극(500)과 음극(100)의 전기적 흐름을 반대로 하여, 음극(100)에 석출된 리튬금속이 리튬이온으로 이온화 되어 상기 양극(500)을 통해 물로 이동하여 LiOH 및 Li2CO3와 같은 리튬염을 얻는 방전과정이 진행될 수 있다. Referring to FIG. 3 , the waste lithium solution may be removed and water may be injected into the storage tank 1000 . By reversing the electrical flow between the positive electrode 500 and the negative electrode 100 connected by an external conductor, the lithium metal deposited on the negative electrode 100 is ionized into lithium ions and moves to water through the positive electrode 500 to form LiOH and Li 2 A discharging process to obtain a lithium salt such as CO 3 may proceed.

구체적으로 상기 음극(100) 상에 석출된 리튬금속으로부터 리튬이온과 전자를 생성하고, 리튬이온은 세퍼레이터(200), 고체전해질막(300) 및 양이온 교환막(400)을 순차적으로 통과하여 양극에 도달하게 된다. 이 때 전자는 외부 도선을 따라 양극(500)으로 이동할 수 있다. Specifically, lithium ions and electrons are generated from lithium metal precipitated on the anode 100, and the lithium ions pass through the separator 200, the solid electrolyte membrane 300, and the cation exchange membrane 400 in sequence to reach the anode. will do At this time, electrons may move to the anode 500 along the external conductor.

상기 양극(500)으로 이동한 리튬이온은 물과 하기 반응식 1과 같이 반응할 수 있다.Lithium ions moved to the positive electrode 500 may react with water as shown in Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

Li+ + e- + H2O(ℓ) → LiOH(aq) + 1/2 H2(g)Li + + e - + H 2 O (ℓ) → LiOH (aq) + 1/2 H 2 (g)

상기 반응식 1에 의해 생성된 LiOH(aq)는 물에 미리 녹아있는 CO2(g)와 하기 반응식 2와 같이 반응할 수 있으며, 반응 전에 상기 CO2(g)는 버블링의 방식으로 물에 첨가되어 충분히 용해된 상태일 수 있다.LiOH (aq) produced by Reaction Scheme 1 may react with CO 2 (g) previously dissolved in water as shown in Reaction Scheme 2 below, and prior to the reaction, the CO 2 (g) is added to water by bubbling. It may be in a sufficiently dissolved state.

[반응식 2][Scheme 2]

2LiOH(aq) + CO2(g) → Li2CO3(s) + H2O(ℓ) 2LiOH(aq) + CO 2 (g) → Li 2 CO 3 (s) + H 2 O (ℓ)

도 1 내지 3을 동시에 참조하면, 전기화학셀 조립시 고체전해질막(300)과 양극(500)사이에 양이온 교환막(400)이 배치되어 있다. 상기 양이온 교환막(400)은 상기 전기화학셀의 구동시 인접하는 양극(500)으로부터 고체전해질막(300)으로 전자의 흐름을 막아 고체전해질막(300)의 열화를 방지하는 전기적 부도체의 역할을 할 수 있다. 1 to 3 , a cation exchange membrane 400 is disposed between the solid electrolyte membrane 300 and the anode 500 when assembling the electrochemical cell. The cation exchange membrane 400 serves as an electrical insulator to prevent deterioration of the solid electrolyte membrane 300 by blocking the flow of electrons from the adjacent anode 500 to the solid electrolyte membrane 300 when the electrochemical cell is operated. can

도 4는 전해질막 평가용 전기화학셀 조립시 양이온 교환막(400)의 도입 여부에 따른 환원현상 방지 실험의 사진이다. 도 4(a)는 상기 전기화학셀 조립시 양이온 교환막(400)을 도입하지 않고 전해질막 평가를 실시한 사진이며, 도 4(b)는 상기 전기화학셀 조립시 양이온 교환막(400)을 도입하여 전해질막 평가를 실시한 사진이다.4 is a photograph of a reduction phenomenon prevention experiment according to whether a cation exchange membrane 400 is introduced or not when assembling an electrochemical cell for evaluating an electrolyte membrane. 4(a) is a photograph of an electrolyte membrane evaluation without introducing the cation exchange membrane 400 when assembling the electrochemical cell, and FIG. 4(b) shows an electrolyte membrane by introducing the cation exchange membrane 400 during assembly of the electrochemical cell. This is a picture I just reviewed.

도 4(a)를 참조하면, 상기 전기화학셀 조립시 양이온 교환막(400)을 도입하지 않는 경우, 방전시 양극(500)으로 이동한 전자가 고체전해질막(300) 표면으로 주입되어 Ge4+, Ti4+이온이 각각 Ge2+, Ti3+로 환원되어 상기 고체전해질막(300) 표면에 변색 현상이 발생한다. Referring to FIG. 4(a), when the cation exchange membrane 400 is not introduced when assembling the electrochemical cell, electrons that have moved to the anode 500 during discharge are injected to the surface of the solid electrolyte membrane 300 to form Ge 4+ , Ti 4+ ions are reduced to Ge 2+ and Ti 3+ , respectively, and discoloration occurs on the surface of the solid electrolyte membrane 300 .

도 4(b)를 참조하면, 양극(500)과 고체전해질막(300)사이에 양이온 교환막(400)을 도입하면, 상기 양이온 교환막(400)이 전기적 부도체로 작용하여 양극(500)에서 고체전해질막(300) 표면으로 전자의 흐름을 막음으로써 전기화학셀의 고체전해질막(300) 표면에서 Ge 또는 Ti과 같은 준금속 또는 전이금속의 환원을 막아 변색 현상을 방지하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4(b), when a cation exchange membrane 400 is introduced between the anode 500 and the solid electrolyte membrane 300, the cation exchange membrane 400 acts as an electrical insulator, and the solid electrolyte in the anode 500 It can be confirmed that discoloration is prevented by blocking the flow of electrons to the surface of the film 300 by preventing reduction of a metalloid such as Ge or Ti or a transition metal on the surface of the solid electrolyte film 300 of the electrochemical cell.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질막 평가용 전기화학셀 조립시 충방전 실험 후, 상기 전기화학셀을 구동하기 전(a, c)과 구동한 후(b, d) XPS 분석 결과 그래프이다.5 is an XPS analysis result before (a, c) and after (b, d) driving the electrochemical cell after a charge/discharge experiment when assembling an electrochemical cell for evaluating an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention. it's a graph

상기 전기화학셀의 구동 전후를 비교하는 도 5의 XPS 분석 결과, 먼저 Ge 이온을 분석한 도 5(a) 및 도 5(b)를 비교하면, 구동 전 그래프인 도 5(a)에서는 Ge4+ 이온만이 관찰되었으나 구동 후 그래프인 도 5(b)에서는 추가적으로 Ge2+ 이온이 관찰되었다. As a result of XPS analysis in FIG. 5 comparing before and after driving the electrochemical cell, comparing FIGS. 5(a) and 5(b) in which Ge ions were analyzed first, in FIG. 5(a), which is a graph before driving, Ge 4 Only + ions were observed, but Ge 2+ ions were additionally observed in FIG. 5 (b), which is a graph after driving.

한편, Ti 이온을 분석한 도 5(c) 및 도 5(d)를 비교하면, 구동 전 그래프에서는 Ti4+ 이온만이 관찰되나 구동 후 그래프인 도 5(d)에서는 추가적으로 Ti3+ 이온이 관찰됨을 알 수 있다.Meanwhile, comparing FIG. 5(c) and FIG. 5(d) in which Ti ions are analyzed, only Ti 4+ ions are observed in the graph before driving, but additional Ti 3+ ions are observed in the graph after driving in FIG. 5(d). can be observed.

도 4와 도 5를 동시에 참조하면, 전기화학셀의 고체전해질막(300) 표면 변색현상의 Ge 이온과 Ti 이온의 환원으로 볼 수 있으며, 이는 전기화학셀의 방전 시 양극(500)으로 사용된 carbon felt로 이동한 전자가 고체전해질막(300) 표면으로 주입(injection)되어 환원이 발생함을 알 수 있다.4 and 5 simultaneously, the discoloration of the surface of the solid electrolyte membrane 300 of the electrochemical cell can be seen as the reduction of Ge ions and Ti ions, which is used as the anode 500 during discharge of the electrochemical cell. It can be seen that electrons moved to the carbon felt are injected into the surface of the solid electrolyte film 300 and reduction occurs.

도 6는 상기 도 1에 개시된 전기화학셀의 구성요소 중 고체전해질막(300)의 제조과정의 개략 순서도이다. 상기 고체전해질막(300)의 제조과정은 다음과 같이 melt-quenching법에 의해 행해질 수 있다.FIG. 6 is a schematic flow chart of a manufacturing process of the solid electrolyte membrane 300 among the components of the electrochemical cell shown in FIG. 1 . The manufacturing process of the solid electrolyte film 300 may be performed by a melt-quenching method as follows.

도 6를 참조하여 상기 고체전해질막(300)의 제조과정을 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다. 먼저 미리 결정된 비율로 원료물질들의 무게를 달아준다. 이 때 원료물질은 Li2CO3, Al(PO3)3, TiO2, SiO2, GeO2 및 H3PO4일 수 있다(S100). 상기 원료물질들을 균일하게 섞은 후, 혼합된 원료들을 열분석 도가니인 알루미나 도가니(alumina crucible)에 넣고 열을 가해 전기 용광로에서 녹인다.Referring to FIG. 6 , the manufacturing process of the solid electrolyte membrane 300 is described in more detail as follows. First, the raw materials are weighed in a predetermined ratio. In this case, the raw material may be Li 2 CO 3 , Al(PO 3 ) 3 , TiO 2 , SiO 2 , GeO 2 and H 3 PO 4 (S100). After uniformly mixing the raw materials, the mixed raw materials are put into an alumina crucible, which is a thermal analysis crucible, and heated to melt in an electric furnace.

상기 원료성분으로부터 발생한 가스성분은 700 ℃에서 증발하고, 온도를 1350 ℃ 내지 1450 ℃까지 올리고 1 내지 2 시간 정도 유지하면 원료물질들이 녹는다. 상기 용융된 원료물질들을 스테인리스 강판(stainless steel plate; SUS plate) 상에 주조하여 유리 시트를 형성한다(quenching)(S200).Gas components generated from the raw material components evaporate at 700 ° C., and when the temperature is raised to 1350 ° C. to 1450 ° C. and maintained for about 1 to 2 hours, the raw materials melt. The molten raw materials are cast on a stainless steel plate (SUS plate) to form a glass sheet (quenching) (S200).

상기 quenching이란 상기 용융된 원료물질들을 스테인리스 강판 상에서 주조하는 과정을 말한다. 이 때, 스테인리스 강판의 온도를 quenching온도 라 한다. The quenching refers to a process of casting the molten raw materials on a stainless steel plate. At this time, the temperature of the stainless steel sheet is called the quenching temperature.

상기 quenching온도를 250 ℃이상으로 할 경우, 수득한 유리 소결시 크랙(crack)이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 상기 quenching온도를 350 ℃ 이상 450 ℃이하에서, 더 자세하게는 quenching온도를 400 ℃이상으로 하여 제작된 고체전해질막의 이온전도도는 1 x 10-4 이상의 높은 이온전도도를 가질 수 있다. 추가적으로, quenching온도를 350 ℃ 내지 400 ℃에서 제작된 고체전해질막을 적용한 전기화학셀의 경우 낮은 충방전 과전압을 보이며 구동될 수 있다. 따라서 상기 quenching온도를 350 ℃ 내지 400 ℃로 하여 제작된 고체전해질막을 전기화학셀에 적용시 구동에 유리할 수 있다.When the quenching temperature is 250 ° C. or higher, cracks may not occur during sintering of the obtained glass. In addition, the ion conductivity of the solid electrolyte membrane fabricated at a quenching temperature of 350 ° C. or higher and 450 ° C. or higher, more specifically, at a quenching temperature of 400 ° C. or higher may have a high ion conductivity of 1 x 10 -4 or higher. Additionally, in the case of an electrochemical cell to which a solid electrolyte membrane manufactured at a quenching temperature of 350 ° C. to 400 ° C. is applied, it can be driven with a low charge and discharge overvoltage. Therefore, when the solid electrolyte membrane manufactured by setting the quenching temperature to 350 °C to 400 °C is applied to an electrochemical cell, driving may be advantageous.

상기 quenching과정을 통해 수득한 유리를 550 ℃ 내지 1000 ℃의 범위에서 2 내지 72 시간동안 열처리(어닐링) 후 냉각한다(S300).The glass obtained through the quenching process is heat treated (annealed) for 2 to 72 hours in the range of 550 ° C to 1000 ° C and then cooled (S300).

상기 수득한 유리를 소성하여 결정화하고 가공한다(S400). 자세히 설명하면, 소성 과정을 통해 상기 유리의 결정성을 향상시켜 서로 견고하게 접합되어 일체화된 유리-세라믹을 얻을 수 있다. 상기 유리-세라믹은 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 (단, 0≤x≤1, 0≤y≤1이며, 예를 들어 0≤x≤0.4, 0≤y≤0.6 이고, 또는 0.1≤x≤0.3, 0≤y≤0.4 임)를 주 결정상(main crystal phase)으로 포함할 수 있다. 이에 더하여, 이차상(secondary phase)으로는 AlPO4를 더 포함할 수 있다.The obtained glass is calcined, crystallized, and processed (S400). In detail, crystallinity of the glass can be improved through a firing process to obtain an integrated glass-ceramic that is firmly bonded to each other. The glass-ceramic is Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (provided that 0≤x≤1 and 0≤y≤1, for example 0≤ x≤0.4, 0≤y≤0.6, or 0.1≤x≤0.3, 0≤y≤0.4) may be included as the main crystal phase. In addition to this, the secondary phase (secondary phase) may further include AlPO 4 .

상기 소성 처리 온도에 대해서는, 원하는 유리-세라믹을 얻을 수 있는 온도이면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어 상기 온도는 800 ℃ 내지 1600 ℃의 범위 내이고, 900 ℃ 내지 1200 ℃의 범위 내인 것이 바람직하다. 소성 처리 온도가 너무 낮으면, 유리전이 온도에 도달하지 않음으로써 결정화가 진행되지 않은 반면에, 소성 처리 온도가 너무 높으면, 원하는 결정 구조를 형성할 수 없다. 또한, 소성 처리 지속 시간은, 예를 들어 1 분 내지 10 시간 범위 내이고, 0.5 내지 6 시간의 범위 내인 것이 바람직하다.The firing treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which a desired glass-ceramic can be obtained. If the firing temperature is too low, crystallization does not proceed because the glass transition temperature is not reached, whereas if the firing temperature is too high, a desired crystal structure cannot be formed. Further, the firing treatment duration is within a range of, for example, 1 minute to 10 hours, and preferably within a range of 0.5 to 6 hours.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 전도성 유리-세라믹의 경우, 상기 언급된 구성 범위는 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 (단, 0≤x≤1, 0≤y≤1이며, 예를 들어 0≤x≤0.4, 0≤y≤0.6이고, 또는 0.1≤x≤0.3, 0≤y≤0.4임)을 주된 결정상으로 가질 수 있다. 상기 유리-세라믹이 이온 전도를 저해하는 결정립계를 포함하지 않는 결정인 경우에 전도성 측면에서 유리하다. 예를 들어, 유리-세라믹은 이온 전도를 방해하는 기공이나 결정립계를 거의 가지고 있지 않기 때문에 이온 전도성이 높고, 아울러 우수한 화학적 안정성을 가질 수 있다.In the case of the lithium ion conductive glass-ceramic according to an embodiment of the present invention, the above-mentioned composition range is Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (provided that, 0≤x≤1, 0≤y≤1, for example, 0≤x≤0.4, 0≤y≤0.6, or 0.1≤x≤0.3, 0≤y≤0.4) as the main crystal phase. . When the glass-ceramic is a crystal that does not include a grain boundary that inhibits ion conduction, it is advantageous in terms of conductivity. For example, glass-ceramic has high ion conductivity and excellent chemical stability because it has almost no pores or grain boundaries that hinder ion conduction.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(examples)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

고제전해질막의 제조Manufacture of solid electrolyte membrane

[제1 실험예][Example 1]

하기 표 1에 기재된 바와 같은 quenching온도를 갖는 고체전해질막을 제조하였다.A solid electrolyte membrane having a quenching temperature as shown in Table 1 below was prepared.

먼저 원료물질로 Li2CO3, Al(PO3)3, TiO2, SiO2, GeO2 및 H3PO4을 준비한다. 상기 원료물질은 36.0 P2O5 - 22.0 GeO2 - 6.9 Al2O3 - 4.8 SiO2 -12.6 TiO2 - 17.7 Li2O (mol %)의 비율이 되도록 무게를 달아준다. 상기 원료물질들을 균일하게 섞은 후 알루미나 도가니(alumina crucible)에 넣고 열을 가해 전기 용광로에서 용융한다. 원료 물질로부터 발생하는 CO2, NH3 및 H2O를 700 ℃에서 증발시킨다. 그 후, 1350 ℃까지 온도를 올리고 그 온도에서 1 시간 30분 동안 열을 가하여 원료 물질들을 용융한다. First, Li 2 CO 3 , Al(PO 3 ) 3 , TiO 2 , SiO 2 , GeO 2 and H 3 PO 4 are prepared as raw materials. The raw materials were weighed so as to have a ratio of 36.0 P 2 O 5 - 22.0 GeO 2 - 6.9 Al 2 O 3 - 4.8 SiO 2 -12.6 TiO 2 - 17.7 Li 2 O (mol %). After uniformly mixing the raw materials, they are put into an alumina crucible and melted in an electric furnace by heating. CO 2 , NH 3 and H 2 O from raw materials are evaporated at 700 °C. After that, the temperature is raised to 1350 ° C. and heat is applied at that temperature for 1 hour and 30 minutes to melt the raw materials.

상기 용융물을 스테인리스 강판(stainless steel plate; SUS plate)에서 주조하여 균일한 유리 시트를 형성한다. 상기 용융물을 스테인리스 강판 상에 올려 유리시트를 형성하는 과정을 quenching이라 하며 이 때, 상기 스테인리스 강판의 온도를 quenching온도라 한다. 상기 quenching온도를 350 ℃로 하여 수득한 유리를 550 ℃에서 2시간 동안 열처리(annealing)후 냉각한다.The melt is cast in a stainless steel plate (SUS plate) to form a uniform glass sheet. The process of forming a glass sheet by placing the molten material on a stainless steel plate is called quenching, and at this time, the temperature of the stainless steel plate is called the quenching temperature. The glass obtained by setting the quenching temperature to 350 °C was annealed at 550 °C for 2 hours and then cooled.

상기 유리 표본을 900 ℃에서 소성하여 결정화하고, 지름 20 mm 사이즈의 원형 표본으로 가공하여 유리-세라믹을 얻는다. 상기 제조된 유리-세라믹 결정상은 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 (단, 0≤x≤1 및 0≤y≤1) 로 나타낼 수 있다.The glass sample is calcined at 900° C. to crystallize, and processed into a circular sample having a diameter of 20 mm to obtain a glass-ceramic. The prepared glass-ceramic crystal phase can be represented by Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (where 0≤x≤1 and 0≤y≤1) there is.

[제2 실험예][Experimental Example 2]

quenching온도를 25 ℃(상온)으로 달리하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the quenching temperature was changed to 25 °C (room temperature).

[제3 실험예][Experiment 3]

quenching온도를 150 ℃로 달리하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the quenching temperature was changed to 150 °C.

[제4 실험예][Experiment 4]

quenching온도를 250 ℃로 달리하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the quenching temperature was changed to 250 °C.

[제5 실험예][Example 5]

quenching온도를 350 ℃로 달리하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the quenching temperature was changed to 350 °C.

[제6 실험예][Experiment 6]

quenching온도를 400 ℃로 달리하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the quenching temperature was changed to 400 °C.

[제7 실험예][Experiment 7]

quenching온도를 450 ℃로 달리하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the quenching temperature was changed to 450 °C.

[비교예][Comparative example]

본 발명의 일 실험예에 따라 제조된 것이 아닌 시판되는 고체전해질막인 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(0≤x≤1, 및 0≤y≤1)을 사용하였다. 상기 고체전해질막은 OHARA 사의 LICGC AG-01 제품을 구매하였다.Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (0≤x≤1, and 0≤y≤1) was used. The solid electrolyte membrane was purchased from OHARA's LICGC AG-01 product.

하기 표 1은 실험예 1, 6, 7 및 비교예의 고체전해질막 제조시 quenching온도 및 밀도를 각각 나타낸 표이다.Table 1 below is a table showing the quenching temperature and density when preparing the solid electrolyte membranes of Experimental Examples 1, 6, and 7 and Comparative Examples, respectively.

Quenching Temperature(℃)Quenching Temperature(℃) Density(g/cm3)Density (g/cm 3 ) 실험예 1Experimental Example 1 350350 2.9982.998 실험예 6Experimental Example 6 400400 2.9972.997 실험예 7Experimental Example 7 450450 2.9942.994 비교예comparative example 상용 고체전해질막 사용Use of commercial solid electrolyte membrane 3.053.05

상기 표 1을 참고하면, 고체전해질막 제조시 quenching온도가 감소함에 따라 밀도가 높아짐을 확인할 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that the density increases as the quenching temperature decreases during the manufacture of the solid electrolyte membrane.

한편, quenching온도가 감소에 따라 고체전해질막의 강도가 증가하며, 상기 quenching온도를 제어하여 강도가 높고 동시에 1x10-4 대의 높은 이온전도도를 갖는 고체전해질막을 제작할 수 있다.Meanwhile, as the quenching temperature decreases, the strength of the solid electrolyte membrane increases. By controlling the quenching temperature, a solid electrolyte membrane having high strength and high ionic conductivity of 1x10 -4 can be manufactured.

quenching온도에 따른 결정 구조 및 입자 형상 특성Crystal structure and particle shape characteristics according to quenching temperature

실험예에 따라 제조된 고체전해질막의 XRD 분석 결과 및 SEM 관찰 결과를 도 7 내지 도 12에 나타내었다.XRD analysis results and SEM observation results of the solid electrolyte membrane prepared according to the experimental example are shown in FIGS. 7 to 12 .

상기 고체전해질막 제조시 각각의 quenching온도, 상온(도 7), 150 ℃(도 8), 250 ℃(도 9), 350 ℃(도 10), 400 ℃(도 11) 및 450 ℃(도 12)에 따른 고체전해질막 조성물에 대한 SEM 사진 및 XRD 분석 그래프이다.When preparing the solid electrolyte membrane, each quenching temperature, room temperature (FIG. 7), 150 ℃ (FIG. 8), 250 ℃ (FIG. 9), 350 ℃ (FIG. 10), 400 ℃ (FIG. 11) and 450 ℃ (FIG. 12 ) are SEM images and XRD analysis graphs for the solid electrolyte membrane composition according to.

도 7를 참조하면, quenching온도를 상온으로 조절하고 깨진 조각들을 소결하여 수득한 조성물의 SEM 이미지 및 XRD 그래프가 도시되어 있다. 도 7(c)에 도시한 XRD 그래프의 피크를 분석한 결과, AlPO4 이외에 추가적인 이차상(secondary phase)인 (Ge,Si)O2(Germanium silicon oxide)가 검출됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, SEM images and XRD graphs of the composition obtained by controlling the quenching temperature to room temperature and sintering the broken pieces are shown. As a result of analyzing the peaks of the XRD graph shown in FIG. 7(c), it can be seen that (Ge,Si)O 2 (Germanium silicon oxide), which is an additional secondary phase, is detected in addition to AlPO 4 .

도 8(c)를 참조하면, XRD 그래프의 피크를 분석한 결과 상온에서와 마찬가지로 추가적인 이차상(secondary phase)인 (Ge,Si)O2(Germanium silicon oxide)가 검출되며, 도 8(a) 내지 도 8(b)에 도시한 SEM top view 이미지 분석 결과 흰 결정들이 부분적으로 밀집된 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 8(c), as a result of analyzing the peaks of the XRD graph, as at room temperature, an additional secondary phase (Ge,Si)O 2 (Germanium silicon oxide) is detected, and FIG. 8(a) As a result of the SEM top view image analysis shown in to FIG. 8(b), it can be confirmed that white crystals are partially concentrated.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 quenching온도를 상온, 150 ℃ 및 250 ℃로 제조한 유리의 경우 소성 후 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 이는 주 결정상(main crystal phase)과 이차상(secondary phase)의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient, TEC) 차이로 인해 발생하는 stress가 원인일 수 있다.Referring to FIGS. 7 to 9 , in the case of glass prepared at room temperature, 150 ° C. and 250 ° C. as the quenching temperature, cracks may occur after firing. This may be caused by stress caused by a difference in thermal expansion coefficient (TEC) between the main crystal phase and the secondary phase.

도 9 내지 도 12를 참조하면, SEM 이미지 분석 결과 top view 및 cross view에서 모두 결정들이 치밀하게 모여있는 형상을 확인할 수 있으며, XRD 그래프의 피크를 분석한 결과 주 결정상(main crystal phase) 및 AlPO4 가 검출되며 추가적인 이차상(secondary phase)은 검출되지 않음을 알 수 있다. 9 to 12, as a result of SEM image analysis, it can be seen that the crystals are densely gathered in both the top view and the cross view, and as a result of analyzing the peaks of the XRD graph, the main crystal phase and AlPO 4 It can be seen that is detected and no additional secondary phase is detected.

quenching온도에 따른 고체전해질막의 이온전도도 평가Evaluation of ion conductivity of solid electrolyte membrane according to quenching temperature

실험예에 따라 quenching온도를 각각 달리하여 제조된 고체전해질막이 사용된 전기화학셀에 대하여 이온 전도도를 측정하였다. 이온 전도도는 교류 임피던스법에 의하여 측정하였다.Ion conductivity was measured for the electrochemical cell using the solid electrolyte membrane prepared by varying the quenching temperature according to the experimental example. Ionic conductivity was measured by the alternating current impedance method.

상기 실험예에 사용된 전해질을 0.1 Hz 내지 1 MHz 주파수 범위에서 10mV의 전압 바이어스를 주고 20 ℃, 0 % 상대습도(RH) 조건에서 저항을 측정함으로써 이온 전도도를 평가하여 하기 표 2에 나타내었다.The ionic conductivity of the electrolyte used in the experimental example was evaluated by applying a voltage bias of 10 mV in the frequency range of 0.1 Hz to 1 MHz and measuring the resistance at 20 ° C. and 0% relative humidity (RH) conditions, and it is shown in Table 2 below.

Quenching Temperature(℃)Quenching Temperature(℃) Conductivity(S/cm)Conductivity(S/cm) 실험예 1Experimental Example 1 350350 3. 45 X 10-5 3. 45 X 10 -5 실험예 6Experimental Example 6 400400 2. 31 X 10-4 2. 31 X 10 -4 실험예 7Experimental Example 7 450450 3. 46 X 10-4 3. 46 X 10 -4

표 2는 실험예에 따라 제조된 고체전해질막의 이온전도도를 각각 quenching 온도에 따라 나타낸 표이다.Table 2 is a table showing the ion conductivity of the solid electrolyte membrane prepared according to the experimental example according to the quenching temperature.

도 13은 실험예에 따라 제조된 고체전해질막의 이온전도도의 계산을 위해 측정한 임피던스(impedance)를 각각 quenching온도, 350 ℃(a), 400 ℃(b) 및 450 ℃(c)에 따라 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing the impedance measured for the calculation of the ionic conductivity of the solid electrolyte membrane prepared according to the experimental example according to the quenching temperature, 350 ℃ (a), 400 ℃ (b) and 450 ℃ (c), respectively am.

표 2 및 도 13을 참조하면, quenching온도를 350 ℃, 400 ℃ 및 450 ℃로 하여 제조된 고체전해질막들의 이온전도도를 교류 임피던스법에 따라 측정한 결과, 이온전도도의 값이 각각 3. 45 x 10-5 S/cm, 2. 31 x 10-4 S/cm 및 3. 46 x 10-4 S/cm로 나타난다. 상기 이온전도도의 값을 통해, quenching온도를 400 ℃ 이상으로 한 경우 1 x 10-4 S/cm 이상의 높은 이온전도도를 가짐을 확인할 수 있다.Referring to Table 2 and FIG. 13, as a result of measuring the ion conductivities of the solid electrolyte membranes prepared at quenching temperatures of 350 ° C, 400 ° C, and 450 ° C according to the AC impedance method, the ionic conductivity values were 3. 45 x 10 -5 S/cm, 2. 31 x 10 -4 S/cm and 3. 46 x 10 -4 S/cm. Through the value of the ionic conductivity, when the quenching temperature is 400 ℃ or more, it can be confirmed that it has a high ionic conductivity of 1 x 10 -4 S / cm or more.

도 7 내지 13 및 표 2를 동시에 참조하면, quenching온도에 따른 결정 구조, 입자 형상 및 이온전도도의 특성을 고려하여, 상기 quenching온도는 250 ℃이상에서, 특히 400 ℃이상에서 고체전해질막의 제조가 이루어질 때 보다 바람직함을 알 수 있다. 7 to 13 and Table 2, considering the characteristics of crystal structure, particle shape and ionic conductivity according to the quenching temperature, the quenching temperature is 250 ℃ or more, in particular, 400 ℃ or more. It can be seen that it is more preferable when

전기화학셀의 제조 및 구동방법Manufacturing and driving method of electrochemical cell

본 발명의 실험예에 따른 전기화학셀을 제조하기 위해, 양극으로 다공성의 carbon felt를 사용하고, 음극으로 리튬 금속을 사용하였다. 상기 양극과 음극은 외부 도선을 통해 전기적으로 연결된다. 상기 양극과 음극 사이에 유기전해액이 함침된 세퍼레이터, 고체전해질막, 양이온 교환막이 차례대로 적층된다. 상기 세퍼레이터로는 폴리프로필렌(PP), 유기전해액으로는 에틸렌카보네이트(EC)에 용해된 LiPF6, 고체전해질막으로는 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(단, 0≤x≤1, 0<y≤1)가 사용되며, 양이온교환막으로 CEM-type10(Fuji film사)이 사용된다. 상기 양극의 일 측면에는 폐용액 또는 물이 담길 수 있는 저장조가 배치될 수 있다. In order to manufacture the electrochemical cell according to the experimental example of the present invention, a porous carbon felt was used as an anode and lithium metal was used as a cathode. The anode and cathode are electrically connected through an external conductor. A separator impregnated with an organic electrolyte, a solid electrolyte membrane, and a cation exchange membrane are sequentially stacked between the anode and the cathode. Polypropylene (PP) as the separator, LiPF 6 dissolved in ethylene carbonate (EC) as the organic electrolyte, and Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3 as the solid electrolyte film -y O 12 (however, 0≤x≤1, 0<y≤1) is used, and CEM-type10 (Fuji film) is used as a cation exchange membrane. A storage tank in which waste solution or water can be contained may be disposed on one side of the anode.

상기 저장조에 리튬염을 포함한 폐용액이 담긴 후, 전기적 흐름을 가해주면, 양극에서 리튬염이 이온화되어 리튬 이온이 양극, 고체전해질막, 유기전해액 및 세퍼레이터를 차례로 통과하여 음극 상에서 리튬 금속의 상태로 석출된다.After the waste solution containing lithium salt is contained in the storage tank, when an electric current is applied, the lithium salt is ionized at the anode, and the lithium ions pass through the cathode, the solid electrolyte membrane, the organic electrolyte and the separator in order to form lithium metal on the anode. is precipitated

상기 음극 상에 석출된 리튬 금속의 방전은 전기적 흐름의 방향을 반대로 가하고, 상기 저장조에 담긴 폐용액을 물로 교환하여 행해진다. 상기 방전과정을 통해 음극 상의 리튬 금속은 이온화되어 세퍼레이터, 유기전해액 및 고체전해질막을 차례로 통과하게 되며, 양극에서 물과 만나 반응하여 LiOH 또는 Li2CO3와 같은 염을 생성하게 된다.The discharge of the lithium metal deposited on the negative electrode is performed by applying a reverse direction of electric flow and exchanging the waste solution contained in the storage tank with water. Through the discharging process, the lithium metal on the negative electrode is ionized and sequentially passes through the separator, the organic electrolyte solution, and the solid electrolyte membrane, and reacts with water at the positive electrode to generate a salt such as LiOH or Li 2 CO 3 .

충방전특성 평가Evaluation of charge and discharge characteristics

상온, 대기압 하에서 quenching온도를 각각 달리하여 제조된 고체전해질막이 사용된 전기화학셀을 0.05 mA/cm2의 정전류로 충방전 사이클 실험을 수행하였다. Cut-off voltage는 2 내지 5V로 설정하였다. 충방전 사이클을 5시간씩 진행 후 측정된 전압값을 측정한 충방전 그래프를 도 14에 나타내었다. 단, 이 때 사용된 상용 고체전해질막은 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(0≤x≤1, 및 0≤y≤1)이다. OHARA 사의 LICGC AG-01 제품을 구매하였다.A charge/discharge cycle experiment was performed at a constant current of 0.05 mA/cm 2 for an electrochemical cell using a solid electrolyte membrane prepared by varying the quenching temperature at room temperature and atmospheric pressure. Cut-off voltage was set to 2 to 5V. 14 shows a charge/discharge graph in which voltage values measured after each charge/discharge cycle were performed for 5 hours. However, the commercial solid electrolyte film used at this time is Li 1+x+y Al x( Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (0≤x≤1, and 0≤y≤1). OHARA's LICGC AG-01 product was purchased.

도 14를 동시에 참조하면, 350 ℃ 및 400 ℃의 quenching온도에서 제조된 고체전해질막을 이용한 경우, 종래기술로 제작한 상용 고체전해질막과 유사하게 낮은 충방전과 과전압을 보이며 구동됨을 알 수 있다. 한편, quenching온도를 450 ℃로 하여 제조된 고체전해질막을 이용한 경우, 상대적으로 높은 충방전 과전압을 보이며 구동됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 14 at the same time, it can be seen that when the solid electrolyte membranes manufactured at quenching temperatures of 350 ° C and 400 ° C are used, they operate with low charge and discharge and overvoltage similar to commercial solid electrolyte membranes manufactured in the prior art. On the other hand, it can be seen that in the case of using a solid electrolyte membrane manufactured at a quenching temperature of 450 °C, it is driven with a relatively high charge/discharge overvoltage.

도 7 내지 14 및 표 2를 동시에 참조하면, quenching온도에 따른 결정 구조, 입자 형상, 이온전도도 및 전기화학셀의 충방전의 특성을 모두 고려하여, 상기 quenching온도는 350 ℃ 내지 400 ℃에서 고체전해질막의 제조가 이루어질 때 보다 바람직함을 알 수 있다. 7 to 14 and Table 2, the quenching temperature is 350 ℃ to 400 ℃ in consideration of the crystal structure, particle shape, ionic conductivity, and charging and discharging characteristics of the electrochemical cell according to the quenching temperature Solid electrolyte It can be seen that it is more preferable when the production of the membrane is made.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are made by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention. this is possible

100 : 음극 200 : 세퍼레이터
300 : 고체전해질막 400 : 양이온교환막
500 : 양극 1000 : 저장조
100: cathode 200: separator
300: solid electrolyte membrane 400: cation exchange membrane
500: anode 1000: reservoir

Claims (11)

양극;
음극;
상기 양극과 음극 사이에 위치하고 준금속 또는 전이금속을 함유하는 고체전해질막;
상기 음극과 고체전해질막 사이에 위치하는 유기전해액이 함침된 세퍼레이터; 및
상기 양극 및 고체전해질막 사이에 위치하는 양이온 교환막으로 구비된 전기화학셀; 및
상기 전기화학셀의 일 측면에 저장조가 배치되되, 상기 양극이 상기 저장조에 인접하는 측에 배치되고,
상기 고체전해질막은 하기 화학식 1로 표시되는 주 결정상 및 AlPO4로 표시되는 부 결정상을 포함하되, 이차상(secondary phase)인 (Ge,Si)O2을 포함하지 않고,
상기 이온교환막과 상기 고체전해질막은 서로 접촉되며, 상기 양이온 교환막은 상기 고체전해질막 표면의 Ge4+ 및 Ti4+ 이온이 Ge2+ 및 Ti3+로 각각 환원되는 것을 막는, 리튬 회수 시스템:
[화학식 1]
Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12
상기 화학식 1에 대하여, 0≤x≤1 및 0≤y≤1이다.
anode;
cathode;
a solid electrolyte film positioned between the anode and the cathode and containing a metalloid or transition metal;
a separator impregnated with an organic electrolyte positioned between the anode and the solid electrolyte layer; and
An electrochemical cell equipped with a cation exchange membrane positioned between the anode and the solid electrolyte membrane; and
A storage tank is disposed on one side of the electrochemical cell, and the anode is disposed adjacent to the storage tank,
The solid electrolyte membrane includes a main crystal phase represented by Chemical Formula 1 and a secondary crystal phase represented by AlPO 4 , but does not include a secondary phase (Ge,Si)O 2 ,
The ion exchange membrane and the solid electrolyte membrane are in contact with each other, and the cation exchange membrane prevents Ge 4+ and Ti 4+ ions on the surface of the solid electrolyte membrane from being reduced to Ge 2+ and Ti 3+ , respectively. Blocking, lithium recovery system:
[Formula 1]
Li 1+x+y Al x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12
For Formula 1, 0≤x≤1 and 0≤y≤1.
제1항에 있어서,
상기 양극으로 탄소 펠트(carbon felt), 탄소페이퍼, 탄소섬유, 탄소 천, 카본나노튜브층 또는 이들의 조합이 사용되는 리튬 회수 시스템.
According to claim 1,
A lithium recovery system in which carbon felt, carbon paper, carbon fiber, carbon cloth, carbon nanotube layer, or a combination thereof is used as the anode.
제1항에 있어서,
상기 음극으로 리튬 금속 혹은 리튬과 Mg, Au, Ag, Al, Zn, Sn, 또는 이들 중 둘 이상의 조합의 합금이 사용되는 리튬 회수 시스템.
According to claim 1,
A lithium recovery system in which lithium metal or an alloy of lithium and Mg, Au, Ag, Al, Zn, Sn, or a combination of two or more thereof is used as the negative electrode.
제1항에 있어서,
상기 유기전해액에 사용되는 비수성 유기용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매 중 하나인 리튬 회수 시스템.
According to claim 1,
The non-aqueous organic solvent used in the organic electrolyte solution is one of carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based, or aprotic solvents.
제1항에 있어서,
상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 함유하는 필름적층제이거나 셀룰로오스, 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌을 함유하는 섬유부직포 또는 다공성 유리필터 중 하나인 리튬 회수 시스템.
According to claim 1,
The separator is a lithium recovery system that is one of a film laminate containing polyethylene or polypropylene, a fibrous nonwoven fabric containing cellulose, polyester or polypropylene, or a porous glass filter.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항의 리튬 회수 시스템을 제공하는 단계;
상기 저장조 내에 폐용액을 넣고, 충전동작을 수행하여 음극에서 리튬 금속을 석출하는 단계; 및
상기 저장조 내에 물을 넣고, 방전동작을 수행하여 양극에서 LiOH 및 Li2CO3인 리튬염을 수득하는 단계;를 포함하는 리튬 회수 시스템의 구동방법.
Providing the lithium recovery system of claim 1;
Putting a waste solution into the storage tank and performing a charging operation to deposit lithium metal from the negative electrode; and
A method of driving a lithium recovery system comprising: adding water into the storage tank and performing a discharging operation to obtain LiOH and Li 2 CO 3 lithium salt at the cathode.
제9항에 있어서,
상기 폐용액은 리튬 포함 물질을 포함하고, 상기 리튬 포함물질은 폐전지, 폐양극재, 폐음극재, LAS(Lithium-Aluminium-Silicate)순환자원으로부터 유래된 물질 또는 이들의 조합인 리튬 회수 시스템의 구동방법.
According to claim 9,
The waste solution includes a lithium-containing material, and the lithium-containing material is a waste battery, a waste cathode material, a waste anode material, a material derived from a lithium-aluminium-silicate (LAS) recycling resource, or a combination thereof of a lithium recovery system. driving method.
제9항에 있어서,
방전시 사용된 상기 저장조에 담긴 물은 반응 전에 CO2(g)가 버블링의 방식으로 물에 첨가되어 용해된 상태인 리튬 회수 시스템의 구동방법.
According to claim 9,
The method of driving the lithium recovery system in which the water contained in the storage tank used during discharge is in a state in which CO 2 (g) is added to the water by bubbling and dissolved before the reaction.
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