KR102651625B1 - Lithium secondary battery solid electrolytes and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

리튬 이차전지 고체전해질 및 이의 제조방법이 제공된다. 구체적으로, 리튬 이차전지 고체전해질은, 황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)의 비정질 결합재로부터 형성된 thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 포함한다. 이에 따라, 리튬 이차전지 고체전해질의 이온 전도도 및 전기화학적 안정성을 함께 향상시킬 수 있다.A lithium secondary battery solid electrolyte and a method for manufacturing the same are provided. Specifically, the lithium secondary battery solid electrolyte is a thio-LISICON II analog phase formed from an amorphous binder of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ). ) includes glass ceramics with Accordingly, the ionic conductivity and electrochemical stability of the solid electrolyte of a lithium secondary battery can be improved.

Description

리튬 이차전지 고체전해질 및 이의 제조방법{LITHIUM SECONDARY BATTERY SOLID ELECTROLYTES AND METHOD OF PREPARING THE SAME}Lithium secondary battery solid electrolyte and manufacturing method thereof {LITHIUM SECONDARY BATTERY SOLID ELECTROLYTES AND METHOD OF PREPARING THE SAME}

본 발명은 리튬 이차전지 고체전해질 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 황화물계 결정화 유리를 포함하는 리튬 이차전지 고체전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery solid electrolyte and a manufacturing method thereof, and more specifically, to a lithium secondary battery solid electrolyte containing sulfide-based crystallized glass and a manufacturing method thereof.

소형 모바일 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등에는 전원을 공급하기 위해 이차전지가 사용된다. 최근에는 이차전지로서 리튬 이온을 이용한 리튬 이차전지가 많이 연구 및 사용되고 있다.Secondary batteries are used to supply power to small mobile electronic devices, electric vehicles, hybrid vehicles, etc. Recently, lithium secondary batteries using lithium ions have been widely studied and used as secondary batteries.

현재 상용화된 리튬 이차전지는 전해질 물질로서 주로 가연성 유기 액체를 포함하고 있어, 폭발 및 누액의 위험을 가진다. 이를 해결하기 위해 전고체(all-solid-state) 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 개발하려는 시도가 이뤄지고 있다. 고체전해질을 포함하는 리튬 이차전지는 유기 액체 전해질을 포함한 경우에 비해 안전할 뿐 아니라, 높은 전압에서도 분해되지 않고 안정한 장점이 있다. 이에 따라, 고체전해질을 사용하면 액체전해질에 사용하기 어려웠던 고전압 전극물질을 활용할 수 있다.Currently commercialized lithium secondary batteries mainly contain flammable organic liquids as electrolyte materials, which poses a risk of explosion and leakage. To solve this problem, attempts are being made to develop lithium secondary batteries containing an all-solid-state electrolyte. Lithium secondary batteries containing a solid electrolyte are not only safer than those containing an organic liquid electrolyte, but also have the advantage of being stable and not decomposed even at high voltages. Accordingly, using a solid electrolyte makes it possible to utilize high-voltage electrode materials that were difficult to use in a liquid electrolyte.

일반적으로, 리튬 이차전지에 사용되는 고체전해질은 산화물계 고체전해질과 황화물계 고체전해질로 분류될 수 있다. 이 중 황화물계 고체전해질은 산화물계 고체전해질에 비해 이온 전도도가 높은 장점이 있다. 황화물계 고체전해질로서 황화리튬을 포함하는 고체전해질은 높은 이온 전도도를 가지는 것으로 연구되고 있다.Generally, solid electrolytes used in lithium secondary batteries can be classified into oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes. Among these, sulfide-based solid electrolytes have the advantage of higher ionic conductivity compared to oxide-based solid electrolytes. As a sulfide-based solid electrolyte, a solid electrolyte containing lithium sulfide is being studied as having high ionic conductivity.

그러나, 이온 전도도를 높이기 위해 고체전해질에 황화리튬을 과량 포함시키는 경우, 최종 생성물에 잔류하는 다량의 황화리튬이 수분과 반응하거나 활물질과의 계면 반응성을 증가시켜, 오히려 리튬 이차전지의 전기화학적 안정성을 감소시키는 문제가 있다. 이에 따라, 황화리튬을 포함하면서도 이온 전도도를 향상시키기 위한 기술이 필요한 실정이다.However, when an excessive amount of lithium sulfide is included in the solid electrolyte to increase ionic conductivity, the large amount of lithium sulfide remaining in the final product reacts with moisture or increases the interfacial reactivity with the active material, which actually reduces the electrochemical stability of the lithium secondary battery. There is a problem with reducing it. Accordingly, there is a need for technology to improve ionic conductivity while containing lithium sulfide.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이온 전도도를 향상시키면서 전기화학적으로 안정한 리튬 이차전지 고체전해질 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a lithium secondary battery solid electrolyte that improves ionic conductivity and is electrochemically stable, and a method of manufacturing the same.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 리튬 이차전지 고체전해질을 제공한다. 상기 리튬 이차전지 고체전해질은 황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)의 비정질 결합재로부터 형성된 thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 포함한다.In order to solve the above problem, one aspect of the present invention provides a solid electrolyte for a lithium secondary battery. The lithium secondary battery solid electrolyte has a thio-LISICON II analog phase formed from an amorphous binder of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ). Contains glass ceramics.

상기 비정질 결합재는, 황화리튬(Li2S) 74 몰% 내지 75 몰%와, 오황화인(P2S5) 20 몰% 내지 22 몰%와, 황산리튬(Li2SO4) 3 몰% 내지 5 몰%을 포함할 수 있다.The amorphous binder is 74 mol% to 75 mol% of lithium sulfide (Li 2 S), 20 mol% to 22 mol% of phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and 3 mol% of lithium sulfate (Li 2 SO 4 ). It may contain from 5 mol%.

상기 비정질 결합재는 볼 분쇄기에 의해 결합된 것일 수 있다.The amorphous binder may be combined by a ball mill.

상기 유기세라믹은 상기 비정질 결합재가 215℃ 내지 230℃에서 열처리되어 형성되는 것일 수 있다.The organic ceramic may be formed by heat treating the amorphous binder at 215°C to 230°C.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 리튬 이차전지 고체전해질의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은, 황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)의 혼합재를 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하는 단계와, 상기 비정질 결합재를 열처리하여 thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 형성하는 단계를 포함한다.In order to solve the above problem, another aspect of the present invention provides a method for manufacturing a lithium secondary battery solid electrolyte. The manufacturing method includes forming an amorphous binder by mechanically pulverizing a mixture of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), and forming the amorphous binder. It includes heat treatment to form a glass ceramic having a thio-LISICON II analog phase.

상기 혼합재는 황화리튬(Li2S) 74 몰% 내지 75 몰%와, 오황화인(P2S5) 20 몰% 내지 22 몰%와, 황산리튬(Li2SO4) 3 몰% 내지 5 몰%을 포함할 수 있다.The mixture includes 74 mol% to 75 mol% of lithium sulfide (Li 2 S), 20 mol% to 22 mol% of phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and 3 mol% to 5 mol% of lithium sulfate (Li 2 SO 4 ). It may contain mole %.

상기 혼합재를 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하는 단계는, 볼 분쇄기에 의해 상기 혼합재를 300 rpm 내지 550 rpm으로 20시간 내지 55시간 동안 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.The step of mechanically pulverizing the mixed material to form an amorphous binder may include pulverizing the mixed material using a ball mill at 300 rpm to 550 rpm for 20 to 55 hours.

상기 비정질 결합재를 열처리하여, thio-LISICON Ⅱ 유사상을 갖는 유리세라믹을 형성하는 단계는, 상기 비정질 결합재를 215℃ 내지 230℃로 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.The step of heat treating the amorphous binder to form a glass ceramic having a thio-LISICON II-like phase may include heat treating the amorphous binder at 215°C to 230°C.

본 발명에 따르면, 리튬 이차전지 고체전해질이 황화리튬, 오황화인 및 황산리튬의 비정질 결합재로부터 형성된 thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 포함함으로써, 리튬 이차전지 고체전해질의 이온 전도도 및 전기화학적 안정성을 함께 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the lithium secondary battery solid electrolyte includes a glass ceramic having a thio-LISICON II analog phase formed from an amorphous binder of lithium sulfide, phosphorus pentasulfide, and lithium sulfate, so that the ions of the lithium secondary battery solid electrolyte Conductivity and electrochemical stability can be improved together.

다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 고체전해질의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질을 형성하는 데에 사용된 비정질 결합재의 X선 회절도(X-ray diffraction)를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질에 포함된 유리세라믹의 X선 회절도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질의 이온 전도도를 측정한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지 고체전해질의 전기화학적 안정성을 도시한 순환전압전류 분석도들이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질을 형성하는 데에 사용된 비정질 결합재의 X선 회절도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질에 포함된 유리세라믹의 X선 회절도를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질을 형성하는 데에 사용된 비정질 결합재의 시차열분석도를 도시한 도면이다.
도 9는 도 7의 X선 회절도를 부분 확대한 도면이다.
Figure 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a lithium secondary battery solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing an X-ray diffraction of an amorphous binder used to form a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing an X-ray diffraction diagram of glass ceramic included in a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.
Figure 4 is a diagram measuring the ionic conductivity of a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.
Figures 5a and 5b are cyclic voltammetry analysis diagrams showing the electrochemical stability of a lithium secondary battery solid electrolyte according to an example and a comparative example of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing an X-ray diffraction diagram of an amorphous binder used to form a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing an X-ray diffraction diagram of glass ceramic included in the solid electrolyte of a lithium secondary battery according to embodiments of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing a differential thermal analysis diagram of an amorphous binder used to form a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.
FIG. 9 is a partially enlarged view of the X-ray diffraction diagram of FIG. 7.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 고체전해질의 제조방법을 도시한 순서도이다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a lithium secondary battery solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 리튬 이차전지 고체전해질의 제조방법은, 황화리튬, 오황화인 및 황산리튬의 혼합재를 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하는 단계(S10), 및 비정질 결합재를 열처리하여 thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 형성하는 단계(S20)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계를 보다 상세히 설명한다.Referring to FIG. 1, the method for manufacturing a lithium secondary battery solid electrolyte according to this embodiment includes mechanically pulverizing a mixture of lithium sulfide, phosphorus pentasulfide, and lithium sulfate to form an amorphous binder (S10), and forming an amorphous binder. It may include a step (S20) of heat treating to form a glass ceramic having a thio-LISICON II analog phase. Hereinafter, each step will be described in more detail.

단계 S10에서는, 출발물질로서 황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)의 혼합재를 준비하며, 이를 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성한다. 상기 혼합재에서 황화리튬, 오황화인, 황산리튬의 혼합 비율은 몰 비율(몰%)을 기준으로 각각, 74~75 : 20~22 : 3~5 일 수 있다. 황화리튬(Li2S)-오황화인(P2S5)계 리튬 이차전지 고체전해질은 산화물계 고체전해질에 비해 이온 전도도가 높은데, 이에 따라 출발물질에서 황화리튬의 함량이 약 70 몰% 이상 포함될 필요가 있다. 다만, 황화리튬의 함량이 과다한 경우에는 최종 형성되는 유리세라믹에 잔류하는 황화리튬이 증가함에 따라, 수분 반응성 및 활물질 계면과의 반응성이 커지고 전기화학적 안정성이 낮아진다. 따라서, 상술한 혼합 비율은 최종 형성된 유리세라믹에 잔류하는 황화리튬의 함량을 감소시키면서도 이온 전도도를 향상시키기 위한 최적의 비율인데, 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명한다.In step S10, a mixture of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) is prepared as a starting material, and the mixture is mechanically pulverized to form an amorphous binder. In the mixture, the mixing ratio of lithium sulfide, phosphorus pentasulfide, and lithium sulfate may be 74 to 75: 20 to 22: 3 to 5, respectively, based on the molar ratio (mol%). Lithium sulfide (Li 2 S)-phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 )-based lithium secondary battery solid electrolyte has higher ionic conductivity than oxide-based solid electrolyte, and accordingly, the content of lithium sulfide in the starting material is about 70 mol% or more. needs to be included. However, when the content of lithium sulfide is excessive, as the amount of lithium sulfide remaining in the final formed glass ceramic increases, moisture reactivity and reactivity with the active material interface increase, and electrochemical stability decreases. Therefore, the above-mentioned mixing ratio is the optimal ratio for improving ionic conductivity while reducing the content of lithium sulfide remaining in the final formed glass ceramic, which will be explained in detail later.

단계 S20에서는, 비정질 결합재를 열처리하여 thio-LISICON Ⅱ 유사상을 갖는 유리세라믹을 형성한다. 상기 비정질 결합재를 열처리하는 조건이 적절한 경우, thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 포함한 유리세라믹을 형성할 수 있다. Thio-LISICON Ⅱ상은, Kanno et al., Lithium Ionic Conductor Thio-LISICON:The Li2S-GeS2-P2S5 System, Journal of The Electrochemical Society, 148(7) A742-A746, 2001.(이하, ‘Kanno’라 함)에 공개된 바와 같이, 리튬 이온에 대해 초이온 전도성(lithium superionic conductor, LISICON)을 보이는 결정상으로서, Li4 - xGe1 -xPxS4(x는 0.0 내지 1.0)의 결정 구조 중 특정한 혼합 비율에서만 나타나는 결정 구조이다. 구체적으로, Kanno에서는, Li4 - xGe1 - xPxS4(x는 0.0 내지 1.0)의 결정 구조 중 x=0.65, 0.7, 0.75 일 때 thio-LISICON Ⅱ상이 나타나고, x=0.8, 1.0 일 때 thio-LISICON Ⅲ 상이 나타나는 것을 확인하면서, thio-LISICON Ⅲ 상을 갖는 경우에도 이온 전도도가 향상되기는 하지만, thio-LISICON Ⅱ상을 가지면 그보다 더 높은 이온 전도도를 보이는 것을 확인하였다.In step S20, the amorphous binder is heat treated to form a glass ceramic having a thio-LISICON II-like phase. When the conditions for heat treatment of the amorphous binder are appropriate, glass ceramics including a thio-LISICON II analog phase can be formed. Thio-LISICON II phase, Kanno et al., Lithium Ionic Conductor Thio-LISICON:The Li2S-GeS2-P2S5 System, Journal of The Electrochemical Society, 148(7) A742-A746, 2001. (hereinafter referred to as ‘Kanno’ ), as a crystal phase showing superionic conductivity (LISICON) for lithium ions, a specific crystal structure of Li 4 - x Ge 1 -x P x S 4 (x is 0.0 to 1.0) It is a crystal structure that appears only at mixing ratios. Specifically, in Kanno, in the crystal structure of Li 4 - x Ge 1 - x P x S 4 (x is 0.0 to 1.0), the thio-LISICON II phase appears when x = 0.65, 0.7, 0.75, and x = 0.8, 1.0 By confirming that the thio-LISICON Ⅲ phase appears, it was confirmed that although the ionic conductivity is improved even when the thio-LISICON Ⅲ phase is present, the ionic conductivity is higher when the thio-LISICON Ⅱ phase is present.

본 발명자들은, 황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)이 상술한 혼합 비율로 혼합된 혼합재를 적절한 조건에서 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재로 형성하고, 이를 적절한 온도 조건에서 열처리하여 유리세라믹을 형성하면 thio-LISICON Ⅱ 유사상이 나타나며 이온 전도도가 향상됨을 확인하였다. 또한, 상술한 혼합 비율에서, 유리세라믹에 잔류하는 황화리튬의 함량이 감소됨을 확인하였다. 이는 후술하는 실시예들에서 보다 상세히 설명한다.The present inventors mechanically pulverized a mixture of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) in the above-mentioned mixing ratio under appropriate conditions to form an amorphous binder. It was confirmed that when the glass ceramic was formed by heat treatment under appropriate temperature conditions, a thio-LISICON II-like phase appeared and ionic conductivity improved. In addition, it was confirmed that at the above-mentioned mixing ratio, the content of lithium sulfide remaining in the glass ceramic was reduced. This will be explained in more detail in the embodiments described later.

한편, 단계 S10에서 기계적 분쇄는 볼 밀링(ball milling)에 의해 수행될 수 있는데, 이 경우 밀링 조건에 따라 비정질 결합재의 결정화 온도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 밀링 속도, 밀링 시간, 밀링 매개체, 볼(ball) 대 분말(powder)의 비율 등이 상기 비정질 결합재의 결정화 온도에 영향을 줄 수 있다. 또한, thio-LISICON Ⅱ 유사상은 thio-LISICON Ⅲ 유사상에 비해 이온 전도도는 더 높은 반면에 화학적으로는 덜 안정하기 때문에, 결정화 온도 이상에서 열처리 온도가 약간만 달라지더라도 thio-LISICON Ⅲ 유사상으로 형성되어, thio-LISICON Ⅱ 유사상을 얻기 어려워진다. 따라서, 황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)을 상술한 혼합 비율로 혼합한 혼합재를 적절한 분쇄 조건에서 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하고, 이를 적절한 온도 조건에서 열처리하는 것이 중요하다.Meanwhile, mechanical grinding in step S10 may be performed by ball milling, in which case the crystallization temperature of the amorphous binder may vary depending on milling conditions. For example, milling speed, milling time, milling medium, ball to powder ratio, etc. may affect the crystallization temperature of the amorphous binder. In addition, the thio-LISICON Ⅱ pseudo-phase has higher ionic conductivity than the thio-LISICON Ⅲ pseudo-phase but is less chemically stable, so even if the heat treatment temperature is slightly different above the crystallization temperature, the thio-LISICON Ⅲ-like phase is formed. This makes it difficult to obtain thio-LISICON Ⅱ similar images. Therefore, a mixture of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) in the above-mentioned mixing ratio is mechanically ground under appropriate grinding conditions to form an amorphous binder. And it is important to heat treat it under appropriate temperature conditions.

본 발명의 실시예들에 따르면, 볼 분쇄기에 의해 상기 혼합재를 300 rpm 내지 550 rpm으로 20시간 내지 55시간 동안 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하고, 상기 비정질 결합재를 215℃ 내지 230℃로 열처리함에 따라, thio-LISICON Ⅱ 유사상을 갖는 유리세라믹이 형성될 수 있다.According to embodiments of the present invention, the mixture is ground by a ball mill at 300 rpm to 550 rpm for 20 to 55 hours to form an amorphous binder, and the amorphous binder is heat treated at 215°C to 230°C, Glass ceramics with a thio-LISICON II-like phase can be formed.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Below, a preferred embodiment (example) is presented to aid understanding of the present invention. However, the following examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1Example 1

황화리튬(Li2S)은 Alfa Aesar사에서 제공된 순도 99.9%의 물질을 사용하였고, 오황화인(P2S5)은 Sigma-Aldrich사에서 제공된 순도 99%의 물질을 사용하였다. 준비된 황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)을 출발물질로 하여, 글로브 박스 내에 아르곤 기체 분위기에서 Li2S : P2S5 : Li2SO4 = 75 : 22 : 3 의 혼합 비율(몰%)로 혼합한 혼합 분말을 준비하였다. 이어서, 부피 100 ml의 알루미나 포트에서 3 mm의 지르코니아 볼 120 g과 혼합 분말 3 g을 혼합하고 Fritsch사의 유성형 볼 밀(planetary ball mill)기를 이용하여 370 rpm의 회전 속도로 48시간 동안 기계적 분쇄하여, 비정질 결합재를 형성하였다. 얻어진 비정질 결합재를 아르곤 분위기에서 215℃로 3시간 동안 열처리하여, 유리세라믹 분말을 형성하였다.Lithium sulfide (Li 2 S) was used with a purity of 99.9% provided by Alfa Aesar, and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) was used with a purity of 99% provided by Sigma-Aldrich. Using prepared lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) as starting materials, Li 2 S : P 2 S 5 : Li was prepared in an argon gas atmosphere in a glove box. A mixed powder was prepared by mixing 2 SO 4 = 75:22:3 in a mixing ratio (mol%). Next, 120 g of 3 mm zirconia balls and 3 g of mixed powder were mixed in an alumina pot with a volume of 100 ml, and mechanically pulverized for 48 hours at a rotation speed of 370 rpm using a planetary ball mill from Fritsch. An amorphous binder was formed. The obtained amorphous binder was heat treated at 215°C for 3 hours in an argon atmosphere to form glass ceramic powder.

실시예 2Example 2

출발물질의 혼합 비율(몰%)을, Li2S : P2S5 : Li2SO4 = 75 : 21 : 4 로 혼합한 점을 제외하면, 실시예 1과 동일한 공정으로 유리세라믹 분말을 형성하였다.Glass ceramic powder was formed in the same process as in Example 1, except that the mixing ratio (mol%) of the starting materials was Li 2 S : P 2 S 5 : Li 2 SO 4 = 75 : 21 : 4. did.

실시예 3Example 3

출발물질의 혼합 비율(몰%)을, Li2S : P2S5 : Li2SO4 = 75 : 19 : 6 으로 혼합한 점을 제외하면, 실시예 1과 동일한 공정으로 유리세라믹 분말을 형성하였다.Glass ceramic powder was formed in the same process as Example 1, except that the mixing ratio (mol%) of the starting materials was Li 2 S : P 2 S 5 : Li 2 SO 4 = 75 : 19 : 6. did.

실시예 4Example 4

출발물질의 혼합 비율(몰%)을, Li2S : P2S5 : Li2SO4 = 75 : 21 : 4 로 혼합하고 520 rpm으로 20시간 동안 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하며, 이를 각각, 220℃ 및 230℃에서 열처리한 점(실시예 4-1 및 실시예 4-2)을 제외하면, 실시예 1과 동일한 공정으로 유리세라믹 분말을 형성하였다.The mixing ratio (mol%) of the starting materials is Li 2 S : P 2 S 5 : Li 2 SO 4 = 75 : 21 : 4 and mechanically pulverized at 520 rpm for 20 hours to form an amorphous binder. Glass ceramic powder was formed in the same process as Example 1, except that heat treatment was performed at 220°C and 230°C, respectively (Example 4-1 and Example 4-2).

실시예 5Example 5

출발물질의 혼합 비율(몰%)을, Li2S : P2S5 : Li2SO4 = 74 : 21 : 5 로 혼합하고 기계적으로 분쇄한 비정질 결합재를 각각, 220℃ 및 230℃에서 열처리한 점(실시예 5-1 및 실시예 5-2)을 제외하면, 실시예 4와 동일한 공정으로 유리세라믹 분말을 형성하였다.The mixing ratio (mol%) of the starting materials was mixed at Li 2 S : P 2 S 5 : Li 2 SO 4 = 74 : 21 : 5, and the mechanically pulverized amorphous binder was heat treated at 220°C and 230°C, respectively. Glass ceramic powder was formed in the same process as Example 4, except for (Example 5-1 and Example 5-2).

비교예 1Comparative Example 1

출발물질로서, 황화리튬(Li2S) 및 오황화인(P2S5)을 Li2S : P2S5 = 80 : 20 의 혼합 비율(몰 %)로 혼합한 점을 제외하면, 실시예 1과 동일한 공정으로 유리세라믹 분말을 형성하였다.As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) were mixed at a mixing ratio (mol %) of Li 2 S : P 2 S 5 = 80 : 20. Glass ceramic powder was formed in the same process as Example 1.

비교예 2Comparative Example 2

출발물질로서, 황화리튬(Li2S) 및 오황화인(P2S5)을 Li2S : P2S5 = 75 : 25 의 혼합 비율(몰 %)로 혼합한 점을 제외하면, 실시예 1과 동일한 공정으로 유리세라믹 분말을 형성하였다.As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) were mixed at a mixing ratio (mol %) of Li 2 S : P 2 S 5 = 75 : 25. Glass ceramic powder was formed in the same process as Example 1.

비교예 3Comparative Example 3

출발물질의 혼합 비율(몰%)을, Li2S : P2S5 = 78 : 22 로 혼합하고 기계적으로 분쇄한 비정질 결합재를 각각, 220℃ 및 230℃에서 열처리한 점(비교예 3-1 및 비교예 3-2)을 제외하면, 실시예 4와 동일한 공정으로 유리세라믹 분말을 형성하였다.The mixing ratio (mol%) of the starting materials was mixed at Li 2 S : P 2 S 5 = 78 : 22, and the mechanically ground amorphous binder was heat-treated at 220°C and 230°C, respectively (Comparative Example 3-1 and Comparative Example 3-2), glass ceramic powder was formed in the same process as Example 4.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질을 형성하는 데에 사용된 비정질 결합재의 X선 회절도(X-ray diffraction, XRD)를 도시한 도면이다.Figure 2 is a diagram showing an X-ray diffraction (XRD) of an amorphous binder used to form a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.

도 2를 참조하면, 출발물질들을 기계적 분쇄에 의해 혼합한 비정질 결합재에서, 소량의 황화리튬(Li2S) 결정이 확인된다. 비교예 1 및 비교예 2의 결과로부터, 황화리튬의 함량이 75 몰%인 경우에는 비정질 결합재에서 황화리튬 결정이 포함되지 않는 것으로 확인된다. 그러나, 도 3을 참조하여 후술하는 바와 같이, 이 경우에는 열처리에 의해 상대적으로 이온 전도도가 낮은 thio-LISICON Ⅲ 유사상만이 얻어진다. 따라서, 잔류하는 황화리튬 결정을 최소화하면서도, 이온 전도도가 높은 유리세라믹을 얻기 위해서, 실시예 1 또는 실시예 2와 같이, Li2S : P2S5 : Li2SO4 = 75 : 21 : 4 또는 75 : 22 : 3 의 혼합 비율(몰%)로 출발물질을 구성할 필요가 있다. 실시예 3의 경우, 비정질 결합재에 잔류하는 황화리튬 결정이 실시예 1 및 실시예 2보다 두드러진 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 2, a small amount of lithium sulfide (Li 2 S) crystals is confirmed in the amorphous binder obtained by mixing the starting materials by mechanical grinding. From the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it was confirmed that when the content of lithium sulfide was 75 mol%, the amorphous binder did not contain lithium sulfide crystals. However, as will be described later with reference to FIG. 3, in this case, only a thio-LISICON III-like phase with relatively low ionic conductivity is obtained through heat treatment. Therefore, in order to obtain a glass ceramic with high ionic conductivity while minimizing remaining lithium sulfide crystals, as in Example 1 or Example 2, Li 2 S : P 2 S 5 : Li 2 SO 4 = 75: 21 : 4 Alternatively, it is necessary to configure the starting materials in a mixing ratio (mol%) of 75:22:3. In the case of Example 3, it was confirmed that the lithium sulfide crystals remaining in the amorphous binder were more prominent than those of Examples 1 and 2.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질에 포함된 유리세라믹의 X선 회절도를 도시한 도면이다.Figure 3 is a diagram showing an X-ray diffraction diagram of glass ceramic included in a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.

도 3을 참조하면, 도 2의 비정질 결합재들을 열처리하여 형성된 유리세라믹의 X선 회절 패턴이 도시되었다. 비교예 1 및 비교예 2를 확인하면, 비교예 1의 유리세라믹에서 thio-LISICON Ⅱ 유사상이 나타나기는 하지만, 이와 함께 황화리튬 결정의 피크도 강하게 나타나는 것으로 확인된다. 이에 반해, 비교예 2의 유리세라믹에서는 thio-LISICON Ⅱ 유사상보다 이온 전도도가 낮은, thio-LISICON Ⅲ 유사상이 확인된다.Referring to FIG. 3, an X-ray diffraction pattern of glass ceramic formed by heat treating the amorphous binders of FIG. 2 is shown. When comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it was confirmed that although a thio-LISICON II-like phase appeared in the glass ceramic of Comparative Example 1, a peak of lithium sulfide crystals also appeared strongly. On the other hand, in the glass ceramic of Comparative Example 2, a thio-LISICON III-like phase was confirmed, which has lower ionic conductivity than the thio-LISICON II-like phase.

한편, 실시예 1 및 실시예 2는 각각 thio-LISICON Ⅱ 유사상을 가지는 것으로 확인된다. 이때, 실시예 1 및 실시예 2에서도 황화리튬의 결정 패턴이 확인되기는 하지만, 비교예 1에 비해 약한 피크 강도를 갖는 것으로 확인된다. 실시예 3의 경우, 황화리튬의 결정 패턴이 강하게 나타나면서 thio-LISICON Ⅱ 유사상의 결정 구조도 잘 나타나지 않는 것으로 확인된다.Meanwhile, Example 1 and Example 2 were each confirmed to have thio-LISICON II similarity. At this time, although the crystal pattern of lithium sulfide was confirmed in Examples 1 and 2, it was confirmed to have a weaker peak intensity compared to Comparative Example 1. In the case of Example 3, it was confirmed that the crystal pattern of lithium sulfide appeared strongly and the crystal structure of the thio-LISICON II-like phase did not appear well.

이처럼, 황화리튬-오산화인 혼합물에 황산리튬을 첨가하지 않는 경우, 황화리튬의 양을 감소시키면(75 몰%) 잔류하는 황화리튬이 감소하는 대신 thio-LISICON Ⅱ 유사상이 나타나지 않고(비교예 2), 황화리튬의 양을 증가시키면(80 몰%) thio-LISICON Ⅱ 유사상이 나타나는 대신에 잔류하는 황화리튬이 증가하게 된다(비교예 1).In this way, when lithium sulfate is not added to the lithium sulfide-phosphorus pentoxide mixture, if the amount of lithium sulfide is reduced (75 mol%), the remaining lithium sulfide is reduced, but the thio-LISICON II-like phase does not appear (Comparative Example 2) When the amount of lithium sulfide is increased (80 mol%), a thio-LISICON II-like phase appears, but the remaining lithium sulfide increases (Comparative Example 1).

이에 대해, 황화리튬-오산화인 혼합물에 황산리튬을 첨가한 경우, 황화리튬이 동일한 비율로 혼합되더라도(75 몰%), 황산리튬의 첨가 비율이 3 몰% 또는 4 몰%이면 thio-LISICON Ⅱ 유사상이 나타나며 잔류하는 황화리튬의 양이 감소되는 것을 알 수 있다. 다만, 황산리튬의 첨가 비율이 6 몰%이면 thio-LISICON Ⅱ 유사상이 잘 나타나지 않으며, 잔류하는 황화리튬의 양 또한 증가하는 것으로 확인되었다.In contrast, when lithium sulfate is added to a lithium sulfide-phosphorus pentoxide mixture, even if lithium sulfide is mixed in the same ratio (75 mol%), if the addition ratio of lithium sulfate is 3 mol% or 4 mol%, thio-LISICON II is similar. It can be seen that a phase appears and the amount of remaining lithium sulfide is reduced. However, when the addition ratio of lithium sulfate was 6 mol%, the thio-LISICON II-like phase did not appear well, and the amount of remaining lithium sulfide was also confirmed to increase.

도 4은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질의 이온 전도도를 측정한 도면이다.Figure 4 is a diagram measuring the ionic conductivity of a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.

도 4를 참조하면, 실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 2에서 얻어진 유리세라믹에 대해 상온(25℃)에서 이온 전도도를 측정한 결과가 도시되었다. 도 3에서 확인된 것처럼, 비교예 1(적색)은 thio-LISICON Ⅱ 유사상을 가지므로 이온 전도도가 높게 나타나지만, 도 3에서 확인된 바와 같이, 잔류하는 황화리튬(Li2S)이 많은 문제가 있다. 이에 비해, 비교예 2는 잔류하는 황화리튬이 적은 대신에, 이온 전도도가 가장 낮은 것으로 측정되었다. 실시예 1과 실시예 2에서는 잔류하는 황화리튬이 감소하면서도 이온 전도도가 높게 나타나는 것을 확인하였으며, thio-LISICON Ⅱ 유사상이 잘 나타나지 않았던 실시예 3에서는 이온 전도도가 감소되는 것을 확인하였다.Referring to Figure 4, the results of measuring ionic conductivity at room temperature (25°C) for the glass ceramics obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are shown. As confirmed in Figure 3, Comparative Example 1 (red) has a thio-LISICON II-like phase and thus exhibits high ionic conductivity. However, as confirmed in Figure 3, there is a problem with a lot of residual lithium sulfide (Li 2 S). there is. In comparison, Comparative Example 2 had less residual lithium sulfide, but was measured to have the lowest ionic conductivity. In Examples 1 and 2, it was confirmed that the ionic conductivity was high while the residual lithium sulfide was reduced, and in Example 3, where the thio-LISICON II-like phase was not clearly observed, the ionic conductivity was confirmed to be reduced.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지 고체전해질의 전기화학적 안정성을 도시한 순환전압전류 분석도들이다. 도 5a는 실시예 1의 유리세라믹을 포함하는 리튬 이차전지 고체전해질에 대한 순환전압전류 측정 결과를 나타내고, 도 5b는 비교예 1의 유리세라믹을 포함하는 리튬 이차전지 고체전해질에 대한 순환전압전류 측정 결과를 나타낸다.Figures 5a and 5b are cyclic voltammetry analysis diagrams showing the electrochemical stability of a lithium secondary battery solid electrolyte according to an example and a comparative example of the present invention. FIG. 5A shows the results of cyclic voltammetry measurements for the solid electrolyte of a lithium secondary battery containing the glass ceramic of Example 1, and FIG. 5B shows the results of cyclic voltammetry measurements of the solid electrolyte of a lithium secondary battery containing the glass ceramic of Comparative Example 1. Shows the results.

도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 실시예 1과 비교예 1 모두, thio-LISICON Ⅱ 유사상을 가지므로 이온 전도도가 높지만, 비교예 1에서는 잔류하는 황화리튬(Li2S)이 많아, 순환전압전류 측정 결과 전기화학적 안정도가 낮은 것으로 확인되었다. 이에 반해, 실시예 1에서는 전기화학적으로 안정하면서도 이온 전도도가 높게 유지됨을 알 수 있다.Referring to FIGS. 4, 5A, and 5B, both Example 1 and Comparative Example 1 have a thio-LISICON II-like phase and thus have high ionic conductivity, but in Comparative Example 1, there is a lot of residual lithium sulfide (Li 2 S). , as a result of cyclic voltammetry measurements, it was confirmed that electrochemical stability was low. On the other hand, in Example 1, it can be seen that the ion conductivity is maintained high while being electrochemically stable.

따라서, 실시예 1 또는 실시예 2의 혼합 비율로 출발물질들을 혼합할 때에 비로소 리튬 이차전지 고체전해질의 이온 전도도 및 전기화학적 안정성이 함께 향상되는 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the ionic conductivity and electrochemical stability of the solid electrolyte of a lithium secondary battery are improved only when the starting materials are mixed at the mixing ratio of Example 1 or Example 2.

도 6는 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질을 형성하는 데에 사용된 비정질 결합재의 X선 회절도를 도시한 도면이다.Figure 6 is a diagram showing an X-ray diffraction diagram of an amorphous binder used to form a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.

도 6을 참조하면, 실시예 4, 5 및 비교예 3의 비정질 결합재에 대한 X선 회절 패턴이 도시되었다. 실시예 4, 실시예 5 및 비교예 3의 경우 모두, 비정질 결합재 내에 황화리튬(Li2S) 결정이 잔류하는 것으로 확인된다. 한편, 혼합재에 첨가된 황산리튬(Li2SO4)의 회절 피크는 비정질 결합재의 회절 패턴에서 확인되지 않는데, 이로부터 황화리튬-오황화인에 첨가된 황산리튬이 기계적 분쇄에 의해 완전히 비정질화되어 비정질 결합재에 포함되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, X-ray diffraction patterns for the amorphous binders of Examples 4, 5, and Comparative Example 3 are shown. In all of Examples 4, 5, and Comparative Example 3, it was confirmed that lithium sulfide (Li 2 S) crystals remained in the amorphous binder. On the other hand, the diffraction peak of lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) added to the mixture is not confirmed in the diffraction pattern of the amorphous binder, which shows that the lithium sulfate added to the lithium sulfide-phosphorus pentasulfide is completely amorphized by mechanical grinding and becomes amorphous. It can be seen that it is included in the binder.

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질에 포함된 유리세라믹의 X선 회절도를 도시한 도면이다.Figure 7 is a diagram showing an X-ray diffraction diagram of glass ceramic included in the solid electrolyte of a lithium secondary battery according to embodiments of the present invention.

도 7을 참조하면, 도 6의 비정질 결합재를 각각 다른 온도에서 열처리하여 얻어진 유리세라믹의 X선 회절 패턴이 도시되었다. 전술한 바와 같이, 비정질 결합재를 열처리하는 조건에 따라 유리세라믹에서 얻어지는 결정상이 달라질 수 있다. 비교예 3 및 실시예 4에서, 220℃로 열처리한 경우(실시예 4-1, 비교예 3-1)에는 thio-LISICON Ⅱ 유사상이 얻어지지만, 230℃로 열처리한 경우(실시예 4-2, 비교예 3-2)에는 그보다 이온 전도도가 낮은, thio-LISICON Ⅲ 유사상이 얻어진다. 이에 반해, 실시예 5의 유리세라믹은 220℃로 열처리한 경우(실시예 5-1)든지 또는 230℃로 열처리한 경우(실시예 5-2)든지 모두 thio-LISICON Ⅱ 유사상을 포함한 것으로 확인된다. 또한, 실시예 5의 유리세라믹에서는 잔류하는 황화리튬(Li2S)도 감소된 것으로 확인된다. 이러한 결과는, 황화리튬-오황화인에 첨가된 5 몰%의 황산이 thio-LISICON Ⅱ 유사상의 열적 안정도를 향상시키기 때문인 것으로 추정할 수 있다.Referring to FIG. 7, an X-ray diffraction pattern of glass ceramic obtained by heat treating the amorphous binder of FIG. 6 at different temperatures is shown. As described above, the crystalline phase obtained from glass ceramic may vary depending on the conditions for heat treatment of the amorphous binder. In Comparative Example 3 and Example 4, a thio-LISICON II-like phase was obtained when heat treated at 220°C (Example 4-1, Comparative Example 3-1), but when heat treated at 230°C (Example 4-2 In Comparative Example 3-2), a thio-LISICON III-like phase with lower ionic conductivity was obtained. On the other hand, the glass ceramic of Example 5 was confirmed to contain a thio-LISICON II-like phase whether heat-treated at 220°C (Example 5-1) or 230°C (Example 5-2). do. In addition, it was confirmed that residual lithium sulfide (Li 2 S) was reduced in the glass ceramic of Example 5. This result can be assumed to be because 5 mol% of sulfuric acid added to lithium sulfide-phosphorus pentasulfide improves the thermal stability of the thio-LISICON II-like phase.

도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차전지 고체전해질을 형성하는 데에 사용된 비정질 결합재의 시차열분석도(differential scanning calorimetry, DSC)를 도시한 도면이다.Figure 8 is a diagram showing differential scanning calorimetry (DSC) of an amorphous binder used to form a lithium secondary battery solid electrolyte according to embodiments of the present invention.

도 8을 참조하면, 비교예 3의 경우 비정질 결합재의 결정화 온도 피크가 209.7℃, 241.4℃로 나타났고, 실시예 4의 경우 결정화 온도 피크가 210.1℃, 258.1℃로 나타났으며, 실시예 5의 경우 결정화 온도 피크가 213.5℃, 262.7℃로 나타났다. 이때, 결정화 온도의 피크들 중 제2 피크의 온도는 thio-LISICON Ⅲ 유사상을 형성하는 것과 관련되는데, 비교예 3으로부터 실시예 4 및 실시예 5로 갈수록 제2 피크의 온도가 더 높은 온도 쪽으로 쉬프트(shift)된다. 이에 반해, 결정화 온도 중 제1 피크의 온도는 크게 변하지 않으며, 비교예 3, 실시예 4 및 실시예 5의 경우 모두 215℃ 미만에서 제1 피크가 나타났다.Referring to Figure 8, in Comparative Example 3, the crystallization temperature peaks of the amorphous binder were 209.7°C and 241.4°C, in Example 4, the crystallization temperature peaks were 210.1°C and 258.1°C, and in Example 5 In this case, the crystallization temperature peaks were 213.5℃ and 262.7℃. At this time, the temperature of the second peak among the peaks of crystallization temperature is related to forming a thio-LISICON III-like phase, and from Comparative Example 3 to Example 4 and Example 5, the temperature of the second peak increases toward a higher temperature. It shifts. On the other hand, the temperature of the first peak among the crystallization temperatures did not change significantly, and in the case of Comparative Example 3, Example 4, and Example 5, the first peak appeared below 215°C.

이와 같이, 제1 피크와 제2 피크의 사이의 온도 간격은 출발물질에서 황산리튬(Li2SO4)의 첨가량이 많을수록 증가하는데, 이로부터 황산리튬이 높은 열처리 온도에서도 thio-LISICON Ⅲ 유사상의 결정화를 억제함으로써 thio-LISICON Ⅱ 유사상을 안정화시키는 역할을 하는 것으로 추정할 수 있다.In this way, the temperature interval between the first peak and the second peak increases as the amount of lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) is added to the starting material, which shows that lithium sulfate crystallizes into a thio-LISICON III-like phase even at a high heat treatment temperature. It can be assumed that it plays a role in stabilizing the thio-LISICON II analogue by suppressing .

도 9는 도 7의 X선 회절도를 부분 확대한 도면이다.FIG. 9 is a partially enlarged view of the X-ray diffraction diagram of FIG. 7.

도 9를 참조하면, 비교예 3으로부터 실시예 4 및 실시예 5로 갈수록 thio-LISICON Ⅱ 유사상의 피크들이 더 높은 각도로 쉬프트(shift)되는 것으로 확인된다. 이는 thio-LISICON Ⅱ 유사상의 결정격자에서, 황 원자들이 그보다 더 작은 이온 반경을 갖는 산소 원자들로 치환되어 결정격자가 축소되기 때문인 것으로 추정할 수 있다. 이 경우, 음이온 내에서 S-O 결합이 끊어지고, 사면체 구조의 PS4 3- 음이온에서 새로운 P-O 결합이 형성되어 thio-LISICON Ⅱ 유사상의 네트워크에 포함되어야 한다. 비록 보다 상세한 구조 변화는 아직 확인되지 않았지만, 이온의 유효반경을 고려한 계산에 의하면, PS4 3- 음이온의 경우(0.385 nm)에 비해 P-O 결합으로 인한 음이온의 반경(0.292 nm)이 더 작으므로, thio-LISICON Ⅱ 유사상의 결정격자를 축소시키는 것으로 추정할 수 있다. 이처럼, 황화리튬-오황화인의 고체전해질에 적절한 양의 황산리튬(Li2SO4)이 첨가됨에 따라, thio-LISICON Ⅱ 유사상이 더 잘 형성되고 더 안정화되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, it is confirmed that the thio-LISICON II-like peaks shift to higher angles from Comparative Example 3 to Examples 4 and 5. This can be assumed to be because, in the crystal lattice of the thio-LISICON II-like phase, sulfur atoms are replaced by oxygen atoms with smaller ionic radii, thereby reducing the crystal lattice. In this case, the SO bond is broken within the anion, and a new PO bond is formed in the PS 4 3- anion of the tetrahedral structure, which should be incorporated into the network of the thio-LISICON II-like phase. Although more detailed structural changes have not yet been confirmed, according to calculations considering the effective radius of the ion, the radius of the anion due to the PO bond (0.292 nm) is smaller than that of the PS 4 3- anion (0.385 nm), It can be assumed that the crystal lattice of the thio-LISICON II pseudophase is reduced. In this way, it can be seen that as an appropriate amount of lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) is added to the lithium sulfide-phosphorus pentasulfide solid electrolyte, the thio-LISICON II-like phase is better formed and more stable.

상기와 같이, 본 발명에 따르면, 리튬 이차전지 고체전해질이 황화리튬, 오황화인 및 황산리튬의 비정질 결합재로부터 형성된 thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 포함함으로써, 리튬 이차전지 고체전해질의 이온 전도도 및 전기화학적 안정성을 함께 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, the lithium secondary battery solid electrolyte includes a glass ceramic having a thio-LISICON II analog phase formed from an amorphous binder of lithium sulfide, phosphorus pentasulfide, and lithium sulfate, thereby forming a lithium secondary battery. The ionic conductivity and electrochemical stability of the solid electrolyte can be improved together.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.

Claims (8)

황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)의 비정질 결합재로부터 형성된 thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 포함하고,
상기 비정질 결합재는, 황화리튬(Li2S) 74 몰% 내지 75 몰%와, 오황화인(P2S5) 20 몰% 내지 22 몰%와, 황산리튬(Li2SO4) 3 몰% 내지 5 몰%을 포함하는, 리튬 이차전지 고체전해질.
It includes a glass ceramic having a thio-LISICON II analog phase formed from an amorphous binder of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ),
The amorphous binder is 74 mol% to 75 mol% of lithium sulfide (Li 2 S), 20 mol% to 22 mol% of phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and 3 mol% of lithium sulfate (Li 2 SO 4 ). A solid electrolyte for a lithium secondary battery containing from 5 mol%.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 비정질 결합재는 볼 분쇄기에 의해 결합된 것인, 리튬 이차전지 고체전해질.
According to paragraph 1,
The amorphous binder is a lithium secondary battery solid electrolyte combined by a ball grinder.
제1항에 있어서,
상기 유리세라믹은 상기 비정질 결합재가 215℃ 내지 230℃에서 열처리되어 형성되는 것인, 리튬 이차전지 고체전해질.
According to paragraph 1,
The glass ceramic is a lithium secondary battery solid electrolyte that is formed by heat treating the amorphous binder at 215°C to 230°C.
황화리튬(Li2S), 오황화인(P2S5) 및 황산리튬(Li2SO4)의 혼합재를 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하는 단계; 및
상기 비정질 결합재를 열처리하여, thio-LISICON Ⅱ 유사상(analog phase)을 갖는 유리세라믹을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 혼합재는 황화리튬(Li2S) 74 몰% 내지 75 몰%와, 오황화인(P2S5) 20 몰% 내지 22 몰%와, 황산리튬(Li2SO4) 3 몰% 내지 5 몰%을 포함하는, 리튬 이차전지 고체전해질의 제조방법.
Forming an amorphous binder by mechanically pulverizing a mixture of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ); and
Comprising the step of heat treating the amorphous binder to form a glass ceramic having a thio-LISICON II analog phase,
The mixture includes 74 mol% to 75 mol% of lithium sulfide (Li 2 S), 20 mol% to 22 mol% of phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and 3 mol% to 5 mol% of lithium sulfate (Li 2 SO 4 ). Method for producing a lithium secondary battery solid electrolyte containing mol%.
삭제delete 제5항에 있어서,
상기 혼합재를 기계적으로 분쇄하여 비정질 결합재를 형성하는 단계는, 볼 분쇄기에 의해 상기 혼합재를 300 rpm 내지 550 rpm으로 20시간 내지 55시간 동안 분쇄하는 단계를 포함하는, 리튬 이차전지 고체전해질의 제조방법.
According to clause 5,
The step of mechanically pulverizing the mixture to form an amorphous binder includes grinding the mixture using a ball mill at 300 rpm to 550 rpm for 20 to 55 hours.
제5항에 있어서,
상기 비정질 결합재를 열처리하여, thio-LISICON Ⅱ 유사상을 갖는 유리세라믹을 형성하는 단계는, 상기 비정질 결합재를 215℃ 내지 230℃로 열처리하는 단계를 포함하는, 리튬 이차전지 고체전해질의 제조방법.
According to clause 5,
The step of heat-treating the amorphous binder to form a glass ceramic having a thio-LISICON II-like phase includes heat-treating the amorphous binder at 215°C to 230°C. A method of producing a solid electrolyte for a lithium secondary battery.
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