KR102656700B1 - Manufacturing method of nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte - Google Patents

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Abstract

나시콘 결정 구조 화합물의 제조 과정에서 나시콘 분말에 소결 보조제로 사용되는 글래스 프릿을 첨가하는 것에 의해, 소결 공정의 온도를 낮추면서 소결 시간을 단축시킴에도 불구하고 나시콘 결정 구조를 효과적으로 치밀화시켜 이온전도도 및 밀도를 향상시킬 수 있는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법은 (a) 소듐 전구체, 지르코늄 전구체, 실리콘 전구체 및 인 전구체를 1차 혼합 및 분쇄하는 단계; (b) 상기 1차 혼합 및 분쇄된 혼합 전구체를 열처리로에 투입한 후, 하소하여 나시콘 분말을 형성하는 단계; (c) 상기 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가한 후, 2차 혼합 및 분쇄하는 단계; (d) 상기 글래스 프릿이 혼합된 나시콘 분말을 몰드에 투입하고, 가압하여 펠렛 형태로 성형하는 단계; 및 (e) 상기 펠렛 형태로 성형된 나시콘 성형물을 열처리로에 투입한 후, 소결하여 나시콘 결정 구조 화합물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
By adding glass frit, which is used as a sintering aid, to Nasicon powder during the manufacturing process of Nasicon crystal structure compounds, the Nasicon crystal structure is effectively densified despite lowering the temperature of the sintering process and shortening the sintering time. Disclosed is a Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte that can improve conductivity and density and a method for producing the same.
The method for producing a Nasicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte according to the present invention includes the steps of (a) first mixing and pulverizing a sodium precursor, a zirconium precursor, a silicon precursor, and a phosphorus precursor; (b) putting the first mixed and pulverized mixed precursor into a heat treatment furnace and calcining it to form Nasicon powder; (c) adding glass frit to the Nashikon powder, followed by secondary mixing and grinding; (d) putting the Naxicon powder mixed with the glass frit into a mold and pressing it to form a pellet; and (e) putting the Nassicon molded product in the pellet form into a heat treatment furnace and then sintering it to form a Nassicon crystal structure compound.

Description

소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF NASICON CRYSTAL STRUCTURE COMPOUND FOR SODIUM ION SOLID ELECTROLYTE}{MANUFACTURING METHOD OF NASICON CRYSTAL STRUCTURE COMPOUND FOR SODIUM ION SOLID ELECTROLYTE}

본 발명은 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나시콘 결정 구조 화합물의 제조 과정에서 나시콘 분말에 소결 보조제로 사용되는 글래스 프릿을 첨가하는 것에 의해, 소결 공정의 온도를 낮추면서 소결 시간을 단축시킴에도 불구하고 나시콘 결정 구조 화합물을 효과적으로 치밀화시켜 이온전도도 및 밀도를 향상시킬 수 있는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a Narsicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte and a method for producing the same. More specifically, in the process of manufacturing the Narsicon crystal structure compound, glass frit used as a sintering aid is added to Nassicon powder. , about the Nassicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte and its manufacturing method, which can improve ionic conductivity and density by effectively densifying the Narsicon crystal structure compound despite reducing the sintering time while lowering the temperature of the sintering process. will be.

안전하고 효율적인 에너지 저장 및 사용은 현대 사회에서 가장 중요한 이슈 중 하나이다. 이를 위해, 최근에는 차세대 이차전지 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 중, 소듐(sodium) 기반의 이차전지는 리튬 대비 원료 수급이 용이한 특징으로 인해 2010년대 이후 많은 주목을 받고 있다.Safe and efficient energy storage and use is one of the most important issues in modern society. To this end, research on the development of next-generation secondary batteries has been actively conducted recently. Among these, sodium-based secondary batteries have been receiving a lot of attention since the 2010s due to their easier supply of raw materials compared to lithium.

특히, 최근에는 고도화된 기술을 바탕으로 전고체 소듐 전지, 하이브리드 소듐-공기 전지, 해수(seawater) 이차전지 등의 새로운 형태의 소듐 기반 이차전지가 제안되고 있다.In particular, recently, new types of sodium-based secondary batteries such as all-solid-state sodium batteries, hybrid sodium-air batteries, and seawater secondary batteries have been proposed based on advanced technologies.

이러한 소듐 기반 이차전지를 구현하기 위한 핵심 소재로 높은 소듐 이온 전도성과 우수한 물리화학적 안정성을 갖는 고체전해질의 개발이 필수적으로 요구되고 있다.As a key material for implementing such sodium-based secondary batteries, the development of a solid electrolyte with high sodium ion conductivity and excellent physical and chemical stability is essential.

일반적으로, 나시콘(NASICON, Na superionic conductor) 결정 구조의 화합물은 10-4 S/cm 이상의 소듐 이온 전도도와 함께 넓은 전기화학적 안정창(electrochemical window)을 갖고 있어, 소듐 기반 이차전지에 활용되기에 적합한 특성을 보유하고 있다.In general, compounds with a crystal structure of NASICON (Na superionic conductor) have a sodium ion conductivity of more than 10 -4 S/cm and a wide electrochemical window, making them suitable for use in sodium-based secondary batteries. It has characteristics.

또한, 나시콘 결정 구조의 화합물은 공기 중에서 뿐만아니라 바닷물 속에서도 화학적으로 안정하여, 해수 이차전지용 세라믹 분리막을 위한 핵심 소재로 사용되고 있다.In addition, compounds with a Nasicon crystal structure are chemically stable not only in air but also in seawater, and are used as a core material for ceramic separators for seawater secondary batteries.

그러나, 나시콘 결정 구조의 화합물의 경우, 고유의 높은 이온전도도 특성을 이끌어내기 위해서는 약 1,200℃ 이상의 고온 소결 공정을 통해서 나시콘을 치밀화 하는 것이 필요하다.However, in the case of compounds with a crystal structure of Nassicon, it is necessary to densify Nassicon through a high temperature sintering process of about 1,200°C or higher in order to derive the inherent high ionic conductivity characteristics.

이러한 고온의 소결 공정은 소듐(Na) 및 인(P) 성분의 휘발을 촉진하게 되어, 소결 공정 후 원하는 조성의 나시콘 결정 구조의 화합물을 얻기 어려운 문제를 야기한다.This high-temperature sintering process promotes the volatilization of sodium (Na) and phosphorus (P) components, causing the problem that it is difficult to obtain a compound with a Nasicon crystal structure of the desired composition after the sintering process.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0056898호(2014.05.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 소듐 전지 및 이의 제조방법이 기재되어 있다.Related prior literature includes Korean Patent Publication No. 10-2014-0056898 (published on May 12, 2014), which describes a sodium battery and its manufacturing method.

본 발명의 목적은 나시콘 결정 구조 화합물의 제조 과정에서 나시콘 분말에 소결 보조제로 사용되는 글래스 프릿을 첨가하는 것에 의해, 소결 공정의 온도를 낮추면서 소결 시간을 단축시킴에도 불구하고 나시콘 결정 구조 화합물을 효과적으로 치밀화시켜 이온전도도 및 밀도를 향상시킬 수 있는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is to lower the temperature of the sintering process and shorten the sintering time by adding glass frit, which is used as a sintering aid, to Naxicon powder in the manufacturing process of a Naxicon crystal structure compound. The object of the present invention is to provide a Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte that can effectively densify the compound to improve ionic conductivity and density, and a method for producing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법은 (a) 소듐 전구체, 지르코늄 전구체, 실리콘 전구체 및 인 전구체를 1차 혼합 및 분쇄하는 단계; (b) 상기 1차 혼합 및 분쇄된 혼합 전구체를 열처리로에 투입한 후, 하소하여 나시콘 분말을 형성하는 단계; (c) 상기 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가한 후, 2차 혼합 및 분쇄하는 단계; (d) 상기 글래스 프릿이 혼합된 나시콘 분말을 몰드에 투입하고, 가압하여 펠렛 형태로 성형하는 단계; 및 (e) 상기 펠렛 형태로 성형된 나시콘 성형물을 열처리로에 투입한 후, 소결하여 나시콘 결정 구조 화합물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a method for producing a Naxicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention includes the steps of (a) first mixing and pulverizing a sodium precursor, a zirconium precursor, a silicon precursor, and a phosphorus precursor; (b) putting the first mixed and pulverized mixed precursor into a heat treatment furnace and calcining it to form Nasicon powder; (c) adding glass frit to the Nashikon powder, followed by secondary mixing and grinding; (d) putting the Naxicon powder mixed with the glass frit into a mold and pressing it to form a pellet; and (e) putting the Nassicon molded product in the pellet form into a heat treatment furnace and then sintering it to form a Nassicon crystal structure compound.

상기 (a) 단계에서, 상기 소듐 전구체는 Na3PO4 및 Na2CO3 중 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 지르코늄 전구체는 ZrO2인 것이 바람직하다.In step (a), the sodium precursor preferably includes one or more selected from Na 3 PO 4 and Na 2 CO 3 , and the zirconium precursor is ZrO 2 .

상기 (a) 단계에서, 상기 실리콘 전구체는 SiO2이고, 상기 인 전구체는 Na3PO4인 것이 바람직하다.In step (a), it is preferable that the silicon precursor is SiO 2 and the phosphorus precursor is Na 3 PO 4 .

상기 (b) 단계에서, 상기 하소는 800 ~ 1,200℃의 온도에서 1 ~ 24시간 동안 실시한다.In step (b), the calcination is performed at a temperature of 800 to 1,200°C for 1 to 24 hours.

상기 (c) 단계에서, 상기 나시콘 분말 90 ~ 99.5 중량%; 및 상기 글래스 프릿 0.5 ~ 10 중량%;의 함량비로 첨가한다.In step (c), 90 to 99.5% by weight of the Nasicon powder; And the glass frit is added in an amount of 0.5 to 10% by weight.

상기 (c) 단계에서, 상기 나시콘 분말 94 ~ 98 중량% 및 상기 글래스 프릿 2 ~ 6 중량%의 함량비로 첨가된다.In step (c), the Nacicon powder is added in an amount of 94 to 98% by weight and the glass frit is added in an amount of 2 to 6% by weight.

상기 (e) 단계에서, 상기 소결은 1,000 ~ 1,200℃의 저온에서 0.5 ~ 5시간 동안 실시한다.In step (e), the sintering is performed at a low temperature of 1,000 to 1,200°C for 0.5 to 5 hours.

상기 (e) 단계에서, 상기 소결은 1,100 ~ 1,200℃에서 0.5 ~ 2시간 동안 실시한다.In step (e), the sintering is performed at 1,100 to 1,200°C for 0.5 to 2 hours.

상기 (e) 단계에서, 상기 나시콘 결정 구조 화합물은 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 ≤ x ≤ 3) 또는 Na0.8+xZr1.55SixP3-xO11 (2.0 < x < 2.5)의 조성을 갖는다.In step (e), the Nasicon crystal structure compound is Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≤ x ≤ 3) or Na 0.8+x Zr 1.55 Si x P 3-x O 11 It has a composition of (2.0 < x < 2.5).

상기 (e) 단계 이후, 상기 나시콘 결정 구조 화합물은 5.0 × 10-4 S/cm 이상의 이온전도도를 갖는다.After step (e), the Nasicon crystal structure compound has an ionic conductivity of 5.0 × 10 -4 S/cm or more.

상기 (e) 단계 이후, 상기 나시콘 결정 구조 화합물은 2.5 g/㎤ 이상의 밀도를 갖는다.After step (e), the Nasicone crystal structure compound has a density of 2.5 g/cm3 or more.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물은 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가하여 1,000 ~ 1,200℃에서 0.5 ~ 5시간 동안 저온 소결시킨 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물로서, 상기 나시콘 결정 구조 화합물은 상기 나시콘 분말 90 ~ 99.5 중량%; 및 상기 글래스 프릿 0.5 ~ 10 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The Narsicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention to achieve the above object is a sodium ion solid electrolyte obtained by adding glass frit to Nassicon powder and sintering at low temperature at 1,000 to 1,200°C for 0.5 to 5 hours. As a Nasicon crystal structure compound, the Nasicon crystal structure compound is 90 to 99.5% by weight of the Nasicon powder; And 0.5 to 10% by weight of the glass frit.

상기 나시콘 결정 구조 화합물은 상기 나시콘 분말 90 ~ 99.5 중량%; 및 상기 글래스 프릿 0.5 ~ 10 중량%;의 함량비로 첨가된다.The Narsicon crystal structure compound is 90 to 99.5% by weight of the Nassicon powder; And the glass frit is added in an amount of 0.5 to 10% by weight.

상기 나시콘 결정 구조 화합물은 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 ≤ x ≤ 3) 또는 Na0.8+xZr1.55SixP3-xO11 (2.0 < x < 2.5)의 조성을 갖는다.The Nasicon crystal structure compound is Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≤ x ≤ 3) or Na 0.8+x Zr 1.55 Si x P 3-x O 11 (2.0 < x < 2.5) It has the composition of

상기 나시콘 결정 구조 화합물은 5.0 × 10-4 S/cm 이상의 이온전도도를 갖는다.The Nasicon crystal structure compound has an ionic conductivity of 5.0 × 10 -4 S/cm or more.

상기 나시콘 결정 구조 화합물은 2.5 g/㎤ 이상의 밀도를 갖는다.The Nasicon crystal structure compound has a density of 2.5 g/cm3 or more.

본 발명에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법은 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가하여 보다 낮은 온도에서 시간을 단축하여 저온 소결하는 것에 의해, 소듐(Na) 및 인(P) 성분이 휘발될 염려가 없으면서도 나시콘 결정 구조 화합물의 치밀화를 가능하게 하여 소결 공정 이후 원하는 조성의 나시콘 결정 구조를 확보할 수 있게 된다.The Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to the present invention and the manufacturing method thereof include adding a glass frit to Nasicon powder and performing low-temperature sintering at a lower temperature and for a shorter time, thereby producing sodium (Na) and phosphorus (P). ) It is possible to densify the Nassicon crystal structure compound without worrying about volatilization of the components, thereby securing the Nassicon crystal structure of the desired composition after the sintering process.

따라서, 본 발명에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법은 나시콘 분말에 소결 보조제로 사용되는 글래스 프릿을 첨가하는 것에 의해, 소결 공정의 온도를 낮추면서 소결 시간을 단축시킴에도 불구하고 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 ≤ x ≤ 3) 또는 Na0.8+xZr1.55SixP3-xO11 (2.0 < x < 2.5)의 조성을 갖는 나시콘 결정 구조 화합물을 효과적으로 치밀화시켜 이온전도도 및 밀도를 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, the Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte and the manufacturing method thereof according to the present invention lower the temperature of the sintering process and shorten the sintering time by adding glass frit, which is used as a sintering aid, to Nasicon powder. Despite Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≤ x ≤ 3) or Na 0.8+x Zr 1.55 Si x P 3-x O 11 (2.0 < x < 2.5) By effectively densifying the cone crystal structure compound, ionic conductivity and density can be improved.

이 결과, 본 발명에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법은 5.0 × 10-4 S/cm 이상의 이온전도도 및 2.5 g/㎤ 이상의 밀도를 확보하는 것이 가능하여 소듐 기반의 이차전지에 활용하기에 적합하고, 공기 중에서 뿐만아니라 바닷물 속에서도 화학적으로 안정하여, 해수 이차전지용 세라믹 분리막을 위한 핵심 소재로 사용될 수 있다.As a result, the Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to the present invention and its manufacturing method are capable of securing an ionic conductivity of 5.0 × 10 -4 S/cm or more and a density of 2.5 g/cm3 or more, making it possible to secure a sodium-based secondary It is suitable for use in batteries and is chemically stable not only in air but also in seawater, so it can be used as a core material for ceramic separators for seawater secondary batteries.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 시료를 나타낸 실측 사진.
도 3은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 시료들에 대한 X-선 회절 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 시료에 대한 임피던스 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 비교예 1에 따라 제조된 시료의 표면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 6은 실시예 2에 따라 제조된 시료의 표면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 7은 실시예 4에 따라 제조된 시료의 표면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
Figure 1 is a process flow chart showing a method for producing a Nacicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a measured photograph showing a sample prepared according to Example 2.
Figure 3 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurement for samples prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
Figure 4 is a graph showing the results of impedance analysis for samples prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
Figure 5 is an SEM photograph showing the surface of a sample prepared according to Comparative Example 1.
Figure 6 is an SEM photograph showing the surface of the sample prepared according to Example 2.
Figure 7 is an SEM photograph showing the surface of the sample prepared according to Example 4.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. The present embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is provided. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a detailed description will be given of the Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte and the method of manufacturing the same according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물은 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가하여 1,000 ~ 1,200℃에서 0.5 ~ 5시간 동안 저온 소결시키는 것에 의해 형성된다.The Nassicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention is formed by adding a glass frit to Nassicon powder and sintering it at a low temperature at 1,000 to 1,200°C for 0.5 to 5 hours.

본 발명에서는 실험을 통하여, 글래스 프릿을 소결 보조제로 첨가한 후 1,200℃에서 1시간 동안 저온 소결을 실시하는 것에 의해 제조된 나시콘 결정 구조 화합물이 동일 소결 조건(1,200℃, 1시간)에서 글래스 프릿을 첨가하지 않고 제조된 나시콘 결정 구조 화합물 보다 높은 이온 전도도와 밀도를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 고온의 소결 조건(1,250℃, 12시간)에서 글래스 프릿을 첨가하지 않고 제조된 나시콘 결정 구조 화합물과 유사한 수준의 이온 전도도와 밀도를 나타내는 것을 확인하였다.In the present invention, through experiments, a Nasicon crystal structure compound prepared by adding glass frit as a sintering aid and then performing low-temperature sintering at 1,200°C for 1 hour was found to be sintered under the same sintering conditions (1,200°C, 1 hour). It was confirmed that it exhibits higher ionic conductivity and density than the Nasicon crystal structure compound prepared without adding. In addition, it was confirmed that under high temperature sintering conditions (1,250°C, 12 hours), the ion conductivity and density were similar to those of the Nasicon crystal structure compound manufactured without adding glass frit.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물은 나시콘 분말 90 ~ 99.5 중량% 및 글래스 프릿 0.5 ~ 10 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.To this end, it is preferable that the Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention includes 90 to 99.5% by weight of Nasicon powder and 0.5 to 10% by weight of glass frit.

여기서, 글래스 프릿은 1,200℃ 이하의 온도에서 녹으면서 나시콘 결정의 액상 소결(liquid phase sintering)을 유도하여, 상대적으로 낮은 온도에서 나시콘 결정의 치밀화를 가능하게 한다.Here, the glass frit melts at a temperature below 1,200°C and induces liquid phase sintering of the Nassicon crystals, enabling densification of the Nassicon crystals at a relatively low temperature.

글래스 프릿으로는 소듐 붕규산염(sodium borosilicate)계의 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 글래스 프릿으로는 소듐 붕규산염계에 CaO 및 Al2O3 성분이 첨가된 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 일 예로, 글래스 프릿은 Na2O 1 ~ 15wt%, CaO 1 ~ 30wt%, B2O3 5 ~ 30wt%, Al2O3 1 ~ 25wt% 및 나머지 잔량의 SiO2로 조성된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.It is preferable to use sodium borosilicate-based powder as the glass frit. More specifically, it is more preferable to use a glass frit to which CaO and Al 2 O 3 components are added to a sodium borosilicate system. As an example, the glass frit may be composed of Na 2 O 1 to 15 wt%, CaO 1 to 30 wt%, B 2 O 3 5 to 30 wt%, Al 2 O 3 1 to 25 wt%, and the remaining amount of SiO 2. However, it is not limited to this.

이러한 글래스 프릿은 나시콘 결정 구조 화합물 전체 중량의 0.5 ~ 10 중량%로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 2 ~ 6 중량%를 제시할 수 있다.This glass frit is preferably added in an amount of 0.5 to 10% by weight of the total weight of the Nasicon crystal structure compound, and a more preferable range is 2 to 6% by weight.

글래스 프릿의 첨가량이 나시콘 결정 구조 화합물 전체 중량의 0.5 중량% 미만으로 너무 적을 경우에는 액상 소결에 의한 나시콘 결정 구조 화합물의 치밀화가 원활히 진행되지 않을 우려가 크다. 반대로, 글래스 프릿의 첨가량이 나시콘 결정 구조 화합물 전체 중량의 10 중량%를 초과하여 너무 많을 경우에는 과도한 이차상(secondary phase)이 형성되고 부분적으로 큰 기공이 형성되면서 오히려 나시콘 결정 구조 화합물의 이온전도도와 밀도를 저하시키게 된다.If the amount of glass frit added is too small, less than 0.5% by weight of the total weight of the Nassicon crystal structure compound, there is a high risk that densification of the Nassicon crystal structure compound through liquid phase sintering will not proceed smoothly. On the other hand, if the amount of glass frit added is too much, exceeding 10% by weight of the total weight of the Nassicon crystal structure compound, an excessive secondary phase is formed and large pores are formed in parts, thereby increasing the ions of the Nassicon crystal structure compound. This reduces conductivity and density.

전술한 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물은 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가하여 보다 낮은 온도에서 시간을 단축하여 저온 소결하는 실시하는 것에 의해, 소듐(Na) 및 인(P) 성분이 휘발될 염려가 없으면서도 나시콘 결정 구조 화합물의 치밀화를 가능하게 하여 소결 공정 이후 원하는 조성의 나시콘 결정 구조를 확보할 수 있게 된다.The Narsicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to the above-described embodiment of the present invention is obtained by adding glass frit to Nassicon powder and performing low-temperature sintering at a lower temperature and for a shorter time, producing sodium (Na) and It is possible to densify the Nassicon crystal structure compound without worrying about volatilization of the phosphorus (P) component, thereby securing the Nassicon crystal structure of the desired composition after the sintering process.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물은 나시콘 분말에 소결 보조제로 사용되는 글래스 프릿을 첨가하는 것에 의해, 소결 공정의 온도를 낮추면서 소결 시간을 단축시킴에도 불구하고 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 ≤ x ≤ 3) 또는 Na0.8+xZr1.55SixP3-xO11 (2.0 < x < 2.5)의 조성을 갖는 나시콘 결정 구조 화합물을 효과적으로 치밀화시켜 이온전도도 및 밀도를 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, the Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention lowers the temperature of the sintering process and shortens the sintering time by adding glass frit, which is used as a sintering auxiliary, to Nasicon powder. Despite Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≤ x ≤ 3) or Na 0.8+x Zr 1.55 Si x P 3-x O 11 (2.0 < x < 2.5) By effectively densifying the crystal structure compound, ionic conductivity and density can be improved.

이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물은 5.0 × 10-4 S/cm 이상의 이온전도도 및 2.5 g/㎤ 이상의 밀도, 보다 바람직하게는 5.0 × 10-4 ~ 3.0 × 10-3 S/cm의 이온전도도 및 2.5 ~ 3.3 g/㎤의 밀도를 확보하는 것이 가능하여 소듐 기반의 이차전지에 활용하기에 적합하고, 공기 중에서 뿐만아니라 바닷물 속에서도 화학적으로 안정하여, 해수 이차전지용 세라믹 분리막을 위한 핵심 소재로 사용될 수 있다.As a result, the Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention has an ionic conductivity of 5.0 × 10 -4 S/cm or more and a density of 2.5 g/cm3 or more, more preferably 5.0 × 10 -4 ~ It is possible to secure an ionic conductivity of 3.0 It can be used as a core material for ceramic separators for secondary batteries.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 구조 복합산화물 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a method for manufacturing a Nasicon structure composite oxide for a sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Figure 1 is a process flowchart showing a method for producing a Nasicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법은 1차 혼합 및 분쇄 단계(S110), 하소 단계(S120), 2차 혼합 및 분쇄 단계(S130), 가압 성형 단계(S140) 및 소결 단계(S150)를 포함한다.As shown in Figure 1, the method for producing a Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention includes a first mixing and grinding step (S110), a calcination step (S120), and a second mixing and grinding step. (S130), pressure forming step (S140), and sintering step (S150).

1차 혼합 및 분쇄Primary mixing and grinding

1차 혼합 및 분쇄 단계(S110)에서는 소듐 전구체, 지르코늄 전구체, 실리콘 전구체 및 인 전구체를 1차 혼합 및 분쇄한다.In the first mixing and pulverizing step (S110), the sodium precursor, zirconium precursor, silicon precursor, and phosphorus precursor are first mixed and pulverized.

소듐 전구체는 Na3PO4 및 Na2CO3 중 선택된 하나 이상을 포함하고, 지르코늄 전구체는 ZrO2인 것이 바람직하다.The sodium precursor preferably includes one or more selected from Na 3 PO 4 and Na 2 CO 3 , and the zirconium precursor is ZrO 2 .

또한, 실리콘 전구체는 SiO2이고, 인 전구체는 Na3PO4인 것이 바람직하다.Additionally, it is preferable that the silicon precursor is SiO 2 and the phosphorus precursor is Na 3 PO 4 .

본 단계에서, 소듐 전구체, 지르코늄 전구체, 실리콘 전구체 및 인 전구체가 인산염(phosphate), 산화물(oxide), 또는 탄산염(carbonate) 계열 전구체를 사용한 것으로 기재하였으나, 이에 한정되지 않고 질산염(nitrate), 초산염(acetate), 수산화물(hydroxide), 수화물(hydrate), 염화물(chloride) 계열 전구체 등을 사용할 수도 있다.In this step, the sodium precursor, zirconium precursor, silicon precursor, and phosphorus precursor are described as using phosphate, oxide, or carbonate-based precursors, but are not limited to these, and are not limited to nitrate, acetate ( Acetate, hydroxide, hydrate, chloride precursors, etc. may be used.

하소calcination

하소 단계(S120)에서는 1차 혼합 및 분쇄된 혼합 전구체를 열처리로에 투입한 후, 하소하여 나시콘 분말을 형성한다.In the calcination step (S120), the first mixed and pulverized mixed precursor is put into a heat treatment furnace and then calcinated to form Nacicon powder.

본 단계에서, 하소는 800 ~ 1,200℃의 온도에서 1 ~ 24시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 하소 온도가 800℃ 미만이거나, 하소 시간이 1시간 미만일 경우에는 혼합 전구체들 간의 반응이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 하소 온도가 1,200℃를 초과하거나, 하소 시간이 24시간을 초과할 경우에는 혼합 전구체들끼리 반응하여 국소적으로 다른 조성을 형성할 수 있으며, 결정립의 크기가 과대하게 커지는 문제가 있다.In this step, calcination is preferably performed at a temperature of 800 to 1,200°C for 1 to 24 hours. If the calcination temperature is less than 800°C or the calcination time is less than 1 hour, there is a risk that the reaction between the mixed precursors may not occur properly. Conversely, when the calcination temperature exceeds 1,200°C or the calcination time exceeds 24 hours, mixed precursors may react with each other to form locally different compositions, and there is a problem in that the size of the crystal grains becomes excessively large.

2차 혼합 및 분쇄Secondary mixing and grinding

2차 혼합 및 분쇄 단계(S130)에서는 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가한 후, 2차 혼합 및 분쇄한다.In the secondary mixing and grinding step (S130), glass frit is added to Nasicon powder and then secondary mixing and grinding are performed.

이러한 2차 혼합 및 분쇄 단계에서, 나시콘 분말 90 ~ 99.5 중량% 및 글래스 프릿 0.5 ~ 10 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.In this secondary mixing and grinding step, it is preferable to add 90 to 99.5% by weight of Nasicon powder and 0.5 to 10% by weight of glass frit.

여기서, 글래스 프릿은 1,200℃ 이하의 온도에서 녹으면서 나시콘 결정의 액상 소결(liquid phase sintering)을 유도하여, 상대적으로 낮은 온도에서 나시콘 결정의 치밀화를 가능하게 한다.Here, the glass frit melts at a temperature below 1,200°C and induces liquid phase sintering of the Nassicon crystals, enabling densification of the Nassicon crystals at a relatively low temperature.

글래스 프릿으로는 소듐 붕규산염(sodium borosilicate)계의 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 글래스 프릿으로는 소듐 붕규산염계에 CaO 및 Al2O3 성분이 첨가된 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 일 예로, 글래스 프릿은 Na2O 1 ~ 15wt%, CaO 1 ~ 30wt%, B2O3 5 ~ 30wt%, Al2O3 1 ~ 25wt% 및 나머지 잔량의 SiO2로 조성된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.It is preferable to use sodium borosilicate-based powder as the glass frit. More specifically, it is more preferable to use a glass frit to which CaO and Al 2 O 3 components are added to a sodium borosilicate system. As an example, the glass frit may be composed of Na 2 O 1 to 15 wt%, CaO 1 to 30 wt%, B 2 O 3 5 to 30 wt%, Al 2 O 3 1 to 25 wt%, and the remaining amount of SiO 2. However, it is not limited to this.

이러한 글래스 프릿은 0.5 ~ 10 중량%로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 2 ~ 6 중량%를 제시할 수 있다.This glass frit is preferably added in an amount of 0.5 to 10% by weight, and a more preferable range is 2 to 6% by weight.

글래스 프릿의 첨가량이 0.5 중량% 미만으로 너무 적을 경우에는 액상 소결에 의한 나시콘 결정 구조 화합물의 치밀화가 원활히 진행되지 않을 우려가 크다. 반대로, 글래스 프릿의 첨가량이 10 중량%를 초과하여 너무 많을 경우에는 소결 과정에서 과도한 이차상(secondary phase)이 형성되고 부분적으로 큰 기공이 형성되면서 오히려 나시콘 결정 구조 화합물의 이온전도도와 밀도를 저하시키게 된다.If the amount of glass frit added is too small (less than 0.5% by weight), there is a high risk that densification of the Nasicon crystal structure compound by liquid phase sintering will not proceed smoothly. On the other hand, if the amount of glass frit added is too large, exceeding 10% by weight, excessive secondary phase is formed during the sintering process and large pores are partially formed, which reduces the ionic conductivity and density of the Nassicon crystal structure compound. It will be done.

가압 성형pressure molding

가압 성형 단계(S140)에서는 글래스 프릿이 혼합된 나시콘 분말을 몰드에 투입하고, 가압하여 펠렛 형태로 성형한다.In the pressure molding step (S140), Nasicon powder mixed with glass frit is put into a mold, and pressurized to form a pellet.

여기서, 펠렛 형태로 형성하기 위한 가압은 수동 유압 프레스를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Here, a manual hydraulic press may be used to pressurize to form a pellet, but is not limited thereto.

소결sintering

소결 단계(S150)에서는 펠렛 형태로 성형된 나시콘 성형물을 열처리로에 투입한 후, 소결하여 나시콘 결정 구조 화합물을 형성한다.In the sintering step (S150), the Nassicon molded product in the form of a pellet is put into a heat treatment furnace and then sintered to form a Nassicon crystal structure compound.

본 단계에서, 소결은 1,000 ~ 1,200℃의 저온에서 0.5 ~ 5시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 소결은 1,100 ~ 1,200℃에서 0.5 ~ 2시간 동안 실시하는 것이 좋다.In this step, sintering is preferably performed at a low temperature of 1,000 to 1,200°C for 0.5 to 5 hours. More preferably, sintering is performed at 1,100 to 1,200°C for 0.5 to 2 hours.

이와 같이, 본 발명에서는 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가하여 보다 낮은 온도에서 시간을 단축하여 저온 소결을 실시하였다. 이에 따라, 소듐(Na) 및 인(P) 성분이 휘발될 염려가 없으면서도 나시콘 결정 구조 화합물의 치밀화를 가능하게 하여 소결 공정 이후 원하는 조성의 나시콘 결정 구조를 확보할 수 있게 되는 것이다.As such, in the present invention, low-temperature sintering was performed at a lower temperature and with shorter time by adding a glass frit to Nasicon powder. Accordingly, it is possible to densify the Nassicon crystal structure compound without worrying about volatilization of sodium (Na) and phosphorus (P) components, thereby securing the Nassicon crystal structure of the desired composition after the sintering process.

아울러, 본 발명은 1,200℃ 이하의 낮은 온도에서 5시간 이하로 저온 소결이 이루어지며, 소결 온도 감소 및 소결 시간 단축으로 공정 비용 및 시간을 절감할 수 있게 된다.In addition, in the present invention, low-temperature sintering is performed at a low temperature of 1,200°C or less in 5 hours or less, and process costs and time can be reduced by reducing the sintering temperature and shortening the sintering time.

이때, 소결 온도가 1,000℃ 미만이거나, 소결 시간이 0.5시간 미만일 경우에는 결정화가 제대로 이루어지지 못하는 관계로 이온전도도 및 밀도가 낮아질 우려가 크다. 반대로, 소결 온도가 1,200℃를 초과하거나, 소결 시간이 5시간을 초과할 경우에는 이온전도도 및 밀도가 향상되는 효과는 없이 공정 비용 및 시간만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.At this time, if the sintering temperature is less than 1,000°C or the sintering time is less than 0.5 hours, there is a high risk that ionic conductivity and density will be lowered because crystallization may not occur properly. Conversely, if the sintering temperature exceeds 1,200°C or the sintering time exceeds 5 hours, it may act as a factor that only increases process cost and time without improving ionic conductivity and density.

이러한 소결 단계(S150)까지 완료해야 나시콘 결정 구조 화합물이 높은 이온전도도 및 밀도를 나타내는 것을 실험을 통하여 확인하였다.It was confirmed through experiments that the Nassicon crystal structure compound exhibits high ionic conductivity and density only after completing this sintering step (S150).

따라서, 소결 단계(S150) 이후, 나시콘 결정 구조 화합물은 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 ≤ x ≤ 3) 또는 Na0.8+xZr1.55SixP3-xO11 (2.0 < x < 2.5)의 조성을 가지며, 5.0 × 10-4 S/cm 이상의 이온전도도 및 2.5 g/㎤ 이상의 밀도를 나타낸다.Therefore, after the sintering step (S150), the Nasicon crystal structure compound is Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≤ x ≤ 3) or Na 0.8+x Zr 1.55 Si x P 3-x O It has a composition of 11 (2.0 < x < 2.5) and exhibits an ionic conductivity of more than 5.0

이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법이 종료될 수 있다.With this, the method for producing a Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention can be completed.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법은 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가하여 보다 낮은 온도에서 시간을 단축하여 저온 소결하는 것에 의해, 소듐(Na) 및 인(P) 성분이 휘발될 염려가 없으면서도 나시콘 결정 구조 화합물의 치밀화를 가능하게 하여 소결 공정 이후 원하는 조성의 나시콘 결정 구조를 확보할 수 있게 된다.As seen so far, the method for producing a Nacicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention is to add glass frit to Naxicon powder and perform low-temperature sintering at a lower temperature and for a shorter time, thereby producing sodium. It is possible to densify the Nassicon crystal structure compound without fear of volatilization of (Na) and phosphorus (P) components, thereby securing the Nassicon crystal structure of the desired composition after the sintering process.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법은 나시콘 분말에 소결 보조제로 사용되는 글래스 프릿을 첨가하는 것에 의해, 소결 공정의 온도를 낮추면서 소결 시간을 단축시킴에도 불구하고 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 ≤ x ≤ 3) 또는 Na0.8+xZr1.55SixP3-xO11 (2.0 < x < 2.5)의 조성을 갖는 나시콘 결정 구조 화합물을 효과적으로 치밀화시켜 이온전도도 및 밀도를 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, the method for producing a Nasicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte according to an embodiment of the present invention reduces the sintering time while lowering the temperature of the sintering process by adding glass frit, which is used as a sintering aid, to Nasicon powder. Despite having a composition of Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≤ x ≤ 3) or Na 0.8+x Zr 1.55 Si x P 3-x O 11 (2.0 < x < 2.5) By effectively densifying the Nasicon crystal structure compound, ionic conductivity and density can be improved.

이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물은 5.0 × 10-4 S/cm 이상의 이온전도도 및 2.5 g/㎤ 이상의 밀도를 확보하는 것이 가능하여 소듐 기반의 이차전지에 활용하기에 적합하고, 공기 중에서 뿐만아니라 바닷물 속에서도 화학적으로 안정하여, 해수 이차전지용 세라믹 분리막을 위한 핵심 소재로 사용될 수 있다.As a result, the Nacicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte prepared by the method according to the embodiment of the present invention is capable of securing an ionic conductivity of 5.0 × 10 -4 S/cm or more and a density of 2.5 g/cm3 or more, thereby enabling sodium It is suitable for use in secondary batteries and is chemically stable not only in air but also in seawater, so it can be used as a core material for ceramic separators for seawater secondary batteries.

실시예Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Any information not described here can be technically inferred by anyone skilled in the art, so description thereof will be omitted.

1. 나시콘 결정 구조 화합물 시료 제조1. Nasicon crystal structure compound sample preparation

실시예 1Example 1

Na3PO4, Na2CO3, ZrO2 및 SiO2를 칙량한 후, 행성밀(planetary mill) 장비를 이용하여 1차 혼합 및 분쇄하였다.Na 3 PO 4 , Na 2 CO 3 , ZrO 2 and SiO 2 were weighed and then first mixed and pulverized using planetary mill equipment.

다음으로, 1차 혼합 및 분쇄된 혼합 전구체를 열처리로에 투입한 후, 1,100℃에서 12시간 동안 하소하여 나시콘 분말을 형성하였다.Next, the first mixed and pulverized mixed precursor was put into a heat treatment furnace and then calcined at 1,100°C for 12 hours to form Nacicon powder.

다음으로, 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가한 후, 행성밀(planetary mill) 장비를 이용하여 2차 혼합 및 분쇄하였다. 이때, 나시콘 분말 98wt% 및 글래스 프릿 2wt%의 함량비로 첨가하였다.Next, glass frit was added to Nasicon powder, and then secondary mixing and pulverization were performed using planetary mill equipment. At this time, 98 wt% of Nasicon powder and 2 wt% of glass frit were added.

다음으로, 글래스 프릿이 혼합된 나시콘 분말을 몰드에 투입하고, 수동 유압 프레스로 가압하여 펠렛 형태로 성형하였다.Next, Nasicon powder mixed with glass frit was put into a mold and pressed with a manual hydraulic press to form a pellet.

다음으로, 펠렛 형태로 성형된 나시콘 성형물을 열처리로에 투입한 후, 1,200℃에서 1시간 동안 소결하여 Na3.1Zr1.55Si2.3P0.7O11 (x = 2.3)의 조성을 갖는 나시콘 결정 구조 화합물을 제조하였다.Next, the Nassicon molded product in the form of a pellet was put into a heat treatment furnace and sintered at 1,200°C for 1 hour to produce a Nassicon crystal structure compound with a composition of Na 3.1 Zr 1.55 Si 2.3 P 0.7 O 11 (x = 2.3). was manufactured.

실시예 2Example 2

나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가할 시, 나시콘 분말 96wt% 및 글래스 프릿 4wt%의 함량비로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나시콘 결정 구조 화합물을 제조하였다.When adding glass frit to Nassicon powder, a Nassicon crystal structure compound was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was added in an amount ratio of 96 wt% for Nassicon powder and 4 wt% for glass frit.

실시예 3Example 3

나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가할 시, 나시콘 분말 94wt% 및 글래스 프릿 6wt%의 함량비로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나시콘 결정 구조 화합물을 제조하였다.When adding glass frit to Nassicon powder, a Nassicon crystal structure compound was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was added at a content ratio of 94 wt% for Nassicon powder and 6 wt% for glass frit.

실시예 4Example 4

나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가할 시, 나시콘 분말 92wt% 및 글래스 프릿 8wt%의 함량비로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나시콘 결정 구조 화합물을 제조하였다.When adding glass frit to Nassicon powder, a Nassicon crystal structure compound was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was added in an amount ratio of 92 wt% for Nassicon powder and 8 wt% for glass frit.

비교예 1Comparative Example 1

Na3PO4, Na2CO3, ZrO2 및 SiO2를 칙량한 후, 행성밀(planetary mill) 장비를 이용하여 1차 혼합 및 분쇄하였다.After weighing Na 3 PO 4 , Na 2 CO 3 , ZrO 2 and SiO 2 , they were initially mixed and pulverized using planetary mill equipment.

다음으로, 1차 혼합 및 분쇄된 혼합 전구체를 열처리로에 투입한 후, 1,100℃에서 12시간 동안 하소하여 나시콘 분말을 형성하였다.Next, the first mixed and pulverized mixed precursor was put into a heat treatment furnace and then calcined at 1,100°C for 12 hours to form Nacicon powder.

다음으로, 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가하는 것 없이 나시콘 분말을 몰드에 투입하고, 수동 유압 프레스로 가압하여 펠렛 형태로 성형하였다.Next, the Nasicon powder was put into a mold without adding glass frit to the Nasicon powder, and pressed with a manual hydraulic press to form a pellet.

다음으로, 펠렛 형태로 성형된 나시콘 성형물을 열처리로에 투입한 후, 1,200℃에서 1시간 동안 소결하여 Na3.1Zr1.55Si2.3P0.7O11 (x = 2.3)의 조성을 갖는 나시콘 결정 구조 화합물을 제조하였다.Next, the Nassicon molded product in the form of a pellet was put into a heat treatment furnace and sintered at 1,200°C for 1 hour to produce a Nassicon crystal structure compound with a composition of Na 3.1 Zr 1.55 Si 2.3 P 0.7 O 11 (x = 2.3). was manufactured.

비교예 2Comparative Example 2

1,250℃에서 12시간 동안 소결한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 나시콘 결정 구조 화합물을 제조하였다.A Nasicone crystal structure compound was prepared in the same manner as Comparative Example 1, except that it was sintered at 1,250°C for 12 hours.

2. X-선 회절 패턴 분석2. X-ray diffraction pattern analysis

도 2는 실시예 2에 따라 제조된 시료를 나타낸 실측 사진이다.Figure 2 is a measured photograph showing a sample prepared according to Example 2.

도 2에 도시된 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 나시콘 결정 구조 화합물이 나타나 있다. 이때, 실시예 2에 따라 제조된 나시콘 결정 구조 화합물은 소결 공정까지 완료된 펠렛 형태의 최종 사진으로 외관상 크랙 등의 결함 없이 매끄러운 표면을 갖는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 2, the Nasicone crystal structure compound prepared according to Example 2 is shown. At this time, the Nasicon crystal structure compound manufactured according to Example 2 can be seen to have a smooth surface without defects such as cracks in the final photo of the pellet form after the sintering process has been completed.

도 3은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 시료들에 대한 X-선 회절 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurement for samples prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.

도 3에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 시료는 글래스 프릿이 첨가되지 않은데 기인하여 순수한 나시콘 결정상만이 관찰되었다.As shown in FIG. 3, in the sample prepared according to Comparative Example 1, only a pure Nassicon crystal phase was observed due to the fact that no glass frit was added.

아울러, 글래스 프릿이 2 ~ 8wt%의 함량비로 첨가된 실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 시료들 역시 비교예 1에 따라 제조된 시료와 동일하게 순수한 나시콘 결정상만이 관찰된 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that in the samples prepared according to Examples 1 to 4 in which glass frit was added at an amount of 2 to 8 wt%, only a pure Naxicon crystal phase was observed, the same as the sample prepared according to Comparative Example 1.

위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 글래스 프릿을 첨가하더라도, 나시콘 결정상은 별다른 문제 없이 형성되는 것을 확인하였다.As can be seen based on the above experimental results, it was confirmed that the Nacicon crystal phase was formed without any problems even when glass frit was added.

3. 물성 평가3. Physical property evaluation

표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 시료들에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이고, 도 4는 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 시료에 대한 임피던스 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Table 1 shows the physical property evaluation results for the samples prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2, and Figure 4 shows the impedance analysis of the samples prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. This is a graph showing the results.

[표 1][Table 1]

표 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 소결 공정까지 완료된 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 나시콘 결정 구조 화합물에 대한 임피던스(impedance) 분석 결과를 나타내고 있다. 이러한 임피던스 분석 결과를 이용하여 나시콘 결정 구조 화합물에 대한 이온전도도를 계산하였다.As shown in Table 1 and Figure 4, the impedance analysis results for the Nacicon crystal structure compound prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 until the sintering process was completed are shown. Using these impedance analysis results, the ionic conductivity of the Nasicone crystal structure compound was calculated.

글래스 프릿을 2 ~ 8wt%의 함량비로 첨가하여 제조된 실시예 1 ~ 4에 따른 나시콘 결정 구조 화합물은 글래스 프릿을 첨가하지 않고 제조한 비교예 1에 따른 나시콘 결정 구조 화합물과 비교하여 이온전도도 및 밀도가 크게 향상된 것을 확인하였다.The Narsicon crystal structure compounds according to Examples 1 to 4 prepared by adding glass frit at an content ratio of 2 to 8 wt% have ionic conductivity compared to the Nassicon crystal structure compounds according to Comparative Example 1 prepared without adding glass frit. It was confirmed that the density was greatly improved.

여기서, 글래스 프릿을 8wt%의 함량비로 첨가하여 제조된 실시예 4에 따른 나시콘 결정 구조 화합물은 글래스 프릿을 첨가하지 않고 제조된 비교예 1에 따른 나시콘 결정 구조 화합물 보다는 이온전도도 및 밀도가 높게 측정되었다.Here, the Nassicon crystal structure compound according to Example 4, prepared by adding glass frit at an content ratio of 8 wt%, has higher ionic conductivity and density than the Nassicon crystal structure compound according to Comparative Example 1 prepared without adding glass frit. It was measured.

다만, 글래스 프릿을 8wt%의 함량비로 첨가하여 제조된 실시예 4에 따른 나시콘 결정 구조 화합물은 글래스 프릿을 최적의 비율인 4wt%의 함량비로 첨가하여 제조된 실시예 4에 따른 나시콘 결정 구조 화합물 보다는 상대적으로 이온전도도 및 밀도가 감소한 것을 확인하였다. 따라서, 글래스 프릿의 최적 함량비는 2 ~ 6wt%인 것으로 판단된다.However, the Nassicon crystal structure compound according to Example 4 prepared by adding glass frit at an content ratio of 8 wt% is the Nassicon crystal structure compound according to Example 4 prepared by adding glass frit at an optimal content ratio of 4 wt%. It was confirmed that the ionic conductivity and density were relatively reduced compared to the compound. Therefore, it is judged that the optimal content ratio of glass frit is 2 to 6 wt%.

또한, 글래스 프릿을 최적의 비율인 4wt%의 함량비로 첨가하여 제조된 실시예 2에 따른 나시콘 결정 구조 화합물의 경우, 글래스 프릿을 첨가하지 않고 기존의 소결 공정 조건(1,250℃, 12시간)으로 제조된 비교예 2에 따른 나시콘 결정 구조 화합물에 비하여 소결 온도를 낮추고 소결 시간을 단축(1,200℃, 1시간)하였음에도 불구하고 이온전도도 및 밀도가 더 우수한 특성을 나타내는 것을 확인하였다.In addition, in the case of the Nasicon crystal structure compound according to Example 2, which was manufactured by adding glass frit at an optimal content ratio of 4 wt%, it was sintered under existing sintering process conditions (1,250°C, 12 hours) without adding glass frit. Even though the sintering temperature was lowered and the sintering time was shortened (1,200°C, 1 hour) compared to the Nasicon crystal structure compound prepared according to Comparative Example 2, it was confirmed that the ionic conductivity and density were superior.

4. 미세조직 관찰4. Microstructure observation

도 5는 비교예 1에 따라 제조된 시료의 표면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고. 도 6은 실시예 2에 따라 제조된 시료의 표면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 7은 실시예 4에 따라 제조된 시료의 표면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이다.Figure 5 is an SEM photograph showing the surface of the sample prepared according to Comparative Example 1. Figure 6 is an SEM photograph showing the surface of a sample prepared according to Example 2, and Figure 7 is an SEM photograph showing the surface of a sample prepared according to Example 4.

도 5에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 시료와 같이, 글래스 프릿을 첨가하지 않은 경우에는 치밀화가 원활히 진행되지 않아서 표면에 다수의 기공이 존재하는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 5, like the sample prepared according to Comparative Example 1, when no glass frit was added, densification did not proceed smoothly, and it can be confirmed that a large number of pores exist on the surface.

반면, 도 6에 도시된 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 시료와 같이, 글래스 프릿을 4wt%의 함량비로 첨가하여 제조된 나시콘 결정 구조 화합물은 표면의 기공이 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 6, it can be seen that the surface porosity of the Nasicon crystal structure compound prepared by adding glass frit at a content ratio of 4 wt%, like the sample prepared according to Example 2, was significantly reduced. .

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 4에 따라 제조된 시료와 같이, 글래스 프릿을 8wt%의 함량비로 첨가하여 제조된 나시콘 결정 구조 화합물은 글래스 프릿을 첨가하지 않고 제조한 나시콘 결정 구조 화합물 보다는 상대적으로 치밀화가 원활히 진행되었으나, 국부적으로 크기가 큰 기공들이 관찰되는 것이 확인되었다.In addition, as shown in Figure 7, like the sample prepared according to Example 4, the Nassicon crystal structure compound prepared by adding glass frit at an content ratio of 8 wt% is similar to the Nassicon crystal manufactured without adding glass frit. Although densification proceeded relatively more smoothly than the structural compound, it was confirmed that large pores were observed locally.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above description focuses on the embodiments of the present invention, various changes or modifications can be made at the level of a person skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. These changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of rights of the present invention should be determined by the claims described below.

S110 : 1차 혼합 및 분쇄 단계
S120 : 하소 단계
S130 : 2차 혼합 및 분쇄 단계
S140 : 가압 성형 단계
S150 : 소결 단계
S110: First mixing and grinding step
S120: Calcination step
S130: Second mixing and grinding step
S140: Pressure forming step
S150: Sintering step

Claims (16)

(a) 소듐 전구체, 지르코늄 전구체, 실리콘 전구체 및 인 전구체를 1차 혼합 및 분쇄하는 단계;
(b) 상기 1차 혼합 및 분쇄된 혼합 전구체를 열처리로에 투입한 후, 하소하여 나시콘 분말을 형성하는 단계;
(c) 상기 나시콘 분말에 글래스 프릿을 첨가한 후, 2차 혼합 및 분쇄하는 단계;
(d) 상기 글래스 프릿이 혼합된 나시콘 분말을 몰드에 투입하고, 가압하여 펠렛 형태로 성형하는 단계; 및
(e) 상기 펠렛 형태로 성형된 나시콘 성형물을 열처리로에 투입한 후, 소결하여 나시콘 결정 구조 화합물을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계에서, 상기 나시콘 분말 90 ~ 99.5 중량%; 및 상기 글래스 프릿 0.5 ~ 10 중량%;의 함량비로 첨가하고,
상기 글래스 프릿은 Na2O 1 ~ 15wt%, CaO 1 ~ 30wt%, B2O3 5 ~ 30wt%, Al2O3 1 ~ 25wt% 및 나머지 잔량의 SiO2로 조성된 것이 이용되고,
상기 (e) 단계에서, 상기 나시콘 결정 구조 화합물은 Na1+xZr2SixP3-xO12 (0 ≤ x ≤ 3) 또는 Na0.8+xZr1.55SixP3-xO11 (2.0 < x < 2.5)의 조성을 갖고,
상기 (e) 단계 이후, 상기 나시콘 결정 구조 화합물은 5.0 × 10-4 ~ 3.0 × 10-3 S/cm의 이온전도도 및 2.5 ~ 3.3 g/㎤의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법.
(a) primary mixing and pulverizing a sodium precursor, a zirconium precursor, a silicon precursor, and a phosphorus precursor;
(b) putting the first mixed and pulverized mixed precursor into a heat treatment furnace and calcining it to form Nasicon powder;
(c) adding glass frit to the Nashikon powder, followed by secondary mixing and grinding;
(d) putting the Naxicon powder mixed with the glass frit into a mold and pressing it to form a pellet; and
(e) putting the Nassicon molded product in the pellet form into a heat treatment furnace and sintering it to form a Nassicon crystal structure compound;
In step (c), 90 to 99.5% by weight of the Nasicon powder; And the glass frit is added in an amount of 0.5 to 10% by weight,
The glass frit is used as a composition of Na 2 O 1 to 15 wt%, CaO 1 to 30 wt%, B 2 O 3 5 to 30 wt%, Al 2 O 3 1 to 25 wt%, and the remaining amount of SiO 2 ,
In step (e), the Nasicon crystal structure compound is Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≤ x ≤ 3) or Na 0.8+x Zr 1.55 Si x P 3-x O 11 It has the composition of (2.0 < x < 2.5),
After step (e), the Naxicon crystal structure compound is a sodium ion solid electrolyte characterized in that it has an ionic conductivity of 5.0 × 10 -4 to 3.0 × 10 -3 S/cm and a density of 2.5 to 3.3 g/cm3. Nasicon crystal structure compound manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 소듐 전구체는 Na3PO4 및 Na2CO3 중 선택된 하나 이상을 포함하고,
상기 지르코늄 전구체는 ZrO2인 것을 특징으로 하는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (a) above,
The sodium precursor includes one or more selected from Na 3 PO 4 and Na 2 CO 3 ,
The zirconium precursor is ZrO 2. A method for producing a Nasicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 실리콘 전구체는 SiO2이고,
상기 인 전구체는 Na3PO4인 것을 특징으로 하는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (a) above,
The silicon precursor is SiO 2 ,
The phosphorus precursor is Na 3 PO 4. A method for producing a Nasicone crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 하소는
800 ~ 1,200℃의 온도에서 1 ~ 24시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (b) above,
The above calcination
A method for producing a Nasicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte, characterized in that it is carried out at a temperature of 800 to 1,200°C for 1 to 24 hours.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 나시콘 분말 94 ~ 98 중량% 및 상기 글래스 프릿 2 ~ 6 중량%의 함량비로 첨가된 것을 특징으로 하는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (c) above,
A method for producing a Nasicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte, characterized in that the Nasicon powder is added in a content ratio of 94 to 98% by weight and the glass frit is 2 to 6% by weight.
제1항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 소결은
1,000 ~ 1,200℃의 저온에서 0.5 ~ 5시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (e) above,
The sintering is
A method for producing a Nasicon crystal structure compound for a sodium ion solid electrolyte, characterized in that it is carried out at a low temperature of 1,000 to 1,200°C for 0.5 to 5 hours.
제7항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 소결은
1,100 ~ 1,200℃에서 0.5 ~ 2시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 소듐 이온 고체전해질용 나시콘 결정 구조 화합물 제조 방법.
In clause 7,
In step (e) above,
The sintering is
A method for producing a Nasicon crystal structure compound for sodium ion solid electrolyte, characterized in that it is carried out at 1,100 ~ 1,200 ℃ for 0.5 ~ 2 hours.
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