KR20150039255A - 고체 전해질 및 습윤된 이온성 액체를 구비하는 이차전지 - Google Patents

고체 전해질 및 습윤된 이온성 액체를 구비하는 이차전지 Download PDF

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KR20150039255A
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Abstract

전고체 전해질의 계면 접촉 특성 및 이온 전도성이 향상된 이차전지가 제공된다. 본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하는 이차 전지에 있어서, 상기 전해질은 고체 전해질 몸체 및 상기 고체 전해질 몸체에 습윤된 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 고체 전해질과 상기 고체 전해질에 습윤된이온성 액체로 구성되는 전해질은 접촉 계면에서 높은 이온 전도도를 제공함으로써 전고체 이차전지가 갖는 계면 특성의 문제를 해결할 수 있게 된다.

Description

고체 전해질 및 습윤된 이온성 액체를 구비하는 이차전지 {Secondary Batteries Comprising Solid Electrolyte With Wetted Ionic Liquids}
본 발명은 고체 전해질을 구비하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전고체 전해질의 계면 접촉 특성 및 이온 전도성을 향상시키는 이차전지에 관한 것이다.
리튬이차전지는 크게 양극, 전해질 및 음극으로 구성된다. 보편적으로 상용화 된 리튬이차전지는 유기용매와 리튬염으로 구성된 액체 전해질내에 20~100 ㎛ 두께의 고분자 분리막이 추가된 구조로 되어, 방전시에는 Li+ 이온이 음극에서 양극으로 이동하고 Li이 이온화되면서 발생된 전자도 음극에서 양극으로 이동하며, 충전시에는 이와 반대로 이동한다. 이러한 Li+ 이온 이동의 구동력은 두전극의 전위차에 따른 화학적 안정성에 의해 발생된다. 음극에서 양극으로 또 양극에서 음극으로 이동하는 Li+ 이온의 양에 의해 전지의 용량(capacity, Ah)이 결정되는데, 이 용량은 두 전극 소재의 특성 및 전해질과 전극간의 접촉에 의존한다. 한편, Li+ 이온의 이동은 전해질을 통하여 이루어지기 때문에 전해질의 Li+ 이온 전도도는 전지의 충/방전속도에 영향을 준다.
전고체 이차전지(All-Solid-State Battery)는 이상의 전지 구성요소 가운데 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것을 말한다. 전고체 이차전지는 액체 전해질에 비해 전지의 폭발이나 화재의 위험성이 없고 제조 공정이 단순화되며 고에너지 밀도화 가능성에서 차세대 이차전지로 주목 받고 있다.
전고체 이차전지는 액체 전해질에 비해 안전성 등이 높은 반면, 전극과의 계면 접촉 저하로 인한 이온 전도 경로가 적기 때문에 이온전도도가 감소하는 문제가 있다. 이 문제를 개선하기 위하여, 일특개 2004-183078호는 진공증착에 의해 고체전해질을 성막하는 방법, 일특개 2000-138073호는 고체 전해질 및 전극에 고분자 고체 전해질을 함침하여 중합하는 방법 등을 제안하고 있다. 그러나, 진공 증착에 의해 성막하는 방법의 경우 여전히 전극과 전해질과의 계면의 유효 표면적이 작아 대전류를 실현하기가 곤란하고, 방전특성이 불충분하다. 또, 고분자 고체 전해질을 함침 중합하는 방식에서는 고분자 전해질이 무기 고체 전해질과 비교해 이온 전도성이 낮다는 단점을 갖는다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전고체 이차전지가 갖는 에너지 고밀도화, 열적 화학적 안정성을 유지하면서, 계면에서 높은 이온 전도도를 제공하는 고체 전해질 이차 전지 및 그 전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 높은 이온 전도도를 가지면서 뛰어난 황화물 고체 전해질의 사용을 가능하게 하는 높은 화학적 열적 안정성을 갖는 이차전지 및 그 전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하는 이차 전지에 있어서, 상기 전해질은 고체 전해질 몸체 및 상기 고체 전해질 몸체에 습윤된 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
본 발명에서 상기 고체 전해질 몸체는 다공체이고, 상기 이온성 액체는 상기 고체 전해질 몸체에 함침된 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 이온성 액체는 상기 고체 전해질 몸체와 상기 양극 및 음극 사이에 각각 개재되는 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 고체 전해질 몸체는 산화물계, 인산염계, 질화물계 및 황화물계 화합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 화합물로 구성될 수 있다.
본 발명에서서, 상기 고체 전해질 몸체는 상기 화합물의 성형체, 소결체 또는 필름 형태일 수 있다.
본 발명에서 상기 고체 전해질은 리튬 화합물인 것이 바람직하다.
상기 리튬 화합물이 황화물인 경우, 상기 이온성 액체는 PF6, TFSA 및 BETA로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 화합물의 음이온을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 리튬 화합물이 산화물인 경우, 상기 이온성 액체는 TFSA, BF4, 또는 FSA 음이온을 포함하는 고이온전도성 액체인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 다공성의 이온 전도성 고체 몸체; 및 상기 이온 전도성 고체 몸체에 습윤된 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해질을 제공한다.
이 때, 상기 이온 전도성 고체 몸체는 리튬 황화물이고, 상기 이온성 액체는 PF6, TFSA 및 BETA로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 화합물의 음이온을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고체 전해질과 상기 고체 전해질에 습윤된 이온성 액체로 구성되는 전해질은 접촉 계면에서 높은 이온 전도도를 제공함으로써 전고체 이차전지가 갖는 계면 특성의 문제를 해결할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 높은 화학적 열적 안정성을 갖는 이온성 액체를 사용함으로써 황화물 고체 전해질에 적용하기에 적합한 전해질을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전해질의 이온성 액체의 작용을 모식적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전해질의 이온성 액체의 작용을 모식적으로 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임피던스 측정법에 따른 고체 전해질의 전도율을 측정한 그래프이다.
도 6은 비교예의 이온성 액체가 함침된 고체전해질의 임피던스 특성을 측정한 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 이차전지는 양극(100), 전해질(200) 및 음극(300)의 구조를 구비한다.
예시된 이차전지는 양극(100) 및 음극(300) 사이에 벌크 형태의 전해질이 삽입되는 코인쉘 타입과 같이 이차전지의 전극 구조를 도시한 것이지만, 본 발명은 박막형 또는 후막형 이차전지에 적용될 수 있으며, 3차원 전극 구조의 이차전지에도 적용될 수 있다.
상기 양극(100) 및 음극(300)은 통상의 이차전지 전극 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 리튬 이차전지의 경우, 상기 양극으로는 TiS2, WO3, In2Se3, TiSxOy, V2O5, V2O5-TeO2, LiMn2O4, Li(Mn, Ni)O2, LiCoO2등이 사용될 수 있다. 상기 음극으로는 금속 리튬, 실리콘, 티탄산리튬(Lithium Titanate) 및 흑연질 소재가 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 전해질(200)은 고체 전해질(210)과 이온성 액체(220)로 구성된다.
본 발명에서 상기 고체 전해질(210)로는 통상의 이온 전도성 고체가 사용될 수 있다. 본 발명의 상기 이온 전도성 고체로는 산화물계, 인산염계, 질화물계 및 황화물계 고체 전해질이 사용될 수 있다.
상기 고체 전해질로는 Li3xLa2 /3- xTiO3와 같은 페롭스카이드 구조의 LLT계, Li14Zn(GeO4)4와 같은 LISICON, Li1 .3Al0 .3Ti1 .7(PO4)3와 같은 LATP계, (Li1 + xGe2 -xAlx(PO4)3)와 같은 LAGP계, LiPON과 같은 인산염계, Li2S-P2S5와 같은 황화물계 고체 전해질이 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 고체 전해질(210)은 전술한 조성의 펠릿 형태의 성형체나 소결체, 또는 박막/후막과 같은 필름 형태로 제공될 수 있다. 본 발명의 일실시예로서 상기 고체 전해질(210)은 높은 기공도를 구비할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 상기 고체 전해질(210)의 바람직한 기공도는 20 체적% 이상일 수 있으며, 예컨대 20~80 체적%의 기공도를 구비할 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 고체 전해질 내의 기공은 오픈 채널(open channel)을 형성하도록 설계될 수 있다.
본 발명에서 상기 고체 전해질은 코인셀형태의 이용 등과 같이 적절한 가압 상태 등에서 상기 이차전지의 구조를 유지하도록 적절한 강성을 구비하여야 한다.
경우에 따라, 본 발명의 이차전지는 이온성 액체(220)와의 공존으로 인해 발생되는 고체 전해질 성분의 용해를 방지하기 위하여 고체 전해질 및/또는 전극의 재질에 높은 화학적 열적 안정성을 갖는 이온성 액체가 사용되도록 설계된다.
특히 황화물의 경우, 전극 또는 전해질에 사용된 황(S)의 용출로 인해 전지의 내구성 문제가 발생한다. 따라서, 황화물 재질의 전지에서는 특히 높은 화학적 안정성을 갖는 이온성 액체의 사용이 필요하다.
예컨대, 상기 고체 전해질로 황화물이 사용되는 경우, 본 발명의 상기이온성 액체(220)로는 낮은 루이스 염기성을 나타내는 이온성 액체가 사용되는 것이 바람직한데, 특히 바람직한 이온성 액체는 비스(트리플루오르메틸설포닐)아미드(bis(trifluoromethylsulfonyl)amide; [TFSA]), 비스(펜타플로우로설포닐)아미드(bis(pentafluoroethylsulfonyl)amide; [BETA]), 및 헥사플로우로포스포니움(hexafluorophosphate; [PF6])로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 음이온을 포함하는 것이 좋다.
이 때, 본 발명에서 상기 이온성 액체는N,N-디에틸-N-디에틸-N-메틸-N-(2-메톡시에틸) 암모늄(N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl) ammonium; [DEME]), N-에틸-N-메틸피롤리디니움(N-ethyl-N-methylpyrrolidinium; [P12]),N-메틸-N-프로필피롤리디니움(N-methyl-N-propylpyrrolidinium; [P13]), N-부틸-N-메틸피롤리디니움(N-butyl-N-methylpyrrolidinium; [P14]), 1-에틸-2,3-디메틸이미다졸리움(1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium; [C2dmim],2,3-디메틸-1-프로필이미다졸리움(2,3-dimethyl-1-propylimidazolium; [C3dmim],1-부틸-2,3-디메틸이미다졸리움(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium; [C4dmim], N-메틸-N-프로필 피페리디니움(N-methyl-N-propyl piperidinium; [PP13]),N-부틸-N-메틸피페리디니움(N-butyl-N-methylpiperidinium; [PP14]),트리에틸펜틸포스포니움(triethylpentylphosphonium; [P2225]) 및트리에틸옥틸포스포니움(triethyloctylphosphonium; [P2228])로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 양이온을 포함하는 이온성 액체일 수 있다.
따라서, P13TFSA, P13BETA, DEMETFSA 등이 본 발명의 바람직한 이온성 액체로서 사용될 수 있다.
한편, 상기 고체 전해질로 산화물이 사용되는 경우, 전술한 이온성 액체가 본 발명에 사용될 수 있으며, 특히 높은 이온 전도성의 관점에서는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(플로우로설포닐)아미드 (1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)amide; EMIFSA), P13FSA 및 TFSA 음이온으로 구성된 이온성 액체를 사용하는 것이 좋다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에서 상기 전해질은 상기 고체 전해질에 습윤된(wetted) 이온성 액체를 구비한다. 상기 이온성 액체(220)의 일부(222)는 상기 고체 전해질(210)과 상기 전극(100, 300) 사이의 계면에 잔류한다.
도 2를 참조하면, 상기 고체 전해질(210)과 상기 전극(100) 사이에 잔류하는이온성 액체(222)는 상기 고체 전해질(210)과 상기 전극(100, 300) 사이에 이온의 전도를 위한 양호한 전기적 경로를제공한다. 또한, 상기 이온성 액체(220)는 상기 전극 및 상기 고체 전해질에 대한 양호한 습윤 특성(wettability)을 지녀 상기 전극과 상기 고체 전해질 입자 간에 보다 큰 전기적 접촉 면적을 제공할 수 있다. 따라서, 전극(100)과 상기 고체 전해질(210)의 개별 입자 간에 향상된 전기적 접촉을 제공할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 이온성 액체(220)의 다른 일부는 상기 전해질 입자간의 네크(neck)에 잔류할 수 있다.
이와 같이 입자 간 접촉 영역에 잔류하는 이온성 액체(224)는 상기 고체 전해질 입자 사이의 양호한 전기적 경로를 제공할 수 있다. 또한, 상기 이온성 액체(220)는 높은 습윤성(wettability)에 의해보다 큰 전기적 접촉 면적을 제공하며, 고체 전해질(210)의 입자 간에 향상된 전기적 접촉을 제공할 수 있다.
한편, 상기 이온성 액체(220)는 상기 전해질 입자/입자 사이 또는 입자/전극 사이에서 모세관력에 의해 고정될 수 있다. 이와 같은 모세관력은 상기 이온성 액체의 유동이나 이탈을 방지한다.
물론, 본 발명은 필요에 따라 상기 이온성 액체(220)의 증발이나 유실을 방지하기 위한 밀봉 구조를 채용할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명의 이차전지에서 전해질은 고체 전해질과 이온성 액체로 구성되어 상기 고체 전해질과 전극과의 계면 접촉을 보장하고, 상기 고체 전해질 입자 간의 전기적 접촉을 보완한다. 이에 따라, 본 발명의 이차전지는 고체 전해질을 통한 보다 향상된 이온 전도성을 보장할 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 함침된 이온성 액체(220)의 량은 예컨대, 상기 고체 전해질의 기공율 또는 원하는 이온 전도도에 따라 적절히 제어될 수 있다. 고체 전해질 체적을 기준으로 1 체적%의 소량만으로 표면만을 습윤할 수도 있을 것이며, 과량의 액체를 사용하여 이온성 액체의 최소한 일부 또는 전부가 상기 고체 전해질 내의 기공 채널을 통해 상호 연결되도록 설계될 수도 있다. 이 경우, 고체 전해질의 기공도에 따라 적절한 체적 분율 예컨대 5~50 체적% 이상의 이온성 액체가 제공될 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 상기 이차전지는 양극, 음극 및 전해질로 구성된다. 상기 전해질은 고체 전해질과 상기 고체 전해질과 상기 전극 사이에 개재된 이온성 액체로 구성되어 있다.
도 1과 달리, 상기 도 4의 이차전지는 고체 전해질 내부에 기공 채널이 존재하지 않으며, 공급된 이온성 액체는 상기 고체 전해질과 상기 전극 사이의 모세관력에 의해 고정된다.
<실험예>
Li2S와 P2S5를 각각 7:3의 몰비로 칭량하여, 유성형 볼밀으로 20시간 동안 볼밀링을 시행하였다. 프리치(FRITSCH)사의 플래네터리 밀(PULVERISETTE 5 classic line) 장비를 사용하여 볼밀링 후, Li2S와 P2S5의 혼합 분말은 글래스화되며, 이를 300℃에서 5시간 동안 열처리를 함으로써 70Li2S-30P2S5의 조성을 갖는 황화물계 글래스-세라믹을 제조하였다. 제조된 혼합 분말 100mg을 프레스로 가압하여 직경 약 14 mm이고 두께 약 0.45mm인 펠릿 형태의 성형체를 제조하여, 본 발명의 전해질을 구성하는 고체 전해질 골격(skeleton)을 형성하였다.
제조된 고체 전해질 골격에 이온성 액체로 DEMETFSA(Kanto Kagaku)를 50 ㎕ 함침하였다.
이어서, 그라파이트(NC-10) 및 상기 70Li2S-30P2S5 혼합 분말을 중량비로 5:5로 혼합 및 가압 성형하여 직경 14mm인 펠릿을 제조하여, 이를 작동 전극으로 사용하였다. 또한, 상대 전극으로 Li 및 In을 중량비 8:2로 혼합 및 가압 성형하여 직경 13mm인 펠릿을 제조하였고, 이를 상대 전극으로 사용하였다.
제조된 작동 전극과 상대 전극 사이에 이온성 액체로 함침된 전해질 펠릿을 삽입하고, 상기 스테인레스스틸 플레이트와 스프링으로 가압하여 코인셀 형태의 전지를 제조하였다.
제조된 전지를 자너-일렉트릭(ZAHNER-Elektrik)사의 IM6 장비를 사용하여 임피던스를 측정하였다.
본 발명과의 대비를 위하여, 이온성 액체를 함침하지 않은 고체 전해질로 동일한 전지를 제조하여 임피던스값을 측정하였다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명 바람직한 실시예와 비교예의 임피던스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 경우 주파수 1MHz에서 임피던스가 약 12.4Ω이고, 이온전도도는 2.34*10-3Scm-1을 나타내었고, 비교예의 경우 임피던스(저항) 18.2Ω, 이온전도도 1.24*10-3Scm- 1를 나타내었다. 주파수 797.55 kHz에서는 본 발명의 전지의 경우 임피던스가 12.4Ω, 이온전도도는 2.31*10-3Scm-1을 나타내었고, 비교예의 경우 임피던스(저항) 17.996Ω, 이온전도도 1.24*10-3Scm- 1를 나타내었다.
이상의 측정 결과로부터 본 발명에서 도입된 이온성 액체는 전지의 이온전도도를 대폭 향상시킴을 알 수 있다.
100 양극
200 전해질
210 고체 전해질
220, 222, 224 이온성 액체
300 음극

Claims (12)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 전해질을 포함하는 이차 전지에 있어서,
    상기 전해질은 고체 전해질 몸체 및 상기 고체 전해질 몸체에 습윤된 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질 몸체는 다공체이고, 상기 이온성 액체는 상기 고체 전해질 몸체에 함침된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 상기 고체 전해질 몸체와 상기 양극 및 음극 사이에 각각 개재되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질 몸체는 산화물계, 인산염계, 질화물계 및 황화물계 화합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고체 전해질 몸체는 상기 화합물의 성형체, 소결체 또는 필름 형태인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질은 리튬 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 리튬 화합물은 황화물인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 PF6, TFSA 및 BETA로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 화합물의 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 리튬 화합물은 산화물인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 BF4, FSA 및 TFSA 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 다공성의 이온 전도성 고체 몸체; 및
    상기 이온 전도성 고체 몸체에 습윤된 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해질.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이온 전도성 고체 몸체는 리튬 황화물이고,
    상기 이온성 액체는 PF6, TFSA 및 BETA로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 화합물의 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해질.
KR20130117392A 2013-10-01 2013-10-01 고체 전해질 및 습윤된 이온성 액체를 구비하는 이차전지 KR20150039255A (ko)

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