KR20150143365A - All solid battery and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a battery which comprises: a porous positive electrode; a negative electrode facing the positive electrode; a first solid electrolyte provided on at least one portion of an inner pore or a surface of the positive electrode; and a second solid electrolyte provided on at least one side, which faces the positive electrode, of the negative electrode, wherein at least one electrolyte of the first and the second solid electrolyte is solid. The present invention further relates to a production method thereof.

Description

전고체 전지 및 이의 제조방법{ALL SOLID BATTERY AND PREPARATION METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a solid-

본 출원은 2014년 6월 13일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2014-0072474호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.This application claims the benefit of the filing date of Korean Patent Application No. 10-2014-0072474 filed with the Korean Intellectual Property Office on June 13, 2014, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

본 명세서는 전고체 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a whole solid battery and a manufacturing method thereof.

휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화에 따라 그의 전원으로서 사용되는 리튬 이차 전지의 고용량화 및 소형화, 안정화에 대한 필요성이 끊임없이 요구되고 있다. 따라서, 보다 고성능, 초소형 및 초경량 전지의 개발이 필수적이며, 특히 경제적인 측면을 고려하여 충, 방전이 가능하면서 이러한 조건을 만족하는 전지가 고체상 전해질을 포함한 전지이다.With the miniaturization and weight reduction of portable electronic devices, there is a continuing need for high capacity, miniaturization and stabilization of the lithium secondary battery used as its power source. Therefore, it is essential to develop a high-performance, ultra-small and light-weight battery. In particular, a battery that satisfies these conditions while charging and discharging is possible in consideration of economical aspects is a battery including a solid electrolyte.

상기 고체상 전해질을 포함한 전지에 있어서, 전극 위에 고체상 전해질을 박막 증착 기술을 이용하여 수 ㎛ 이내로 입힐 수 있다. In the battery including the solid electrolyte, the solid electrolyte may be deposited on the electrode within a few micrometers using a thin film deposition technique.

그러나, 상기 박막 증착 기술을 이용하여 전극과 고체상 전해질을 적층시키는 박막전지의 경우 용량과 규격에 제한이 있다는 단점이 있다. However, the thin film battery in which the electrode and the solid electrolyte are laminated using the above-mentioned thin film deposition technique is disadvantageous in terms of capacity and size.

따라서, 고체상 전해질을 포함한 전지의 용량을 증가시키기 위하여 양극(cathode)의 면적을 증가시키거나 그 두께를 증가시키는 방법들이 시도되고 있다. 그 이유는 일반적인 고체상 전해질을 포함한 전지의 성능에 있어서 중요한 요소인 에너지 밀도, 가역성 및 방전속도는 전지의 구성 요소 중 양극 재료에 의해 결정되기 때문이다. 따라서 고에너지 밀도로 오랜 시간 사용하기 위해서는 적절한 양극 재료의 개발이 중요하고, 특히, 양극의 두께를 증가시키는 것이 필요하다. Accordingly, attempts have been made to increase the area of the cathode or to increase the thickness thereof in order to increase the capacity of the battery including the solid electrolyte. This is because the energy density, reversibility and discharge speed, which are important factors in the performance of a battery including a general solid electrolyte, are determined by the cathode material among the constituent elements of the battery. Therefore, it is important to develop a suitable cathode material in order to use it at a high energy density for a long time, and in particular, it is necessary to increase the thickness of the anode.

상기와 같이 전지의 용량을 증가시키기 위해 박막이 아닌 전극 활물질과 고체상 전해질을 혼합하여 복합체 형태로 합성하는 후막 공정으로 두꺼운 양극을 형성하여 전지의 용량을 증가시키는 기술은 전지의 양극 용량 증가로 인하여 전지의 용량을 증대시킬 수 있는 효과를 가질 수 있으나, 후막으로 양극의 두께를 증가시킬 경우 입자간 접촉이 불량하여 공극이 발생하고, 이로 인해 전지 내부 저항이 매우 높아져 고속 충, 방전 효율이 크게 감소되는 현상이 나타나게 된다.As described above, in order to increase the capacity of a battery, a technology for increasing the capacity of a battery by forming a thick anode by a thick film process in which an electrode active material rather than a thin film is mixed with a solid electrolyte is used as a composite material, However, when the thickness of the anode is increased by the thick film, the contact between the particles is poor and voids are generated. As a result, the internal resistance of the battery becomes very high, A phenomenon appears.

따라서, 고체상 전해질을 적용하여 기존 액체 전해질을 사용한 전지보다 충/방전 효율, 용량, 규격 및 안정성이 향상된 전지의 개발이 요구되고 있다.Therefore, development of a battery having improved charging / discharging efficiency, capacity, specification, and stability compared to a battery using a conventional liquid electrolyte by applying a solid electrolyte is required.

한국특허출원 공개 제2004-0047610호Korean Patent Application Publication No. 2004-0047610

본 명세서는 전고체 전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.The present specification is intended to provide a pre-solid battery and a method of manufacturing the same.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면,According to one embodiment of the present disclosure,

다공성 구조의 양극; A positive electrode of porous structure;

상기 양극에 대향하는 음극; A negative electrode facing the positive electrode;

상기 양극의 내부 기공 및 표면 중 적어도 일부에 구비된 제1 고체상 전해질; 및A first solid electrolyte provided on at least a part of inner pores and surfaces of the anode; And

상기 음극의 적어도 양극에 대항하는 면에 구비된 제2 고체상 전해질을 포함하는 전고체 전지를 제공한다.And a second solid electrolyte provided on a surface of the negative electrode opposite to at least the positive electrode.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 제1 고체상 전해질은 고분자 전해질을 포함하는 전고체 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, the first solid electrolyte comprises a polymer electrolyte.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 제2 고체상 전해질은 고분자 전해질, 무기물 전해질 및 리튬-이온 교환 물질 중 1종 이상을 포함하는 전고체 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, the second solid electrolyte comprises at least one of a polymer electrolyte, an inorganic electrolyte, and a lithium-ion exchange material.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 전고체 전지의 제조방법을 제공한다.In addition, one embodiment of the present invention provides a method of manufacturing the pre-solid battery.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면 안전성 및/또는 효율이 향상된 전고체 전지의 제조가 가능하다. 또한, 본 명세서의 실시상태들에 따르면, 후막 형태의 전고체 전지를 제조할 수 있으므로, 전고체 전지의 고용량화가 가능하다.According to one embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a pre-solid battery with improved safety and / or efficiency. In addition, according to the embodiments of the present invention, it is possible to manufacture a full-thickness solid-state battery in a thick-film form, thereby enabling the capacity of the entire solid-state battery to be increased.

도 1은 고체상 전해질을 포함한 전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전고체 전지의 초기 충방전 결과를 나타낸 도이다.
1 is a schematic view of a battery including a solid electrolyte.
FIG. 2 is a graph showing initial charging / discharging results of all solid-state batteries according to an embodiment of the present invention. FIG.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 전고체 전지는The pre-solid battery according to one embodiment of the present invention

다공성 구조의 양극; A positive electrode of porous structure;

상기 양극에 대향하는 음극; A negative electrode facing the positive electrode;

상기 양극의 내부 기공 및 표면 중 적어도 일부에 구비된 제1 고체상 전해질; 및 A first solid electrolyte provided on at least a part of inner pores and surfaces of the anode; And

상기 음극의 적어도 양극에 대향하는 면에 구비된 제2 고체상 전해질을 포함한다. And a second solid electrolyte provided on a surface of the negative electrode facing at least the positive electrode.

리튬 이온 전지에 있어서, 방전 과정에서는 리튬 이온이 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동하고, 충전 시에는 리튬 이온이 전해질을 통해 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제 자리를 찾게 된다. 기존 리튬 이온 전지에서 사용되는 액체상 전해질을 고체상으로 대체하면 전해액의 분해반응 등에 의한 발화, 폭발이 전혀 발생하지 않으므로 안전성을 대폭 개선할 수 있다. 한편, 고체상 전해질을 사용하는 경우 전극 활물질과 전해질 사이의 접촉 특성이 좋지 못한 문제점을 해결하기 위하여, 본 명세서의 실시상태들에서는 전술한 바와 같이 다공성 구조의 양극에 제1 고체상 전해질을 적용한 것을 특징으로 한다. 다공성 구조의 양극에 제1 고체상 전해질을 적용하여 양극 활물질의 표면적을 넓힘과 동시에, 양극측에 구비된 제1 고체상 전해질의 종류를 적절히 선택함으로써 양극 활물질과 제1 고체상 전해질의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 상기 제1 고체상 전해질 물질로서 고분자 전해질 재료를 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 제1 고체상 전해질이 상기 다공성 구조의 양극 내부에 대하여 함침성 또는 젖음성을 갖는 고분자 전해질을 포함하도록 함으로써 전술한 접촉 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 이와 같은 구성은, 양극 활물질과 고체상 전해질을 혼합하는 기술과 달리, 더 높은 안전성 및 효율을 달성할 수 있다. In a lithium ion battery, during the discharging process, lithium ions move from the cathode to the anode through the electrolyte, and when charged, lithium ions move back from the anode to the cathode through the electrolyte and find their positions. When the liquid phase electrolyte used in the conventional lithium ion battery is replaced with a solid phase, ignition and explosion due to the decomposition reaction of the electrolyte and the like are not generated at all, so that safety can be greatly improved. On the other hand, in order to solve the problem that the contact property between the electrode active material and the electrolyte is poor when the solid electrolyte is used, the first solid electrolyte is applied to the anode of the porous structure as described above in the embodiments of the present invention do. The first solid electrolyte is applied to the positive electrode of the porous structure to widen the surface area of the positive electrode active material and the type of the first solid electrolyte provided on the anode side is appropriately selected to improve the contact property between the positive electrode active material and the first solid electrolyte have. For example, a polymer electrolyte material may be used as the first solid electrolyte material. More preferably, the above-mentioned contact property can be greatly improved by allowing the first solid electrolyte to include a polymer electrolyte having impregnation or wetting property with respect to the inside of the anode of the porous structure. Such a configuration can achieve higher safety and efficiency, unlike the technique of mixing the cathode active material and the solid electrolyte.

또한, 본 명세서의 실시상태들에 따르면, 다공성 구조의 양극에 제1 고체상 전해질을 사용함과 동시에 음극측에 구비된 제2 고체상 전해질을 사용함으로써 2층의 고체상 전해질이 포함된다. 이에 의하여, 각각의 고체상 전해질의 재료 및 두께의 선택을 자유롭게 할 수 있으므로, 전지의 안전성 및 효율을 극대화할 수 있다. In addition, according to the embodiments of the present disclosure, a two-layered solid electrolyte is included by using a first solid electrolyte on the anode of the porous structure and a second solid electrolyte on the cathode side. This makes it possible to freely select the materials and the thicknesses of the respective solid electrolytes, thereby maximizing the safety and efficiency of the battery.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성 구조의 양극의 내부 기공 중 적어도 일부와 외측 표면의 적어도 일부 상에 상기 제1 고체상 전해질이 구비된다. According to one embodiment of the present disclosure, the first solid electrolyte is provided on at least a part of the inner pores of the anode of the porous structure and at least a part of the outer surface.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성 구조의 양극의 내부 기공 중 적어도 일부와 외측 표면 전체 상에 상기 제1 고체상 전해질이 구비된다. According to one embodiment of the present invention, the first solid electrolyte is provided on at least a part of the inner pores of the anode of the porous structure and the entire outer surface.

도 1에 전술한 실시상태에 따른 전지의 모식도를 예시하였다. 도 1에 따르면, 다공성 구조의 양극(11)의 외측 표면 전체와 내부 기공 중 적어도 일부에 제1 고체상 전해질(12)이 존재하여, 양극과 제1 고체상 전해질을 포함하는 복합체(12)가 형성된다. 또한, 음극(21)과 제2 고체상 전해질(22)이 적층된 적층체(20)가 적용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 고체상 전해질이 다공성 구조의 양극의 외측 표면 전체와 내부 기공 중 적어도 일부에 구비됨으로써 양극 활물질과 전해질의 접촉 특성이 크게 향상된다. 더욱이, 제1 고체상 전해질로서 양극의 내부에 대한 함침성 또는 젖음성을 갖는 고분자 전해질을 이용하는 경우 상기의 접촉 특성은 더욱 크게 향상될 수 있다.1 is a schematic view of a battery according to an embodiment of the present invention. 1, the first solid electrolyte 12 is present on the entire outer surface of the anode 11 of the porous structure and at least a part of the inner pores to form the composite 12 including the anode and the first solid electrolyte . Also, a laminate 20 in which the cathode 21 and the second solid electrolyte 22 are laminated is applied. As shown in FIG. 1, the first solid electrolyte is provided on at least a part of the outer surface of the anode and the inner pores of the porous structure, thereby greatly improving the contact characteristics between the cathode active material and the electrolyte. Furthermore, when the polymer electrolyte having impregnation property or wettability with respect to the inside of the anode is used as the first solid electrolyte, the above contact property can be further improved.

상기에서는 리튬 이온 전지의 예시를 기재하였으나, 본 발명의 범위가 이에만 한정되는 것은 아니며, 나트륨 전지, 마그네슘 전지, 칼슘 전지 등 다른 종류의 전지에도 적용될 수 있으며, 리튬 전지 또는 나트륨 전지가 바람직하다. 본 명세서에 기재된 전고체 전지는 일차 전지이어도 좋고, 이차 전지이어도 좋지만, 이차 전지인 것이 바람직하다. Although the lithium ion battery has been described above, the scope of the present invention is not limited thereto. The present invention is also applicable to other types of batteries such as a sodium battery, a magnesium battery, and a calcium battery, and lithium batteries or sodium batteries are preferable. The entire solid battery described in this specification may be a primary battery or a secondary battery, but it is preferably a secondary battery.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 제1 고체상 전해질은 고분자 전해질을 포함한다. According to another embodiment of the present invention, the first solid electrolyte comprises a polymer electrolyte.

상기 제1 고체상 전해질의 재료로서 고분자 전해질이 사용될 수 있으며, 고분자 전해질은 전해질 역할을 수행하기 위한 이온 전도 특성과 절연성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 고분자 전해질은 가공이 용이하고, 유연성이 높으며 안전성이 있다. 상기 제1 고체상 전해질은 상기 다공성 구조의 양극 내부에 대하여 함침성 또는 젖음성을 갖는 고분자 전해질을 포함하는 것이 바람직하다. As the material of the first solid electrolyte, a polymer electrolyte may be used, and the polymer electrolyte is not particularly limited as long as it has an ion conductive property and an insulating property for performing an electrolyte function. Polymer electrolytes are easy to process, have high flexibility, and are safe. The first solid electrolyte preferably includes a polymer electrolyte having impregnation or wettability with respect to the interior of the anode of the porous structure.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질은 이온 전도성 고분자라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 고분자 전해질은 탄화수소계 고분자, 불소계 고분자 및 폴리에테르계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is an ion conductive polymer. For example, the polymer electrolyte may include at least one selected from the group consisting of a hydrocarbon-based polymer, a fluorine-based polymer, and a polyether-based polymer.

상기 탄화수소계 고분자는 술폰화 폴리이미드, 술폰화 폴리술폰, 폴리페닐렌 에테르계 고분자, 술폰화 폴리 벤즈 옥사졸, 케탈기함유 고분자, 술폰산 에스테르 함유 고분자 및 폴리 벤조 니트릴 공중합체 등으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하나, 이에 한정된 것은 아니다.The hydrocarbon-based polymer may be selected from the group consisting of a sulfonated polyimide, a sulfonated polysulfone, a polyphenylene ether-based polymer, a sulfonated polybenzoxazole, a ketal group-containing polymer, a sulfonate ester-containing polymer and a polybenzonitrile copolymer But is not limited thereto.

상기 불소계 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 나피온(Nafion) 등이 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.The fluoropolymer includes, but is not limited to, polytetrafluoroethylene (PTFE), Nafion, and the like.

상기 폴리에테르계 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 포함하나, 이에 한정된 것은 아니다.The polyether-based polymer includes, but is not limited to, polyethylene oxide (PEO).

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 고체상 전해질은 전해질염을 더 포함할 수 있으며, 상기 전해질염은 리튬염일 수 있고, 바람직하게는 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, the first solid electrolyte may further include an electrolyte salt, and the electrolyte salt may be a lithium salt, preferably lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide , But is not limited thereto.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 다공성 구조의 양극은 다공성 구조를 갖는 것을 제외하고는 당기술분야에 알려져 있는 양극 재료로 구성될 수 있다. 상기 양극은 양극 활물질을 포함하며, 필요한 경우 바인더나 기타 첨가제가 첨가될 수 있다. According to another embodiment of the present disclosure, the anode of the porous structure may be composed of a cathode material known in the art, except that it has a porous structure. The anode includes a cathode active material, and if necessary, a binder or other additives may be added.

양극 활물질의 예로는 LiNi0 .8- xCo0 . 2AlxO2, LiCoxMnyO2, LiNixCoyO2, LiNixMnyO2, LiNixCoyMnzO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, LiMnPO4 및 Li4Ti5O12 등의 리튬 전이금속 산화물; Cu2Mo6S8, FeS, CoS 및 MiS 등의 칼코겐화물 등이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. Examples of the positive electrode active material is LiNi x Co 0 0 .8-. 2 Al x O 2 , LiCo x Mn y O 2 , LiNi x Co y O 2 , LiNi x Mn y O 2 , LiNi x Co y Mn z O 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , Lithium transition metal oxides such as LiMnPO 4 and Li 4 Ti 5 O 12 ; Cu 2 Mo 6 S 8 , chalcogenides such as FeS, CoS and MiS, but are not limited thereto.

양극 활물질의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 입자형, 예컨대 구형, 타원형, 직육면체형 등일 수 있다. 양극 활물질의 평균 입경은 1-50 ㎛ 범위 내일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 양극 활물질의 평균 입경은 예를 들어 주사형 전자현미경에 의하여 관찰되는 활물질의 입경을 측정하고, 이의 평균값을 계산함으로써 얻을 수 있다. The shape of the cathode active material is not particularly limited and may be a particle shape, for example, a spherical shape, an elliptical shape, a rectangular parallelepiped shape, or the like. The average particle diameter of the cathode active material may be within the range of 1 to 50 占 퐉, but is not limited thereto. The average particle diameter of the cathode active material can be obtained, for example, by measuring the particle size of the active material observed by a scanning electron microscope and calculating the average value thereof.

양극에 포함되는 바인더로는 특별히 한정되지 않으며, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의 불소 함유 바인더가 사용될 수 있다. The binder contained in the positive electrode is not particularly limited, and a fluorine-containing binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used.

바인더의 함량은 양극 활물질을 고정할 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않으며, 양극 전체에 대하여 0 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다. The content of the binder is not particularly limited as long as it can fix the cathode active material, and may be in the range of 0 to 10 wt% with respect to the whole anode.

상기 양극에 제1 고체상 전해질을 적용하면, 바인더가 필요하지 않을 수도 있다. 그 이유는 제1 고체상 전해질이 바인더의 역할도 수행할 수 있기 때문이다.If a first solid electrolyte is applied to the anode, a binder may not be required. This is because the first solid electrolyte can also function as a binder.

양극에는 추가로 도전재가 포함될 수 있다. 도전재는 양극의 도전성을 향상시킬 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 아세틸렌 블랙, 탄소섬유 등이 포함될 수 있다. 도전재의 함량은 도전재의 종류 등 기타 전지의 조건을 고려하여 선택될 수 있으며, 예컨대 양극 전체에 대하여 1 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다. The anode may further include a conductive material. The conductive material is not particularly limited as long as it can improve the conductivity of the anode, and may include acetylene black, carbon fiber, and the like. The content of the conductive material may be selected in consideration of other battery conditions such as the kind of the conductive material, and may be, for example, within the range of 1 to 10 wt% with respect to the entire anode.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성 구조의 양극의 기공도는 0.01 내지 50%의 범위내일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present invention, the porosity of the anode of the porous structure may be within a range of 0.01 to 50%, but is not limited thereto.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 음극은 비다공성 구조를 갖는다.According to another embodiment of the present disclosure, the cathode has a non-porous structure.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 비다공성 음극은 고용량 전지를 제조하는데 유리하다. 예컨대, 비다공성 음극으로서 금속 호일을 직접 사용하는 경우에는 매우 고용량의 전지를 제공할 수 있다. According to another embodiment of the present disclosure, the non-porous cathode is advantageous for manufacturing a high capacity battery. For example, when a metallic foil is directly used as a non-porous cathode, a very high capacity battery can be provided.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 음극은 금속을 포함한다. 상기 음극에 포함되는 금속은 리튬, 나트륨과 같은 단일금속이나, 2종 이상의 금속 합금을 포함한다. 예컨대, 리튬 전지의 경우 음극은 리튬 또는 리튬 합금을 포함한다. 상기 음극은 금속 호일의 형태를 가질 수 있다. According to another embodiment of the present disclosure, the cathode comprises a metal. The metal included in the negative electrode includes a single metal such as lithium or sodium, or two or more metal alloys. For example, in the case of a lithium battery, the negative electrode includes lithium or a lithium alloy. The cathode may have the form of a metal foil.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 음극은 리튬을 포함할 경우, 리튬은 가볍기 때문에 가장 높은 이론용량을 가지며 금속 중에서 산화 및 환원 전위가 가장 낮아 고용량 전지 구현이 가능하다.According to another embodiment of the present invention, when the anode contains lithium, since lithium is light, it has the highest theoretical capacity, and the oxidation and reduction potentials are lowest in the metal, so that a high capacity battery can be realized.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 고체상 전해질은 이온 전도성을 갖는 전해질 재료라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 상기 음극은 비다공성 구조이므로, 상기 음극 측에 구비된 제2 고체상 전해질의 재료는 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 제2 고체상 전해질은 고분자 전해질, 무기물 전해질 및 리튬-이온 교환 물질 중 1종 이상을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the second solid electrolyte is not limited as long as it is an electrolyte material having ion conductivity. Since the negative electrode has a non-porous structure, the material of the second solid electrolyte provided on the negative electrode side is not particularly limited. For example, the second solid electrolyte may include at least one of a polymer electrolyte, an inorganic electrolyte, and a lithium-ion exchange material.

상기 제2 고체상 전해질이 고분자 전해질을 포함하는 경우, 전술한 제1 고체상 전해질에 포함되는 고분자 전해질과 동일한 종류일 수도 있고 상이한 종류일 수도 있다. 상기 제2 고체상 전해질의 재료로서 사용할 수 있는 고분자 전해질은 전술한 제1 고체상 전해질 재료로 예시한 고분자 전해질에 관한 설명이 적용될 수 있다. When the second solid electrolyte comprises a polymer electrolyte, it may be the same kind as the polymer electrolyte included in the first solid electrolyte described above, or may be a different kind. The description of the polymer electrolyte exemplified as the first solid electrolyte material described above can be applied to the polymer electrolyte that can be used as the material of the second solid electrolyte.

상기 무기물 전해질은 황화물, 산화물, 질화물, 할로겐화물 및 인산염화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The inorganic electrolyte may include at least one selected from the group consisting of sulfides, oxides, nitrides, halides, and phosphates.

상기 황화물로는 당기술분야에 알려져 있는 전해질 재료를 사용할 수 있으며, 예컨대 P2S5-Li2S계, B2S3-Li2S계, Li4 - xGe1 - xPxS4 (0≤≤x≤1), Li4 - xGe1 - xPxS1 (0≤x≤1) 등이 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.As the sulfide, an electrolyte material known in the art may be used. For example, P 2 S 5 -Li 2 S-based, B 2 S 3 -Li 2 S-based, Li 4 - x Ge 1 - x P x S 4 (0 ? X? 1 ), Li 4 - x Ge 1 - x P x S 1 (0? X? 1), but the present invention is not limited thereto.

상기 산화물로는 당기술분야에 알려져 있는 전해질 재료를 사용할 수 있으며, 예컨대 GeO2계, Li4SiO4계, (La, Li)TiO3 및 LiAlxCo1 - xO2 (0.1≤x≤0.3) 등이 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.As the oxide, an electrolyte material known in the art can be used. Examples of the oxide include GeO 2 , Li 4 SiO 4 , (La, Li) TiO 3 and LiAl x Co 1 - x O 2 ), But are not limited thereto.

상기 인산염화물로는 당기술분야에 알려져 있는 전해질 재료를 사용할 수 있으며, 예컨대 Li1 + xAlxGe2 -x(PO4)3 (0≤x≤0.5), Li1 + xTi2 - xAl(PO4)3 (0≤x≤0.4) 및 Li1+xTi2-xAlx(PO4)3 (0≤x≤0.4) 등이 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.Examples of the phosphate include Li 1 + x Al x Ge 2 -x (PO 4 ) 3 (0? X ? 0.5), Li 1 + x Ti 2 - x Al (PO 4 ) 3 (0? X ? 0.4) and Li 1 + x Ti 2-x Al x (PO 4 ) 3 (0? X ? 0.4).

상기 질화물로는 당기술분야에 알려져 있는 전해질 재료를 사용할 수 있으며, 예컨대 리튬 질화물, 리튬 합금 질화물 등이 사용될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. As the nitride, an electrolyte material known in the art may be used. For example, lithium nitride, lithium alloy nitride, or the like may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 할로겐화물로는 당기술분야에 알려져 있는 전해질 재료를 사용할 수 있으며, 예컨대 리튬 할로겐화물, 리튬 합금 할로겐화물 등이 사용될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. As the halide, an electrolyte material known in the art may be used. For example, lithium halide, lithium alloy halide, or the like may be used, but the present invention is not limited thereto.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 리튬-이온 교환 물질은 탄화수소계 이온 교환 물질, 불소계 이온 교환 물질 및 폴리에테르계 이온 교환 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.According to another embodiment of the present disclosure, the lithium-ion exchange material includes at least one selected from the group consisting of a hydrocarbon-based ion exchange material, a fluorine-based ion exchange material, and a polyether-based ion exchange material.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 탄화수소계 이온 교환 물질은 술폰화 폴리이미드, 술폰화 폴리술폰 및 폴리페닐렌 에테르계 고분자; 술폰화 폴리 벤즈 옥사졸; 케탈기함유 고분자; 설폰산 에스테르 함유 고분자; 및 폴리 벤조 니트릴 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하나, 이에 한정된 것은 아니다.According to another embodiment of the present invention, the hydrocarbon-based ion exchange material is a sulfonated polyimide, a sulfonated polysulfone, and a polyphenylene ether-based polymer; Sulfonated polybenzoxazole; Polymer containing ketal group; A sulfonic acid ester-containing polymer; And polybenzonitrile copolymers, but the present invention is not limited thereto.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 불소계 이온 교환 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 나피온(Nafion)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하나, 이에 한정된 것은 아니다.According to another embodiment of the present invention, the fluorine-based ion exchange material includes at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE) and nafion, but is not limited thereto.

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 폴리에테르계 이온 교환 물질은 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 포함하나, 이에 한정된 것은 아니다.According to another embodiment of the present disclosure, the polyether ion exchange material includes, but is not limited to, polyethylene oxide (PEO).

본 명세서의 또 하나의 실시상태에 따르면 상기 제2 고체상 전해질의 두께는 필요에 따라 선택될 수 있으며, 예컨대 1 nm 내지 100 ㎛이다. 제2 고체상 전해질은 음극측에서 전해질로서 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 양극과 음극을 격리시키는 분리막으로 작용할 수도 있다. 음극측에 구비된 제2 고체상 전해질이 너무 두꺼운 경우에는 제2 고체상 전해질의 무게로 인하여 전지 전체 무게가 증가하므로, 전지 전체의 중량당 에너지 밀도가 감소한다. 이와 같은 점을 고려하여, 당업자는 적절한 제2 고체상 전해질 두께를 선택할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the thickness of the second solid electrolyte may be selected as required, for example, 1 nm to 100 占 퐉. The second solid electrolyte may serve not only as an electrolyte on the cathode side, but also as a separator separating the anode and the cathode. When the second solid electrolyte provided on the cathode side is too thick, the weight of the second solid electrolyte increases, thereby reducing the energy density per unit weight of the whole battery. In view of this, one skilled in the art can select an appropriate second solid electrolyte thickness.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 전고체 전지의 제조방법을 제공한다. 예컨대, 상기 전고체 전지의 제조방법은 다공성 구조의 양극 상에 제1 고체상 전해질을 형성하는 단계; 음극 상에 제2 고체상 전해질을 형성하는 단계 및 상기 제1 고체상 전해질이 구비된 양극과 상기 제2 고체상 전해질이 구비된 음극을 조립하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, a method of manufacturing a pre-solid battery is provided. For example, the method of manufacturing the pre-solid battery includes forming a first solid electrolyte on the anode having a porous structure; Forming a second solid electrolyte on the cathode, and assembling a cathode having the first solid electrolyte and a cathode having the second solid electrolyte.

본 명세서에 있어서, 제1 고체상 전해질 및 제2 고체상 전해질의 형성은 당 기술분야에 알려진 방법을 사용 할 수 있다. 예컨대, 소결법(Sintering), 화학기상증착법(CVD, Chemical-Vapor deposition), 금속치환법, 스프레이법(Spraying), 여과법(Filtering), 침지코팅법(Dip coating), 바코팅법(Bar coating) 및 잉크젯프린팅법(Inkjet printing)으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In this specification, the formation of the first solid electrolyte and the second solid electrolyte can be carried out using a method known in the art. For example, there can be used a sintering method, a chemical vapor deposition method, a metal substitution method, a spraying method, a filtering method, a dip coating method, a bar coating method, Inkjet printing, and inkjet printing. However, the present invention is not limited thereto.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 제조예 및 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments and examples of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following Preparation Examples and Examples are provided for illustrating the present invention, and thus the scope of the present invention is not limited thereto.

<제조예><Production Example>

제조예 1. 제1 고체상 전해질 및 이를 포함하는 양극의 제조PREPARATION EXAMPLE 1. Preparation of First Solid Electrolyte and Positive Electrode Including It

에틸렌 옥사이드(ethylene oxide: EO)/Li=9인 비율로 용매에 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(LiTFSI, lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide) 리튬염을 넣어 고분자 전해질 용액을 만들었다. 그리고 고분자 전해질 용액 안에 도전재와 LiNi0 .8- xCo0 . 2AlxO2(NCA) 활물질을 활물질 : 고분자 전해질 : 도전재 = 75.52: 20.29: 4.19 중량비로 넣어 페이스트 믹서(paste mixer)로 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리는 알루미늄 호일(Al foil) 위에 도포한 후 바 코터(Bar coater)를 사용하여 양극을 제조하였다.Lithium salt of polyethylene oxide (PEO) and lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI) was added to the solvent at a ratio of ethylene oxide (EO) / Li = 9, An electrolyte solution was prepared. In the polymer electrolyte solution, the conductive material and LiNi 0 .8 - x Co 0 . 2 Al x O 2 (NCA) active material was mixed in a weight ratio of active material: polyelectrolyte: conductive material = 75.52: 20.29: 4.19 and mixed with a paste mixer to prepare a slurry. The slurry was applied on an aluminum foil and then a cathode was prepared using a bar coater.

제조예 2. 제2 고체상 전해질 및 이를 포함하는 음극의 제조Production Example 2. Preparation of Second Solid Electrolyte and Negative Electrode Containing It

출발 원료 Li2S와 P2S5, LiCl을 ZrO2 재질의 45ml 볼 밀(ball mill)용기에 투입하고, 5mm ZrO2 볼(ball)을 투입하여 용기를 밀폐한 후 유성 볼 밀(planetary ball mill)장비에 설치하였다. 500rpm으로 40시간 기계적 밀링(mechanical milling)을 실시하여 제2 고체상 전해질인 Li2S-P2S5-LiCl을 만들었다.The starting materials Li 2 S and P 2 S 5, 45ml ball mill of the LiCl ZrO 2 material (ball mill) and then put into a container and added to seal the vessel to 5mm ZrO 2 ball (ball) planetary ball mill (planetary ball mill. And then subjected to mechanical milling at 500 rpm for 40 hours to prepare Li 2 SP 2 S 5 -LiCl as the second solid electrolyte.

Li2S-P2S5-LiCl을 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)용액(PVDF:toulene=8:92 중량%)과 섞어 슬러리를 제조한 후 150 ㎛ 리튬 호일(Li foil) 위에 50 ㎛ 두께로 도포하여 제2 고체상 전해질 및 이를 포함하는 음극을 제조하였다.Li 2 SP 2 S 5 -LiCl was mixed with a polyvinylidene fluoride (PVDF) solution (PVDF: toulene = 8: 92 wt%) to prepare a slurry and then applied to a thickness of 50 μm on 150 μm lithium foil To prepare a second solid electrolyte and a negative electrode containing the same.

<실시예><Examples>

실시예 1. 전고체 전지의 제조Example 1 Preparation of a Whole Solid Battery

상기 제조예 1 및 2에서 제조한 양극과 음극(표면이 고체상 전해질로 덮여있는 음극)을 각각 Φ14, Φ15 크기로 타발한 뒤, 400MPa로 압착하고, 2032 코인 셀(coin cell) 안에 넣어 조립한 뒤 전고체 전지를 제조하였다.The positive electrode and negative electrode (negative electrode whose surface was covered with the solid electrolyte) prepared in Preparation Examples 1 and 2 were pulverized to a size of? 14 and? 15, respectively, and pressed at 400 MPa, assembled in a 2032 coin cell All solid batteries were prepared.

<평가예>&Lt; Evaluation example &

평가예 1. 전지의 평가Evaluation example 1. Evaluation of cell

상기 실시예 1의 전지를 60℃, 2.5V 내지 4.2V 영역에서 0.1C 조건으로 전고체 전지의 충방전을 실시하였고, 그 결과는 도 2와 같다.The cells of Example 1 were charged and discharged at 60 DEG C in the range of 2.5 V to 4.2 V at 0.1 C, and the results are shown in FIG.

도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른, 전고체 전지의 초기 충방전 결과를 나타낸 도이다.2 is a diagram showing the initial charge / discharge results of all solid-state cells according to an embodiment of the present invention.

도 2의 그래프를 통해, 본 명세서에 따른 전고체 전지가 효과적으로 작동하는 것을 알 수 있다.Through the graph of FIG. 2, it can be seen that the pre-solid battery according to the present invention works effectively.

10: 양극 및 제1 고체상 전해질의 복합체
11: 다공성 구조의 양극
12: 제1 고체상 전해질
20: 음극 및 제2 고체상 전해질의 적층체
21: 음극
22: 제2 고체상 전해질
10: Composite of anode and first solid electrolyte
11: anode of porous structure
12: First solid electrolyte
20: A laminate of a negative electrode and a second solid electrolyte
21: cathode
22: Second solid electrolyte

Claims (9)

다공성 구조의 양극;
상기 양극에 대향하는 음극;
상기 양극의 내부 기공 및 표면 중 적어도 일부에 구비된 제1 고체상 전해질; 및
상기 음극의 적어도 양극에 대향하는 면에 구비된 제2 고체상 전해질을 포함하는 전고체 전지.
A positive electrode of porous structure;
A negative electrode facing the positive electrode;
A first solid electrolyte provided on at least a part of inner pores and surfaces of the anode; And
And a second solid electrolyte provided on a surface of the negative electrode opposite to at least the positive electrode.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 고체상 전해질은 고분자 전해질을 포함하는 것인 전고체 전지. The pre-solid battery according to claim 1, wherein the first solid electrolyte comprises a polymer electrolyte. 청구항 2에 있어서, 상기 고분자 전해질은 탄화수소계 고분자, 불소계 고분자 및 폴리에테르계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 전고체 전지.The pre-solid battery according to claim 2, wherein the polymer electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of a hydrocarbon-based polymer, a fluorine-based polymer, and a polyether-based polymer. 청구항 1에 있어서, 상기 음극은 금속을 포함하는 것인 전고체 전지.The pre-solid battery according to claim 1, wherein the cathode comprises a metal. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 고체상 전해질은 고분자 전해질, 무기물 전해질 및 리튬-이온 교환 물질 중 1종 이상을 포함하는 것인 전고체 전지.The pre-solid battery according to claim 1, wherein the second solid electrolyte comprises at least one of a polymer electrolyte, an inorganic electrolyte and a lithium-ion exchange material. 청구항 5에 있어서, 상기 고분자 전해질은 탄화수소계 고분자, 불소계 고분자 및 폴리에테르계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전고체 전지.The pre-solid battery according to claim 5, wherein the polymer electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of a hydrocarbon-based polymer, a fluorine-based polymer, and a polyether-based polymer. 청구항 5에 있어서, 상기 무기물 전해질은 황화물, 산화물, 질화물, 할로겐화물 및 인산염화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전고체 전지.The pre-solid battery according to claim 5, wherein the inorganic electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of sulfides, oxides, nitrides, halides and phosphates. 청구항 5에 있어서, 상기 리튬-이온 교환 물질은 탄화수소계 이온 교환 물질, 불소계 이온 교환 물질 및 폴리에테르계 이온 교환 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전고체 전지.The pre-solid battery according to claim 5, wherein the lithium-ion exchange material comprises at least one selected from the group consisting of a hydrocarbon-based ion exchange material, a fluorine-based ion exchange material, and a polyether-based ion exchange material. 다공성 구조의 양극 상에 제1 고체상 전해질을 형성하는 단계;
음극 상에 제2 고체상 전해질을 형성하는 단계; 및
상기 제1 고체상 전해질이 구비된 양극과 상기 제2 고체상 전해질이 구비된 음극을 조립하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 8 중 어느 하나의 항에 따른 전고체 전지의 제조방법.
Forming a first solid electrolyte on the anode of the porous structure;
Forming a second solid electrolyte on the cathode; And
The method of any one of claims 1 to 8, comprising the step of assembling a cathode having the first solid electrolyte and a cathode having the second solid electrolyte.
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