KR20170098199A - Solid electrolyte, method for manufacturing the same, and all solid state rechargeable lithium battery including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a solid electrolyte, a method for manufacturing the same and a lithium secondary battery including the same. The solid electrolyte has tantalum (Ta) and boron (B) doped at the same time and comprises an oxide in a Garnet structure with the high doping amount of B.

Description

고체 전해질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{SOLID ELECTROLYTE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND ALL SOLID STATE RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a solid electrolyte, a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the same. [0002]

고체 전해질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.A solid electrolyte, a process for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the solid electrolyte.

리튬 이온 전지는 단위 부피 당 에너지 밀도가 다른 전지 시스템에 비해 월등히 높아 현재 전자 기기 등에 널리 사용되고 있으며, 소형 전지의 형태에서 탈피하여, 자동차 및 에너지 저장 장치로 그 응용 범위를 넓혀가고 있다. Lithium-ion batteries have a higher energy density per unit volume than those of other battery systems, and are widely used in electronic devices and the like, and have been widely used in automobiles and energy storage devices.

그러나, 일반적으로 알려진 리튬 이온 전지는 기본적으로 액체 전해질을 사용하고 있기 때문에, 폭발 또는 발화와 관련된 안전성의 문제가 지속적으로 발생되고 있다.However, since a known lithium ion battery basically uses a liquid electrolyte, a problem of safety related to explosion or ignition is constantly generated.

이러한 액체 전해질을 대체재로, 크게 황화물계, 고분자계, 및 산화물계의 3가지 종류로 분류되는 고체 전해질이 제안되고 있다. 그러나, 황화물계 고체 전해질의 경우 대기 및/또는 LiCoO2 등의 산화물계 양극 활물질과의 반응성이 높아 그 자체로 취급하기 어려운 물질이며, 고분자계 고체 전해질의 경우 열적 안정성이 취약하여 높은 온도에서 열화하는 단점이 있고, 산화물계 고체 전해질의 경우 10-6 내지 10-5 S/cm로 비교적 낮은 이온 전도도를 나타내는 문제가 있다. As a substitute for such a liquid electrolyte, there has been proposed a solid electrolyte classified into three types, namely, a sulfide system, a polymer system, and an oxide system. However, the sulfide-based solid electrolyte has a high reactivity with atmospheric and / or oxide-based cathode active materials such as LiCoO 2 , and thus is difficult to handle as such. In the case of a polymer-based solid electrolyte, thermal stability is poor, And in the case of an oxide-based solid electrolyte, there is a problem that it exhibits a relatively low ionic conductivity of 10 -6 to 10 -5 S / cm.

이 뿐만 아니라, 특히 산화물계 고체 전해질의 경우 양극과 함께 혼합하여 소결한 뒤 리튬 이온 전지에 적용하는 것이 일반적인데, 소결 온도가 높아 전고체 전지를 제조할 때 양극에서 리튬(Li)이 증발하거나, 각 계면에서 반응이 유발되거나, 각 소재 간 열팽창 계수의 차이로 인한 탈리되는 등의 문제점이 야기된다.In addition, in particular, in the case of an oxide-based solid electrolyte, it is common to mix and sinter with an anode and apply it to a lithium ion battery. However, since the sintering temperature is high, lithium (Li) A reaction is induced at each interface or a difference in thermal expansion coefficient between the respective materials causes a problem such as desorption.

따라서, 중대형 리튬 이온 전지의 상용화를 위하여, 고체 전해질을 사용하여 액체 전해질의 안전성 문제를 해소하면서, 일반적으로 알려진 고체 전해질의 높은 반응성 또는 낮은 이온 전도도의 단점을 극복하고, 특히 산화물계 고체 전해질의 경우 그 소결 온도를 낮출 필요가 있으나, 아직까지 이에 대한 연구가 부족한 실정이다.Therefore, in order to commercialize a middle- or large-sized lithium ion battery, solving the safety problem of a liquid electrolyte by using a solid electrolyte, overcoming the disadvantages of a generally known solid electrolyte with high reactivity or low ion conductivity, It is necessary to lower the sintering temperature.

본 발명의 일 구현예에서 제공되는 고체 전해질은, 탄탈(Ta) 및 보론(B)이 동시에 도핑된 것이되, 상기 보론의 도핑량이 높은 가넷(Garnet) 구조의 산화물을 포함하는 것으로, 전술한 문제점을 해소하고자 한다.The solid electrolyte provided in one embodiment of the present invention is one in which tantalum (Ta) and boron (B) are simultaneously doped, and includes an oxide of Garnet structure having a high doping amount of boron. .

또한, 본 발명의 다른 일 구현예 및 또 다른 일 구현예에서는, 상기 고체 전해질의 제조 방법, 및 상기 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 각각 제공한다.In another embodiment and another embodiment of the present invention, a method for producing the solid electrolyte and a lithium secondary battery including the solid electrolyte are provided.

고체 전해질Solid electrolyte

본 발명의 일 구현예에서는, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물;을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인, 고체 전해질을 제공한다. In one embodiment of the present invention, a solid electrolyte including an oxide of Garnet structure doped with boron (B) and tantalum (Ta), wherein the molar ratio of boron (B) to the solid electrolyte is 0.1 or more.

이와 관련하여, 상기 보론(B)에 대한 상기 탄탈(Ta)의 몰 비율은, 0.35/0.1 내지 0.35/0.4인 것일 수 있다.In this connection, the molar ratio of the tantalum (Ta) to the boron (B) may be 0.35 / 0.1 to 0.35 / 0.4.

한편, 상기 가넷(Garnet) 구조의 산화물은, 알루미늄(Al)이 더 도핑된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 보론(B)에 대한 상기 알루미늄(Al)의 몰 비율은, 0.5/0.1 내지 0.1/0.4일 수 있다. On the other hand, the oxide of the garnet structure may be doped with aluminum (Al). In this case, the molar ratio of the aluminum (Al) to the boron (B) may be 0.5 / 0.1 to 0.1 / 0.4.

구체적으로, 상기 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.Specifically, the solid electrolyte may be represented by the following general formula (1).

[화학식 1] Li(7-a-x)M1 xLa3Zr2-y-wTayBzM2 wO12 Li (7-ax) M 1 x La 3 Zr 2 -yw Ta y B z M 2 w O 12

(상기 화학식 1에서, M1은 Al, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, M2는 Nb, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 0 ≤ a ≤ 0.1 이고, 0 ≤ x ≤ 0.5 이고, 0.005 ≤ y ≤ 0.5 이고, 0.1 ≤ z ≤ 0.5이고, 0 ≤ w < 0.15 이다.)Wherein M 1 is selected from the group consisting of Al, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca and combinations thereof; M 2 is selected from the group consisting of Nb, Sb, Sn, Hf, Bi, W , Se, Ga, Ge, and combinations thereof, and 0? A? 0.1, 0? X? 0.5, 0.005? Y? 0.5, 0.1? Z? 0.5, 0.15.)

보다 구체적으로, 상기 화학식 1에서, M1은 Al일 수 있다. More specifically, in Formula 1, M 1 may be Al.

또한, 상기 화학식 1에서, 0.1 ≤ z ≤ 0.4일 수 있다.In the above formula (1), 0.1? Z? 0.4.

이와 독립적으로, 상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 0.3일 수 있다. Independently, in the above formula (1), 0? X? 0.3.

상기 고체 전해질의 결정 구조는, 입방정계(Cubic) 구조인 것일 수 있다.The crystal structure of the solid electrolyte may be a cubic structure.

상기 고체 전해질의 이온 전도도는, 0.9x10-4 S/cm 이상인 것일 수 있다.The ionic conductivity of the solid electrolyte may be 0.9 x 10 -4 S / cm or more.

고체 전해질의 제조 방법Method for producing solid electrolyte

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계; 상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 혼합 분말을 소성(calcination)하여, 분말 상태의 고체 전해질을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 수득되는 고체 전해질은, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인 것이고, 상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질의 혼합 분말을 준비하는 단계;는, 상기 수득되는 고체 전해질 내 리튬, 란타늄, 지르코늄, 및 탄탈의 몰 함량과 일치하는 몰 비율로 상기 각 원료 물질을 투입하고, 1차 혼합하는 단계;를 포함하는 것인, 고체 전해질의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a mixed powder, comprising the steps of: preparing a mixed powder comprising a lithium raw material, a lanthanum raw material, a zirconium raw material, a tantalum raw material, and a boron raw material; Pulverizing the mixed powder; And calcining the pulverized mixed powder to obtain a powdery solid electrolyte, wherein the solid electrolyte obtained is a garnet (G) doped with boron (B) and tantalum (Ta) Wherein the molar ratio of the boron (B) to the solid electrolyte is 0.1 or more, and the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material Preparing a mixed powder comprising the steps of: charging each of the raw materials at a molar ratio corresponding to the molar amount of lithium, lanthanum, zirconium, and tantalum in the obtained solid electrolyte, By weight, based on the total weight of the solid electrolyte.

구체적으로, 상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계;에서,Specifically, in the step of preparing a mixed powder comprising the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material,

상기 혼합 분말 내 보론에 대한 탄탈의 몰 비율이 0.35/0.1 내지 0.35/0.4이 되도록 제조하는 것일 수 있다.And the molar ratio of tantalum to boron in the mixed powder is 0.35 / 0.1 to 0.35 / 0.4.

한편, 상기 혼합 분말은, 알루미늄 원료 물질, 나트륨 원료 물질, 칼륨 원료 물질, 루비듐 원료 물질, 세슘 원료 물질, 프랑슘 원료 물질, 마그네슘 원료 물질, 칼슘 원료 물질, 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것일 수 있다.The mixed powder may further include an aluminum raw material, a sodium raw material, a potassium raw material, a rubidium raw material, a cesium raw material, a franc raw material, a magnesium raw material, a calcium raw material, or a combination thereof .

보다 구체적으로, 상기 혼합 분말은, 알루미늄 원료 물질을 더 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 혼합 분말 내 보론에 대한 알루미늄의 몰 비율이 0.5/0.1 내지 0.1/0.4이 되도록 제조하는 것일 수 있다.More specifically, the mixed powder may further comprise an aluminum raw material. In this case, the molar ratio of aluminum to boron in the mixed powder may be 0.5 / 0.1 to 0.1 / 0.4.

다른 한편, 상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계;는, 상기 수득되는 고체 전해질 내 리튬, 란타늄, 지르코늄, 및 탄탈의 몰 함량과 일치하는 몰 비율로 상기 각 원료 물질을 투입하고, 1차 혼합하는 단계; 이후에, 상기 1차 혼합된 물질에 리튬 원료 물질을 추가로 투입하고, 2차 혼합하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.On the other hand, the step of preparing the mixed powder including the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material may be a step of mixing lithium, lanthanum, zirconium, Adding the respective raw materials at a molar ratio corresponding to the molar amount of the raw materials, and mixing the raw materials; Thereafter, the lithium primary material may be further added to the primary mixed material and the secondary mixed material may be mixed.

구체적으로, 상기 1차 혼합된 물질에 리튬 원료 물질을 추가로 투입하고, 2차 혼합하는 단계;에서, 상기 추가로 투입되는 리튬 원료 물질의 양은, 상기 1차 혼합된 물질 내 리튬 원료 물질 대비 1 내지 5 몰%인 것일 수 있다.Specifically, in the step of additionally adding and mixing lithium raw material to the primary mixed material, the amount of the lithium raw material to be added is preferably 1 to 10 times the lithium raw material in the primary mixed material To 5 mol%.

또 다른 한편, 상기 분쇄된 혼합 분말을 소성(calcination)하여, 분말 상태의 고체 전해질을 수득하는 단계; 이후에, 상기 수득된 고체 전해질을 펠렛(pellet)으로 형성하는 단계; 및 상기 형성된 펠렛을 소결(sintering)하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.On the other hand, calcining the pulverized mixed powder to obtain a powdery solid electrolyte; Thereafter, the solid electrolyte obtained is formed into a pellet; And sintering the formed pellets.

구체적으로, 상기 형성된 펠렛을 소결(sintering)하는 단계;는, 850 내지 950 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다.Specifically, sintering the formed pellets may be performed at a temperature ranging from 850 to 950 ° C.

이와 독립적으로, 상기 형성된 펠렛을 소결하는(sintering) 단계;는, 7 내지 20 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.Independently, the step of sintering the formed pellets may be performed for 7 to 20 hours.

아울러, 상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계;는, 볼밀(ball mill), 몰탈(mortar), 분급기(sieve), 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 죠크러셔(jaw crusher), 해쇄기(crusher), 또는 이들의 조합인 방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.The step of pulverizing the mixed powder may be a ball mill, a mortar, a sieve, an attrition mill, a disk mill, a jet mill, ), A jaw crusher, a crusher, or a combination thereof.

리튬 이차 전지Lithium secondary battery

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 고체 전해질;을 포함하고, 상기 고체 전해질은, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물;을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인, 리튬 이차 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, cathode; Wherein the solid electrolyte is a solid electrolyte including an oxide of Garnet structure doped with boron (B) and tantalum (Ta), the boron (B) to the solid electrolyte, Is 0.1 or more.

본 발명의 일 구현예에서 제공되는 고체 전해질은 탄탈(Ta) 및 보론(B)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물을 포함하며, 특히 액체 상 소결(liquid phase sintering)을 가능케 하는 보론(B)의 도핑량이 높아, 낮은 온도에서도 높은 이온 전도도 및 우수한 소결 특성을 확보할 수 있다.The solid electrolyte provided in one embodiment of the present invention includes an oxide of a Garnet structure doped with tantalum (Ta) and boron (B), and particularly, a boron (B) capable of liquid phase sintering ) Is high, and high ion conductivity and excellent sintering property can be secured even at a low temperature.

본 발명의 다른 일 구현예에 따른 고체 전해질의 제조 방법은, 단순한 공정에 의하여, 상기 우수한 특성을 지닌 고체 전해질을 양산할 수 있는 이점이 있다. The method for producing a solid electrolyte according to another embodiment of the present invention has an advantage that a solid electrolyte having excellent properties can be mass-produced by a simple process.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는, 상기 우수한 특성을 지닌 고체 전해질를 포함함으로써, 그 전기화학적 성능이 향상될 수 있다.The lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention can improve its electrochemical performance by including the solid electrolyte having the excellent characteristics.

도 1은, 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 총 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 2는, 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 극좌표선도(Nyquist plot)를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, x선 회절(x-ray diffraction, XRD) 패턴을 나타낸 것이다.
도 4 내지 9는, 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 각 원소의 분포도를 나타낸 것이다.
도 10은, 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 극좌표선도(Nyquist plot)를 나타낸 것이다.
도 11 내지 14는, 본 발명의 제조예 3 및 1에 따라 제조된 각 고체 전해질과 관련하여, 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 15 내지 22는, 본 발명의 제조예 3에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 각 원소의 분포도를 나타낸 것이다.
도 23은, 본 발명의 제조예 3에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 이의 전위창을 나타낸 것이다.
도 24는, 본 발명의 제조예 3에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 이를 포함하는 전지의 10 번째 충방전 그래프를 나타낸 것이다.
도 25는, 본 발명의 제조예 3에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 이를 포함하는 전지의 10 회 충방전 사이클 수명 특성을 나타낸 그래프이다.
도 26는, 본 발명의 제조예 3에 따라 제조된 고체 전해질과 관련하여, 이를 포함하는 전고체(all-solid-state) 전지의 충방전 그래프를 나타낸 것이다.
1 is a graph showing the total ion conductivity with respect to the solid electrolyte produced according to Production Example 1 of the present invention.
2 shows a Nyquist plot with respect to the solid electrolyte produced according to Production Example 1 of the present invention.
FIG. 3 shows an x-ray diffraction (XRD) pattern with respect to the solid electrolyte produced according to Preparation Example 1 of the present invention.
4 to 9 show distribution diagrams of the respective elements with respect to the solid electrolyte produced according to Production Example 1 of the present invention.
10 shows a Nyquist plot with respect to the solid electrolyte produced according to Production Example 2 of the present invention.
11 to 14 are scanning electron microscopy (SEM) photographs of each solid electrolyte produced according to Production Examples 3 and 1 of the present invention.
15 to 22 show distribution diagrams of the respective elements with respect to the solid electrolyte produced according to Production Example 3 of the present invention.
Fig. 23 shows the potential window of the solid electrolyte produced according to Production Example 3 of the present invention. Fig.
FIG. 24 shows a 10th charge / discharge graph of a battery including the solid electrolyte produced according to Production Example 3 of the present invention.
FIG. 25 is a graph showing the life-time characteristics of the battery including the solid electrolyte produced according to Production Example 3 of the present invention at 10 times of charge / discharge cycle.
26 is a graph showing the charging / discharging characteristics of the all-solid-state battery including the solid electrolyte produced according to Production Example 3 of the present invention.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다.  다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

고체 전해질Solid electrolyte

본 발명의 일 구현예에서는, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물;을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인, 고체 전해질을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a solid electrolyte including an oxide of Garnet structure doped with boron (B) and tantalum (Ta), wherein the molar ratio of boron (B) to the solid electrolyte is 0.1 or more.

이는, 탄탈(Ta) 및 보론(B)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물을 포함하며, 특히 액체 상 소결(liquid phase sintering)을 가능케 하는 보론(B)의 도핑량이 높아, 낮은 온도에서도 우수한 소결 특성을 확보할 수 있는 고체 전해질에 해당된다.This is because it contains an oxide of garnet structure doped with tantalum (Ta) and boron (B), and particularly the doping amount of boron (B) which enables liquid phase sintering is high, And is a solid electrolyte capable of ensuring sintering properties.

일반적으로, 가넷 구조의 산화물은 전위창이 비교적 넓고 수분 반응성이 낮을 뿐만 아니라, 금속 리튬과의 반응성이 적어, 액체 전해질을 대체하는 고체 전해질로 사용되기에 적합하다.Generally, the garnet structure oxide is relatively wide in potential window, low in water reactivity, less reactive with metallic lithium, and suitable for use as a solid electrolyte replacing liquid electrolyte.

한편, 가넷 구조의 산화물의 결정 구조는 정방정계(tetragonal) 및 입방정계(cubic) 구조로 구분되며, 이 중에서도 리튬(Li)의 무질서도(disordering)이 높은 입방정계 구조가 정방정계에 비해 이온 전도도가 약 10 내지 100배 높은 것으로 알려져 있다. On the other hand, the crystal structure of the garnet structure oxide is classified into tetragonal and cubic structures. Among them, the cubic structure having high disordering of lithium (Li) has ion conductivity Is about 10 to 100 times higher.

그런데, 상기 가넷 구조의 기본 조성(Li7La3Zr2O12)에 대하여, 상기 정방정계 구조로부터 상기 입방정계 구조로 제조하기 위해서는 1,230 ℃ 이상의 고온에서 상(phase)을 합성할 필요가 있다.However, for the basic composition (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) of the Garnet structure, it is necessary to synthesize phases at a high temperature of 1,230 ° C. or more in order to produce the cubic system structure from the tetragonal structure.

하지만, 이와 같이 소결 온도가 높은 특성으로 인하여, 전고체 전지의 형태(즉, 양극/고체 전해질/음극의 구조)로 리튬 이차 전지를 제조할 때 양극에서 리튬(Li)이 증발하거나, 각 계면에서 반응이 유발되거나, 각 소재 간 열팽창 계수의 차이로 인한 탈리되는 등의 문제점이 야기된다.However, due to the high sintering temperature, lithium (Li) evaporates at the anode when the lithium secondary battery is manufactured in the form of a pre-solid battery (i.e., the structure of the anode / solid electrolyte / cathode) Reaction occurs, or the material is separated due to a difference in thermal expansion coefficient between the respective materials.

이와 관련하여 후술하겠지만, 상기 고체 전해질은 가넷 구조 중에서도 입방정계 구조의 산화물을 포함할 수 있지만, 상기 탈탄(Ta)의 도핑에 의하여 이온 전도도를 높이면서도, 특히 상기 보론(B)의 도핑량이 높아 소결 온도를 낮추며 소결 특성을 개선할 수 있다.As described later, the solid electrolyte may include an oxide having a cubic system structure among the garnet structure. However, the doping amount of the boron (B) is high, while the ion conductivity is increased by the doping of the decarburization (Ta) The temperature can be lowered and the sintering property can be improved.

구체적으로, 상기 탄탈(Ta)의 경우, 소량 도핑 시 리튬(Li)과의 반응성이 없지만, 상기 가넷 구조의 기본 조성에서 지르코늄(Zr) 자리에 치환되어 리튬(Li)의 함량을 감소시킴에 따라, 리튬(Li)의 함량(contents)을 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 리튬(Li)의 공석률(vacancy)을 증가시켜 이온 전도도를 개선하는 데 기여할 수 있다. 니오븀(Nb) 또한 상기 탄탈(Ta)과 유사한 역할을 수행할 수 있지만, 상기 탄탈(Ta)이 리튬과의 반응성이 더 적다.Specifically, in the case of tantalum (Ta), there is no reactivity with lithium (Li) in a small amount of doping, but since the content of lithium (Li) is reduced by substituting zirconium (Zr) , The content of lithium (Li) can be reduced. This can contribute to improving the ion conductivity by increasing the vacancy of lithium (Li). Niobium (Nb) may also play a role similar to tantalum (Ta), but tantalum (Ta) is less reactive with lithium.

하지만, 상기 탄탈(Ta)만을 도핑할 경우, 상기 입방정계 구조를 안정적으로 형성할 수 있지만, 소결 온도를 1,000 ℃ 이하로 매우 낮추기는 어려운 것으로 확인되며, 이러한 사실은 후술되는 실시예 및 이에 대한 평가예를 통해 뒷받침된다.However, when the tantalum (Ta) alone is doped, the cubic system structure can be stably formed, but it is confirmed that it is difficult to lower the sintering temperature to 1,000 ° C. or less. It is supported by examples.

한편, 상기 보론(B)의 경우, 앞서 언급한 바와 같이 액체 상 소결(liquid phase sintering)을 가능케 하며, 가넷 구조 중에서도 입방정계 구조인 산화물의 구조가 치밀해지게끔 하는 도핑 원소이다.On the other hand, in the case of boron (B), as described above, liquid phase sintering is possible and the doping element makes the oxide structure of the cubic system structure dense in the garnet structure.

이상에서 설명한 내용들과 관련하여, 본 발명의 일 구현예에서 제공되는 고체 전해질을 자세히 설명한다.With reference to the above description, the solid electrolyte provided in one embodiment of the present invention will be described in detail.

1. 상기 고체 전해질은, 탄탈(Ta) 및 보론(B)이 동시에 도핑된 것이되, 보론(B)의 도핑량이 높은 가넷 구조의 산화물을 포함한다.1. The solid electrolyte includes an oxide of a garnet structure in which tantalum (Ta) and boron (B) are simultaneously doped and boron (B) has a high doping amount.

구체적으로, 상기 고체 전해질에 포함된 가넷 구조의 산화물에서, 보론(B)에 대한 탄탈(Ta)의 몰 비율은 0.35/0.1 내지 0.35/0.4일 수 있다, 즉, 탄탈(Ta)의 도핑량이 0.35 몰일 때, 보론(B)의 도핑량은 0.1 내지 0.4몰일 수 있다.Specifically, the molar ratio of tantalum (Ta) to boron (B) in the garnet structure oxide contained in the solid electrolyte may be 0.35 / 0.1-0.35 / 0.4, that is, the doping amount of tantalum (Ta) When molar, the doping amount of boron (B) may be 0.1 to 0.4 mol.

이처럼, 기본적으로 탄탈(Ta)이 0.35몰 도핑되어 높은 이온 전도도가 확보된 가넷 구조의 산화물에, 보론(B)이 0.1몰 내지 0.4 몰의 높은 비율로 도핑되면, 앞서 설명한 액체 상 소결이 가능하게 되며, 이에 따라 고체 전해질의 소결 온도가 1,000 ℃ 이하로 낮아질 수 있다. As described above, when boron (B) is doped at a high rate of 0.1 mol to 0.4 mol to an oxide of garnet structure which is basically doped with 0.35 mol of tantalum (Ta) to ensure high ion conductivity, the above-described liquid phase sintering is possible Whereby the sintering temperature of the solid electrolyte can be lowered to 1,000 ° C or lower.

특히, 후술되는 실시예 및 이에 대한 평가예에서 뒷받침되는 바와 같이, 상기 몰 비율을 적절히 제어하면, 양극 활물질(예를 들어, LiCoO2)과의 공소결(co-sintering)할 수 있을 정도로 고체 전해질의 소결 온도를 낮출 수 있다.Particularly, when the molar ratio is appropriately controlled, as described in the following examples and evaluation examples thereof, the solid electrolyte (e.g., LiCoO 2 ) can be co-sintered with the cathode active material The sintering temperature can be lowered.

나아가, 상기 한정된 범위 내에서 보론(B)의 도핑량이 증가할수록, 상기 고체 전해질의 상(phase)이 안정해져 소결 특성이 향상될 수 있다.Further, as the doping amount of boron (B) increases within the above-mentioned limited range, the phase of the solid electrolyte is stabilized and the sintering property can be improved.

2. 또한, 상기 고체 전해질에 포함된 가넷 구조의 산화물에는 알루미늄(Al)이 더 도핑된 것일 수 있다. 2. Further, the oxide of the garnet structure included in the solid electrolyte may be further doped with aluminum (Al).

구체적으로, 상기 고체 전해질에 포함된 가넷 구조의 산화물에서, 보론(B)에 대한 알루미늄(Al)의 몰 비율이 0.5/0.1 내지 0.1/0.4일 수 있다. 즉, 보론(B)의 도핑량이 0.1 내지 0.4 몰일 때 알루미늄(Al)의 도핑량은 0.1 내지 0.5몰일 수 있다. 이 경우의 고체 전해질을 펠렛으로 성형하면 기공이 감소되고 밀도가 향상되는 효과가 있다.Specifically, in the garnet structure oxide contained in the solid electrolyte, the molar ratio of aluminum (Al) to boron (B) may be 0.5 / 0.1-0.1 / 0.4. That is, when the doping amount of boron (B) is 0.1 to 0.4 mole, the doping amount of aluminum (Al) may be 0.1 to 0.5 mole. When the solid electrolyte in this case is formed into pellets, the pores are reduced and the density is improved.

3. 후술하겠지만, 상기 고체 전해질은, 목표 조성에 비하여 리튬 원료 물질을 과량(excess) 첨가하여 제조될 수 있다. 3. As will be described later, the solid electrolyte may be prepared by excessively adding a lithium raw material to the target composition.

이처럼 과량 첨가된 리튬 원료 물질은, 보론과 일부 결합하여 리튬 보레이트(lithium borate)를 형성하고, 상기 리튬 보레이트(lithium borate) 상기 고체 전해질 입자와 입자 사이에 분포되어 리튬의 이동을 매개하는 교량(bridge) 역할을 수행할 수 있고, 궁극적으로 상기 고체 전해질의 이온 전도도 및 펠렛 밀도를 개선하는 데 기여할 수 있다. The lithium source material added in such an excess amount forms a lithium borate by being partially bound to boron, and the lithium borate is distributed between the solid electrolyte particles and the particles to bridge the bridge of lithium ), And can ultimately contribute to improving the ionic conductivity and pellet density of the solid electrolyte.

앞서 설명한 내용들과 관련하여, 상기 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.Regarding the above-mentioned contents, the solid electrolyte may be represented by the following general formula (1).

[화학식 1] Li(7-a-x)M1 xLa3Zr2-y-wTayBzM2 wO12 Li (7-ax) M 1 x La 3 Zr 2 -yw Ta y B z M 2 w O 12

(상기 화학식 1에서, M1은 Al, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, M2는 Nb, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 0 ≤ a ≤ 0.1 이고, 0 ≤ x ≤ 0.5 이고, 0.005 ≤ y ≤ 0.5 이고, 0.1 ≤ z ≤ 0.5 이고, 0 ≤ w < 0.15 이다.)Wherein M 1 is selected from the group consisting of Al, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca and combinations thereof; M 2 is selected from the group consisting of Nb, Sb, Sn, Hf, Bi, W , Se, Ga, Ge, and combinations thereof, and 0? A? 0.1, 0? X? 0.5, 0.005? Y? 0.5, 0.1? Z? 0.5, 0.15.)

상기 화학식 1에서, 0.1 ≤ z ≤ 0.4일 수 있고, 이는 앞서 설명한 보론(B)의 도핑량을 의미한다.In the above formula (1), 0.1? Z? 0.4, which means the doping amount of boron (B) described above.

또한, 상기 화학식 1에서, M1은 Al일 수 있고, 이는 앞서 설명한 알루미늄의 추가 도핑을 의미한다.In the above formula (1), M 1 may be Al, which means the additional doping of aluminum as described above.

상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 0.3일 수 있고, 이는 앞서 설명한 바와 같이 과량으로 첨가되는 리튬 원료 물질과 관련된다. In the above formula (1), 0? X? 0.3, which relates to a lithium raw material added in an excess amount as described above.

한편, 상기 고체 전해질의 결정 구조는 입방정계(Cubic) 구조인 것일 수 있고, 정방정계 구조보다 이온 전도도의 향상에 더욱 유리한 구조임은 앞서 설명한 바와 같다. On the other hand, the solid electrolyte may have a cubic structure and is more advantageous in improving the ion conductivity than the tetragonal structure as described above.

나아가, 일반적으로는 입방정계 구조를 형성하기 위해 1,230 ℃ 이상의 고온에서 상(phase)을 합성할 필요가 있지만, 상기 고체 전해질은 1,000 ℃ 미만의 낮은 온도에서도 소결되어 안정한 상을 이룰 수 있다.Further, although it is generally necessary to synthesize a phase at a high temperature of 1,230 ° C. or more to form a cubic system structure, the solid electrolyte can be sintered at a temperature lower than 1,000 ° C. to form a stable phase.

상기 고체 전해질의 이온 전도도는, 0.9x10-4 S/cm 이상인 것일 수 있다. 이는, 탄탈(Ta) 및 보론(B)이 동시에 도핑된 것이되, 보론(B)의 도핑량이 높은 가넷 구조의 산화물을 포함하는 것에 기인하여, 우수하게 발현되는 이온 전도도이다.The ionic conductivity of the solid electrolyte may be 0.9 x 10 -4 S / cm or more. This is an ion conductivity exhibiting excellent durability due to the fact that tantalum (Ta) and boron (B) are simultaneously doped and contain an oxide of garnet structure with a high doping amount of boron (B).

구체적으로, 보론(B) 도핑량의 제어 및/또는, 고체 전해질의 제조 시 과량 첨가되는 리튬 원료 물질 투입량의 제어에 따라, 상기 이온 전도도는 0.95x10-4 S/cm 이상인 것일 수 있다.Specifically, the ionic conductivity may be 0.95 x 10 -4 S / cm or more in accordance with the control of the amount of boron (B) doping and / or the control of the amount of lithium source material added excessively in the production of the solid electrolyte.

고체 전해질의 제조 방법Method for producing solid electrolyte

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계; 상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 혼합 분말을 소성(calcination)하여, 분말 상태의 고체 전해질을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 수득되는 고체 전해질은, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인 것이고, 상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질의 혼합 분말을 준비하는 단계;는, 상기 수득되는 고체 전해질 내 리튬, 란타늄, 지르코늄, 및 탄탈의 몰 함량과 일치하는 몰 비율로 상기 각 원료 물질을 투입하고, 1차 혼합하는 단계;를 포함하는 것인, 고체 전해질의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a mixed powder, comprising the steps of: preparing a mixed powder comprising a lithium raw material, a lanthanum raw material, a zirconium raw material, a tantalum raw material, and a boron raw material; Pulverizing the mixed powder; And calcining the pulverized mixed powder to obtain a powdery solid electrolyte, wherein the solid electrolyte obtained is a garnet (G) doped with boron (B) and tantalum (Ta) Wherein the molar ratio of the boron (B) to the solid electrolyte is 0.1 or more, and the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material Preparing a mixed powder comprising the steps of: charging each of the raw materials at a molar ratio corresponding to the molar amount of lithium, lanthanum, zirconium, and tantalum in the obtained solid electrolyte, By weight, based on the total weight of the solid electrolyte.

이는, 앞서 설명한 고체 전해질을 제조하는 방법에 해당되며, 최종적으로 수득할 고체 전해질 내 각 원소의 몰 함량과 일치하는 양으로 원료 물질들을 혼합하고, 이처럼 혼합된 분말을 분쇄한 뒤 소성하여 최종적으로 고체 전해질을 수득하는 일련의 공정을 포함한다.This is equivalent to the method of producing the solid electrolyte described above. The raw materials are mixed in an amount equal to the molar amount of each element in the final solid electrolyte to be obtained, and the thus mixed powder is pulverized and fired, And a series of steps of obtaining an electrolyte.

이하, 전술한 내용과 중복되는 설명은 생략하고, 상기 각 단계를 자세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the above-described steps will be described in detail, omitting duplicate descriptions.

1. 구체적으로, 상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계;에서, 상기 혼합 분말 내 보론에 대한 탄탈의 몰 비율이 0.35/0.1 내지 0.35/0.4이 되도록 제조하는 것일 수 있다.1. Specifically, in the step of preparing a mixed powder comprising the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum raw material, and the boron source material, the molar ratio of tantalum to boron in the mixed powder is 0.35 / 0.1 to 0.35 / 0.4.

이 경우, 상기 몰 비율 범위를 만족하는 고체 전해질이 최종적으로 수득될 수 있다.In this case, a solid electrolyte satisfying the above-mentioned molar ratio range can be finally obtained.

2. 다른 한편, 상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계;는, 상기 수득되는 고체 전해질 내 리튬, 란타늄, 지르코늄, 및 탄탈의 몰 함량과 일치하는 몰 비율로 상기 각 원료 물질을 투입하고, 1차 혼합하는 단계; 이후에, 상기 1차 혼합된 물질에 리튬 원료 물질을 추가로 투입하고, 2차 혼합하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.2. On the other hand, the step of preparing a mixed powder comprising the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material is a step of mixing lithium, lanthanum, zirconium, And molar ratios corresponding to molar amounts of tantalum; Thereafter, the lithium primary material may be further added to the primary mixed material and the secondary mixed material may be mixed.

이는, 목표 조성에 대비하여 과량(excess)의 리튬 원료 물질을 투입하는 공정에 해당된다. This corresponds to a process of charging excess lithium raw material in preparation for the target composition.

구체적으로, 상기 1차 혼합된 물질에 리튬 원료 물질을 추가로 투입하고, 2차 혼합하는 단계;에서, 상기 추가로 투입되는 리튬 원료 물질의 양은, 상기 1차 혼합된 물질 내 리튬 원료 물질 대비 1 내지 5 몰%인 것일 수 있다.Specifically, in the step of additionally adding and mixing lithium raw material to the primary mixed material, the amount of the lithium raw material to be added is preferably 1 to 10 times the lithium raw material in the primary mixed material To 5 mol%.

상기 과량(excess) 중 일부는 최종 고체 전해질의 소결 시 일부 휘발되지만, 다른 일부는 보론과 결합하고, 나머지 일부는 대기 중의 이산화탄소(CO2)와 결합함에 따라, 리튬-보론-카본 산화물, 리튬 보레이트(lithium borate), 및 리튬 카보네이트(lithium carbonate)로 형성되고, 이처럼 형성된 물질들이 상기 고체 전해질 입자와 입자 사이에 존재하게 될 수 있다.Some of the excess is volatilized during sintering of the final solid electrolyte while the other part is combined with boron and the remaining part is combined with carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere to form lithium-boron-carbon oxide, lithium borate lithium borate, and lithium carbonate, and the materials thus formed may be present between the solid electrolyte particles and the particles.

특히, 상기 리튬 보레이트(lithium borate)은 최종 고체 전해질의 소결 시 고체 전해질 입자와 입자 사이에 분포되어, 리튬 이온의 이동을 매개할 수 있고, 펠렛 밀도를 향상시키는 데에도 기여할 수 있다.In particular, the lithium borate is distributed between the solid electrolyte particles and the particles during the sintering of the final solid electrolyte to mediate the movement of lithium ions and can contribute to the improvement of the pellet density.

3. 한편, 상기 혼합 분말은, 알루미늄 원료 물질, 나트륨 원료 물질, 칼륨 원료 물질, 루비듐 원료 물질, 세슘 원료 물질, 프랑슘 원료 물질, 마그네슘 원료 물질, 칼슘 원료 물질, 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것일 수 있다.3. On the other hand, the mixed powder may further comprise at least one of aluminum raw material, sodium raw material, potassium raw material, rubidium raw material, cesium raw material, francium raw material, magnesium raw material, calcium raw material, .

보다 구체적으로, 상기 혼합 분말은, 알루미늄 원료 물질을 더 포함하는 것일 수 있고, 이는 탄탈(Ta) 및 보론(B)과 더불어 알루미늄(Al)을 도핑하기 위함이다.More specifically, the mixed powder may further include an aluminum raw material, for doping aluminum (Al) together with tantalum (Ta) and boron (B).

이 경우, 상기 혼합 분말 내 보론에 대한 알루미늄의 몰 비율이 0.5/0.1 내지 0.1/0.4이 되도록 제조하는 것일 수 있고, 상기 몰 비율 범위를 만족하는 이 경우, 상기 몰 비율을 만족하는 고체 전해질이 수득될 수 있다.In this case, the molar ratio of aluminum to boron in the mixed powder may be in the range of 0.5 / 0.1 to 0.1 / 0.4. When the molar ratio satisfies the molar ratio, the solid electrolyte satisfying the molar ratio is obtained .

또 다른 한편, 상기 분쇄된 혼합 분말을 소성(calcination)하여, 분말 상태의 고체 전해질을 수득하는 단계; 이후에, 상기 수득된 고체 전해질을 펠렛(pellet)으로 형성하는 단계; 및 상기 형성된 펠렛을 소결(sintering)하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.On the other hand, calcining the pulverized mixed powder to obtain a powdery solid electrolyte; Thereafter, the solid electrolyte obtained is formed into a pellet; And sintering the formed pellets.

이는, 전고체 전지에 적용하기 적합한 형태로 상기 고체 전해질을 성형하는 단계에 해당된다.This corresponds to the step of molding the solid electrolyte in a form suitable for application to all solid batteries.

구체적으로, 상기 형성된 펠렛을 소결(sintering)하는 단계;는 1,000 ℃ 미만, 보다 구체적으로는 850 내지 950 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다. 이는, 높은 보론(B) 도핑량에 기인하여, 일반적으로 알려진 고체 전해질의 소결 온도에 비하여 매우 낮은 것이다. 이와 관련된 구체적인 설명은 앞서 설명한 바와 같다.Specifically, the step of sintering the formed pellets may be performed at a temperature of less than 1,000 ° C, more specifically, 850 to 950 ° C. This is very low compared to the sintering temperature of a generally known solid electrolyte due to the high boron (B) doping amount. A detailed explanation related to this is as described above.

이와 독립적으로, 상기 형성된 펠렛을 소결하는(sintering) 단계;는, 7 내지 20 시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 만약 이를 7 시간 미만 동안 수행한다면, 상기 펠렛이 충분히 소결되지 못하여 펠렛 밀도가 낮아지는 단점이 있다. 다만, 20 시간을 초과하여 수행하는 것은 경제적이지 못하다.Independently, the step of sintering the formed pellets may be performed for 7 to 20 hours. If this is carried out for less than 7 hours, the pellets can not be sufficiently sintered and the pellet density becomes low. However, it is not economical to perform over 20 hours.

또한, 상기 형성된 펠렛을 소결하는(sintering) 단계;는, 산소(O2) 분위기에서 수행되는 것일 수 있다. 이 경우, 대기 분위기에서 수행될 경우에 비하여 우수한 전기 전도도가 확보될 수 있으며, 이는 소결 온도가 저온일 경우에도 충분히 반응이 일어날수 있도록 산소가 공급되기 때문이다.In addition, sintering the formed pellets may be performed in an oxygen (O 2 ) atmosphere. In this case, excellent electrical conductivity can be secured as compared with the case of performing in an atmospheric environment, because oxygen is supplied so that the reaction can sufficiently take place even when the sintering temperature is low.

아울러, 상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계;는, 볼밀(ball mill), 몰탈(mortar), 분급기(sieve), 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 죠크러셔(jaw crusher), 해쇄기(crusher), 또는 이들의 조합인 방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.The step of pulverizing the mixed powder may be a ball mill, a mortar, a sieve, an attrition mill, a disk mill, a jet mill, ), A jaw crusher, a crusher, or a combination thereof.

리튬 이차 전지Lithium secondary battery

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 고체 전해질;을 포함하고, 상기 고체 전해질은, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물;을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인, 리튬 이차 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, cathode; Wherein the solid electrolyte is a solid electrolyte including an oxide of Garnet structure doped with boron (B) and tantalum (Ta), the boron (B) to the solid electrolyte, Is 0.1 or more.

구체적으로, 상기 고체 전해질은 전술한 것 중 어느 하나에 따른 것일 수 있고, 이 경우 상기 리튬 이차 전지는 충방전 특성 및 수명 특성이 우수하게 발현될 수 있다.Specifically, the solid electrolyte may be one according to any one of those described above. In this case, the lithium secondary battery may exhibit excellent charge / discharge characteristics and life characteristics.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the following examples are only a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

구체적으로, 탈탄(Ta)이 0.35mol 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물(Li6.65La3Zr1.65Ta0.35O12)을 기본 조성으로 하여, (제조예 1) 보론(B)의 도핑량을 제어함에 따른 효과를 우선적으로 확인하여, 그 최적 범위를 도출한다.Specifically, the doping amount of boron (B) was measured in the same manner as in Production Example 1, except that an oxide (Li 6.65 La 3 Zr 1.65 Ta 0.35 O 12 ) having a Garnet structure doped with 0.35 mol of decarburization (Ta) The effect according to the control is first confirmed, and the optimum range is derived.

그 결과를 토대로, (제조예 2) 원료 물질의 혼합 단계에서 과량 투입되는 리튬 원료 물질의 양을 제어하고, (제조예 3) 알루미늄(Al)을 추가로 도핑함에 따른 각각의 효과를 확인한다.On the basis of the results, the respective effects of controlling the amount of lithium raw material to be added in an excessive amount in the mixing step of the raw material (Production Example 2) and further doping (Production Example 3) of aluminum (Al) are confirmed.

제조예 1Production Example 1

(1) 고체 전해질의 합성(1) Synthesis of solid electrolyte

앞서 언급한 바와 같이, 탈탄(Ta)이 0.35mol 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물 분말의 조성(Li6 . 65La3Zr1 . 65Ta0 . 35O12)을 기본 조성으로 하되, 보론(B)의 도핑량을 다양하게 하였다.As previously mentioned, but the composition of the tantalum oxide powder (Ta) is a garnet (Garnet) doped structure 0.35mol (Li 6. 65 La 3 Zr 1. 65 Ta 0. 35 O 12) as a basic composition, the boron (B).

이를 위한 원료 물질로, LiOH·H2O 분말 (Alfa Aesar, 99.995%), La2O3 분말 (Kanto, 99.99%), ZrO2 분말 (Kanto, 99%), Ta2O5 분말 (Aldrich, 99%), 및 H3BO3 분말(Aldrich, 99.9%)을 각각 준비하였다.As a raw material therefor, LiOH · H 2 O powder (Alfa Aesar, 99.995%), La 2 O 3 powder (Kanto, 99.99%), ZrO 2 powder (Kanto, 99%), Ta 2 O 5 powder (Aldrich, 99%), and H 3 BO 3 Powder (Aldrich, 99.9%) were prepared.

상기 원료 물질 중 La2O3 분말, ZrO2 분말, Ta2O5 분말, 및 H3BO3(Aldrich, 99.9%)은, 상기 목적하는 Li6 . 65La3Zr1 . 65Ta0 . 35B(x)O12 (x= 0, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 또는 0.4)의 몰비에 부합하도록 각각 칭량하여 준비하였다. 이때, 보론(B)의 도핑량을 의미하는 x값과 관련하여, 후술되는 평가예 1에서 실시예 또는 비교예 여부를 결정하기로 하였다.Among the raw materials, La 2 O 3 powder, ZrO 2 The powder, Ta 2 O 5 powder, and H 3 BO 3 (Aldrich, 99.9%) were mixed with the desired Li 6 . 65 La 3 Zr 1 . 65 Ta 0 . Were each weighed to meet the molar ratio of 35 B (x) O 12 (x = 0, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, or 0.4). At this time, with respect to the x value indicating the doping amount of the boron (B), it is decided whether or not the embodiment or the comparative example is to be made in the evaluation example 1 to be described later.

한편, 리튬 원료 물질인 LiOH·H2O분말의 경우, 추후 펠렛 소결 시 리튬이 휘발되는 것을 고려하여, 상기 목표 조성 대비 5 mol% 과량(excess)으로 준비하였다.On the other hand, in the case of LiOH.H 2 O powder as a raw material of lithium, in consideration of the volatilization of lithium at the time of pellet sintering in the future, 5 mol% excess relative to the target composition was prepared.

상기 원료 물질들을 혼합하기에 앞서, 상기 La2O3는 900 ℃에서 24시간 건조하여 흡착된 수분을 모두 제거하였으며, 상기 LiOHH2O 분말 역시 200 ℃에서 6시간 건조하여 표면에 흡착된 수분을 제거하였다. Prior to mixing the raw materials, the La 2 O 3 was dried at 900 ° C. for 24 hours to remove any adsorbed water. The LiOHH 2 O powder It was also dried at 200 ° C for 6 hours to remove water adsorbed on the surface.

상기 건조된 La2O3 및 LiOH·H2O와 함께 ZrO2, Ta2O5, 및 H3BO3를 혼합하고, 직경 3mm 및 5mm의 지르코니아(Zirconia)가 1:1의 비율로 혼합된 볼과 함께 Nalgene bottle에 장입한 뒤, 무수 IPA를 첨가하고 25 ℃에서 24시간 동안 볼밀하였다. 이때, 혼합 성능을 개선하기 위해, 분산제로 28% 농도의 암모니아수를 소량(상기 혼합 분말의 전체 중량에 대해, 약 1 중량%) 첨가하였다. ZrO 2 , Ta 2 O 5 , and H 3 BO 3 were mixed together with the dried La 2 O 3 and LiOH · H 2 O, and mixed with zirconia (Zirconia) having a diameter of 3 mm and a diameter of 5 mm at a ratio of 1: 1 After loading in a Nalgene bottle with ball, anhydrous IPA was added and ball milled at 25 ° C for 24 hours. At this time, in order to improve the mixing performance, a small amount (about 1% by weight with respect to the total weight of the mixed powder) of 28% ammonia water as a dispersant was added.

상기 볼밀된 분말을 200 ℃의 건조로에서 24시간 건조한 후, 900 ℃의 소결로에서 7 시간 소성하였으며, 이때의 승온 속도는 2 ℃/min였다. 상기 소성된 분말을 25 ℃에서 12 시간 동안 볼밀함으로써, 평균 입경이 2 ㎛ 이하로 균일한 고체 전해질 분말을 수득하였다. The ball milled powder was dried in a drying furnace at 200 ° C for 24 hours and then calcined in a sintering furnace at 900 ° C for 7 hours. The rate of temperature increase at this time was 2 ° C / min. The fired powder was ball-milled at 25 DEG C for 12 hours to obtain a uniform powder having an average particle diameter of 2 mu m or less A solid electrolyte powder was obtained.

구체적으로, 제조예 1에서 최종적으로 수득되는 고체 전해질 분말은, Li6.65La3Zr1.65Ta0.35B(x)O12 (x= 0, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 또는 0.4) 조성을 만족하는 가넷 구조의 산화물 분말이다.Specifically, the solid electrolyte powder finally obtained in Production Example 1 satisfied the composition of Li 6.65 La 3 Zr 1.65 Ta 0.35 B (x) O 12 (x = 0, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3 or 0.4) Is an oxide powder of garnet structure.

(2)  (2) 펠렛Pellets 소결체의 제조 Preparation of sintered body

제조예 1의 고체 전해질(Li6 . 65La3Zr1 . 65Ta0 . 35B(x)O12, x= 0, 0.02, 0.05, 0.07, 0.1, 0.2, 0.3, 또는 0.4) 분말을 각각 건조한 뒤, 성형 몰드(mold)로 2ton/cm2의 압력을 인가하여 펠렛(pellet)으로 형성한 뒤, 산소 분위기에서 14 시간 소결하였다. The solid electrolyte of Preparation Example 1, the (Li 6. 65 La 3 Zr 1. 65 Ta 0. 35 B (x) O 12, x = 0, 0.02, 0.05, 0.07, 0.1, 0.2, 0.3, or 0.4) powders each Dried and then formed into a pellet by applying a pressure of 2 ton / cm 2 with a forming mold, followed by sintering in an oxygen atmosphere for 14 hours.

이때, 상기 소결 시 승온 온도는 2℃/min로 동일하게 하되, 최종 소결 온도는 850, 900, 950, 1000, 또는 1,050 ℃로 다양하게 제어하여, 각각의 소결체를 얻었다,At this time, the sintering temperature was set to 2 ° C / min, and the final sintering temperature was controlled to 850, 900, 950, 1000, or 1,050 ° C to obtain respective sintered bodies.

평가예 1: 제조예 1에 관한 평가Evaluation Example 1: Evaluation concerning Production Example 1

(1)(One) 보론의 도핑량 및 소결 온도에 따른 총 이온 전도도 평가Evaluation of total ion conductivity by doping amount of boron and sintering temperature

제조예 1(Li6.65La3Zr1.65Ta0.35B(x)O12, x= 0, 0.02, 0.05, 0.07, 0.1, 0.2, 0.3, 또는 0.4) 의 펠렛 소결체를 이용하여, 각각의 고체 전해질에 대한 총 이온 전도도(total ion conductivity)를 측정하고, 그 결과를 도 1로 얻었다. A pellet sintered body of Production Example 1 (Li 6.65 La 3 Zr 1.65 Ta 0.35 B (x) O 12 , x = 0, 0.02, 0.05, 0.07, 0.1, 0.2, 0.3 or 0.4 ) The total ion conductivity was measured, and the results are shown in Fig.

도 1을 참고하면, 1,000℃이상의 높은 소결 온도에서는, 보론의 도핑량에 관계없이, 총 이온 전도도(total ion conductivity)가 3 x 10-4 내지 6 x 10-4 S/cm 의 높은 범위로 유지되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, at a high sintering temperature of 1,000 ° C. or higher, the total ion conductivity is maintained in a high range of 3 × 10 -4 to 6 × 10 -4 S / cm regardless of the doping amount of boron .

그러나, 전고체 전지의 상용화를 위해서는, 양극 활물질(예를 들어, LiCoO2)과 공소결(co-sintering)할 수 있을 정도로 고체 전해질의 소결 온도를 낮출 필요가 있는 바, 950 ℃이하의 낮은 소결 온도에서 나타나는 총 이온 전도도를 평가할 필요가 있다. However, in order to commercialize all solid-state batteries, it is necessary to lower the sintering temperature of the solid electrolyte to such a degree that co-sintering with a cathode active material (for example, LiCoO 2 ) It is necessary to evaluate the total ionic conductivity appearing at the temperature.

구체적으로, 950 ℃이하의 낮은 소결 온도에서는 보론의 도핑량이 0.1 mol인 경우를 경계로, 총 이온 전도도의 수치가 급격히 변화함을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 보론의 도핑량이 없거나 0.1 mol 미만인 경우에는 ~10-6 내지 ~10-7 S/cm 단위로 총 이온 전도도가 낮은 수치를 나타낸다. Specifically, at a sintering temperature of 950 ° C. or lower, it can be seen that the value of the total ionic conductivity drastically changes with the boron doping amount of 0.1 mol as a boundary. More specifically, when there is no doping amount of boron or less than 0.1 mol, the total ion conductivity shows a low value in the range of -10 -6 to -10 -7 S / cm.

그에 반면, 보론의 도핑량이 0.1 mol인 경우를 경계로 고체 전해질의 총 이온 전도도가 높은 수치로 급격히 상승하며, 이처럼 상승된 총 이온 전도도는 보론의 도핑량이 0.1 mol 이상 0.4 mol 미만인 범위에서 꾸준하게 유지됨을 확인할 수 있다.On the other hand, when the doping amount of boron is 0.1 mol, the total ionic conductivity of the solid electrolyte rapidly rises to a high value, and the total ion conductivity thus increased is maintained steadily in the range of 0.1 mol to less than 0.4 mol of the boron doping amount Can be confirmed.

이에 따라, 950 ℃이하의 낮은 소결 온도에서는, 보론의 도핑량이 고체 전해질의 총 이온 전도도에 유의미한 영향을 끼치는 것으로 평가할 수 있다. 구체적으로, 제조예 1에서 합성된 고체 전해질 중, 보론(B) 도핑량이 0.1 mol 이상 0.4 mol인 경우에는 실시예, 보론(B)의 도핑량이 없거나 0.1 mol 미만인 경우는 비교예로 평가할 수 있다.Accordingly, at a sintering temperature of 950 ° C. or lower, it can be estimated that the doping amount of boron has a significant influence on the total ion conductivity of the solid electrolyte. Specifically, when the doping amount of boron (B) is 0.1 mol or more and 0.4 mol or less among the solid electrolytes synthesized in Production Example 1, the doping amount of the example, boron (B) is less or less than 0.1 mol, it can be evaluated as a comparative example.

나아가, 보론(B)의 도핑량이 0.3 mol인 경우, 850 ℃의 매우 낮은 소결 온도에서도 총 이온 전도도가 1.1 x 10-4 S/cm을 나타내는 바, 이는 곧 양극 활물질(예를 들어, LiCoO2)과 공소결(co-sintering)할 수 있을 정도로 저온 소결이 가능한 고체 전해질을 의미한다.Further, when the doping amount of boron (B) is 0.3 mol, the total ionic conductivity is 1.1 x 10 -4 S / cm even at a very low sintering temperature of 850 ° C, which means that the cathode active material (for example, LiCoO 2 ) And a low-temperature sinterable solid electrolyte capable of co-sintering.

(2) 소결 온도에 따른(2) Depending on the sintering temperature 총 이온 전도도 평가Total ionic conductivity evaluation

보다 구체적으로, 제조예 1의 고체 전해질 내 보론(B)의 도핑량이 0.3 mol으로 동일하게 하되, 그 소결 온도 850, 900, 950, 또는 1000 ℃로 다양하게 한 펠렛 각 소결체에 대해, 교류 저항(AC impedance)을 측정하였다. 도 2는, 상기 교류 저항의 측정에 따른 극좌표선도(Nyquist plot)에 해당된다.More specifically, for each pellet sintered body obtained by varying the doping amount of boron (B) in the solid electrolyte of Production Example 1 to 0.3 mol, the sintering temperature was varied to 850, 900, 950, or 1000 ° C, AC impedance) were measured. 2 corresponds to a polar coordinate plot (Nyquist plot) according to the measurement of the AC resistance.

구체적으로, 상기 교류 저항 측정 시, 그 측정 대상이 되는 각 펠렛 소결체의 양면에 금(Au)을 300 ㎚씩 증착시켰다. 상기 증착 시 스퍼터링(sputtering)법을 이용하였으며, 초기 진공도는 5x10-6 torr 이하로 배기하였고, 금 타겟(Au target)은 3 inch인 것을 사용하였고, 증착 전 프리-스퍼터링(pre-sputtering)은 10 분 동안 수행하였다. 또한, 균일한 증착을 위해, 기판(substrate)은 100 rpm으로 회전시켰으며, 이때의 증착 속도는 20 ㎚/min이며, 공정 가스로는 아르곤(Ar)을 사용하였다.Specifically, at the time of the AC resistance measurement, gold (Au) was deposited at 300 nm on both surfaces of each pellet sintered body to be measured. The initial vacuum degree was 5 × 10 -6 torr or less and the gold target was 3 inches. The pre-sputtering before deposition was performed at a rate of 10 Min. Also, for uniform deposition, the substrate was rotated at 100 rpm, the deposition rate was 20 nm / min, and argon (Ar) was used as the process gas.

이와 같이 양면에 금(Au)이 증착된 각각의 펠렛 소결체는, 테플론(Teflon) 지그(jig)를 이용하여 교류 저항 분석기(AC impedance analyzer, BioLogic)에 연결하고, 상온에서 측정 주파수를 7MHz 내지 1Hz 범위로 제어하여 극좌표선도(Nyquist plot)를 얻었다.Each of the pellet sintered bodies on which gold (Au) was deposited on both sides was connected to an AC impedance analyzer (BioLogic) using a Teflon jig, and the measurement frequency was changed from 7 MHz to 1 Hz To obtain a Nyquist plot.

통상적으로, 결정상으로 이루어진 고체 전해질의 총 저항(total resistance)은, 입계 저항(grain boundary resistance) 및 입계 내 저항(grain interior resistance)의 합으로 계산된다. 극좌표선도(Nyquist plot)에서는 두 개의 반원이 나타나며, 고주파 영역에서의 반원은 입계 내 저항(grain interior resistance)으로, 저주파 영역에서의 반원은 입계 저항(grain boundary resistance)으로 각각 표시되는 바, 이를 참고하여 도 2의 각 그래프를 분석할 수 있다.Typically, the total resistance of a solid electrolyte made of a crystalline phase is calculated as the sum of the grain boundary resistance and the grain interior resistance. In the Nyquist plot, two semicircles appear. The semicircle in the high frequency region is denoted by the grain interior resistance, and the semicircle in the low frequency region is denoted by the grain boundary resistance. Thereby analyzing each graph in Fig.

구체적으로, 도 2에서 소결 온도가 증가함에 따라 입계 내 저항(grain interior resistance) 및 입계 내 저항(grain interior resistance)이 모두 증가하는 경향이 나타나지만, 그 증가 폭이 크지 않을 뿐만 아니라. 850 내지 1,000 ℃의 모든 온도 영역에서 ∼10-4 S/cm의 높은 이온 전도도가 측정된 바, 보론(B)의 도핑은 낮은 소결 온도에서 고체 전해질의 총 이온 전도도(total ion conductivity) 향상시키는 데 기여함을 다시 한 번 확인할 수 있다.Specifically, in FIG. 2, as the sintering temperature increases, the grain interior resistance and the grain interior resistance tend to increase, but the increase range is not large. A high ionic conductivity of ~ 10 -4 S / cm was measured at all temperature ranges from 850 to 1,000 ° C. The doping of boron (B) improved the total ion conductivity of the solid electrolyte at low sintering temperatures You can check your contributions once again.

(3) 보론(B)의 도핑량에 따른 상(phase)의 안정화도 평가(3) Evaluation of stability of phase according to doping amount of boron (B)

제조예 1의 고체 전해질에 대한 소결 온도를 850 ℃의 낮은 온도로 일정하게 하되, 보론의 도핑량을 0.07, 0.1, 0.2, 0.3, 또는 0.4 mol로 다양하게 하고, 각각에 대한 x선 회절(x-ray diffraction, XRD) 패턴을 얻어, 그 결과를 도 3에 나타내었다.The sintering temperature for the solid electrolyte of Production Example 1 was kept constant at a low temperature of 850 DEG C, and the doping amount of boron was varied to 0.07, 0.1, 0.2, 0.3, or 0.4 mol, and x-ray diffraction x -ray diffraction (XRD) pattern, and the result is shown in FIG.

앞서 설명한 바와 같이, 가넷형(Garnet-like) 산화물의 가능한 결정 구조로는 정방정계(tetragonal) 결정 구조 및 입방정계(cubic) 결정 구조가 있는데, 일반적으로 XRD 그래프의 분석 시 16°, 25°, 31°, 34°, 및 52°영역에서의 피크 갈라짐(peak split)은 전형적인 정방정계(tetragonal) 결정 구조에 의해 나타나는 것으로 평가한다.As described above, the possible crystal structures of garnet-like oxides include a tetragonal crystal structure and a cubic crystal structure. Generally, in the analysis of the XRD graph, 16 °, 25 °, Peak split in the 31 °, 34 °, and 52 ° regions is estimated to be exhibited by a typical tetragonal crystal structure.

이를 참고하여 도 3을 분석하면, 보론의 도핑량이 0.07 mol 인 경우에는 상기 영역에서의 피크 갈라짐(peak split) 현상이 약간 나타나지만, 0.1 mol 이상으로 증가함에 따라 점차 상기 현상이 사라지고, 특히 0.3 mol 이상인 경우 상기 현상이 거의 나타나지 않는 것으로 확인된다.3, when the doping amount of boron is 0.07 mol, the peak split phenomenon appears slightly in the above region. However, the above phenomenon gradually disappears as the boron doping amount increases to more than 0.1 mol, It is confirmed that the above phenomenon hardly occurs.

즉, 보론(B)의 도핑량이 증가할수록 낮은 소결 온도에서 입방정계(cubic) 결정 구조가 안정화되는 것으로 평가할 수 있다.That is, as the doping amount of boron (B) increases, the cubic crystal structure is stabilized at a low sintering temperature.

(4) 원소의 분포도 평가(4) Evaluation of elemental distribution

제조예 1의 고체 전해질 내 보론의 도핑량이 0.3 mol인 경우에 대해, 보다 명확한 결과를 얻기 위해 소결 온도가 950 ℃인 펠렛 소결체를 선택하였고, 상기 펠렛 소결체에 포함된 각 원소의 분포도를 도 4 내지 9로 얻었다.The sintered pellet having a sintering temperature of 950 DEG C was selected to obtain more definite results in the case where the doping amount of boron in the solid electrolyte of Production Example 1 was 0.3 mol, and the distribution of each element contained in the pellet sintered body was shown in Figs. 9.

구체적으로, 집속 이온 빔(Focused Ion Beam, FIB)를 이용하여 상기 소결체를 가공한 후, 가공된 단면에 대해 전자 현미 분석기(Electron Probe Micro-Analyzer, EPMA)를 이용하여 스캐닝(scanning)한 결과, 도 4 내지 9을 얻을 수 있었다. 구체적으로, 도 4는 명 시야 이미지(bright field image)이며, 도 5 내지 8는 각각의 원소에 대한 이미지이다.Specifically, the sintered body was processed using a focused ion beam (FIB), and the processed cross section was scanned using an electron probe micro-analyzer (EPMA). As a result, 4 to 9 were obtained. Specifically, FIG. 4 is a bright field image, and FIGS. 5 to 8 are images for each element.

도 4 내지 9를 참고하면, 주요 원소인 란탄(La), 지르코늄(Zr), 및 산소(O)를 비롯하여, 도핑 원소인 탄탈(Ta) 또한, 상기 소결체를 이루는 고체 전해질 입자 내부에 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다(도 4 내지 7). 4 to 9, tantalum (Ta), which is a doping element as well as lanthanum (La), zirconium (Zr), and oxygen (O) as main elements is uniformly distributed in solid electrolyte particles constituting the sintered body (Figs. 4 to 7).

그런데, 또 다른 도핑 원소인 보론(B)의 경우(도 9), 상기 소결체를 이루는 고체 전해질 입자 내부뿐만 아니라, 상기 고체 전해질 입자와 입자 사이에서 탄소(C)와 동일한 위치에 분포된 것을 확인할 수 있다(도 8).However, in the case of boron (B) which is another doping element (FIG. 9), it is confirmed that not only the inside of the solid electrolyte particle constituting the sintered body but also the same position between carbon and the solid electrolyte particle (Fig. 8).

이러한 결과는, 제조예 1에서 원료 물질의 혼합 시, 목표 조성 대비 과량(excess) 첨가되는 리튬 원료 물질(즉, LiOH·H2O 분말)에 기인한 것으로 추정된다.These results indicate that, when mixing the raw materials in Production Example 1, the excess amount of lithium raw material (i.e., LiOH.H 2 O Powder).

구체적으로, 상기 과량(excess) 중 일부는 소결 시 일부 휘발되지만, 다른 일부는 보론과 결합하고, 나머지 일부는 대기 중의 이산화탄소(CO2)와 결합함에 따라, 리튬-보론-카본 산화물, 리튬 보레이트(lithium borate), 및 리튬 카보네이트(lithium carbonate)로 형성되고, 이처럼 형성된 물질들이 상기 고체 전해질 입자와 입자 사이에 존재하게 된 것으로 이해된다.Particularly, some of the excess is volatilized during sintering, while the other part is bonded to boron and the remaining part is bonded to carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere to form lithium-boron-carbon oxide, lithium borate lithium borate, and lithium carbonate, and it is understood that the materials thus formed are present between the solid electrolyte particles and the particles.

특히, 상기 리튬 보레이트(lithium borate)는 리튬 및 보론을 포함함에 따라, 상기 고체 전해질 입자와 입자 사이에서 리튬의 이동을 매개하는 교량(bridge) 역할을 수행할 것으로 예상된다. Particularly, the lithium borate includes lithium and boron, and is expected to serve as a bridge for mediating movement of lithium between the solid electrolyte particles and the particles.

이에 따라, 보론(B)은 고체 전해질 내 도핑 원소일 뿐만 아니라, 펠렛 소결 시에는 고체 전해질 입자와 입자 사이를 연결시켜주는 접착층(glue layer) 혹은 리튬의 이동을 매개하는 교량(bridge) 역할도 수행하는 것으로 평가할 수 있다.Thus, boron (B) is not only a doping element in the solid electrolyte, but also acts as a glue layer for connecting the solid electrolyte particles to the particles during sintering of pellets or as a bridge for mediating the movement of lithium .

제조예 2Production Example 2

(1) 고체 전해질의 합성(1) Synthesis of solid electrolyte

제조예 1과 달리 보론의 도핑량은 일정하게 하되, 원료 물질의 혼합 시 과량(excess)으로 투입되는 리튬 원료 물질의 양을 변화시켰다.Unlike Production Example 1, the amount of boron doped was changed, but the amount of lithium raw material added in excess was changed when the raw material was mixed.

구체적으로, La2O3 분말, ZrO2 분말, Ta2O5 분말, 및 H3BO3 분말은 Li6.65La3Zr1.65Ta0.35B(x)O12 (x= 0.1)의 몰비에 부합하도록 칭량하여 준비하되, 리튬 원료 물질인 LiOH·H2O 분말은 상기 목표 조성 대비 1, 3, 및 5 mol% 과량(excess)으로 각각 준비하고 배합하였다.Specifically, La 2 O 3 powder, ZrO 2 The powder, Ta 2 O 5 powder and H 3 BO 3 powder were weighed to be in a molar ratio of Li 6.65 La 3 Zr 1.65 Ta 0.35 B (x) O 12 (x = 0.1) H 2 O The powders were prepared and mixed in excess of 1, 3, and 5 mol%, respectively, relative to the target composition.

즉, 실제로 제조예 2에서 상기 각 원료 물질을 배합하는 기준으로 삼은 것은, LixLa3Zr1.65Ta0.35B0.1O12(x=6.72, 6.85, 또는 6.98)의 몰비에 부합하는 것이다.That is, in the production example 2, the reference for blending each of the raw materials mentioned above corresponds to the molar ratio of Li x La 3 Zr 1.65 Ta 0.35 B 0.1 O 12 (x = 6.72, 6.85, or 6.98).

나머지 공정은 제조예 1과 동일하게 하여, 제조예 2의 각 고체 전해질 분말로 수득하였다.The remaining process was the same as Production Example 1, and each solid electrolyte powder of Production Example 2 was obtained.

(2) 펠렛 소결체의 제조(2) Preparation of pellet sintered body

제조예 2의 각 고체 전해질 분말에 대해, 소결 온도를 950 ℃로 모두 동일하게 한 점을 제외하고, 제조예 1과 동일한 조건으로 각각의 펠렛 소결체를 제조하였다. Each of the solid electrolyte powders of Preparation Example 2 was subjected to the same conditions as in Production Example 1, except that sintering temperature was all set to 950 캜, thereby producing respective pellet sintered bodies.

평가예 2: 제조예 2에 관한 평가 Evaluation Example 2: Evaluation concerning Production Example 2

(1) 과량(excess) 투입되는 리튬 원료 물질에 따른 총 이온 전도도 평가(1) Assessment of total ionic conductivity with excess lithium source material

제조예 2의 각 펠렛 소결체에 대해, 평가예 1의 (2)와 동일한 방식으로 도 10의 극좌표선도(Nyquist plot)를 얻었다.For each pellet sintered body of Production Example 2, a Nyquist plot of Fig. 10 was obtained in the same manner as in (2) of Evaluation Example 1.

도 10 에 따르면, 목표 조성 대비 과량으로 첨가되는 리튬 원료 물질의 양이 1 mol%인 경우에 비하여, 3 mol% 및 5 mol%인 경우 반원(semi circle)의 크기가 급격히 감소함을 알 수 있다.According to FIG. 10, it can be seen that the size of the semi circle is drastically reduced in the case of 3 mol% and 5 mol%, respectively, as compared with the case where the amount of the lithium raw material added in excess to the target composition is 1 mol% .

(2) 과량(excess) 투입되는 리튬 원료 물질에 따른 총 이온 전도도 , 펠렛 도, 및 활성화 에너지 평가 (2) Evaluation of total ionic conductivity , pellet density , and activation energy for excess lithium input materials

나아가, 도 10의 극좌표선도(Nyquist plot)에서 얻은 반원의 크기를 토대로 총 이온 전도도(σtotal)를 구하고, 각각의 펠렛 밀도 및 활성화 에너지를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.Further, the total ionic conductivity (? Total ) was determined based on the size of the semicircle obtained from the Nyquist plot of FIG. 10, and the pellet density and the activation energy of each pellet were measured and shown in Table 1 below.

구체적으로, 하기 표 1에서의 총 이온 전도도(σtotal)는, 고체 전해질의 총 저항(total resistance)을 입계 저항(grain boundary resistance) 및 입계 내 저항(grain interior resistance)의 합으로 계산한 뒤, 하기 식 1에 대입하여 계산된 것이다.Specifically, the total ion conductivity (sigma total ) in the following Table 1 is calculated by calculating the total resistance of the solid electrolyte as the sum of the grain boundary resistance and the grain interior resistance, Is calculated by substituting into the following equation (1).

[식 1] σtotal = (1/Ωtotal) x (L/A)  [Equation 1]? Total = (1 /? Total ) x (L / A)

total = 총 이온 전도도, Ωtotal= 총 저항 = 입계 저항(grain boundary resistance) 및 입계 내 저항(grain interior resistance)의 합, L= 펠렛의 두께, A=펠렛의 면적)total = total ion conductivity, Ω total = total resistance = grain boundary resistance and sum of grain interior resistance, L = thickness of pellet, A = area of pellet)

목표 조성 대비 과량 첨가되는 리튬 원료 물질의 양
(Amount of Li Excess)
Amount of lithium raw material added excessively to target composition
(Amount of Li Excess)
총 이온 전도도
(Total Ionic Conductivity, 298.15K)
Total ion conductivity
(Total Ionic Conductivity, 298.15K)
펠렛 밀도
(Pellet Density)
Pellet density
(Pellet Density)
활성화 에너지
(Ea)
Activation energy
(Ea)
1 mol%1 mol% 3.89 x 10-5 S/cm3.89 x 10 -5 S / cm 2.89 g/cm3 2.89 g / cm &lt; 3 &gt; 0.48 eV0.48 eV 3 mol%3 mol% 8.16 x 10-5 S/cm8.16 x 10 -5 S / cm 3.46 g/cm3 3.46 g / cm &lt; 3 &gt; 0.45 eV0.45 eV 5 mol%5 mol% 2.80 x 10-4 S/cm2.80 x 10 -4 S / cm 4.18 g/cm3 4.18 g / cm &lt; 3 &gt; 0.47 eV0.47 eV

상기 표 1에 따르면, 목표 조성 대비 과량 첨가되는 리튬 원료 물질의 양이 증가함에 따라, 총 이온 전도도는 2.8 x 10-4 S/cm까지 증가하였으며, 펠렛 밀도 역시 4.18 g/cm3으로 크게 증가한 것으로 확인된다. According to Table 1, the total ionic conductivity increased to 2.8 x 10 -4 S / cm and the pellet density increased to 4.18 g / cm 3 as the amount of lithium raw material added in excess of the target composition increased Is confirmed.

이러한 결과는, 평가예 1의 (4)에서 추론된 결과, 즉, 상기 목표 조성 대비 과량으로 첨가되는 리튬 원료 물질 중 일부가 보론과 결합하여 전해질 입자와 입자 사이에 리튬 보레이트(lithium borate)의 형태로 존재함으로써 펠렛 밀도를 증대시키는 것을 평가 결과를 부연하는 것으로 볼 수 있다.These results are inferred from the results of (4) in Evaluation Example 1, that is, a part of the lithium source material added in excess to the target composition binds to boron to form lithium borate between the electrolyte particles and the particles The pellet density can be increased.

한편, 일반적으로 활성화 에너지는 온도에 따른 이온 전도도의 변화를 나타내는 척도로 이해되며, 이는 log(σT)와 1000/T의 기울기로부터 구할 수 있다(σ:총 이온 전도도,T: 절대 온도; K).In general, the activation energy is understood as a measure of the change in ionic conductivity with temperature, which can be obtained from log (σT) and slope of 1000 / T (σ: total ion conductivity, T: absolute temperature; K) .

고체 전해질의 경우, 활성화 에너지가 낮을 수록 온도에 대한 의존성이 낮아, 고체 전해질로서의 양호한 특성을 나타낼 수 있는데, 상기 표 1에서는 제조예 2에서 사용되는 리튬 원료 물질의 양이 증가함에도 불구하고 활성화 에너지의 값은 크게 변화가 없는 것이 확인된다. 즉, 제조예 2에서 사용되는 리튬 원료 물질의 양을 증가시키더라도, 활성화 에너지를 저하시키지 않는 것으로 평가할 수 있다.In the case of the solid electrolyte, the lower the activation energy, the lower the dependency on the temperature. Thus, the solid electrolyte exhibits good characteristics as a solid electrolyte. In Table 1, although the amount of the lithium raw material used in Production Example 2 is increased, It is confirmed that the value is not largely changed. That is, even if the amount of the lithium raw material used in Production Example 2 is increased, it can be estimated that the activation energy is not lowered.

제조예 3 Production Example 3

제조예 1과 달리 알루미늄 원료 물질을 더 투입하였다.Unlike Production Example 1, an additional aluminum raw material was added.

구체적으로, La2O3 분말, ZrO2 분말, Ta2O5 분말, 및 H3BO3 분말을, Li6.65La3Zr1.65Ta0.35B(x)O12 (x= 0.3)의 몰비에 부합하도록 칭량하여 준비하되, 리튬 원료 물질인 LiOHH2O 분말은 상기 조성에 비하여 5 mol% 과량(excess)으로 준비한 점은 제조예 1과 동일하다. Specifically, La 2 O 3 powder, ZrO 2 Powder, Ta 2 O 5 powder, and H 3 BO 3 The powder was weighed to be in a molar ratio of Li 6.65 La 3 Zr 1.65 Ta 0.35 B (x) O 12 (x = 0.3), and the lithium raw material LiOHH 2 O The powder was prepared in excess of 5 mol% in comparison with the above-mentioned composition in the same manner as in Preparation Example 1.

여기에, 알루미늄 원료 물질인 γ-Al2O3 분말(Aldrich, 99.9%)을 추가로 투입하며, 그 투입량은 상기 목표 조성 대비 0.2 mol의 알루미늄(Al)이 추가로 도핑되는 양으로 결정하였다.Then, an additional amount of γ-Al 2 O 3 powder (Aldrich, 99.9%) as an aluminum raw material was added, and the amount of the addition was determined such that 0.2 mol of aluminum (Al) was further doped to the target composition.

나머지 공정은 제조예 1과 동일하게 하여, 제조예 3의 각 고체 전해질 분말로 수득하였다.The remaining process was the same as Production Example 1, and each solid electrolyte powder of Production Example 3 was obtained.

(2) 펠렛 소결체의 제조(2) Preparation of pellet sintered body

제조예 3의 각 고체 전해질 분말에 대해, 소결 온도를 850, 900, 950, 또는 1000 ℃로 다양하게 제어하고, 나머지는 제조예 1과 동일한 조건으로 각각의 펠렛 소결체를 제조하였다. For each solid electrolyte powder of Production Example 3, sintering temperatures were controlled to 850, 900, 950, or 1000 ° C in various manners, and the other pellet sintered bodies were produced under the same conditions as in Production Example 1.

평가예 3: 제조예 1 및 3에 관한 비교 평가Evaluation Example 3: Comparative Evaluation of Production Examples 1 and 3

제조예 3의 각 펠렛 소결체는, 제조예 1 중 Li6 . 65La3Zr1 . 65Ta0 . 35B(x)O12 (x= 0.3) 인 펠렛 소결체와 비교되었다.Each of the pellet sintered bodies of Production Example 3 was obtained in the same manner as in Production Example 1 except that Li 6 . 65 La 3 Zr 1 . 65 Ta 0 . 35 B (x) O 12 (x = 0.3).

(1) 알루미늄(Al) 추가 도핑에 따른 총 이온 전도도 , 펠렛 밀도, 및 활성화 에너지 평가 (1) Evaluation of total ion conductivity , pellet density, and activation energy by doping with aluminum (Al)

구체적으로, 상기 각 소결체에 대해, 평가예 2와 동일한 방식으로 총 이온 전도도(σtotal)를 구하고, 각각의 펠렛 밀도 및 활성화 에너지를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. Specifically, for each of the sintered bodies, the total ion conductivity (? Total ) was determined in the same manner as in Evaluation Example 2, and the pellet densities and activation energies of the respective sintered bodies were measured and shown in Table 2 below.

하기 표 2에서, Al=0으로 표시된 것은 제조에 1에 관한 것이고, Al =0.2으로 표시된 것은 제조예 3에 관한 것이다.In Table 2 below, those marked with Al = 0 relate to 1 in the preparation and those marked with Al = 0.2 relate to Preparation Example 3.

소결 온도
(Sintering Temp.)
Sintering temperature
(Sintering Temp.)
총 이온 전도도
(Total Ionic Conductivity,
298.15K)
Total ion conductivity
(Total Ionic Conductivity,
298.15K)
펠렛 밀도
(Pellet Density)
Pellet density
(Pellet Density)
활성화 에너지
(Ea)
Activation energy
(Ea)
Al=0Al = 0 850 ℃850 ℃ 1.09 x 10-4 S/cm1.09 x 10 -4 S / cm 2.832.83 0.480.48 900 ℃900 ℃ 1.64 x 10-4 S/cm1.64 x 10 -4 S / cm 3.343.34 0.460.46 950 ℃950 ℃ 2.59 x 10-4 S/cm2.59 x 10 -4 S / cm 3.643.64 0.490.49 1,000 ℃1,000 ℃ 6.43 x 10-4 S/cm6.43 x 10 -4 S / cm 4.724.72 0.380.38 Al=0.2Al = 0.2 850 ℃850 ℃ 9.81 x 10-5 S/cm9.81 x 10 -5 S / cm 3.233.23 0.460.46 900 ℃900 ℃ 3.34 x 10-4 S/cm3.34 x 10 -4 S / cm 4.004.00 0.430.43 950 ℃950 ℃ 3.53 x 10-4 S/cm3.53 x 10 -4 S / cm 4.604.60 0.420.42 1,000 ℃1,000 ℃ 2.77 x 10-4 S/cm2.77 x 10 -4 S / cm 4.394.39 0.360.36

상기 표 2을 참고하면, 제조예 1에 대비하여, 알루미늄(Al)이 0.2 mol 추가로 도핑된 제조예 3의 이온 전도도는 유사하게 나타나지만, 펠렛 밀도는 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, the ionic conductivity of Preparation Example 3 doped with 0.2 mol of aluminum (Al) was similar to that of Preparation Example 1, but the pellet density was greatly improved.

한편, 표 2에서 활성화 에너지(Ea)는, 1,000℃의 높은 온도에서 소결하는 경우를 제외하고, 알루미늄(Al)의 추가 도핑 여부에 따른 큰 차이가 없다. On the other hand, in Table 2, the activation energy (Ea) does not differ greatly depending on whether or not the aluminum (Al) is further doped, except in the case of sintering at a high temperature of 1,000 ° C.

(2) 알루미늄(Al) 추가 도핑에 따른 펠렛의 기공 특성 평가(2) Evaluation of pore characteristics of pellets by further doping with aluminum (Al)

평가예 3의 평가 대상인 제조예 3 및 제조예 1의 펠렛 소결체 중, 소결 온도가 900 및 950 ℃인 경우에 대해, 절단면의 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진을 각각 촬영하여 도 11 내지 14에 나타내었다.Sintering electron microscopy (SEM) photographs of the cut surfaces of the pellet sintered bodies of Production Example 3 and Production Example 1, which were the evaluation targets of Evaluation Example 3, at sintering temperatures of 900 and 950 ° C, Respectively.

구체적으로, 도 11(소결 온도: 900 ℃) 및 도 12(소결 온도: 950 ℃)는 제조예 1에 관한 것이고, 도 13(소결 온도: 900 ℃) 및 도 14(소결 온도: 950 ℃)는 제조예 3에 관한 것이다.Specifically, FIG. 11 (sintering temperature: 900 DEG C) and FIG. 12 (sintering temperature: 950 DEG C) Production Example 3 &quot;.

도 11 내지 14를 참고하면, 소결 온도를 막론하고, 제조예 1에 비하여, 알루미늄(Al)이 0.2 mol 추가로 도핑된 제조예 3에서 기공이 감소한 것으로 확인된다. 이를 통해, 제조예 3에서 추가로 도핑되는 알루미늄은, 펠렛 내 기공이 감소시키는 효과가 있고, 그에 따라 펠렛 밀도를 향상시키는 데 기여하는 것으로 평가된다.Referring to FIGS. 11 to 14, it is confirmed that pores are reduced in Production Example 3 in which 0.2 mol of aluminum (Al) is further doped, regardless of sintering temperature, as compared to Production Example 1. As a result, aluminum doped further in Production Example 3 was found to have an effect of reducing the pores in the pellets, thereby contributing to improvement of the pellet density.

(3) 원소의 분포도 평가(3) Evaluation of elemental distribution

제조예 3의 펠렛 소결체(소결 온도: 950 ℃)에 대해, 평가예 1의 (4)과 동일한 방식으로, 상기 펠렛 소결체에 포함된 각 원소의 분포도를 도 15 내지 22를 얻을 수 있었다.The sintered pellets of Production Example 3 (sintering temperature: 950 deg. C) were shown in FIG. 15 to FIG. 22 for distribution of each element contained in the pellet sintered body in the same manner as in (4) of Evaluation Example 1.

도 15 내지 22를 참고하면, 란탄(La), 지르코늄(Zr), 산소(O), 및 탄탈(Ta)은 상기 소결체를 이루는 고체 전해질 입자 내부에 균일하게 분포하고 있고, 보론(B) 및 탄소(C)는 입자와 입자 사이의 위치에서 동일한 분포를 보이는 것으로 확인된다(도 15 내지 21).15 to 22, lanthanum (La), zirconium (Zr), oxygen (O), and tantalum (Ta) are uniformly distributed in solid electrolyte particles constituting the sintered body, (C) shows the same distribution at the positions between the particles and the particles (Figs. 15 to 21).

이러한 결과는, 평가예 1의 (4)에서 확인된 평가 결과, 즉, 보론(B)이 고체 전해질 내 도핑 원소일 뿐만 아니라, 펠렛 소결 시에는 고체 전해질 입자와 입자 사이를 연결시켜주는 접착층(glue layer) 혹은 리튬의 이동을 매개하는 교량(bridge) 역할도 수행하는 것임을 부연하는 것으로 볼 수 있다.These results indicate that the evaluation results confirmed in (4) of Evaluation Example 1, that is, not only the boron (B) is a doping element in the solid electrolyte, but also an adhesive layer for connecting the solid electrolyte particles to the particles layer or a bridge that mediates the movement of lithium.

한편, 알루미늄(Al)의 경우, 일부 영역에서만 다량 검출된 것으로 보아, 보론(B) 및 탄소(C)의 기능, 구체적으로 접착층(glue layer) 기능을 조력하는 것으로 추론된다.On the other hand, in the case of aluminum (Al), it is deduced that it helps the functions of boron (B) and carbon (C), specifically the glue layer function.

평가예 4: 제조예 3에 관한 평가Evaluation Example 4: Evaluation concerning Production Example 3

제조예 3에서 제조된 분말 형태의 고체 전해질에 대해, 실제 전고체 전지에의 적용 가능성을 평가하기 위하여, 1) 우선 제조예 3의 펠렛 소결체에 대한 전압 안정성을 평가하고, 2) 제조예 3의 펠렛 소결체와 함께 약간의 액체 전해질을 포함하는 전지를 제작하여, 그 충방전 특성을 평가한 뒤, 3) 실제로 제조예 3의 펠렛 소결체만 포함하며 액체 전해질을 전혀 포함하지 않는 전고체 전지를 제작하여, 이를 평가하였다.1) First, the voltage stability of the pellet sintered body of Production Example 3 was evaluated, and 2) the voltage stability of the solid electrolytic cell of Production Example 3 was evaluated. A battery containing a small amount of liquid electrolyte was produced with the pellet sintered body, and the charge and discharge characteristics thereof were evaluated. 3) A pre-solid battery including only the pellet sintered body of Production Example 3 and containing no liquid electrolyte was prepared , And evaluated.

(1) 제조예 3의 펠렛 소결체의 전압 안정성 평가(1) Evaluation of voltage stability of the pellet sintered body of Production Example 3

우선, 제조예 3의 펠렛 소결체에 대한 전위 창(stability window)을 측정하여, 고전압 및 저전압을 막론한 모든 영역에서의 반응성을 고찰하였다.First, the stability window of the pellet sintered body of Production Example 3 was measured to examine the reactivity in all regions, high voltage and low voltage.

구체적으로, 두께가 250 ㎛인 제조예 3의 펠렛 소결체(소결 온도: 950 ℃)에 대해, 한쪽 면에는 진공 열 증착 법을 이용하여 3 ㎛ 이상의 두께로 금속 리튬(Li)을 증착하고, 그 반대 면에는 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 300 ㎚두께로 금(Au)을 증착하였다.Specifically, metal lithium (Li) was deposited on one side of the pellet sintered body (sintering temperature: 950 占 폚) of Production Example 3 having a thickness of 250 占 퐉 to a thickness of 3 占 퐉 or more using a vacuum thermal deposition method, On the surface, gold (Au) was deposited to a thickness of 300 nm by a sputtering method.

상기 금(Au)이 증착된 면을 작동 전극(working electrode)으로 하고, 상기 리튬(Li)이 증착된 면을 상대(counter) 및 기준(reference) 전극으로 하여, 전지로 사용하였다.The surface on which the gold (Au) was deposited was used as a working electrode and the surface on which the lithium (Li) was deposited was used as a counter and a reference electrode.

상기 전지에 대해, 0.1mV/sec의 주사 속도(scan rate)로 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV)에서 출발하여 5.3 내지 0V (vs. Li/Li+)의 전위 영역에서 순환 전압전류(cyclic voltammogram)를 측정하였다. Starting from an open circuit voltage (OCV) at a scan rate of 0.1 mV / sec, the battery was subjected to a cyclic voltage (cyclic voltage) cycle in the potential range of 5.3 to 0 V (vs. Li / Li + voltammogram) were measured.

도 23은, 상기 순환 전압전류 측정 결과 얻어진 전위창을 나타내며, 1 내지 5.3V까지는 전해질의 분해 반응 없이 매우 안정하게 구동되는 것을 확인할 수 있다.Fig. 23 shows the potential window obtained as a result of the cyclic voltammetry measurement. From 1 to 5.3 V, it can be confirmed that it is driven very stably without the decomposition reaction of the electrolyte.

이때, 낮은 전위에서 급격하게 나타나는 전류 변화는, 리튬의 전착(electrodeposition) 및 탈착(electrodissolution)에 따른 반응을 의미하며, 제조예 3의 펠렛 소결체가 리튬과 반응하는 것은 아니라고 평가된다. At this time, the current change abruptly appearing at a low potential means a reaction due to electrodeposition and electrodissolution of lithium, and it is estimated that the pellet sintered body of Production Example 3 does not react with lithium.

따라서, 제조예 3의 펠렛 소결체는 모든 영역에서의 전압 안정성이 확보된 것으로 평가할 수 있다.Therefore, the pellet sintered body of Production Example 3 can be evaluated that the voltage stability in all regions is ensured.

(2) 제조예 3의 펠렛 소결체를 포함하는 전지의 충방전 특성 평가(2) Evaluation of charge / discharge characteristics of the battery including the pellet sintered body of Production Example 3

실제로 전고체 전지를 제작하기에 앞서, 제조예 3의 펠렛 소결체와 함께 약간의 액체 전해질을 포함하는 전지를 제작하여, 그 충방전 특성을 평가하기로 하였다. In fact, prior to the production of the entire solid battery, a battery containing a small amount of liquid electrolyte together with the pellet sintered product of Production Example 3 was prepared and evaluated for its charge-discharge characteristics.

구체적으로, 두께가 250 ㎛인 제조예 3의 펠렛 소결체(소결 온도: 950 ℃)에 대해, 한쪽 면에는 진공 열 증착 법을 이용하여 3 ㎛ 두께로 금속 리튬(Li)을 증착하고, 그 반대 면에는 전극을 올린 뒤, 상기 전극 내부에 액체 전해질을 함침 시켜 전지로 제작하였다.Specifically, for a pellet sintered body (sintering temperature: 950 캜) of Production Example 3 having a thickness of 250 탆, metallic lithium (Li) was deposited on one side by vacuum thermal evaporation to a thickness of 3 탆, , An electrode was placed, and the inside of the electrode was impregnated with a liquid electrolyte to prepare a battery.

이때, 상기 전극은, LiNi0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2 조성의 양극 활물질(NCM811)을 사용하고, 상기 양극 활물질, 바인더, 및 도전재를 포함하는 혼합물을 92:4:4 의 중량 비율(기재 순서는, 양극 활물질:바인더:도전재)로 제조한 뒤, 상기 혼합물을 15 ㎛ 두께의 알루미늄(Al) 포일 상에 균일하게 도포하고, 통상적으로 알려진 바와 같이 건조하여 50 ㎛ 두께의 활물질 층이 형성된 전극으로 수득한 것이다.At this time, the electrode, LiNi 0. 8 Co 0 . 1 Mn 0 . 1 O using the positive electrode active material (NCM811) of the second composition and the mixture containing the positive electrode active material, binder, and conductive material 92: the weight ratio of 4:04 to the (base sequence, the positive electrode active material: conductive material: binder) , The mixture was uniformly applied on an aluminum (Al) foil having a thickness of 15 μm and dried as conventionally known to obtain an electrode having a 50 μm-thick active material layer.

또한, 상기 액체 전해질로는, 에틸렌 카보네이트(EC: Ethylene carbonate) 및 에틸 메틸 카보네이트(EMC: Ethyl methyl carbonate)가 3:7의 부피 비율(기재 순서는, EC:EMC)로 혼합된 혼합물에 1.2 M 의 LiPF6이 해리된 것을 사용하였다.The liquid electrolyte was prepared by mixing ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3: 7 (EC: EMC) in a volume ratio of 1.2 M Of LiPF 6 were dissociated.

상기 전극에 상기 액체 전해질이 충분히 젖어들(wetting) 만큼 함침시키되, 금속 리튬(Li)과는 접촉하지 않도록 상기 제조예 3의 펠렛 소결체로 상기 전극 주위를 잘 밀봉시켰다.The electrode was impregnated with the liquid electrolyte by wetting sufficiently, but the periphery of the electrode was well sealed with the pellet sintered product of Production Example 3 so as not to come into contact with metal lithium (Li).

도 24는, 상기 전지의 10 번째 충방전 그래프를 나타낸 것이며, 전형적인 니켈-망간-코발트(NMC)계의 전압 프로파일에 상응하는 그래프가 확인된다. 구체적으로, 0.1C rate의 충방전 조건에서(40.2㎂) 10번째 방전 용량은 114.4mAh/g으로 나타나는 바, 이는 기준 용량의 무려 58 %나 유지된 것을 의미한다.FIG. 24 shows a graph of a tenth charge / discharge cycle of the battery, and a graph corresponding to a voltage profile of a typical nickel-manganese-cobalt (NMC) system is confirmed. Specifically, the discharge capacity at the 10th cycle (114.2 mA) at a charge / discharge condition of 0.1 C rate is 114.4 mAh / g, which means that 58% of the reference capacity is maintained.

이러한 결과로부터, 제조예 3의 펠렛 소결체는 약간의 액체 전해질을 포함하는 전지에 적용될 경우, 리튬(Li) 이온을 전도하는 기능을 잘 수행하는 것으로 평가된다. From these results, it is estimated that the pellet-sintered product of Production Example 3 performs well the function of conducting lithium (Li) ions when applied to a battery containing a small amount of liquid electrolyte.

(3) 제조예 3의 펠렛 소결체를 포함하는 전고체 전지의 특성 평가(3) Characteristic evaluation of all solid-state batteries including the pellet-sintered body of Production Example 3

나아가, 액체 전해질을 전혀 포함하지 않고, 제조예 3의 펠렛 소결체만 포함하는 전고체 전지를 제작하여, 그 특성을 평가하였다.Further, a full solid battery including only the pellet sintered product of Production Example 3, without containing any liquid electrolyte, was prepared, and its characteristics were evaluated.

이를 위해, 두께가 200 ㎛인 제조예 3의 펠렛 소결체(소결 온도: 950 ℃)에 대해, 한쪽 면에는 프린팅(printing) 방식으로 10 ㎛ 두께의 양극을 형성한 뒤, 상기 양극의 상부에 양극 전류 집전체를 형성하고, 상기 펠렛 소결체의 다른 한쪽 면(상기 양극이 형성되지 않은 면)에는 진공 열 증착 법을 이용하여 3 ㎛ 두께로 금속 리튬을 증착시키는 방식으로, 액체 전해질을 전혀 포함하지 않는 전고체 전지를 제작하였다.For this purpose, a 10 μm thick anode was formed on one side of the pellet sintered body (sintering temperature: 950 ° C.) of Production Example 3 having a thickness of 200 μm by a printing method, And a metal lithium was deposited on the other surface (the surface on which the anode was not formed) of the pellet sintered body by a vacuum thermal evaporation method to a thickness of 3 탆. In this manner, A solid cell was fabricated.

구체적으로, 상기 양극의 형성은, 양극 물질을 균일하게 코팅한 후,600 ℃에서 열처리하는 프린팅 방식에 의한 것이다. 이때, 상기 양극 물질로는 양극 활물질 및 이온 전도체의 결합체가 바인더와 99.9: 0.1의 중량 비율(기재 순서는, 양극 활물질 및 이온 전도체의 결합체: 바인더)로 혼합된 것을 사용하였다.Specifically, the positive electrode is formed by uniformly coating the positive electrode material and then performing a heat treatment at 600 ° C. At this time, as the positive electrode material, a mixture of a positive electrode active material and an ion conductor was mixed with a binder in a weight ratio of 99.9: 0.1 (the order of description is a binder of a positive electrode active material and an ion conductor: binder).

보다 구체적으로, 상기 양극 활물질 및 이온 전도체의 결합체로는, 양극 활물질로 LiCoO2를 사용하고, 이온 전도체로 Li3BO3를 사용하여, 이들을 95:5의 중량 비율(기재 순서는, 양극 활물질: 이온 전도체)로 균일하게 혼합시킨 물질을 사용하였다. More specifically, LiCoO 2 was used as a cathode active material and Li 3 BO 3 was used as an ion conductor, and the mixture was mixed at a weight ratio of 95: 5 (the order of description is a cathode active material: Ion conductor) were used.

또한, 바인더로는 에틸 알코올(ethyl alcohol)에 셀룰로오스(ethyl cellurose)를 녹인 것을 사용하였다(농도: 1M).As the binder, cellulose (ethyl cellurose) was dissolved in ethyl alcohol (concentration: 1M).

한편, 상기 양극 위에는 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 300 ㎚두께의 금(Au)을 증착하였는데, 이때 증착된 금(Au)은, 양극 전류 집전체로 기능할 뿐만 아니라, 외부로부터 액체 전해질이 상기 양극에 함침되지 않도록 하는 기능을 수행할 수 있었다.On the other hand, gold (Au) having a thickness of 300 nm was deposited on the anode using a sputtering method. The deposited Au functions not only as a positive current collector, It was possible to perform the function of preventing impregnation of the anode.

도 25는, 상기 전고체 전지의 10 회 사이클 수명을 나타낸 것이며, 10회의 충방전 사이클이 진행되었음에도 불구하고 용량이 거의 감소되지 않고, 일정한 방전 용량이 유지되는 것이 확인된다.FIG. 25 shows the life cycle of the pre-solid electrolyte cell 10 times. It is confirmed that the capacity is kept almost constant and the discharge capacity is maintained despite the 10 charge / discharge cycles.

또한, 도 26은 상기 전고체 전지에 대해, 양극 면적 0.283 ㎠ 에 대해 10 ㎂ 의 정전류 인가 시 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 이에 따르면, 4.2 내지 3.0 V 의 전압 영역에서 구동 시, 3.8 V 영역에서는 방전 평탄화 구간(plateau) 이 나타나며, 첫 번째 방전 시에는 0.1mAh/㎠ 의 용량이 나타나는 것으로 확인된다.26 is a graph showing charge / discharge characteristics of the pre-solid battery when a constant current of 10 인가 was applied to an anode area of 0.283 cm 2. According to this, it is confirmed that a discharge flattening section (plateau) appears in the 3.8 V region when driven in a voltage range of 4.2 to 3.0 V, and a capacitance of 0.1 mAh / cm 2 appears in the first discharge.

이러한 결과들로부터, 제조예 3의 펠렛 소결체는, 액체 전해질을 전혀 포함하지 않는 전고체 전지로 제작하더라도, 양호한 수명 특성 및 충방전 특성을 발현하는 것으로 평가된다.From these results, it is estimated that the pellet sintered product of Production Example 3 exhibits good lifetime characteristics and charge / discharge characteristics even when fabricated from a pre-solid battery which does not contain any liquid electrolyte.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (22)

보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물을 포함하는 고체 전해질이되,
상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인,
고체 전해질.
Is a solid electrolyte containing an oxide of Garnet structure doped with boron (B) and tantalum (Ta)
Wherein the molar ratio of the boron (B) to the solid electrolyte is 0.1 or more,
Solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 보론(B)에 대한 상기 탄탈(Ta)의 몰 비율은,
0.35/0.1 내지 0.35/0.4인,
고체 전해질.
The method according to claim 1,
The molar ratio of the tantalum (Ta) to the boron (B)
0.35 / 0.1 to 0.35 / 0.4,
Solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 가넷(Garnet) 구조의 산화물은 알루미늄(Al)이 더 도핑된 것인,
고체 전해질.
The method according to claim 1,
Wherein the oxide of the garnet structure is further doped with aluminum (Al)
Solid electrolyte.
제3항에 있어서,
상기 보론(B)에 대한 상기 알루미늄(Al)의 몰 비율은,
0.5/0.1 내지 0.1/0.4인,
고체 전해질.
The method of claim 3,
The molar ratio of the aluminum (Al) to the boron (B)
0.5 / 0.1 to 0.1 / 0.4,
Solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 것인,
고체 전해질.
[화학식 1]
Li(7-a-x)M1 xLa3Zr2-y-wTayBzM2 wO12
상기 화학식 1에서,
M1은 Al, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,
M2는 Nb, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,
0 ≤ a ≤ 0.1 이고,
0 ≤ x ≤ 0.5 이고,
0.005 ≤ y ≤ 0.5 이고,
0.1 ≤ z ≤ 0.5 이고,
0 ≤ w < 0.15 이다.
The method according to claim 1,
Wherein the solid electrolyte is represented by the following general formula (1)
Solid electrolyte.
[Chemical Formula 1]
Li (7-ax) M 1 x La 3 Zr 2- y W Ta y B z M 2 w O 12
In Formula 1,
M 1 is selected from the group consisting of Al, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca,
M 2 is selected from the group consisting of Nb, Sb, Sn, Hf, Bi, W, Se, Ga, Ge,
0? A? 0.1,
0? X? 0.5,
0.005? Y? 0.5,
0.1? Z? 0.5,
0? W <0.15.
제5항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
M1은 Al인,
고체 전해질.
6. The method of claim 5,
In Formula 1,
M &lt; 1 &gt; is Al,
Solid electrolyte.
제5항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
0.1 ≤ z ≤ 0.4인,
고체 전해질.
6. The method of claim 5,
In Formula 1,
0.1? Z? 0.4,
Solid electrolyte.
제5항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
0 ≤ x ≤ 0.3인,
고체 전해질.
6. The method of claim 5,
In Formula 1,
0? X? 0.3,
Solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질의 결정 구조는,
입방정계(Cubic) 구조인 것인,
고체 전해질.
The method according to claim 1,
The solid electrolyte has a crystal structure,
Wherein the substrate is a cubic structure.
Solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질의 이온 전도도는,
0.9x10-4 S/cm 이상인 것인,
고체 전해질.
The method according to claim 1,
The ionic conductivity of the solid electrolyte is,
0.9 x 10 &lt; -4 &gt; S / cm or more.
Solid electrolyte.
리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계;
상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및
상기 분쇄된 혼합 분말을 소성(calcination)하여, 분말 상태의 고체 전해질을 수득하는 단계를 포함하고,
상기 수득되는 고체 전해질은, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인 것이고,
상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질의 혼합 분말을 준비하는 단계는, 상기 수득되는 고체 전해질 내 리튬, 란타늄, 지르코늄, 및 탄탈의 몰 함량과 일치하는 몰 비율로 상기 각 원료 물질을 투입하고, 1차 혼합하는 단계를 포함하는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
Preparing a mixed powder comprising a lithium raw material, a lanthanum raw material, a zirconium raw material, a tantalum raw material, and a boron raw material;
Pulverizing the mixed powder; And
Calcining the pulverized mixed powder to obtain a powdery solid electrolyte,
The obtained solid electrolyte is a solid electrolyte containing an oxide of Garnet structure doped with boron (B) and tantalum (Ta), and the molar ratio of boron (B) to the solid electrolyte is 0.1 or more And,
Preparing the mixed powder of the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material is a step of preparing a mixed powder of lithium, lanthanum, zirconium, and tantalum Wherein the raw materials are mixed and mixed in a molar ratio,
A method for producing a solid electrolyte.
제11항에 있어서,
상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계에서,
상기 혼합 분말 내 보론에 대한 탄탈의 몰 비율이 0.35/0.1 내지 0.35/0.4이 되도록 제조하는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
In the step of producing the mixed powder including the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material,
Wherein the molar ratio of tantalum to boron in the mixed powder is from 0.35 / 0.1 to 0.35 / 0.4.
A method for producing a solid electrolyte.
제11항에 있어서,
상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계에서,
상기 혼합 분말은,
알루미늄 원료 물질, 나트륨 원료 물질, 칼륨 원료 물질, 루비듐 원료 물질, 세슘 원료 물질, 프랑슘 원료 물질, 마그네슘 원료 물질, 칼슘 원료 물질, 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
In preparing the mixed powder comprising the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material,
The mixed powder,
The method of claim 1, further comprising the steps of: preparing an aluminum raw material, a sodium raw material, a potassium raw material, a rubidium raw material, a cesium raw material, a franc raw material, a magnesium raw material, a calcium raw material,
A method for producing a solid electrolyte.
제11항에 있어서,
상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계에서,
상기 혼합 분말은,
알루미늄 원료 물질을 더 포함하는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
In preparing the mixed powder comprising the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material,
The mixed powder,
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; aluminum, &lt; / RTI &gt;
A method for producing a solid electrolyte.
제14항에 있어서,
상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계에서,
상기 혼합 분말 내 보론에 대한 알루미늄의 몰 비율이 0.5/0.1 내지 0.1/0.4이 되도록 제조하는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
In preparing the mixed powder comprising the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material,
Wherein the molar ratio of aluminum to boron in the mixed powder is 0.5 / 0.1 to 0.1 / 0.4.
A method for producing a solid electrolyte.
제11항에 있어서,
상기 리튬 원료 물질, 란타늄 원료 물질, 지르코늄 원료 물질, 탄탈 원료 물질, 및 보론 원료 물질을 포함하는 혼합 분말을 제조하는 단계는,
상기 수득되는 고체 전해질 내 리튬, 란타늄, 지르코늄, 및 탄탈의 몰 함량과 일치하는 몰 비율로 상기 각 원료 물질을 투입하고, 1차 혼합하는 단계; 이후에,
상기 1차 혼합된 물질에 리튬 원료 물질을 추가로 투입하고, 2차 혼합하는 단계;를 더 포함하는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
The step of preparing the mixed powder including the lithium source material, the lanthanum source material, the zirconium source material, the tantalum source material, and the boron source material may include:
Charging each of the raw materials at a molar ratio corresponding to the molar amount of lithium, lanthanum, zirconium, and tantalum in the obtained solid electrolyte, and mixing the primary raw materials; Since the,
Further adding a lithium raw material to the primary mixed material and secondary mixing the mixture,
A method for producing a solid electrolyte.
제16항에 있어서,
상기 1차 혼합된 물질에 리튬 원료 물질을 추가로 투입하고, 2차 혼합하는 단계;에서,
상기 추가로 투입되는 리튬 원료 물질의 양은,
상기 1차 혼합된 물질 내 리튬 원료 물질 대비 3 내지 5 몰%인 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Further adding a lithium raw material to the primary mixed material and secondary mixing,
The amount of the lithium raw material to be added is,
Is 3 to 5 mol% based on the lithium raw material in the primary mixed material.
A method for producing a solid electrolyte.
제11항에 있어서,
상기 분쇄된 혼합 분말을 소성(calcination)하여, 분말 상태의 고체 전해질을 수득하는 단계; 이후에,
상기 수득된 고체 전해질을 펠렛(pellet)으로 형성하는 단계; 및
상기 형성된 펠렛을 소결(sintering)하는 단계를 더 포함하는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
Calcining the pulverized mixed powder to obtain a powdery solid electrolyte; Since the,
Forming the obtained solid electrolyte into a pellet; And
And sintering the formed pellets. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt;
A method for producing a solid electrolyte.
제18항에 있어서,
상기 형성된 펠렛을 소결(sintering)하는 단계는,
850 내지 950 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
19. The method of claim 18,
The step of sintering the formed pellets comprises:
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 850 &lt; / RTI &gt;
A method for producing a solid electrolyte.
제18항에 있어서,
상기 형성된 펠렛을 소결하는(sintering) 단계는,
7 내지 20 시간 동안 수행되는 것인,
고체 전해질의 제조 방법.
19. The method of claim 18,
The step of sintering the formed pellets comprises:
RTI ID = 0.0 &gt; 7-20 &lt; / RTI &gt;
A method for producing a solid electrolyte.
제11항에 있어서,
상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계는,
볼밀(ball mill), 몰탈(mortar), 분급기(sieve), 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀(disk mill), 제트 밀(jet mill), 죠크러셔(jaw crusher), 해쇄기(crusher), 또는 이들의 조합인 방법에 의해 수행되는 것인,
고체 전해질의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The step of pulverizing the mixed powder comprises:
A ball mill, a mortar, a sieve, an attrition mill, a disk mill, a jet mill, a jaw crusher, a crusher crusher, or a combination thereof.
A method for producing a solid electrolyte.
양극;
음극; 및
고체 전해질을 포함하고,
상기 고체 전해질은, 보론(B) 및 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet) 구조의 산화물;을 포함하는 고체 전해질이되, 상기 고체 전해질에 대한 상기 보론(B)의 몰 비율은 0.1 이상인,
리튬 이차 전지.
anode;
cathode; And
Comprising a solid electrolyte,
Wherein the solid electrolyte is a solid electrolyte including an oxide of Garnet structure doped with boron (B) and tantalum (Ta), wherein the molar ratio of the boron (B) to the solid electrolyte is 0.1 or more,
Lithium secondary battery.
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