KR20180000183A - A manufacturing method of cathode for all-solid state battery using sol-gel process and slurry-casting process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 졸겔법과 슬러리캐스팅법을 이용한 전고체 전지용 양극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 졸겔법(sol-gel process)으로 겔(gel)층을 형성하여 고체전해질층과의 계면을 치밀하게 형성하고, 슬러리캐스팅법(slurry-casting process)으로 양극 슬러리층을 형성한 뒤 열처리하여 겔(gel)층과의 계면을 치밀하게 형성하되, 양극 슬러리로 활물질에 도전재, 고분자 바인더 및 고체전해질을 혼합하여 양극 슬러리층을 형성함으로써 전고체 전지의 계면 저항을 낮추어 에너지 밀도를 높이면서도 활물질의 로딩량을 증가시켜 방전용량을 크게 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 양극의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a positive electrode for a full-solid battery using a sol-gel method and a slurry casting method, and more particularly, to a method for producing a positive electrode for a solid electrolyte by forming a gel layer by a sol- Forming a positive electrode slurry layer by a slurry-casting process, and then heat-treating the electrode slurry to form an interface with the gel layer. The active material is coated with a conductive material, a polymeric binder, and a solid The present invention relates to a method of manufacturing a positive electrode for a full-solid battery, which is capable of significantly increasing the discharge capacity by increasing the loading amount of the active material while increasing the energy density by reducing the interfacial resistance of the entire solid electrolyte by mixing the electrolyte.
오늘날 이차전지는 자동차, 전력저장 시스템 등의 대형기기에서부터 휴대폰, 캠코더, 노트북 등의 소형기기까지 널리 사용되고 있다. 이차전지로서의 리튬 이온 전지는 니켈-망간 전지나 니켈-카드뮴 전지에 비해 에너지 밀도가 높고 단위면적당 용량이 크다는 장점이 있다. BACKGROUND ART [0002] Today, secondary batteries are widely used in large-sized devices such as automobiles and electric power storage systems, and small-sized devices such as mobile phones, camcorders, and notebook computers. The lithium ion battery as a secondary battery has an advantage that the energy density is higher than that of the nickel-manganese battery or the nickel-cadmium battery and the capacity per unit area is large.
그러나 리튬 이온 전지는 전해질로 주로 유기 용매를 포함하는 액체전해질을 사용하기 때문에 누액, 화재 등의 위험성이 높은 문제가 있었다. 이에 고출력, 높은 에너지 밀도를 확보하면서 안전성도 좋은 전고체 전지(All-Solid State Battery)에 대한 관심이 높아졌다. However, since a lithium ion battery uses a liquid electrolyte mainly containing an organic solvent as an electrolyte, there is a high risk of leakage and fire. Therefore, all-solid state batteries with high power and high energy density and good safety have attracted attention.
전고체 전지는 리튬 이온 전지의 액체전해질을 고체전해질로 대체한 전지이다. 전고체 전지는 고체전해질을 사용하므로 전해질 누액 및 화재 등의 위험성이 낮다. 그러나 전고체 전지는 리튬 이온을 전달하는 전해질이 고상이기 때문에 전지의 성능 발현을 향상시키기 위해서는 고체전해질, 도전재 및 활물질이 균일하게 섞여 이온전도 및 전자전도 경로를 균일하게 확보하는 것이 중요하다.All solid-state cells are batteries in which a liquid electrolyte of a lithium ion battery is replaced with a solid electrolyte. All solid-state batteries use a solid electrolyte, so there is a low risk of electrolyte leakage and fire. However, since the electrolyte for transferring lithium ions is a solid phase in all solid-state cells, it is important to uniformly mix the solid electrolyte, the conductive material and the active material to uniformly mix the ion conduction and the electron conduction path in order to improve the performance of the battery.
특히, 양극(구체적으로는 양극 활물질)과 고체전해질의 계면이 치밀하게 형성되지 않는다는 것이다. 양극과 고체전해질의 접촉 불량은 계면 저항의 상승으로 이어진다. 따라서 전고체 전지의 실제 에너지 밀도는 이론 에너지 밀도에 훨씬 미치지 못하게 된다. Particularly, the interface between the positive electrode (specifically, the positive electrode active material) and the solid electrolyte is not formed densely. The poor contact between the positive electrode and the solid electrolyte leads to an increase in the interface resistance. Therefore, the actual energy density of the entire solid-state cell becomes far less than the theoretical energy density.
기존의 전고체 전지는 고체전해질 상에 양극을 졸겔(Sol-Gel)법 또는 슬러리 캐스팅법을 이용하여 제조하고 있다. 그러나 졸겔법으로 제조할 경우, 적용되는 양극재의 양은 극히 제한적이어서 고로딩 양극을 구현하는 것이 어렵다. 이에 반해, 슬러리 캐스팅법으로 제조할 경우 고로딩의 대면적 양극을 구현할 수 있으나, 방전용량이 상당히 낮게 나오는 문제점이 있다. Conventional pre-solid batteries are produced by using a sol-gel method or a slurry casting method on a solid electrolyte on a positive electrode. However, when manufactured by the sol-gel method, the amount of the cathode material applied is extremely limited, so it is difficult to realize a high loading anode. On the other hand, when a slurry casting method is used, a large-area anode having a high loading can be realized, but the discharge capacity is considerably low.
종래 한국등록특허 제10-0681455호에서는 전극활물질 분말을 포함하는 졸 용액을 혼합하여 형성된 슬러리를 기판 상에 도포하여 전극활물질 후막층이 형성된 리튬이차 전지용 전극에 관해 개시되어 있으나, 고로딩의 대면적 양극을 제조하는데 한계가 있다.Korean Patent No. 10-0681455 discloses an electrode for a lithium secondary battery in which an electrode active material thick film layer is formed by applying a slurry formed by mixing a sol solution containing an electrode active material powder to a substrate, There are limitations in manufacturing the anode.
따라서, 기존의 전고체 전지에서 발생하는 양극과 고체전해질의 계면 저항을 최소화하면서도 전지 용량을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 제조방법에 대한 연구개발이 필요하다.
Therefore, it is necessary to research and develop a new manufacturing method which can greatly improve the battery capacity while minimizing the interface resistance between the anode and the solid electrolyte generated in the conventional all-solid-state cell.
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명의 전고체 전지용 양극은 졸겔법(sol-gel process)으로 겔(gel)층을 형성하여 고체전해질층과의 계면을 치밀하게 형성하고, 슬러리캐스팅법(slurry-casting process)으로 양극 슬러리층을 형성한 뒤 열처리하여 겔(gel)층과의 계면을 치밀하게 형성하되, 양극 슬러리로 활물질에 도전재, 고분자 바인더 및 고체전해질을 혼합하여 양극 슬러리층을 형성함으로써 전고체 전지의 계면 저항을 낮추어 에너지 밀도를 높이면서도 활물질의 로딩량을 증가시켜 방전용량을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.In order to solve the above problems, the anode for a full-solid battery of the present invention forms a gel layer with a sol-gel process to densely form an interface with a solid electrolyte layer, and a slurry casting method a positive electrode slurry layer is formed by a casting process and then heat treatment is performed to form an interface with the gel layer. The active material is mixed with a conductive material, a polymer binder and a solid electrolyte by a positive electrode slurry to form a positive electrode slurry layer It has been found that the discharge capacity can be greatly improved by increasing the loading amount of the active material while increasing the energy density by lowering the interfacial resistance of the entire solid battery.
따라서 본 발명의 목적은 고체전해질과 양극의 계면 저항을 낮추어 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 전고체 전지용 양극의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a positive electrode for a full-solid battery, which can realize a high energy density by lowering the interface resistance between the solid electrolyte and the anode.
본 발명의 다른 목적은 활물질의 로딩량을 증가시켜 방전용량을 크게 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 양극의 제조방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a positive electrode for a full-solid battery, which can increase the amount of loading of the active material, thereby greatly improving the discharge capacity.
본 발명은 (a) 무기바인더 5~20 중량% 및 유기용매 80~95 중량%를 포함하는 버퍼층 슬러리를 제조하는 단계; (b) 가넷계 고체전해질층 상에 상기 버퍼층 슬러리를 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계; (c) 활물질 전구체를 제조하는 단계; (d) 버퍼층 상에 상기 활물질 전구체를 도포한 후 건조하여 졸(sol)층을 형성하는 단계; (e) 상기 졸(sol)층을 600~800 ℃에서 열처리하여 겔(gel)층을 형성하는 단계; (f) 활물질 20~90 중량%, 도전재 1~20 중량%, 고체전해질 8~40 중량% 및 고분자 바인더 1~20 중량%를 포함하는 양극 슬러리를 제조하는 단계; (g) 상기 겔(gel)층 상에 상기 양극 슬러리를 캐스팅하여 양극 슬러리층을 형성하는 단계; 및 (h) 상기 양극 슬러리층을 열처리하는 단계;를 포함하는 전고체 전지용 양극의 제조방법을 제공한다.
The present invention provides a process for preparing a slurry comprising: (a) preparing a buffer layer slurry comprising 5 to 20% by weight of an inorganic binder and 80 to 95% by weight of an organic solvent; (b) forming a buffer layer by applying the buffer layer slurry on the garnet solid electrolyte layer and then performing heat treatment; (c) preparing an active material precursor; (d) applying the active material precursor on the buffer layer and then drying to form a sol layer; (e) thermally treating the sol layer at 600 to 800 ° C to form a gel layer; (f) preparing a positive electrode slurry comprising 20 to 90% by weight of an active material, 1 to 20% by weight of a conductive material, 8 to 40% by weight of a solid electrolyte and 1 to 20% by weight of a polymeric binder; (g) casting the positive electrode slurry on the gel layer to form a positive electrode slurry layer; And (h) heat treating the positive electrode slurry layer.
본 발명에 따른 전고체 전지용 양극의 제조방법은 졸겔법(sol-gel process)으로 겔(gel)층을 형성하고, 그 위에 슬러리캐스팅법(slurry-casting process)으로 양극 슬러리층을 형성한 뒤 열처리함으로써 고체전해질과 양극의 계면을 치밀하게 형성할 수 있다.A method for manufacturing a positive electrode for a full-solid battery according to the present invention includes forming a gel layer with a sol-gel process, forming a positive electrode slurry layer thereon by a slurry-casting process, Whereby the interface between the solid electrolyte and the anode can be densely formed.
본 발명에 따른 전고체 전지용 양극의 제조방법은 양극 슬러리로 활물질에 도전재, 고분자 바인더 및 고체전해질을 혼합하여 양극 슬러리층을 형성함으로써 활물질의 로딩량을 증가시켜 방전용량을 크게 향상시킬 수 있다.The method of manufacturing the positive electrode slurry according to the present invention can improve the discharge capacity by increasing the loading amount of the active material by mixing the active material with the conductive material, the polymer binder and the solid electrolyte with the positive electrode slurry to form the positive electrode slurry layer.
본 발명에 따른 전고체 전지용 양극의 제조방법은 고체전해질과 양극의 계면 저항을 낮추어 높은 에너지 밀도를 구현하고, 나아가 전고체 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
The method for manufacturing a positive electrode for a full-solid battery according to the present invention can realize a high energy density by lowering the interface resistance between the solid electrolyte and the positive electrode, and further improve the performance of the entire solid battery.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 전고체 전지용 양극의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 전고체 전지의 구조를 계략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1에서 제조된 전고체 전지의 충방전(a) 및 임피던스(b) 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예 2에서 제조된 전고체 전지의 충방전(a) 및 임피던스(b) 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조된 전고체 전지의 충방전(a) 및 임피던스(b) 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a positive electrode for a full solid battery according to the present invention. FIG.
FIG. 2 schematically shows a structure of a pre-solid battery manufactured according to the present invention.
3 is a graph showing charge / discharge (a) and impedance (b) of the all solid-state cell manufactured in Comparative Example 1 of the present invention.
4 is a graph showing charge / discharge (a) and impedance (b) of the all solid-state cell produced in Comparative Example 2 of the present invention.
FIG. 5 is a graph of charge / discharge (a) and impedance (b) of a pre-solid battery manufactured in an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to one embodiment.
본 발명은 본 졸겔법(sol-gel process)으로 겔(gel)층을 형성하고, 그 위에 슬러리캐스팅법(slurry-casting process)으로 양극 슬러리층을 형성한 뒤 열처리하여 전고체 전지용 양극을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a positive electrode for a full-solid battery by forming a gel layer with a sol-gel process, forming a positive electrode slurry layer thereon by a slurry-casting process, ≪ / RTI >
구체적으로 본 발명의 전고체 전지용 양극의 제조방법은 (a) 무기바인더 5~20 중량% 및 유기용매 80~95 중량%를 포함하는 버퍼층 슬러리를 제조하는 단계; (b) 가넷계 고체전해질층 상에 상기 버퍼층 슬러리를 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계; (c) 활물질 전구체를 제조하는 단계; (d) 버퍼층 상에 상기 활물질 전구체를 도포한 후 건조하여 졸(sol)층을 형성하는 단계; (e) 상기 졸(sol)층을 600~800 ℃에서 열처리하여 겔(gel)층을 형성하는 단계; (f) 활물질 20~90 중량%, 도전재 1~20 중량%, 고체전해질 8~40 중량% 및 고분자 바인더 1~20 중량%를 포함하는 양극 슬러리를 제조하는 단계; (g) 상기 겔(gel)층 상에 상기 양극 슬러리를 캐스팅하여 양극 슬러리층을 형성하는 단계; 및 (h) 상기 양극 슬러리층을 열처리하는 단계;를 포함한다.Specifically, the method for producing a positive electrode for a full-solid battery of the present invention comprises the steps of: (a) preparing a buffer layer slurry containing 5 to 20% by weight of an inorganic binder and 80 to 95% by weight of an organic solvent; (b) forming a buffer layer by applying the buffer layer slurry on the garnet solid electrolyte layer and then performing heat treatment; (c) preparing an active material precursor; (d) applying the active material precursor on the buffer layer and then drying to form a sol layer; (e) thermally treating the sol layer at 600 to 800 ° C to form a gel layer; (f) preparing a positive electrode slurry comprising 20 to 90% by weight of an active material, 1 to 20% by weight of a conductive material, 8 to 40% by weight of a solid electrolyte and 1 to 20% by weight of a polymeric binder; (g) casting the positive electrode slurry on the gel layer to form a positive electrode slurry layer; And (h) heat treating the positive electrode slurry layer.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계에서 버퍼층 슬러리는 무기바인더 5~20 중량% 및 유기용매 80~95 중량%를 포함하며, 무기바인더로 리튬 보레이트(lithium borate, Li3BO3)를 사용하고, 유기용매로 에탄올, 톨루엔, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 버퍼층 슬러리는 양극과 고체전해질간 접촉을 증가시켜 전자 이동을 원활히 하기 위해 형성하는 것으로, 특히 무기바인더 함량이 5 중량% 보다 미만이면 버퍼층 형성이 미흡할 수 있고, 20 중량% 보다 초과이면 전자 이동이 지연될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (a), the buffer layer slurry contains 5 to 20% by weight of an inorganic binder and 80 to 95% by weight of an organic solvent, and lithium borate (Li 3 BO 3 ) May be used, and ethanol, toluene, or a mixture thereof may be used as the organic solvent. The buffer layer slurry is formed to increase the contact between the anode and the solid electrolyte to facilitate electron transfer. Particularly when the inorganic binder content is less than 5% by weight, the buffer layer formation may be insufficient. When the content is more than 20% by weight, Can be delayed.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 열처리는 650~750 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 열처리 온도가 650 ℃ 보다 미만이면 결정 형성이 잘 되지 않아 전자 이동도가 저하될 수 있고, 750 ℃ 보다 초과이면 결정상의 변형으로 전자 이동이 영향을 받을 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment in step (b) may be performed at a temperature of 650 to 750 ° C. Specifically, if the heat treatment temperature is lower than 650 ° C, crystal formation may not be performed well and electron mobility may be lowered. If the heat treatment temperature is higher than 750 ° C, electron mobility may be affected by deformation of the crystal phase.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계에서 활물질 전구체는 질산리튬(lithium nitrate), 질산코발트(cobalt nitrate), 고분자 및 유기용매를 혼합하여 제조하는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the active material precursor in step (c) may be prepared by mixing lithium nitrate, cobalt nitrate, a polymer, and an organic solvent.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계에서 활물질 전구체는 질산니켈(nickel nitrate), 질산리튬(lithium nitrate), 질산코발트(cobalt nitrate), 질산망간(manganese nitrate), 고분자 및 유기용매를 혼합하여 제조하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (c), the precursor of the active material is selected from the group consisting of nickel nitrate, lithium nitrate, cobalt nitrate, manganese nitrate, And the like.
여기에서 상기 고분자는 막의 형성을 위해 혼합될 수 있는데, 이러한 고분자로는 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP)을 사용할 수 있다. 또한 상기 유기용매는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 사용할 수 있으며, 물과 이소프로필 알코올을 혼합하여 사용할 수 있다.Here, the polymer may be mixed to form a film. As such a polymer, polyvinyl pyrrolidone (PVP) may be used. The organic solvent may be isopropyl alcohol (IPA), or may be a mixture of water and isopropyl alcohol.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계에서 제조되는 활물질 전구체는 고형분 함량이 20~50 중량%인 것일 수 있다. 또한 상기 활물질 전구체는 후술할 양극 슬러리에 포함되는 활물질과 동일한 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide, LiCoO2) 또는 리튬니켈코발트망간산화물(Li[NixCo1 -2 xMnx]O2)(여기에서, x는 0.2 내지 0.9인 것임)인 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the precursor of the active material prepared in the step (c) may have a solid content of 20 to 50% by weight. The active material precursor may be lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium nickel cobalt manganese oxide (Li [Ni x Co 1 -2 x Mn x ] O 2 ) which is the same as the active material contained in the positive electrode slurry , X is 0.2 to 0.9).
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (d) 단계에서 건조는 100~150 ℃에서 2~4 시간 동안 수행할 수 있다. 이때 상기 활물질 전구체는 건조되어 졸(sol)층을 형성하는데, 상기 졸(sol)층은 겔(gel)화되기 전으로 일종의 콜로이드(colloid) 상태인 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, drying in step (d) may be performed at 100 to 150 ° C for 2 to 4 hours. At this time, the active material precursor is dried to form a sol layer. The sol layer may be in a colloidal state before being gelated.
이러한 졸(sol)층은 상기 고체전해질층의 표면과 치밀한 계면을 형성할 수 있다. 이때 건조 온도가 100 ℃ 보다 미만이면 콜로이드 상태의 졸(sol)층을 형성하는 것이 어렵고, 150 ℃ 보다 초과이면 겔화가 빠르게 진행되어 상기 고체전해질층과의 치밀한 계면을 형성하는 것이 어려운 문제가 있다. 바람직하게는 115~125 ℃에서 건조하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 120 ℃에서 3 시간 동안 건조하는 것이 좋다.Such a sol layer can form a dense interface with the surface of the solid electrolyte layer. If the drying temperature is lower than 100 ° C, it is difficult to form a colloidal sol layer. If the drying temperature is higher than 150 ° C, the gelation proceeds rapidly and it is difficult to form a dense interface with the solid electrolyte layer. It is preferable to dry at 115 to 125 ° C, more preferably at 120 ° C for 3 hours.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (e) 단계에서는 상기 졸(sol)층을 600~800 ℃에서 열처리하여 겔화시킴으로써 겔(gel)층을 형성할 수 있다. 상기 겔(gel)층은 상기 고체전해질층과 우수한 계면 형성에 기여할 수 있다. 이때 열처리 온도가 600 ℃ 보다 미만이면 결정 형성이 잘 되지 않아 전자 이동도가 저하될 수 있고, 800 ℃ 보다 초과이면 결정상의 변형으로 전자 이동이 영향을 받을 수 있다. 바람직하게는 650~750 ℃에서 열처리하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 700 ℃에서 열처리하는 것이 좋다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (e), the gel layer may be formed by heat-treating the sol layer at 600 to 800 ° C. to gel. The gel layer can contribute to excellent interfacial formation with the solid electrolyte layer. If the annealing temperature is less than 600 ° C, the electron mobility may be lowered due to poor crystal formation. If the annealing temperature is higher than 800 ° C, the electron mobility may be affected due to the deformation of the crystal phase. Preferably, the heat treatment is carried out at 650 to 750 占 폚, more preferably at 700 占 폚.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (f) 단계에서 양극 슬러리는 활물질 20~90 중량%, 도전재 1~20 중량%, 고체전해질 8~40 중량% 및 고분자 바인더 1~20 중량%를 포함하여 제조될 수 있다. 이때 상기 활물질은 그 함량이 20 중량% 보다 미만이면 방전용량이 상당히 낮게 나오는 문제가 있고, 90 중량% 보다 초과이면 막의 안정성에 문제가 될 수 있다. 이러한 양극 슬러리는 활물질에 도전재, 고체전해질 및 고분자 바인더를 혼합함으로써 활물질의 로딩량을 증가시켜 방전용량을 크게 향상시킬 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (f), the positive electrode slurry contains 20 to 90% by weight of the active material, 1 to 20% by weight of the conductive material, 8 to 40% by weight of the solid electrolyte, and 1 to 20% . If the content of the active material is less than 20 wt%, the discharge capacity may be significantly lowered. If the content of the active material is more than 90 wt%, the stability of the film may be deteriorated. Such a positive electrode slurry can greatly increase the discharge capacity by increasing the loading amount of the active material by mixing the active material with the conductive material, the solid electrolyte and the polymer binder.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (f) 단계에서 양극 슬러리는 활물질로 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide, LiCoO2) 또는 리튬니켈코발트망간산화물(Li[NixCo1 -2 xMnx]O2)(여기에서, x는 0.2 내지 0.9인 것임), 도전재로 슈퍼-카본(super-c), 아세틸렌 블랙 및 케첸블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것, 고체전해질로 산화물계 고체전해질 또는 황화물계 고체전해질, 고분자 바인더로 셀룰로오스계, 플루오르계, 고무계 및 아크릴레이트계로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것, 유기용매로 자일렌, 테르피네올(Terpineol) 및 N-메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용하여 제조하는 것일 수 있다. 상기 고분자 바인더로 셀룰로오스계는 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)인 것을 사용할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (f), the cathode slurry includes lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium nickel cobalt manganese oxide (Li [Ni x Co 1 -2 x Mn x ] O 2 ) (where x is 0.2 to 0.9), at least one conductive material selected from the group consisting of super-c, acetylene black and ketjen black, an oxide-based solid electrolyte Or sulfide-based solid electrolytes, polymeric binders, which are at least one selected from the group consisting of cellulose-based, fluorine-based, rubber-based and acrylate-based ones, organic solvents such as xylene, terpineol and N-methylpyrrolidone And at least one selected from the group consisting of As the polymer binder, a cellulose-based binder may be ethyl cellulose.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (g) 단계에서는 슬러리 캐스팅법으로서, 닥터 블레이드법, 딥코팅법, 스프레이 코팅법 및 롤 코팅법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다. 상기 (g) 단계에서 형성되는 양극 슬러리층은 고로딩의 양극을 구현할 수 있고, 대면적화가 가능하며, 고체전해질에 치밀하게 형성시킬 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (g), the slurry casting method may be carried out by any one method selected from the group consisting of a doctor blade method, a dip coating method, a spray coating method and a roll coating method. The positive electrode slurry layer formed in the step (g) can realize a high loading anode, can be large-sized, and can be densely formed in a solid electrolyte.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (h) 단계에서 열처리는 100~150 ℃에서 10~14 시간 동안 수행할 수 있다. 이때 열처리 온도가 100 ℃ 보다 미만이면 용매가 제대로 증발되지 않아 잔여 용매가 전자 이동을 방해할 수 있고, 150 ℃ 보다 초과이면 바인더가 손상되어 막의 균일성이 손상될 수 있다. 바람직하게는 130~140 ℃에서 수행하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 120 ℃에서 12 시간 동안 수행하는 것이 좋다.According to a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment in step (h) may be performed at 100 to 150 ° C for 10 to 14 hours. If the heat treatment temperature is lower than 100 ° C, the solvent may not evaporate properly and the residual solvent may interfere with the electron transfer. If the heat treatment temperature is higher than 150 ° C, the binder may be damaged and the uniformity of the film may be impaired. Preferably at 130 to 140 ° C, and more preferably at 120 ° C for 12 hours.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 버퍼층은 두께가 20~1000 nm 이고, 상기 (e) 단계에서 겔(gel)층은 두께가 20~1000 nm 이고, 상기 (g) 단계에서 양극 슬러리층은 두께가 1~200 ㎛ 인 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the buffer layer in the step (b) ranges from 20 to 1000 nm, the thickness of the gel layer in the step (e) ranges from 20 to 1000 nm, The positive electrode slurry layer may have a thickness of 1 to 200 mu m.
따라서, 본 발명의 전고체 전지용 양극의 제조방법은 졸겔법(sol-gel process)으로 겔(gel)층을 형성하고, 그 위에 슬러리캐스팅법(slurry-casting process)으로 양극 슬러리층을 형성한 뒤 열처리함으로써 고체전해질과 양극의 계면을 치밀하게 형성할 수 있다.Therefore, in the method of manufacturing the positive electrode for a full-solid battery of the present invention, a gel layer is formed by a sol-gel process and a positive electrode slurry layer is formed thereon by a slurry-casting process The interface between the solid electrolyte and the anode can be formed densely by heat treatment.
또한, 양극 슬러리로 활물질에 도전재, 고분자 바인더 및 고체전해질을 혼합하여 양극 슬러리층을 형성함으로써 활물질의 로딩량을 증가시켜 방전용량을 크게 향상시킬 수 있다.Further, by mixing a conductive material, a polymer binder and a solid electrolyte with a positive electrode slurry to form a positive electrode slurry layer, the loading amount of the active material can be increased to greatly improve the discharge capacity.
또한, 고체전해질과 양극의 계면 저항을 낮추어 높은 에너지 밀도를 구현하고, 나아가 전고체 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
Further, the interface resistance between the solid electrolyte and the anode can be lowered to realize a high energy density, and further, the performance of the entire solid battery can be improved.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
실시예Example
1. 버퍼층 형성1. Buffer layer formation
에탄올 용액 85 중량%에 리튬보레이트(Li3BO3) 15 중량%를 혼합하여 버퍼층 슬러리 코팅액을 제조하였다.15% by weight of lithium borate (Li 3 BO 3 ) was mixed with 85% by weight of an ethanol solution to prepare a buffer layer slurry coating solution.
가넷형의 산화물계 고체전해질인 Li7La3Zr2O12(LLZ)을 준비하였다. 상기 고체전해질의 두께는 0.5 mm였다. 상기 고체전해질의 표면 상에 상기 버퍼층 슬러리 코팅액을 0.7 mm의 두께로 도포한 후 700 ℃에서 5 시간 동안 열처리하여 두께가 20 nm인 버퍼층을 형성하였다.
Garnet-type oxide-based solid electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) was prepared. The thickness of the solid electrolyte was 0.5 mm. The buffer layer slurry coating solution was coated on the surface of the solid electrolyte at a thickness of 0.7 mm and then heat-treated at 700 ° C for 5 hours to form a buffer layer having a thickness of 20 nm.
2. 겔(gel)층 형성2. Gel layer formation
LiNO3, Co(NO3)2·6H2O, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 이소프로판올(IPA) 및 물을 1.1: 1: 0.02: 10: 1의 몰비율(molar ratio)로 혼합하여 총고형분 함량이 30 중량%가 되도록 하여 양극활물질 졸(sol) 용액을 제조하였다.(Molar ratio) of LiNO 3 , Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O, polyvinylpyrrolidone (PVP), isopropanol (IPA) and water at a molar ratio of 1.1: 1: 0.02: A sol solution of the cathode active material was prepared so that the solid content was 30% by weight.
그 다음 상기 버퍼층 상에 상기 양극활물질 졸(sol) 용액을 0.7 mm의 두께로 도포한 후 120 ℃에서 3 시간 동안 건조하여 두께가 100 nm인 졸(sol)층을 형성하였다. 그 다음 상기 졸(sol)층을 700 ℃에서 5 시간 동안 열처리하여 겔(gel)층을 형성하였다.
Then, the cathode active material sol solution was applied on the buffer layer to a thickness of 0.7 mm and dried at 120 ° C for 3 hours to form a sol layer having a thickness of 100 nm. Then, the sol layer was heat-treated at 700 ° C for 5 hours to form a gel layer.
3. 양극활물질 슬러리층 형성3. Formation of cathode active material slurry layer
LiCoO2(양극활물질), 슈퍼-카본(super-c)(도전재) 및 에틸 셀룰로오스(고분자 바인더)를 9: 1: 1의 중량 비율로 혼합하였다. 그 다음 자일렌 10 ml 에 상기 혼합물을 총슬러리 고형분 함량이 40 중량%가 되도록 하여 양극활물질 슬러리 코팅액을 제조하였다.LiCoO 2 (cathode active material), super-c (conductive material) and ethyl cellulose (polymer binder) were mixed in a weight ratio of 9: 1: 1. Then, 10 ml of xylene was mixed to prepare a cathode active material slurry coating solution with a total slurry solid content of 40% by weight.
그 다음 상기 겔(gel)층 상에 상기 양극활물질 슬러리 코팅액을 0.7 mm의 두께로 도포한 후 닥터 블레이드법에 의해 캐스팅하여 상온에서 8 시간 동안 건조하여 두께가 100 ㎛인 양극활물질층을 형성하였다. 그 다음 120 ℃의 온도에서 12 시간 동안 열처리하여 전고체 전지용 양극을 제조하였다. 도 1은 본 발명에 따라 제조된 전고체 전지용 양극의 단면도이다.
Next, the cathode active material slurry coating liquid was applied on the gel layer to a thickness of 0.7 mm, cast by a doctor blade method, and dried at room temperature for 8 hours to form a cathode active material layer having a thickness of 100 탆. Followed by heat treatment at a temperature of 120 캜 for 12 hours to prepare a positive electrode for an all solid battery. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a positive electrode for a full solid battery according to the present invention. FIG.
4. 전고체 복합양극 제작4. Fabrication of all-solid composite anode
양극이 형성된 상기 고체전해질의 반대편에 스퍼터링 방법에 의해 Au 박막을 형성시킨 후, 상기 Au 박막 상에 리튬 음극을 적층시켰다.An Au thin film was formed on the opposite side of the solid electrolyte on which the positive electrode was formed by a sputtering method, and a lithium negative electrode was laminated on the Au thin film.
그 다음 양극과 음극 상에 각각 Ni 기재를 적층 형성한 후 지그셀을 체결하여 전고체 전지를 제작하였다. 도 2는 본 발명에 따라 제조된 전고체 전지의 구조를 계략적으로 도시한 것이다.
Next, a Ni substrate was laminated on the positive electrode and the negative electrode, respectively, and then the jig cell was tightened to produce a full solid battery. FIG. 2 schematically shows a structure of a pre-solid battery manufactured according to the present invention.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예에서 가넷형의 산화물계 고체전해질인 Li7La3Zr2O12(LLZ) 상에 겔(gel)층만을 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 실시하여 전고체 전지를 제작하였다.
Conducted in the same manner, and as the above embodiment except for the above-described embodiment in which the oxide-based solid electrolyte of the garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) to form a gel (gel) layer only the all-solid battery Respectively.
비교예 2Comparative Example 2
상기 실시예에서 가넷형의 산화물계 고체전해질인 Li7La3Zr2O12(LLZ) 상에 버퍼층 및 겔(gel)층만을 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 실시하여 전고체 전지를 제작하였다.
Based oxide of the garnet-type in the above embodiment the solid electrolyte of Li 7 La 3 Zr 2 O 12, except that the formation of the buffer layer and a gel (gel) layer only on the (LLZ), and carried out in the same manner as in Example I Solid A battery was produced.
실험예Experimental Example
상기 실시예 및 비교예 1, 2에서 제조된 전고체 전지에 대해 3.0~4.4 V의 전압 및 0.5 mA의 전류 조건에서 충방전 및 임피던스 분석을 통해 상기 전고체 전지의 방전용량 및 계면 저항을 측정하였다. 그 결과는 도 3, 4, 5에 나타내었다.The discharge capacity and the interface resistance of the all-solid-state cell produced in the above-described Examples and Comparative Examples 1 and 2 were measured through charging / discharging and impedance analysis at a voltage of 3.0 to 4.4 V and a current of 0.5 mA . The results are shown in Figs. 3, 4 and 5.
도 3은 상기 비교예 1에서 제조된 전고체 전지의 충방전(a) 및 임피던스(b) 그래프이다. 도 4는 상기 비교예 2에서 제조된 전고체 전지의 충방전(a) 및 임피던스(b) 그래프이다. 도 5는 상기 실시예에서 제조된 전고체 전지의 충방전(a) 및 임피던스(b) 그래프이다.3 is a graph showing charge / discharge (a) and impedance (b) of the all-solid-state cell manufactured in Comparative Example 1. FIG. 4 is a graph showing charge / discharge (a) and impedance (b) of the all-solid-state cell manufactured in Comparative Example 2. FIG. 5 is a graph showing charge and discharge (a) and impedance (b) of the all solid-state cell manufactured in the above embodiment.
(mAh(mAh/cm2))Discharge capacity (area capacity)
(mAh (mAh / cm 2 ))
(0.01 mAh/cm2)0.005
(0.01 mAh / cm 2 )
(0.04 mAh/cm2)0.02
(0.04 mAh / cm 2)
(0.08 mAh/cm2)0.034
(0.08 mAh / cm 2)
상기 표 1 및 도 3, 4, 5를 살펴보면, 고체전해질층 상에 활물질 및 고분자를 포함하는 겔(gel)층만을 형성한 비교예 1의 경우 방전용량이 약 0.005 mAh로 매우 좋지 않았으며, 전지의 내부 저항이 약 2.5 x 105 Ωcm2로 높은 것을 확인하였다. In Table 1 and FIGS. 3, 4 and 5, in Comparative Example 1 in which only a gel layer including an active material and a polymer was formed on the solid electrolyte layer, the discharge capacity was as low as about 0.005 mAh, Was found to be as high as about 2.5 x 10 < 5 > [Omega] cm < 2 & gt ;.
또한 고체전해질층 상에 버퍼층 및 겔(gel)층을 형성한 비교예 2의 경우 상기 비교예 1에 비해 상대적으로 방전용량이 증대되고, 내부저항이 다소 감소하였으나, 여전히 방전용량 및 내부저항이 기대수준에 미치지 못하는 것을 확인하였다.In Comparative Example 2 in which a buffer layer and a gel layer were formed on the solid electrolyte layer, the discharge capacity was relatively increased and the internal resistance was somewhat reduced as compared with Comparative Example 1. However, Of the total population.
이에 반하여, 고체전해질층 상에 버퍼층/겔(gel)층/양극 슬러리층이 차례로 적층 형성된 상기 실시예의 경우 가장 높은 방전용량을 가지면서도 내부저항이 상기 비교예 1, 2에 비해 크게 낮은 것을 확인하였다. 이는 졸겔법으로 고체전해질의 표면에 겔층을 형성하여 고체전해질과 양극의 계면이 치밀하게 형성되어 전지 내 내부 저항이 감소한 것을 알 수 있었다. 또한 슬러리캐스팅법으로 양극 슬러리층을 형성하되, 활물질의 로딩량을 증가시켜 방전용량이 크게 향상된 것을 확인하였다.On the other hand, in the case of the embodiment in which the buffer layer / the gel layer / the positive electrode slurry layer were sequentially stacked on the solid electrolyte layer, the internal resistance was found to be significantly lower than that of Comparative Examples 1 and 2 while having the highest discharge capacity . It was found that the gel layer formed on the surface of the solid electrolyte by the sol-gel method formed the dense interface between the solid electrolyte and the anode, and the internal resistance in the cell was decreased. Also, it was confirmed that the anode slurry layer was formed by the slurry casting method, and the discharge capacity was greatly improved by increasing the loading amount of the active material.
Claims (10)
(b) 가넷계 고체전해질층 상에 상기 버퍼층 슬러리를 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계;
(c) 활물질 전구체를 제조하는 단계;
(d) 버퍼층 상에 상기 활물질 전구체를 도포한 후 건조하여 졸(sol)층을 형성하는 단계;
(e) 상기 졸(sol)층을 600~800 ℃에서 열처리하여 겔(gel)층을 형성하는 단계;
(f) 활물질 20~90 중량%, 도전재 1~20 중량%, 고체전해질 8~40 중량% 및 고분자 바인더 1~20 중량%를 포함하는 양극 슬러리를 제조하는 단계;
(g) 상기 겔(gel)층 상에 상기 양극 슬러리를 캐스팅하여 양극 슬러리층을 형성하는 단계; 및
(h) 상기 양극 슬러리층을 열처리하는 단계;
를 포함하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
(a) preparing a buffer layer slurry comprising 5 to 20% by weight of an inorganic binder and 80 to 95% by weight of an organic solvent;
(b) forming a buffer layer by applying the buffer layer slurry on the garnet solid electrolyte layer and then performing heat treatment;
(c) preparing an active material precursor;
(d) applying the active material precursor on the buffer layer and then drying to form a sol layer;
(e) thermally treating the sol layer at 600 to 800 ° C to form a gel layer;
(f) preparing a positive electrode slurry comprising 20 to 90% by weight of an active material, 1 to 20% by weight of a conductive material, 8 to 40% by weight of a solid electrolyte and 1 to 20% by weight of a polymeric binder;
(g) casting the positive electrode slurry on the gel layer to form a positive electrode slurry layer; And
(h) heat treating the positive electrode slurry layer;
Wherein the positive electrode is a positive electrode.
상기 (a) 단계에서 버퍼층 슬러리는 무기바인더로 리튬 보레이트(lithium borate, Li3BO3)를 사용하고, 유기용매로 에탄올, 톨루엔, 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), the slurry of the buffer layer may comprise lithium borate (Li 3 BO 3 ) as an inorganic binder and ethanol, toluene, or a mixture thereof as an organic solvent. Gt;
상기 (b) 단계에서 열처리는 650~750 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in the step (b) is performed at a temperature of 650 to 750 ° C.
상기 (c) 단계에서 활물질 전구체는 질산리튬(lithium nitrate), 질산코발트(cobalt nitrate), 고분자 및 유기용매를 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the active material precursor is prepared by mixing lithium nitrate, cobalt nitrate, a polymer, and an organic solvent in the step (c).
상기 (c) 단계에서 활물질 전구체는 질산니켈(nickel nitrate), 질산리튬(lithium nitrate), 질산코발트(cobalt nitrate), 질산망간(manganese nitrate), 고분자 및 유기용매를 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (c), the active material precursor is prepared by mixing nickel nitrate, lithium nitrate, cobalt nitrate, manganese nitrate, polymer, and organic solvent A method for manufacturing a positive electrode for a full solid battery.
상기 (d) 단계에서 건조는 100~150 ℃에서 2~4 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the drying in step (d) is performed at 100 to 150 ° C for 2 to 4 hours.
상기 (f) 단계에서 양극 슬러리는 활물질로 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide, LiCoO2) 또는 리튬니켈코발트망간산화물(Li[NixCo1 -2 xMnx]O2) (여기에서, x는 0.2 내지 0.9인 것임),
도전재로 슈퍼-카본(super-c), 아세틸렌 블랙 및 케첸블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것,
고체전해질로 산화물계 고체전해질 또는 황화물계 고체전해질,
고분자 바인더로 셀룰로오스계, 플루오르계, 고무계 및 아크릴레이트계로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것,
유기용매로 자일렌, 테르피네올(Terpineol) 및 N-메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (f), the positive electrode slurry may contain lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium nickel cobalt manganese oxide (Li [Ni x Co 1 -2 x Mn x ] O 2 ) 0.2 to 0.9),
As the conductive material, at least one selected from the group consisting of super-c, acetylene black and ketjen black,
An oxide-based solid electrolyte or a sulfide-based solid electrolyte as the solid electrolyte,
The polymer binder may be at least one selected from the group consisting of a cellulose-based, fluorine-based, rubber-based, and acrylate-
Wherein the organic solvent is at least one selected from the group consisting of xylene, terpineol and N-methylpyrrolidone.
상기 (g) 단계에서는 닥터 블레이드법, 딥코팅법, 스프레이 코팅법 및 롤 코팅법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (g) is performed by any one method selected from the group consisting of a doctor blade method, a dip coating method, a spray coating method and a roll coating method.
상기 (h) 단계에서 열처리는 100~150 ℃에서 10~14 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 양극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step (h) is performed at 100 to 150 ° C for 10 to 14 hours.
상기 (b) 단계에서 버퍼층은 두께가 20~1000 nm 이고, 상기 (e) 단계에서 겔(gel)층은 두께가 20~1000 nm 이고, 상기 (g) 단계에서 양극 슬러리층은 두께가 1~200 ㎛ 인 것일 수 있다.The method according to claim 1,
In the step (b), the thickness of the buffer layer is 20 to 1000 nm, the thickness of the gel layer in the step (e) is 20 to 1000 nm, and the thickness of the positive electrode slurry layer in the step (g) 200 [mu] m.
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