KR20180023380A - 리튬이온전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 리튬이온전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

리튬이온전지 및 이의 제조방법{Lithium ion battery and method of preparing the same}
본 출원은 리튬이온전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
리튬이온전지를 만드는 경우에는 전극을 구성하는 활물질 고체와 고체 전해질이 접하는 계면이 매우 중요하며, 이에 따라서 전지의 성능에도 크게 영향을 미치게 된다. 따라서, 일부 연구에 의하면 벌크(bulk) 조성과는 다른 고체 전해질을 활물질 표면에 형성시켜 계면 저항을 감소시키는 방법이 개발되었는데, 이에 따라서, 대전류로 충/방전은 가능하였으나, 여전히 현재 전고체 배터리 연구에 쓰이고 있는 LiPON등의 고체 전해질은 적용시 Li 이온의 통과하는 것에 있어서, 계면 저항에 의한 내구성, 사이클 특성 등의 문제가 있다.
또한, 그 제조방법에 있어서, 일반적으로 LiPON과 같은 고체 전해질을 포함하는 고체 스택 구조를 구현하기 위해서는 증착 방법이 쓰여지고 있으며, Wet coating 공정으로는 이를 구현하기가 어렵다. 진공 증착 방식은 Wet coating 공정보다 Uniform한 박막을 구현할 수 있지만, 증착 공정 조건에 따라 박막의 특성의 변화가 다양하게 나타날 수 있으며, 연속된 박막의 증착시에는 하부의 박막의 경우, 상부 박막의 증착 조건에 따라 데미지(Defect발생)를 받을 수 있으며 이러한 계면에서의 Defect는 계면에서의 Ion pass시에도 생길 수 있다. 또한 상/하부에 상이한 성분 물질을 증착하는 경우에는, 계면(Interface)사이에서의 계면 저항 증대를 비롯한 포텐셜 차이 및 negative space-charge layer effects로 인하여 charge transfer reactions의 변화가 발생될 수 있으며, 이것은 결론적으로 전극/고체 전해질 계면에서의 이온의 이동을 방해하는 요소로 작용할 수 있으며, 전지 구동시 이온 전도도에 악 영향을 끼칠 수 있다.
따라서, 전극과 고체 전해질의 계면 성질을 개선하여 계면 저항 증가를 감소시키고, 전극과 고체 전해질이 상이한 물질로 구성됨에 따라 일어날 수 있는 이온 이동성의 저하를 방지하여 이온 전도도를 높일 수 있는 기술의 개발이 시급한 실정이다.
논문 - Nano Lett. 2015, 15 (3), pp 1498-1502 J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5 (2), pp 298-303 Advanced Energy Materials., Vol4, Issue 9, June 24, 2014 Solar Energy Materials and Solar Cells., January 2013, Pages 22-26 Nanotechnology 21, 345203 (2010)
본 출원은 리튬이온전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극 상의 일부에 배치되는 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층 상에 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 상기 고체 전해질층 사이 중 적어도 하나에 배치되는 혼합 전해질층을 포함하고, 상기 혼합 전해질층은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 구성 성분 중 적어도 일부 및 상기 고체 전해질층의 구성 성분 중 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지를 제공한다.
또한, 본 출원의 일 실시상태는 제1 전극을 준비하는 단계; 상기 제1 전극 상에 혼합 전해질층을 형성하는 단계; 상기 혼합 전해질층 상에 고체 전해질층을 형성하는 단계; 상기 고체 전해질층 상에 상기 혼합 전해질층을 추가로 형성하는 단계; 및 상기 추가로 형성한 혼합 전해질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 혼합 전해질층을 형성하는 단계 및 상기 고체 전해질층을 형성하는 단계는 증착 공정에 의한 것인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지는 애노드와 고체 전해질의 계면 특성을 개선하여 계면 저항을 감소시켜 리튬 이온의 이동을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지는 애노드와 고체 전해질을 각각 구성하고 있는 상이한 물질의 특성 차이에 따른 이온 이동성의 저하를 방지하여 이온 전도도를 높일 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지의 일부분을 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시상태에 따른 애노드, 혼합 전해질층 및 고체 전해질층을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지의 계면 저항값을 비교하기 위한 그래프이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
리튬이온전지는 리튬 이차 전지의 일종으로, 리튬 이차 전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해질의 종류에 따라 리튬이온전지, 리튬이온 폴리머전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있다. 또한, 그 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지는 그 형태가 특별히 제한되지는 않으며, 이들 전지의 통상적인 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
통상적으로, 리튬이온전지는 원통형으로 마련될 수 있으며, 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치된 세퍼레이터, 상기 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터에 함침된 전해질, 전지 용기, 및 상기 전지 용기를 봉입하는 봉입부재를 주된 부분으로 하여 구성될 수 있다. 이러한 리튬이온전지는, 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터를 차례로 적층한 다음 스피럴 상으로 권취된 상태로 전지 용기에 수납하여 구성될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극 상의 일부에 배치되는 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층 상에 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 상기 고체 전해질층 사이 중 적어도 하나에 배치되는 혼합 전해질층을 포함하고, 상기 혼합 전해질층은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 구성 성분 중 적어도 일부 및 상기 고체 전해질층의 구성 성분 중 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지를 제공한다.
본 명세서에서 제1 전극 및 제2 전극은 각각 애노드와 캐소드를 의미하는 것일 수 있으며, 하나가 애노드인 경우 다른 하나는 캐소드일 수 있다. 하기 설명 중 애노드와 캐소드에 대한 설명은 제1 전극 및 제2 전극에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지의 일부분을 나타낸 측면도이다. 도 1을 참고하면, 상기 애노드(100)는 리튬이온전지에서 통상적으로 사용하는 애노드 활물질이 코팅되어 있는 기재를 의미할 수 있다. 또한, 상기 기재의 일 실시예는 집전체일 수 있으며, 전압의 영역에 따라 구리, 니켈 또는 SUS 집전체를 사용할 수 있고, 구체적으로는 구리 집전체를 사용할 수 있다.
상기 애노드는 리튬이온전지에 사용되는 통상적인 애노드 활물질이 코팅되어 있는 것을 의미할 수 있으며, 그 종류로서, 리튬, 리튬과 합금화 가능한 금속물질, 전이 금속 산화물, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 또는 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리 가능한 물질 등을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 출원의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 애노드일 수 있으며, 그 종류로는 특별히 한정이 있는 것은 아니나, 리튬(Li), 구리(Cu), 산화바나듐(V2O5), 산화주석(SnO); 또는 리튬과 알루미늄(Al), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 산화바나듐(V2O5) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속과의 합금을 포함한다.
상기 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 캐소드는 액체전해질에 함침되는 다공성 캐소드일 수 있다. 다공성 캐소드는 의도적으로 기공을 형성시킨 캐소드뿐만 아니라 의도적으로 기공의 형성을 배제하지 않아 캐소드 내부로 모세관 현상등에 의하여 액체전해질이 침투될 수 있는 캐소드도 포함한다. 즉, 상기 다공성 캐소드는 제조과정에서 형성된 기공을 포함하는 캐소드도 포함한다.
예를 들어, 상기 다공성 캐소드는 캐소드 활물질, 도전재, 바인더, 용매등을 포함하는 캐소드활물질 조성물을 코팅 및 건조시켜 얻어지는 캐소드를 포함한다. 상기 캐소드활물질 조성물에서얻어지는 다공성 캐소드는 캐소드활물질 입자 사이에 존재하는 기공을 포함할 수 있다. 상기 다공성 캐소드는 액체전해질에 함침될 수 있다. 상기 다공성 캐소드가 액체전해질에 함침됨에 의하여 캐소드 활물질과 전해액의 접촉이 증가하여 리튬전지의 내부저항이 감소할 수 있다.
상기 캐소드는 리튬이온의 전도도를 향상시키기 위하여 캐소드 내에 액체전해질, 겔전해질, 고체전해질 등을 포함할 수 있다. 상기 액체전해질, 겔전해질, 고체전해질은 당해 기술분야에서 리튬전지의 전해질로 사용할 수 있는 것으로서 충방전과정에서 캐소드활물질과 반응하여 캐소드활물질을 열화시키지 않는 것이라면 모두 가능하다.
또한, 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있으며, 그 종류에 특별히 한정이 있는 것은 아니나, TiS2, In2Se3, MoO3, LiMn2O4, LiCoO2 및 V2O5로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 전이 금속 산화물로는 구체적인 예로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등이 있고, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질의 예로는 Si, SiOx(0 < x < 2), Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-Y(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 원소 Y의 구체적인 예로는 특별히 한정이 있는 것은 아니나, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합이다.
상기 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬이온전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 애노드 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 플레이크(flake)상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른, 고체 전해질층(300)은 전해액과 반응성이 없고 리튬 이온 전도성이 있으며 전기 전도성이 없는 물질이 가능하며, 그 종류로는 무기 전해질을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 혼합 전해질층 및 무기 전해질은 LiXON을 포함하며, 상기 X는 P, Si, Vi, S 및 B로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지를 제공한다.
혼합 전해질층은 상기 언급한 바와 같이, 고체 전해질층을 구성하는 성분의 일부를 포함하며, 따라서 고체 전해질층을 구성할 수 있는 무기 전해질과 함께 LiXON으로 표시되는 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기 전해질은 LiPON(lithium phosphorous oxynitride), LiSiPON(lithium silicon phosphorous oxynitride), LiSiON(lithium silicon oxynitride), LiSON(lithium Surfide phosphorous oxynitride), LiBO(lithium boron oxide), LiSiPO(lithium silicon phosphorous oxide), LiViSiO(lithium virginium silicon oxyide) 및 LiBPON(lithium boron phosphorous oxynitride)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합 전해질층의 N/X는 0.1 내지 0.5일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 0.15 내지 0.25일 수 있다. 이와 같은 수치 범위 내에서 최적화된 계면 저항 값을 얻을 수 있다.
또한, 상기 혼합 전해질층의 N/(Li+X)는 0.01 내지 0.06일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 0.03 내지 0.05일 수 있다. 이와 같은 수치 범위 내에서 혼합 전해질층은 애노드와 고체 전해질 사이의 계면 이질성을 적합하게 감소시켜 계면 저항도를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 무기 전해질의 N/X는 0.02 내지 0.05일 수 있는데, 이와 같은 범위를 가질 때, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지는 얻고자 하는 이온전도도를 얻을 수 있다.
이러한 고체 전해질층은 전극 재료와 전해액이 주로 반응하는 전극 표면에서 보호막으로 작용하여 전극 재료와 전해액의 반응을 감소시킴으로써, 전해질로서 고체 전해질만을 사용하는 전지에 비하여 전지 성능을 악화시키지 않으면서 전지의 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 전극 재료가 전해액에 용해되는 정도를 저하시킴으로써 전지 수명 향상을 도모할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬이온전지는 애노드와 고체 전해질 사이에 혼합 전해질층(200)을 추가로 구비하는데, 상기 혼합 전해질층은 상기 애노드의 구성 성분 중 적어도 일부 및 상기 고체 전해질층의 구성 성분 중 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이는 애노드와 고체 전해질층의 구성의 차이로 인하여 발생할 수 있는 전하 전달 반응에 따른 부작용을 방지하고, 계면에서의 저항을 억제하는 역할을 할 수 있다. 이러한 혼합 전해질층으로 인해서 애노드와 고체 전해질층의 계면에서의 이온 전달이 원활해 질 수 있으며, 이에 따라서 이온 전도도가 증가한다.
또한, 상기 혼합 전해질층은 전체 100 중량부 대비, 상기 애노드의 구성 성분 10 내지 90 중량부 및 상기 고체 전해질층의 구성 성분 10 내지 90 중량부를 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 혼합 전해질층의 두께는 고체 전해질층 및 혼합 전해질층의 두께 총합 대비 10 내지 40%일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 25 내지 35%일 수 있다.
혼합 전해질층의 두께는 계면 저항도에 영향을 크게 미칠 수 있으며, 상기 범위를 벗어나는 두께를 가지는 경우에는 계면 저항 값이 불안정하여 원하는 이온 전도도를 얻을 수 없다.
구체적으로, 상기 혼합 전해질층의 두께는 50 내지 150nm일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 70 내지 120nm일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태는 제1 전극을 준비하는 단계; 상기 제1 전극 상에 혼합 전해질층을 형성하는 단계; 상기 혼합 전해질층 상에 고체 전해질층을 형성하는 단계; 상기 고체 전해질층 상에 상기 혼합 전해질층을 추가로 형성하는 단계; 및 상기 추가로 형성한 혼합 전해질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 혼합 전해질층을 형성하는 단계 및 상기 고체 전해질층을 형성하는 단계는 증착 공정에 의한 것인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법을 제공한다.
상기 제1 및 2 전극, 혼합 전해질층 및 고체 전해질층에 관해서는 전술한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 상기 혼합 전해질층을 형성하는 단계 및 상기 고체 전해질층을 형성하는 단계는 증착 공정 의한다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 증착 공정은 무기 보호층을 증착시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정이 있는 것은 아니나, 열화학 기상 증착법(thermal CVD), 플라즈마 증착법(PECVD) 및 대기압 증착법(APCVD)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
이하, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 실시예를 통해 본 출원을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
애노드로 투명 ITO 전극 상에 산화니켈, 혼합 전해질층, 고체 전해질층 및 Al을 순서대로 증착시켰으며, 각각 O2 reactive, O2+N2 co-reactive, N2 reactive 및 Ar 스퍼터링의 방법으로 증착시켰다. 산화니켈은 타겟을 Ni로 하여 0.2 kW로 Ar 10 sccm, O2 10 sccm으로 증착하였으며, 2.00E+01 mtorr의 압력에서 2.6 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
혼합 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.35 kW로 Ar 40 sccm, O2 10 sccm, N2 20 sccm으로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 4.55 W/cm2의 조건으로 수행하였으며, Ni를 타겟으로, 0.2 kW로 Ar 40 sccm, O2 10 sccm, N2 20 sccm으로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 2.6 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
고체 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.35kW로 Ar 40 sccm, N2 20 sccm으로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 4.55 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
Al은 Al을 타겟으로, 0.25kW로 Ar 40 sccm로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 3.25 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
실시예 2
혼합 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.4 kW로 N2를 15 sccm, 5.2 W/cm2으로 증착하였고, Ni를 타겟으로, N2 15 sccm으로 증착한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
고체 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.4 kW로 N2 15 sccm으로 5.2 W/cm2의 조건으로 증착한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 3
혼합 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.25 kW로 N2를 30 sccm, 3.25 W/cm2으로 증착하였고, Ni를 타겟으로, N2 30 sccm으로 증착한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
고체 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.25 kW로 N2 30 sccm으로 3.25 W/cm2의 조건으로 증착한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 1
애노드로 투명 ITO 전극 상에 산화니켈, 혼합 전해질층, 고체 전해질층 및 Al을 순서대로 증착시켰으며, 각각 O2 reactive, O2+N2 co-reactive, N2 reactive 및 Ar 스퍼터링의 방법으로 증착시켰다. 산화니켈은 타겟을 Ni로 하여 0.2 kW로 Ar 10 sccm, O2 10 sccm으로 증착하였으며, 2.00E+01 mtorr의 압력에서 2.6 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
고체 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.35kW로 Ar 40 sccm, N2 20 sccm으로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 4.55 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
Al은 Al을 타겟으로, 0.25kW로 Ar 40 sccm로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 3.25 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
비교예 2
애노드로 투명 ITO 전극 상에 산화니켈, 혼합 전해질층, 고체 전해질층 및 Al을 순서대로 증착시켰으며, 각각 O2 reactive, O2+N2 co-reactive, N2 reactive 및 Ar 스퍼터링의 방법으로 증착시켰다. 산화니켈은 타겟을 Ni로 하여 0.2 kW로 Ar 10 sccm, O2 10 sccm으로 증착하였으며, 2.00E+01 mtorr의 압력에서 2.6 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
혼합 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.35 kW로 Ar 40 sccm, O2 10 sccm, N2 20 sccm으로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 4.55 W/cm2의 조건으로 수행하였으며, Ni를 타겟으로, 0.2 kW로 Ar 40 sccm, O2 10 sccm, N2 20 sccm으로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 2.6 W/cm2의 조건으로 증착시간을 기존 대비 1/3 정도의 수준으로 조절하여 수행하였다.
고체 전해질층은 Li3PO4를 타겟으로, 0.35kW로 Ar 40 sccm, N2 20 sccm으로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 4.55 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
Al은 Al을 타겟으로, 0.25kW로 Ar 40 sccm로 증착하였으며, 1.00E+01 mtorr의 압력에서 3.25 W/cm2의 조건으로 수행하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 3에 따른 혼합 전해질층 및 고체 전해질층의 구성비는 각각 하기 표 1 및 2와 같다.
혼합 전해질층 Li P O N Ni N/P N/(Li+P)
실시예 1 20.2 5.4 48.1 1 25.4 0.185 0.039
실시예 2 20.2 5.7 48.4 1 24.7 0.175 0.039
실시예 3 15.3 4.1 50.4 0.9 28.9 0.220 0.046
고체 전해질층 Li P O N N/P
실시예 1 40.1 13.6 44.9 0.3 0.022
실시예 2 34.9 15.8 48.4 0.4 0.025
실시예 3 38.2 14.4 46.5 0.7 0.049
제조 결과, 실시예 1 내지 3은 혼합 전해질층이 90 nm로 형성되었으며, 비교예 2는 혼합 전해질층이 30 nm로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1, 비교예 1 및 2를 찍은 사진은 도 2와 같다.
이 후, 실시예 1, 비교예 1 및 2에 의한 리튬이온전지를 이용하여 계면 저항을 확인한 결과는 도 3과 같다. 도 3을 참고하면, 실시예 1에 의한 혼합 전해질층이 혼합 전해질층이 없는 비교예 1에 비해서 안정적인 계면 저항값을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 혼합 전해질층의 두께가 30 nm인 경우에는 혼합 전해질층 자체가 불안정하여 여러 계면 저항값을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
100: 애노드
200: 혼합 전해질층
300: 고체 전해질층

Claims (25)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 일부에 배치되는 고체 전해질층;
    상기 고체 전해질층 상에 배치되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 상기 고체 전해질층 사이 중 적어도 하나에 배치되는 혼합 전해질층을 포함하고,
    상기 혼합 전해질층은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 구성 성분 중 적어도 일부 및 상기 고체 전해질층의 구성 성분 중 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 리튬(Li), 구리(Cu), 산화바나듐(V2O5), 산화주석(SnO); 또는 리튬과 알루미늄(Al), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 산화바나듐(V2O5) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속과의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전극은 TiS2, In2Se3, MoO3, LiMn2O4, LiCoO2 및 V2O5로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 무기 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 혼합 전해질층 및 무기 전해질은 LiXON을 포함하며,
    상기 X는 P, Si, Vi, S 및 B로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지:
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 무기 전해질은 LiPON(lithium phosphorous oxynitride), LiSiPON(lithium silicon phosphorous oxynitride), LiSiON(lithium silicon oxynitride), LiSON(lithium Surfide phosphorous oxynitride), LiBO(lithium boron oxide), LiSiPO(lithium silicon phosphorous oxide), LiViSiO(lithium virginium silicon oxyide) 및 LiBPON(lithium boron phosphorous oxynitride)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 N/X는 0.1 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 N/(Li+X)는 0.01 내지 0.06인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 무기 전해질의 N/X는 0.02 내지 0.05인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 전해질층은 전체 100 중량부 대비, 상기 애노드의 구성 성분 10 내지 90 중량부 및 상기 고체 전해질층의 구성 성분 10 내지 90 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 두께는 고체 전해질층 및 혼합 전해질층의 두께 총합 대비 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 두께는 50 내지 150nm인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  13. 제1 전극을 준비하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 혼합 전해질층을 형성하는 단계;
    상기 혼합 전해질층 상에 고체 전해질층을 형성하는 단계;
    상기 고체 전해질층 상에 상기 혼합 전해질층을 추가로 형성하는 단계; 및
    상기 추가로 형성한 혼합 전해질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 혼합 전해질층을 형성하는 단계 및 상기 고체 전해질층을 형성하는 단계는 증착 공정에 의한 것인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 전극은 리튬(Li); 또는 리튬과 알루미늄(Al), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속과의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 전극은 TiS2, In2Se3, MoO3, LiMn2O4, LiCoO2 및 V2O5로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 무기 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 혼합 전해질층 및 무기 전해질은 LiXON을 포함하며,
    상기 X는 P, Si, S 및 B로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 무기 전해질은 LiPON(lithium phosphorous oxynitride), LiSiPON(lithium silicon phosphorous oxynitride), LiSiON(lithium silicon oxynitride), LiSON(lithium Surfide phosphorous oxynitride) 및 LiBPON(lithium boron phosphorous oxynitride)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 N/X는 0.1 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 N/(Li+X)는 0.01 내지 0.06인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 무기 전해질의 N/X는 0.02 내지 0.05인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  22. 청구항 13에 있어서,
    상기 혼합 전해질층은 전체 100 중량부 대비, 상기 애노드의 구성 성분 10 내지 90 중량부 및 상기 고체 전해질층의 구성 성분 10 내지 90 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  23. 청구항 13에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 두께는 고체 전해질층 및 혼합 전해질층의 두께 총합 대비 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  24. 청구항 13에 있어서,
    상기 혼합 전해질층의 두께는 50 내지 150nm인 것을 특징으로 하는 리튬이온전지 제조방법.
  25. 청구항 13에 있어서,
    상기 증착 공정은 열화학 기상 증착법(thermal CVD), 플라즈마 증착법(PECVD), 물리적 기상 증착법(PVD), 원자층 증착법(ALD), 펄스드 레이저 증착법(PLD), 펄스드 스퍼터링 증착법(PSD) 및 대기압 증착법(APCVD)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 리튬이온전지 제조방법.
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