KR20180054511A - 전고체 이차 전지용 바인더 및 전고체 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 함유한다.
Description
본 발명은, 전고체 리튬 이온 이차 전지 등에 사용할 수 있는 전고체 이차 전지용 바인더에 관한 것이다.
근년, 리튬 이온 전지 등의 이차 전지는, 휴대 정보 단말이나 휴대 전자 기기 등의 휴대 단말에 더하여, 가정용 소형 전력 저장 장치, 전동 이륜차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등, 여러 가지 용도에서의 수요가 증가하고 있다.
용도가 확대됨에 따라, 이차 전지의 가일층의 안전성의 향상이 요구되고 있다. 안전성을 확보하기 위하여, 액 누출을 방지하는 방법이나, 가연성의 유기 용매 전해질 대신에, 고체 전해질을 사용하는 방법이 유효하다.
고체 전해질로는, 폴리에틸렌옥사이드 등을 사용하는 고분자 고체 전해질이 알려져 있는데(특허문헌 1), 고분자 고체 전해질은 가연성 재료이다. 고체 전해질로서, 무기 재료로 이루어지는 무기 고체 전해질도 제안되어 있다(특허문헌 2 등). 고분자 고체 전해질에 비하여, 무기 고체 전해질은, 무기물로 이루어지는 고체 전해질로서 불연성 물질이며, 통상 사용되는 유기 용매 전해질과 비교하여 안전성이 매우 높다. 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 무기 고체 전해질을 사용한 높은 안전성을 구비한 전고체 이차 전지의 개발이 진행되고 있다.
전고체 이차 전지는, 정극 및 부극 사이에, 전해질층으로서 무기 고체 전해질층을 갖는다. 특허문헌 3 및 특허문헌 4에는, 고체 전해질 입자와 용매를 포함하는 고체 전해질층용 슬러리 조성물을, 정극 또는 부극 상에 도포하여 건조하는 방법(도포법)에 의해 고체 전해질층을 형성한 전고체 리튬 이차 전지가 기재되어 있다. 도포법으로 전극이나 전해질층을 형성하는 경우에는, 활물질이나 전해질을 포함하는 슬러리 조성물의 점도나 유동성이, 도포 가능한 조건의 범위에 있을 필요가 있다. 한편, 슬러리 조성물을 도포한 뒤 용제를 건조하여 이루어지는 전극 및 전해질층에는, 전지로서의 특성을 발현시키기 위하여 활물질이나 전해질 이외의 바인더 등의 첨가제가 중요하다. 그 때문에, 특허문헌 5에서는, 아크릴레이트계 폴리머를 바인더에 사용하는 것이 제안되어 있다.
그러나, 본 발명자의 검토에 의하면, 특허문헌 3이나 4에 기재된 전고체 리튬 이차 전지에서는, 고체 전해질층 내부나, 활물질층 내부의 이온 전도성이 충분하지는 않기 때문에, 전지의 용량 특성이나 사이클 특성이 불충분한 경우가 있고, 또한, 특허문헌 5에서는 전지 특성이 양호한 전고체 이차 전지가 제안되어 있으나, 보다 특성이 높은 전지가 요구되고 있다.
본 발명은, 전지 특성이 좋은 전고체 이차 전지를 얻을 수 있는 전고체 이차 전지용 바인더 및 이 전고체 이차 전지용 바인더를 사용한 전고체 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 예의 검토한 결과, 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 포함하는 바인더를 사용함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명에 의하면,
(1) 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 함유하는 전고체 이차 전지용 바인더,
(2) 상기 바인더 폴리머는, 상기 바인더 폴리머를 포함하는 수계 분산액의 용매가 유기 용매에 용매 교환되어 이루어지는 바인더 조성물에 의한 것인 (1) 기재의 전고체 이차 전지용 바인더,
(3) 상기 단량체 조성물은, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 1~50 wt% 포함하는 (1) 또는 (2) 기재의 전고체 이차 전지용 바인더,
(4) 정극 활물질층을 갖는 정극과, 부극 활물질층을 갖는 부극과, 이들 정부극 활물질층 사이에 고체 전해질층을 갖는 전고체 이차 전지로서, (1)~(3) 중 어느 하나에 기재된 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하여 이루어지는 전고체 이차 전지가 제공된다.
본 발명에 의하면, 전지 특성이 좋은 전고체 이차 전지를 얻을 수 있는 전고체 이차 전지용 바인더를 제공할 수 있다. 또한, 이 전고체 이차 전지용 바인더를 사용한 전고체 이차 전지를 제공할 수 있다.
(전고체 이차 전지용 바인더)
본 발명의 전고체 이차 전지용 바인더는, 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 함유한다. 여기서, 전고체 이차 전지용 바인더(이하, 「바인더」라고 하는 경우가 있다.)는, 예를 들어, 고체 전해질 입자끼리를 결착하여 고체 전해질층을 형성하기 위하여 사용된다.
폴리알킬렌옥사이드계 모노머로는, 노닐페놀 EO 부가물 아크릴레이트, 페녹시-폴리에틸렌글리콜아크릴레이트, 페녹시디에틸렌글리콜아크릴레이트, 메톡시디프로필렌글리콜아크릴레이트, 메톡시-폴리에틸렌글리콜아크릴레이트, 2-에틸헥실-디글리콜아크릴레이트, 메톡시-트리에틸렌글리콜아크릴레이트, 에톡시-디에틸렌글리콜아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트, 에톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트, 부톡시디에틸렌글리콜메타크릴레이트 등의 알킬렌옥사이드의 (메트)아크릴레이트류; 폴리에틸렌글리콜알릴에테르, 메톡시폴리에틸렌글리콜알릴에테르 등의 알릴에테르류; 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 사용하는 폴리알킬렌옥사이드계 모노머에 포함되는 알킬렌옥사이드의 반복 단위는, 바람직하게는 3 이상이고, 보다 바람직하게는 5 이상이다.
본 발명에 사용하는 바인더 폴리머에 있어서의, 폴리알킬렌옥사이드계 모노머로부터 유도되는 모노머 단위의 함유 비율은, 통상 1 질량% 이상, 바람직하게는 5 질량% 이상이다. 또한, 바인더 폴리머에 있어서의 폴리알킬렌옥사이드계 모노머로부터 유도되는 모노머 단위의 함유 비율의 상한은, 통상 50 질량% 이하, 바람직하게는 30 질량% 이하, 보다 바람직하게는 20 질량% 이하이다.
또한, 본 발명에 사용하는 바인더 폴리머는, 내전압을 높게 할 수 있고, 또한 전고체 이차 전지의 에너지 밀도를 높게 할 수 있는 관점에서, 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트(이후, 「(메트)아크릴레이트」라고 약기하는 경우가 있다.) 및 이들의 유도체를 중합하여 얻어지는 반복 단위(중합 단위)를 포함하는 것이 바람직하다.
(메트)아크릴레이트로는, 아크릴산메틸, 아크릴산에틸, 아크릴산 n-프로필, 아크릴산이소프로필, 아크릴산 n-부틸, 아크릴산 t-부틸, 아크릴산-2-에틸헥실, 벤질아크릴레이트 등의 아크릴산알킬에스테르; 아크릴산-2-메톡시에틸, 아크릴산-2-에톡시에틸 등의 아크릴산알콕시알킬에스테르; 아크릴산 2-(퍼플루오로부틸)에틸, 아크릴산 2-(퍼플루오로펜틸)에틸 등의 아크릴산 2-(퍼플루오로알킬)에틸; 메타크릴산메틸, 메타크릴산에틸, 메타크릴산 n-프로필, 메타크릴산이소프로필, 메타크릴산 n-부틸, 및 메타크릴산 t-부틸, 메타크릴산-2-에틸헥실, 메타크릴산라우릴, 메타크릴산트리데실, 메타크릴산스테아릴, 벤질메타크릴레이트 등의 메타크릴산알킬에스테르; 메타크릴산 2-(퍼플루오로부틸)에틸, 메타크릴산 2-(퍼플루오로펜틸)에틸 등의 메타크릴산 2-(퍼플루오로알킬)에틸;을 들 수 있다. 이들 중에서도, 본 발명에 있어서는 고체 전해질과의 밀착성이 높은 점에서 아크릴산메틸, 아크릴산에틸, 아크릴산 n-프로필, 아크릴산이소프로필, 아크릴산 n-부틸, 아크릴산 t-부틸, 아크릴산-2-에틸헥실, 벤질아크릴레이트 등의 아크릴산알킬에스테르; 아크릴산-2-메톡시에틸, 아크릴산-2-에톡시에틸 등의 아크릴산알콕시알킬에스테르가 바람직하다.
본 발명에 사용하는 바인더 폴리머에 있어서의 (메트)아크릴레이트로부터 유도되는 모노머 단위의 함유 비율은, 통상 40 질량% 이상, 바람직하게는 50 질량% 이상, 보다 바람직하게는 60 질량% 이상이다. 또한, 바인더 폴리머에 있어서의 (메트)아크릴레이트로부터 유도되는 모노머 단위의 함유 비율의 상한은, 통상 99 질량% 이하, 바람직하게는 95 질량% 이하이다.
또한, 바인더 폴리머가 (메트)아크릴레이트에서 유래하는 모노머 단위를 포함하는 경우, 추가로 그 (메트)아크릴레이트와 공중합 가능한 모노머를 공중합시켜도 된다. 상기 공중합 가능한 모노머로는, 스티렌, 비닐톨루엔, t-부틸스티렌, 비닐벤조산, 비닐벤조산메틸, 비닐나프탈렌, 하이드록시메틸스티렌, α-메틸스티렌, 디비닐벤젠 등의 스티렌계 모노머; 아크릴아미드, 메타크릴아미드, N-메틸올아크릴아미드, 아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 등의 아미드계 모노머; 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 등의 α,β-불포화 니트릴 화합물; 에틸렌, 프로필렌 등의 올레핀류; 부타디엔, 이소프렌 등의 디엔계 단량체; 아세트산비닐, 프로피온산비닐, 부티르산비닐, 벤조산비닐 등의 비닐에스테르류; 메틸비닐에테르, 에틸비닐에테르, 부틸비닐에테르 등의 비닐에테르류; 메틸비닐케톤, 에틸비닐케톤, 부틸비닐케톤, 헥실비닐케톤, 이소프로페닐비닐케톤 등의 비닐케톤류; N-비닐피롤리돈, 비닐피리딘, 비닐이미다졸 등의 복소환 함유 비닐 화합물, 비닐디메틸메톡시실란, 비닐트리메틸실란, 디비닐디메톡시실란, 디비닐디메틸실란, 1,3-디비닐-1,1,3,3-테트라메틸디실록산, 트리비닐메틸실란, 테트라비닐실란, 알릴디메틸메톡시실란, 알릴트리메틸실란, 디알릴디메톡시실란, 디알릴디메틸실란, γ-메타크릴로일옥시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴로일옥시프로필메틸디메톡시실란 등의 실란류를 들 수 있다. 그 중에서도, 유기 용매에 대한 친화성의 관점에서, 스티렌계 모노머, 아미드계 모노머, α,β-불포화 니트릴 화합물, 실란류가 바람직하다. 본 발명에 사용하는 바인더 폴리머에 있어서의, 상기 공중합 가능한 모노머의 함유 비율은, 통상 50 질량% 이하, 바람직하게는 40 질량% 이하, 보다 바람직하게는 30 질량% 이하이다.
본 발명에 있어서, 바인더에 포함되는 바인더 폴리머에 입자 구조를 갖게 하기 위하여, 일반적으로 가교제로서 기능할 수 있는 화합물이나 자기 가교 구조를 형성할 수 있는 모노머를, 폴리머의 중합시에 공중합해도 된다.
가교제로서 기능할 수 있는 화합물(가교제)로는, 이중 결합을 2 이상 갖는 모노머를 들 수 있다. 예를 들어, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 폴리프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트, 펜타에리트리톨테트라아크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 등의 다관능 아크릴레이트 화합물, 디비닐벤젠 등의 다관능 방향족 화합물을 들 수 있다. 바람직하게는 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 등의 다관능 아크릴레이트 화합물이다.
가교제의 사용량은, 그 종류에 따라 다른데, 모노머의 합계량 100 질량부에 대하여, 바람직하게는 0.01~5 질량부, 보다 바람직하게는 0.05~1 질량부이다.
자기 가교 구조를 형성하기 쉬운 모노머로는, 부타디엔, 이소프렌 등의 디엔계 단량체나, 아크릴로니트릴 등의 불포화 니트릴 화합물이 있다. 이들 중에서도, 아크릴로니트릴을 공중합하는 방법이 바람직하다.
본 발명에 사용하는 바인더 폴리머의 제조 방법은, 현탁 중합법, 괴상 중합법, 유화 중합법 등의 분산계로 중합하는 방법의 어느 방법도 이용할 수 있다. 중합 방법으로는, 이온 중합, 라디칼 중합, 리빙 라디칼 중합 등 어느 방법도 이용할 수 있다.
이들 중에서도, 바인더 폴리머가 그대로 수계 용매에 분산된 상태에서 얻어지는 점 등에서, 유화 중합법이 바람직하다. 여기서, 수계 용매란 물을 포함하는 용매로, 가연성이 없고, 상기 폴리머의 분산액이 용이하게 얻어지는 관점에서, 물이 바람직하다.
한편, 본 발명의 효과를 손상하지 않고, 또한 상기 공중합체의 분산 상태가 확보 가능한 범위에 있어서, 주용매로서 물을 사용하고, 물 이외의 수계의 용매를 혼합하여 사용해도 된다. 물 이외의 수계의 용매로는, 케톤류, 알코올류, 글리콜류, 글리콜에테르류, 에테르류를 들 수 있다.
한편, 유화 중합은, 통상적인 방법에 따라 행할 수 있다. 또한, 유화 중합할 때에는, 유화제, 중합 개시제, 분자량 조정제 또는 연쇄 이동제 등의 통상 사용되는 중합 부자재를 사용할 수 있다.
유화제로는, 원하는 폴리머가 얻어지는 한 임의의 것을 사용할 수 있고, 예를 들어, 음이온성 계면 활성제, 비이온성 계면 활성제, 양이온성 계면 활성제, 양쪽성 계면 활성제를 들 수 있다. 이들 중에서도, 알킬벤젠술폰산염, 지방족 술폰산염, 고급 알코올의 황산에스테르염, α-올레핀술폰산염, 알킬에테르황산에스테르염 등의 음이온성 계면 활성제를 바람직하게 사용할 수 있다.
유화제의 양은, 원하는 바인더 폴리머가 얻어지는 한 임의이며, 단량체 조성물 100 질량부에 대하여, 바람직하게는 0.5 질량부 이상, 보다 바람직하게는 1 질량부 이상이고, 바람직하게는 10 질량부 이하, 보다 바람직하게는 5 질량부 이하이다.
중합에 사용하는 중합 개시제로는, 예를 들어 과산화라우로일, 디이소프로필퍼옥시디카보네이트, 디-2-에틸헥실퍼옥시디카보네이트, t-부틸퍼옥시피발레이트, 3,3,5-트리메틸헥사노일퍼옥사이드 등의 유기 과산화물, α,α'-아조비스이소부티로니트릴 등의 아조 화합물, 또는 과황산암모늄, 과황산칼륨 등을 들 수 있다.
한편, 중합시에는, 시드 입자를 채용하여 시드 중합을 행해도 된다. 또한, 중합 조건도, 중합 방법 및 중합 개시제의 종류 등에 의해 임의로 선택할 수 있다. 또한, 바인더 폴리머의 조제에 사용하는 단량체 조성물 중의 각 단량체의 함유 비율은, 바인더 폴리머 중의 각 반복 단위의 함유 비율에 준하여 정할 수 있다.
(바인더 조성물)
본 발명에 사용하는 바인더 폴리머는, 상기와 같이 하여 얻어진 바인더 폴리머를 포함하는 수계 분산액의 용매를 유기 용매로 용매 교환하여 이루어지는 바인더 조성물에 의한 것인 것이 바람직하다. 이 수계 분산액은, 상기에서 얻어진 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 포함하여 이루어진다. 또한, 수계 혼합물의 용매는, 물 등의 수계 용매이다.
용매 교환은, 공지의 방법에 의해 행할 수 있다. 예를 들어, 로터리 이배퍼레이터에 수계 분산액 및 유기 용매를 넣고, 감압하여 소정의 온도에서 용매 교환 및 탈수 조작을 행할 수 있다.
한편, 본 발명에 사용되는 바인더 조성물의 고형분 농도는, 바람직하게는 1~20 wt%이다. 또한, 본 발명에 사용되는 바인더 조성물에 포함되는 수분량은, 바람직하게는 1000 ppm 미만이고, 보다 바람직하게는 500 ppm 미만이며, 더욱 바람직하게는 100 ppm 미만이다.
(유기 용매)
용매 교환에 사용할 수 있는 유기 용매로는, 비점이 100℃ 이상인 유기 용매를 들 수 있다. 비점이 100℃ 이상인 유기 용매로는, 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소류; 시클로펜틸메틸에테르 등의 에테르류; 아세트산부틸 등의 에스테르류가 바람직하고, 자일렌이 보다 바람직하다. 한편, 이들 용매는, 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
(전고체 이차 전지)
본 발명의 전고체 이차 전지는, 정극 활물질층을 갖는 정극과, 부극 활물질층을 갖는 부극과, 이들 정부극 활물질층 사이에 고체 전해질층을 갖고, 또한, 상기 전고체 이차 전지용 바인더를 정극, 부극 및 고체 전해질층 중의 적어도 1개에 포함하여 이루어진다. 정극은 집전체 상에 정극 활물질층을 갖고, 부극은 집전체 상에 부극 활물질층을 갖는다. 이하에 있어서, (1) 고체 전해질층, (2) 정극 활물질층, (3) 부극 활물질층의 순서로 설명한다.
(1) 고체 전해질층
본 발명에 사용하는 고체 전해질층은, 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 함유하는 전고체 이차 전지용 바인더를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 고체 전해질층은, 고체 전해질 입자 및 고체 전해질층용 바인더를 포함하는 고체 전해질층용 슬러리 조성물을, 후술하는 정극 활물질층 또는 부극 활물질층 상에 도포하고, 건조함으로써 형성된다. 고체 전해질층용 슬러리 조성물은, 고체 전해질 입자, 고체 전해질층용 바인더, 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분을 혼합함으로써 제조된다.
여기서, 상기 고체 전해질층용 바인더로서, 본 발명의 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.
(고체 전해질 입자)
고체 전해질은, 입자상으로 사용한다. 고체 전해질 입자는, 분쇄 공정을 거친 것을 사용하기 때문에, 완전한 구형은 아니고 부정형이다. 일반적으로 미립자의 크기는, 레이저광을 입자에 조사하여 산란광을 측정하는 방법 등에 의해 측정되는데, 이 경우의 입자경은 1개의 입자로서는 형상을 구형이라고 가정한 값이다. 복수의 입자를 합쳐서 측정한 경우, 상당하는 입자경의 입자의 존재 비율을 입도 분포로서 나타낼 수 있다. 고체 전해질층을 형성하는 고체 전해질 입자는, 이 방법으로 측정한 값으로, 평균 입자경으로서 나타내어지는 경우가 많다.
고체 전해질층에 있어서, 이온 전도의 저항을 작게 하는 것이, 전지 성능의 향상에 유효하다. 고체 전해질층의 이온 전도 저항은 고체 전해질 입자의 입자경에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 고체 전해질 입자 내부의 이온 이동 저항은 입자간의 이동 저항보다 작다. 그 때문에, 고체 전해질 입자의 평균 입자경이 소정값 이하이면, 전해질층 내부의 공극이 커지는 결과, 이온의 이동 저항값이 커진다는 현상을 억제할 수 있다. 또한, 평균 입자경이 소정값 이상이면, 입자간 저항이 지나치게 커지거나, 고체 전해질층용 슬러리 조성물의 점도가 높아지는 결과, 고체 전해질층의 두께 제어가 어려워진다는 과제를 회피할 수 있다. 이에, 평균 입자경을 적절한 범위로 할 필요가 있는데, 평균 입자경뿐만 아니라, 입자경의 분포 상태도 특정한 범위로 제어함으로써 전지 성능이 향상된다.
고체 전해질 입자의 평균 입자경은, 바람직하게는 0.1~10 μm이다. 고체 전해질 입자의 평균 입자경이 상기 범위에 있음으로써, 분산성 및 도공성이 양호한 고체 전해질층용 슬러리 조성물을 얻을 수 있다.
고체 전해질 입자는, 리튬 이온의 전도성을 갖고 있으면 특별히 한정되지 않지만, 결정성의 무기 리튬 이온 전도체, 또는 비정성의 무기 리튬 이온 전도체를 포함하는 것이 바람직하다.
결정성의 무기 리튬 이온 전도체로는, Li3N, LISICON(Li14Zn(GeO4)4), 페로브스카이트형 Li0.5La0.5TiO3, LIPON(Li3+yPO4-xNx), Thio-LISICON(Li3.25Ge0.25P0.75S4) 등을 들 수 있다.
비정성의 무기 리튬 이온 전도체로는, S(황 원자)를 함유하고, 또한, 이온 전도성을 갖는 것(황화물 고체 전해 입자)이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 여기서, 본 발명에 있어서의 전고체 이차 전지가, 전고체 리튬 이차 전지인 경우, 사용되는 황화물 고체 전해질 재료로서, Li2S와, 제13족~제15족의 원소의 황화물을 함유하는 원료 조성물을 사용하여 이루어지는 것을 들 수 있다. 이러한 원료 조성물을 사용하여 황화물 고체 전해질 재료를 합성하는 방법으로는, 예를 들어 비정질화법을 들 수 있다. 비정질화법으로는, 예를 들어, 메카니컬 밀링법 및 용융 급랭법을 들 수 있고, 그 중에서도 메카니컬 밀링법이 바람직하다. 메카니컬 밀링법에 의하면, 상온에서의 처리가 가능하게 되어, 제조 공정의 간략화를 도모할 수 있기 때문이다.
상기 제13족~제15족의 원소로는, 예를 들어 Al, Si, Ge, P, As, Sb 등을 들 수 있다. 또한, 제13족~제15족의 원소의 황화물로는, 구체적으로는, Al2S3, SiS2, GeS2, P2S3, P2S5, As2S3, Sb2S3 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 본 발명에 있어서는, 제14족 또는 제15족의 황화물을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에 있어서는, Li2S와, 제13족~제15족의 원소의 황화물을 함유하는 원료 조성물을 사용하여 이루어지는 황화물 고체 전해질 재료는, Li2S-P2S5 재료, Li2S-SiS2 재료, Li2S-GeS2 재료 또는 Li2S-Al2S3 재료인 것이 바람직하고, Li2S-P2S5 재료인 것이 보다 바람직하다. 이들은, Li 이온 전도성이 우수하기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서의 황화물 고체 전해질 재료는, 가교 황을 갖는 것이 바람직하다. 가교 황을 가짐으로써, 이온 전도성이 높아지기 때문이다. 또한, 황화물 고체 전해질 재료가 가교 황을 갖는 경우, 통상 정극 활물질과의 반응성이 높아, 고저항층이 생기기 쉽다. 한편, 「가교 황을 갖는」 것은, 예를 들어, 라만 분광 스펙트럼에 의한 측정 결과, 원료 조성비, NMR에 의한 측정 결과 등을 고려하는 것으로도 판단할 수 있다.
Li2S-P2S5 재료 또는 Li2S-Al2S3 재료에 있어서의 Li2S의 몰분율은, 보다 확실하게 가교 황을 갖는 황화물 고체 전해질 재료를 얻을 수 있는 관점에서, 예를 들어 50~74%의 범위 내, 그 중에서도 60~74%의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서의 황화물 고체 전해질 재료는, 황화물 유리여도 되고, 그 황화물 유리를 열처리하여 얻어지는 결정화 황화물 유리여도 된다. 황화물 유리는, 예를 들어, 상술한 비정질화법에 의해 얻을 수 있다. 결정화 황화물 유리는, 예를 들어, 황화물 유리를 열처리함으로써 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서는, 황화물 고체 전해질 재료가, Li7P3S11로 나타내어지는 결정화 황화물 유리인 것이 바람직하다. Li 이온 전도도가 특히 우수하기 때문이다. Li7P3S11을 합성하는 방법으로는, 예를 들어, Li2S 및 P2S5를 몰비 70:30으로 혼합하고, 볼 밀로 비정질화함으로써 황화물 유리를 합성하고, 얻어진 황화물 유리를 150℃~360℃에서 열처리함으로써, Li7P3S11을 합성할 수 있다.
(유기 용매)
고체 전해질층용 슬러리 조성물을 제조하기 위한 유기 용매로는, 상기한 용매 교환에 사용할 수 있는 유기 용매로서 예시한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
고체 전해질층용 슬러리 조성물 중의 유기 용매의 함유량은, 고체 전해질층용 슬러리 조성물 중의 고체 전해질 입자의 분산성을 유지하면서, 양호한 도료 특성을 얻을 수 있는 관점에서, 고체 전해질 입자 100 질량부에 대하여, 바람직하게는 10~700 질량부, 보다 바람직하게는 30~500 질량부이다.
고체 전해질층용 슬러리 조성물은, 상기 성분 외에, 필요에 따라 첨가되는 다른 성분으로서, 분산제, 레벨링제 및 소포제의 기능을 갖는 성분을 포함하고 있어도 된다. 이들 성분은, 전지 반응에 영향을 미치지 않는 것이면, 특별히 제한되지 않는다.
(분산제)
분산제로는 음이온성 화합물, 양이온성 화합물, 비이온성 화합물, 고분자 화합물이 예시된다. 분산제는, 사용하는 고체 전해질 입자에 따라 선택된다. 고체 전해질층용 슬러리 조성물 중의 분산제의 함유량은, 전지 특성에 영향이 미치지 않는 범위가 바람직하고, 구체적으로는, 고체 전해질 입자 100 질량부에 대하여 10 질량부 이하이다.
(레벨링제)
레벨링제로는 알킬계 계면 활성제, 실리콘계 계면 활성제, 불소계 계면 활성제, 금속계 계면 활성제 등의 계면 활성제를 들 수 있다. 상기 계면 활성제를 혼합함으로써, 고체 전해질층용 슬러리 조성물을 후술하는 정극 활물질층 또는 부극 활물질층의 표면에 도공할 때에 발생하는 크레이터링을 방지할 수 있어, 정부극의 평활성을 향상시킬 수 있다. 고체 전해질층용 슬러리 조성물 중의 레벨링제의 함유량은, 전지 특성에 영향이 미치지 않는 범위가 바람직하고, 구체적으로는, 고체 전해질 입자 100 질량부에 대하여 10 질량부 이하이다.
(소포제)
소포제로는 미네랄 오일계 소포제, 실리콘계 소포제, 폴리머계 소포제가 예시된다. 소포제는, 사용하는 고체 전해질 입자에 따라 선택된다. 고체 전해질층용 슬러리 조성물 중의 소포제의 함유량은, 전지 특성에 영향이 미치지 않는 범위가 바람직하고, 구체적으로는, 고체 전해질 입자 100 질량부에 대하여 10 질량부 이하이다.
(2) 정극 활물질층
정극 활물질층은, 정극 활물질, 고체 전해질 입자 및 정극용 바인더를 포함하는 정극 활물질층용 슬러리 조성물을 후술하는 집전체 표면에 도포하고, 건조함으로써 형성된다. 정극 활물질층용 슬러리 조성물은, 정극 활물질, 고체 전해질 입자, 정극용 바인더, 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분을 혼합함으로써 제조된다.
(정극 활물질)
정극 활물질은, 리튬 이온을 흡장 및 방출 가능한 화합물이다. 정극 활물질은, 무기 화합물로 이루어지는 것과 유기 화합물로 이루어지는 것으로 대별된다.
무기 화합물로 이루어지는 정극 활물질로는, 전이 금속 산화물, 리튬과 전이 금속의 복합 산화물, 전이 금속 황화물 등을 들 수 있다. 상기의 전이 금속으로는, Fe, Co, Ni, Mn 등이 사용된다. 정극 활물질에 사용되는 무기 화합물의 구체예로는, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiFeVO4 등의 리튬 함유 복합 금속 산화물; TiS2, TiS3, 비정질 MoS2 등의 전이 금속 황화물; Cu2V2O3, 비정질 V2O-P2O5, MoO3, V2O5, V6O13 등의 전이 금속 산화물을 들 수 있다. 이들 화합물은, 부분적으로 원소 치환한 것이어도 된다.
유기 화합물로 이루어지는 정극 활물질로는, 예를 들어, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아센, 디술파이드계 화합물, 폴리술파이드계 화합물, N-플루오로피리디늄염 등을 들 수 있다. 정극 활물질은, 상기의 무기 화합물과 유기 화합물의 혼합물이어도 된다.
본 발명에서 사용하는 정극 활물질의 평균 입자경은, 부하 특성, 사이클 특성 등의 전지 특성의 향상의 관점, 또한 충방전 용량이 큰 전고체 이차 전지를 얻을 수 있고, 또한 정극 활물질층용 슬러리 조성물의 취급, 및 정극을 제조할 때의 취급이 용이한 관점에서, 통상 0.1~50 μm, 바람직하게는 1~20 μm이다. 평균 입자경은, 레이저 회절로 입도 분포를 측정함으로써 구할 수 있다.
(고체 전해질 입자)
고체 전해질 입자는, 고체 전해질층에 있어서 예시한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
정극 활물질과 고체 전해질 입자의 중량 비율은, 바람직하게는 정극 활물질:고체 전해질 입자 = 90:10~50:50, 보다 바람직하게는 정극 활물질:고체 전해질 입자 = 60:40~80:20이다. 정극 활물질의 중량 비율이 이 범위이면, 정극 활물질의 중량 비율이 지나치게 적기 때문에, 전지 내의 정극 활물질량이 저감되는 결과, 전지로서의 용량 저하로 이어지는 현상을 억제할 수 있다. 또한, 고체 전해질 입자의 중량 비율이 이 범위이면, 고체 전해질 입자의 중량 비율이 지나치게 적기 때문에, 도전성이 충분히 얻어지지 않아 정극 활물질을 유효하게 이용할 수 없는 결과, 전지로서의 용량 저하로 이어지는 현상을 억제할 수 있다.
(정극용 바인더)
정극용 바인더로는, 특별히 제한되지 않지만, 본 발명의 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.
정극 활물질층용 슬러리 조성물 중의 정극용 바인더의 함유량은, 전지 반응을 저해하지 않고, 전극으로부터 정극 활물질이 탈락하는 것을 방지할 수 있는 관점에서, 정극 활물질 100 질량부에 대하여, 바람직하게는 0.1~5 질량부, 보다 바람직하게는 0.2~4 질량부이다.
정극 활물질층용 슬러리 조성물 중의 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분은, 상기의 고체 전해질층에서 예시하는 것과 동일한 것을 사용할 수 있다. 정극 활물질층용 슬러리 조성물 중의 유기 용매의 함유량은, 고체 전해질의 분산성을 유지하면서, 양호한 도료 특성을 얻을 수 있는 관점에서, 정극 활물질 100 질량부에 대하여, 바람직하게는 20~80 질량부, 보다 바람직하게는 30~70 질량부이다.
정극 활물질층용 슬러리 조성물은, 상기 성분 외에, 필요에 따라 첨가되는 다른 성분으로서, 도전제, 보강재 등의 각종 기능을 발현하는 첨가제를 포함하고 있어도 된다. 이들은 전지 반응에 영향을 미치지 않는 것이면 특별히 한정되지 않는다.
(도전제)
도전제는, 도전성을 부여할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않지만, 통상, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 흑연 등의 탄소 분말, 각종 금속의 파이버나 박 등을 들 수 있다.
(보강재)
보강재로는, 각종 무기 및 유기의 구상, 판상, 봉상 또는 섬유상의 필러를 사용할 수 있다.
(3) 부극 활물질층
부극 활물질층은, 부극 활물질을 포함한다.
(부극 활물질)
부극 활물질로는, 그라파이트나 코크스 등의 탄소의 동소체를 들 수 있다. 상기 탄소의 동소체로 이루어지는 부극 활물질은, 금속, 금속염, 산화물 등과의 혼합체나 피복체의 형태로 이용할 수도 있다. 또한, 부극 활물질로는, 규소, 주석, 아연, 망간, 철, 니켈 등의 산화물이나 황산염, 금속 리튬, Li-Al, Li-Bi-Cd, Li-Sn-Cd 등의 리튬 합금, 리튬 전이 금속 질화물, 실리콘 등을 사용할 수 있다. 금속 재료의 경우에는 금속박 또는 금속판을 그대로 전극으로서 사용할 수 있으나, 입자상이어도 된다.
이 경우, 부극 활물질층은, 부극 활물질, 고체 전해질 입자 및 부극용 바인더를 포함하는 부극 활물질층용 슬러리 조성물을 후술하는 집전체 표면에 도포하고, 건조함으로써 형성된다. 부극 활물질층용 슬러리 조성물은, 부극 활물질, 고체 전해질 입자, 부극용 바인더, 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분을 혼합함으로써 제조된다. 한편, 부극 활물질층용 슬러리 조성물 중의 고체 전해질 입자, 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분은, 상기의 정극 활물질층에서 예시하는 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
부극 활물질이 입자상인 경우, 부극 활물질의 평균 입자경은, 초기 효율, 부하 특성, 사이클 특성 등의 전지 특성의 향상의 관점에서, 통상 1~50 μm, 바람직하게는 15~30 μm이다.
부극 활물질과 고체 전해질 입자의 중량 비율은, 바람직하게는 부극 활물질:고체 전해질 입자 = 90:10~50:50, 보다 바람직하게는 부극 활물질:고체 전해질 입자 = 60:40~80:20이다. 부극 활물질의 중량 비율이 이 범위이면, 부극 활물질의 중량 비율이 지나치게 적기 때문에, 전지 내의 부극 활물질량이 저감되는 결과, 전지로서의 용량 저하로 이어지는 현상을 억제할 수 있다. 또한, 고체 전해질 입자의 중량 비율이 이 범위이면, 고체 전해질 입자의 중량 비율이 지나치게 적기 때문에, 도전성이 충분히 얻어지지 않아 부극 활물질을 유효하게 이용할 수 없는 결과, 전지로서의 용량 저하로 이어지는 현상을 억제할 수 있다.
(부극용 바인더)
부극용 바인더로는, 특별히 제한되지 않지만, 본 발명의 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.
부극 활물질이 입자상인 경우, 부극 활물질층용 슬러리 조성물 중의 부극용 바인더의 함유량은, 전지 반응을 저해하지 않고, 전극으로부터 전극 활물질이 탈락하는 것을 방지할 수 있는 관점에서, 부극 활물질 100 질량부에 대하여, 바람직하게는 0.1~5 질량부, 보다 바람직하게는 0.2~4 질량부이다.
(집전체)
정극 활물질층 및 부극 활물질층의 형성에 사용하는 집전체는, 전기 도전성을 갖고 또한 전기 화학적으로 내구성이 있는 재료이면 특별히 제한되지 않지만, 내열성을 갖는 관점에서, 예를 들어, 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 스테인리스강, 티탄, 탄탈, 금, 백금 등의 금속 재료가 바람직하다. 그 중에서도, 정극용으로는 알루미늄이 특히 바람직하고, 부극용으로는 구리가 특히 바람직하다. 집전체의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 두께 0.001~0.5 mm 정도의 시트상의 것이 바람직하다. 집전체는, 상술한 정·부극 활물질층과의 접착 강도를 높이기 위하여, 미리 조면화 처리하여 사용하는 것이 바람직하다. 조면화 방법으로는, 기계적 연마법, 전해 연마법, 화학 연마법 등을 들 수 있다. 기계적 연마법에 있어서는, 연마제 입자를 고착한 연마포지, 지석, 에머리 버프, 강선 등을 구비한 와이어 브러시 등이 사용된다. 또한, 집전체와 정·부극 활물질층의 접착 강도나 도전성을 높이기 위하여, 집전체 표면에 중간층을 형성해도 된다.
(고체 전해질층용 슬러리 조성물의 제조)
고체 전해질층용 슬러리 조성물은, 상술한 고체 전해질 입자, 고체 전해질층용 바인더, 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분을 혼합하여 얻어진다. 여기서, 고체 전해질층용 바인더로는 본 발명의 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하는 것이 바람직하고, 고체 전해질층용 바인더로서 상기의 바인더 조성물을 첨가하는 것이 바람직하다.
(정극 활물질층용 슬러리 조성물의 제조)
정극 활물질층용 슬러리 조성물은, 상술한 정극 활물질, 고체 전해질 입자, 정극용 바인더, 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분을 혼합하여 얻어진다. 여기서, 정극용 바인더로는 본 발명의 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하는 것이 바람직하고, 정극용 바인더로서 상기의 바인더 조성물을 첨가하는 것이 바람직하다.
(부극 활물질층용 슬러리 조성물의 제조)
부극 활물질층용 슬러리 조성물은, 상술한 부극 활물질, 고체 전해질 입자, 부극용 바인더, 유기 용매 및 필요에 따라 첨가되는 다른 성분을 혼합하여 얻어진다. 여기서, 부극용 바인더로는 본 발명의 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하는 것이 바람직하고, 부극용 바인더로서 상기의 바인더 조성물을 첨가하는 것이 바람직하다.
상기의 슬러리 조성물의 혼합법은 특별히 한정은 되지 않지만, 예를 들어, 교반식, 진탕식, 및 회전식 등의 혼합 장치를 사용한 방법을 들 수 있다. 또한, 호모게나이저, 볼 밀, 비즈 밀, 플래네터리 믹서, 샌드 밀, 롤 밀, 및 유성식 혼련기 등의 분산 혼련 장치를 사용한 방법을 들 수 있고, 고체 전해질 입자의 응집을 억제할 수 있다는 관점에서 플래네터리 믹서, 볼 밀 또는 비즈 밀을 사용한 방법이 바람직하다.
한편, 고체 전해질층용 슬러리 조성물, 정극 활물질층용 슬러리 조성물 및 부극 활물질층용 슬러리 조성물의 제조에 사용할 수 있는 유기 용매로는, 시클로펜탄, 시클로헥산 등의 고리형 지방족 탄화수소류; 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소류; 디메틸에테르, 메틸에틸에테르, 디에틸에테르, 시클로펜틸메틸에테르 등의 에테르류; 아세트산에틸, 아세트산부틸 등의 에스테르류를 들 수 있다. 이들 용매는, 단독 또는 2종 이상을 혼합하여, 건조 속도나 환경상의 관점에서 임의 선택하여 사용할 수 있다.
(전고체 이차 전지의 제조)
본 발명의 전고체 이차 전지에 있어서의 정극은, 상기의 정극 활물질층용 슬러리 조성물을 집전체 상에 도포, 건조하여 정극 활물질층을 형성하여 제조된다. 또한, 본 발명의 전고체 이차 전지에 있어서의 부극은, 금속박을 사용하는 경우에는 그대로 사용할 수 있다. 부극 활물질이 입자상인 경우에는, 상기의 부극 활물질층용 슬러리 조성물을, 정극의 집전체와는 다른 집전체 상에 도포, 건조하여 부극 활물질층을 형성하여 제조된다. 이어서, 형성한 정극 활물질층 또는 부극 활물질층 상에 고체 전해질층용 슬러리 조성물을 도포하고, 건조하여 고체 전해질층을 형성한다. 그리고, 고체 전해질층을 형성하지 않은 전극과, 상기의 고체 전해질층을 형성한 전극을 첩합함으로써, 전고체 이차 전지 소자를 제조한다.
정극 활물질층용 슬러리 조성물 및 부극 활물질층용 슬러리 조성물의 집전체로의 도포 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 닥터 블레이드법, 딥법, 리버스 롤법, 다이렉트 롤법, 그라비아법, 익스트루전법, 브러시 도포 등에 의해 도포된다. 도포하는 양도 특별히 제한되지 않지만, 유기 용매를 제거한 후에 형성되는 활물질층의 두께가 통상 5~300 μm, 바람직하게는 10~250 μm가 되는 정도의 양이다. 건조 방법도 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 온풍, 열풍, 저습풍에 의한 건조, 진공 건조, (원)적외선이나 전자선 등의 조사에 의한 건조를 들 수 있다. 건조 조건은, 통상은 응력 집중이 일어나 활물질층에 균열이 생기거나, 활물질층이 집전체로부터 박리되지 않는 정도의 속도 범위 중에서, 가능한 한 빨리 유기 용매가 휘발되도록 조정한다. 또한, 건조 후의 전극을 프레스함으로써 전극을 안정시켜도 된다. 프레스 방법은, 금형 프레스나 캘린더 프레스 등의 방법을 들 수 있으나, 한정되는 것은 아니다.
건조 온도는, 유기 용매가 충분히 휘발되는 온도에서 행한다. 구체적으로는 정·부극용 바인더의 열분해 없이 양호한 활물질층을 형성하는 것이 가능하게 되는 관점에서, 50~250℃가 바람직하고, 나아가서는 80~200℃가 바람직하다. 건조 시간에 대해서는, 특별히 한정되는 경우는 없지만, 통상 10~60분의 범위에서 행하여진다.
고체 전해질층용 슬러리 조성물을 정극 활물질층 또는 부극 활물질층에 도포하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 상술한 정극 활물질층용 슬러리 조성물 및 부극 활물질층용 슬러리 조성물의 집전체로의 도포 방법과 동일한 방법에 의해 행하여지는데, 박막의 고체 전해질층을 형성할 수 있다는 관점에서 그라비아법이 바람직하다. 도포하는 양도 특별히 제한되지 않지만, 유기 용매를 제거한 후에 형성되는 고체 전해질층의 두께가, 바람직하게는 2~30 μm가 되는 정도의 양이다. 고체 전해질층의 두께가 상기 범위이면, 고체 전해질층의 두께가 지나치게 얇기 때문에 전고체 이차 전지가 쇼트되기 쉬워진다는 현상을 억제할 수 있다. 또한, 고체 전해질층의 두께가 지나치게 두껍기 때문에 전지의 내부 저항이 커진다는 현상을 억제할 수 있다.
건조 방법, 건조 조건 및 건조 온도는, 상술한 정극 활물질층용 슬러리 조성물 및 부극 활물질층용 슬러리 조성물과 동일하다.
또한, 상기의 고체 전해질층을 형성한 전극과 고체 전해질층을 형성하지 않은 전극을 첩합한 적층체를 가압해도 된다. 가압 방법으로는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 평판 프레스, 롤 프레스, CIP(Cold Isostatic Press) 등을 들 수 있다. 가압 프레스하는 압력으로는, 전극과 고체 전해질층의 각 계면에 있어서의 저항, 나아가서는 각 층 내의 입자간의 접촉 저항이 낮아져 양호한 전지 특성을 나타내는 관점에서, 바람직하게는 5~700 MPa, 보다 바람직하게는 7~500 MPa이다. 한편, 프레스에 의해 고체 전해질층 및 활물질층은 압축되어, 프레스 전보다 두께가 얇아지는 경우가 있다. 프레스를 행하는 경우, 본 발명에 있어서의 고체 전해질층 및 활물질층의 두께는, 프레스 후의 두께가 상기 범위에 있으면 된다.
정극 활물질층 또는 부극 활물질층의 어느 쪽에 고체 전해질층용 슬러리 조성물을 도포하는지는 특별히 한정되지 않지만, 사용하는 전극 활물질의 입자경이 큰 쪽의 활물질층에 고체 전해질층용 슬러리 조성물을 도포하는 것이 바람직하다. 전극 활물질의 입자경이 크면, 활물질층 표면에 요철이 형성되기 때문에, 슬러리 조성물을 도포함으로써, 활물질층 표면의 요철을 완화할 수 있다. 그 때문에, 고체 전해질층을 형성한 전극과 고체 전해질층을 형성하지 않은 전극을 첩합하여 적층할 때에, 고체 전해질층과 전극의 접촉 면적이 커져, 계면 저항을 억제할 수 있다.
얻어진 전고체 이차 전지 소자를, 전지 형상에 따라 그 상태 그대로 또는 감기, 접기 등을 하여 전지 용기에 넣고, 봉구하여 전고체 이차 전지가 얻어진다. 또한, 필요에 따라 익스팬드 메탈이나, 퓨즈, PTC 소자 등의 과전류 방지 소자, 리드판 등을 전지 용기에 넣어, 전지 내부의 압력 상승, 과충방전의 방지를 할 수도 있다. 전지의 형상은, 코인형, 버튼형, 시트형, 원통형, 각형, 편평형 등 어느 것이라도 좋다.
실시예
이하에 실시예를 들어 본 발명을 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 의해 조금도 한정되는 것은 아니다. 각 특성은, 이하의 방법에 의해 평가한다. 한편, 본 실시예에 있어서의 「부」 및 「%」는, 특별히 언급이 없는 한, 각각 「질량부」 및 「질량%」이다. 실시예 및 비교예에 있어서 고체 전해질층의 두께의 측정, 입자경 측정 및 전지 특성의 측정은 이하와 같이 행하였다.
<고체 전해질층의 두께 측정>
전고체 이차 전지를 소정 압으로 프레스 후, 마이크로미터를 사용하여 전해질층 막두께를 랜덤으로 5점 계측하고, 그 평균값으로부터 산출하였다.
<입자경 측정>
JIS Z8825-1:2001에 준하여, 레이저 해석 장치(시마즈 제작소사 제조 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치 SALD-3100)에 의해 입자경을 측정하였다.
<전지 특성: 출력 특성>
25℃ 및 60℃의 항온조 내에서, 5셀의 전고체 이차 전지를 0.1 C의 정전류법에 의해 4.3 V까지 충전하고 그 후 0.1 C로 3.0 V까지 방전하여, 0.1 C 방전 용량 a를 구하였다. 그 후 0.1 C로 4.3 V까지 충전하고 그 후 1 C로 3.0 V까지 방전하여 1 C 방전 용량 b를 구하였다. 5셀의 평균값을 측정값으로 하고, 1 C 방전 용량 b와 0.1 C 방전 용량 a의 전기 용량의 비(b/a(%))로 나타내어지는 용량 유지율을 구하였다. 용량 유지율이 높을수록 출력 특성이 우수한 것을 나타낸다.
<전지 특성: 충방전 사이클 특성>
얻어진 전고체 이차 전지를 사용하여, 각각 25℃의 항온조 내에서 1 C의 정전류 정전압 충전법이라는 방식으로, 4.2 V가 될 때까지 정전류로 충전, 그 후 정전압으로 충전하고, 또한 1 C의 정전류로 3.0 V까지 방전하는 충방전 사이클을 행하였다. 충방전 사이클은 10 사이클까지 행하고, 초기 방전 용량에 대한 10 사이클째의 방전 용량의 비를 용량 유지율로서 구하였다. 이 값이 클수록 반복 충방전에 의한 용량 저감이 적은, 즉, 내부 저항이 작은 것에 의해 활물질, 바인더의 열화를 억제할 수 있어, 충방전 사이클 특성이 우수한 것을 나타낸다.
(실시예 1)
<바인더 폴리머의 제조>
교반기 장착 유리 용기에, 에틸아크릴레이트 55 부, 부틸아크릴레이트 40 부, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트(에틸렌옥사이드의 반복 단위는 9) 5 부, 가교제로서의 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 1 부, 유화제로서의 도데실벤젠술폰산나트륨 1 부, 이온 교환수 150 부, 및 중합 개시제로서의 과황산칼륨 0.5 부를 첨가하고, 충분히 교반한 후, 70℃로 가온하여 중합을 개시하였다. 중합 전화율이 96%가 된 시점에서 냉각을 개시하여 반응을 정지시키고, 입자상 폴리머의 수분산액을 얻었다.
이어서, 얻어진 수분산액을 10 wt%의 NaOH 수용액을 사용하여 pH를 7로 조정하였다.
pH를 7로 조정한 폴리머의 수분산액에 대해서는, 미반응 단량체를 제거하기 위하여 가열 감압 처리를 행한 후, 이온 교환수를 첨가하여, 고형분 농도를 30 wt%로 조정하였다. 수평균 입자경은, 380 nm였다.
<바인더 조성물의 제조>
용매를 물로부터 유기 용매로 교환하기 위하여, 고형분 농도를 조정한 폴리머 입자 분산액 100 g에, 자일렌을 500 g 첨가하여 가열 감압 증류를 행하였다. 용매 교환하는 수분산체에 자일렌을 첨가한 단계에서는, 투명한 액체와 백색의 고체가 존재하는 상태였으나, 탈수하여 용매 교환한 계는 전체가 반투명한 액상이 되었다.
<정극 활물질층용 슬러리 조성물의 제조>
정극 활물질로서 코발트산리튬(평균 입자경: 11.5 μm) 100 부와, 고체 전해질 입자로서 Li2S와 P2S5로 이루어지는 황화물 유리(Li2S/P2S5 = 70 mol%/30 mol%, 입자경이 0.1 μm 이상, 1.0 μm 미만인 비율이 35%, 입자경이 1.0 μm 이상, 20 μm 미만인 비율이 65%, 평균 입자경이 2.2 μm) 20 부와, 도전제로서 아세틸렌 블랙 13 부와, 정극용 바인더로서 상술한 바인더 조성물을 고형분 상당으로 2 부를 첨가하고, 또한 유기 용매로서 자일렌으로 고형분 농도 78%로 조정한 후에 플래네터리 믹서로 60분간 혼합하였다. 다시 자일렌으로 고형분 농도 60%로 조정한 후에 10분간 혼합하여 정극 활물질층용 슬러리 조성물을 조제하였다.
<부극 활물질층용 슬러리 조성물의 제조>
부극 활물질로서 그라파이트(평균 입자경: 20 μm) 100 부와, 고체 전해질 입자로서 Li2S와 P2S5로 이루어지는 황화물 유리(Li2S/P2S5 = 70 mol%/30 mol%, 입자경이 0.1 μm 이상, 1.0 μm 미만인 비율이 35%, 입자경이 1.0 μm 이상, 20 μm 미만인 비율이 65%, 평균 입자경이 2.2 μm) 30 부와, 부극용 바인더로서 상술한 바인더 조성물을 고형분 상당으로 2 부를 첨가하고, 또한 유기 용매로서 자일렌을 첨가하여 고형분 농도 60%로 조정한 후에 플래네터리 믹서로 혼합하여 부극 활물질층용 슬러리 조성물을 조제하였다.
<고체 전해질층용 슬러리 조성물의 제조>
고체 전해질 입자로서, Li2S와 P2S5로 이루어지는 황화물 유리(Li2S/P2S5 = 70 mol%/30 mol%, 입자경이 0.1 μm 이상, 1.0 μm 미만인 비율이 35%, 1.0 μm 이상, 20 μm 미만인 비율이 65%, 평균 입자경이 2.2 μm) 100 부와, 평균 입자경이 5.1 μm인 고체 전해질(Li2S와 P2S5로 이루어지는 황화물 유리) 50 부와, 바인더로서 상기에서 얻어진 바인더 조성물을 고형분 상당으로 2 부를 첨가하고, 또한 유기 용매로서 자일렌을 첨가하여 고형분 농도 50%로 조정한 후에 플래네터리 믹서로 혼합하여 고체 전해질층용 슬러리 조성물을 조제하였다.
<전고체 이차 전지의 제조>
두께 12 μm의 알루미늄박을 정극용 집전체로서 사용하고, 집전체 표면에 상기 정극 활물질층용 슬러리 조성물을 도포하고, 건조(80℃, 60분)시켜 두께가 30 μm인 정극 활물질층을 형성하여 정극을 제조하였다. 또한, 두께가 18 μm인 구리박을 부극용 집전체로서 사용하고, 집전체 표면에 상기 부극 활물질층용 슬러리 조성물을 도포하고, 건조(80℃, 60분)시켜 두께가 23 μm인 부극 활물질층을 형성하여 부극을 제조하였다.
이어서, 상기 정극 활물질층의 표면에 상기 고체 전해질층용 슬러리 조성물을 도포하고, 건조(80℃, 60분)시켜 두께가 20 μm인 고체 전해질층을 형성하였다.
정극 활물질층의 표면에 적층된 고체 전해질층과, 상기 부극의 부극 활물질층을 첩합하고, 프레스하여 전고체 이차 전지를 얻었다. 프레스 후의 전고체 이차 전지의 두께는 45 μm였다. 이 전지를 사용하여 출력 특성 및 충방전 사이클 특성을 평가하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 2)
바인더 폴리머의 제조에 있어서, 에틸아크릴레이트의 양을 45 부, 부틸아크릴레이트의 양을 45 부, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트(에틸렌옥사이드의 반복 단위는 9)의 양을 10 부로 각각 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작에 의해 바인더 폴리머의 제조를 행하였다. 또한, 이 바인더 폴리머를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 전고체 이차 전지를 제조하고, 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 3)
바인더 폴리머의 제조에 있어서, 에틸아크릴레이트의 양을 40 부, 부틸아크릴레이트의 양을 44 부로 각각 변경하고, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트의 종류를 에틸렌옥사이드의 반복 단위가 13인 것으로 변경하고, 양을 10 부로 변경한 것, 메톡시디에틸렌글리콜메타크릴레이트를 1 부, 아크릴로니트릴을 5 부 각각 첨가한 것, 및 가교제로서의 에틸렌글리콜디메타크릴레이트를 사용하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작에 의해 바인더 폴리머의 제조를 행하였다. 또한, 이 바인더 폴리머를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 전고체 이차 전지를 제조하고, 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 4)
바인더 폴리머의 제조에 있어서, 에틸아크릴레이트를 사용하지 않고, 부틸아크릴레이트의 양을 30 부로 변경하고, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트의 종류를 에틸렌옥사이드의 반복 단위가 13인 것으로 변경하고, 양을 10 부로 변경한 것, 및 2-에틸헥실아크릴레이트를 39 부, 아크릴로니트릴을 10 부 각각 첨가한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작에 의해 바인더 폴리머의 제조를 행하였다. 또한, 이 바인더 폴리머를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 전고체 이차 전지를 제조하고, 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 5)
바인더 폴리머의 제조에 있어서, 에틸아크릴레이트의 양을 35 부, 부틸아크릴레이트의 양을 40 부로 각각 변경하고, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트의 종류를 에틸렌옥사이드의 반복 단위가 13인 것으로 변경하고, 양을 20 부로 변경한 것, 및 아크릴로니트릴을 5 부 첨가한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작에 의해 바인더 폴리머의 제조를 행하였다. 또한, 이 바인더 폴리머를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 전고체 이차 전지를 제조하고, 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(비교예 1)
바인더 폴리머의 제조에 있어서, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트를 사용하지 않고, 에틸아크릴레이트의 양을 45 부, 부틸아크릴레이트의 양을 50 부로 각각 변경한 것, 메톡시디에틸렌글리콜메타크릴레이트를 5 부 첨가한 것, 및 가교제로서의 에틸렌글리콜디메타크릴레이트를 사용하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작에 의해 바인더 폴리머의 제조를 행하였다. 또한, 이 바인더 폴리머를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 전고체 이차 전지를 제조하고, 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(비교예 2)
바인더 폴리머의 제조에 있어서, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트를 사용하지 않고, 에틸아크릴레이트의 양을 46 부, 부틸아크릴레이트의 양을 50 부로 각각 변경한 것, 및 가교제로서의 에틸렌글리콜디메타크릴레이트를 5 부 첨가한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작에 의해 바인더 폴리머의 제조를 행하였다. 또한, 이 바인더 폴리머를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 전고체 이차 전지를 제조하고, 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(비교예 3)
바인더 폴리머의 제조에 있어서, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트를 사용하지 않고, 에틸아크릴레이트의 양을 45 부, 부틸아크릴레이트의 양을 50 부로 각각 변경한 것, 및 아크릴로니트릴 5 부 및 가교제로서의 에틸렌글리콜디메타크릴레이트를 1 부 첨가한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조작에 의해 바인더 폴리머의 제조를 행하였다. 또한, 이 바인더 폴리머를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 전고체 이차 전지를 제조하고, 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 함유하는 전고체 이차 전지용 바인더를 사용한 전고체 이차 전지의 출력 특성, 충방전 사이클 특성은 양호하며, 특성이 좋은 전지가 얻어진 것이 나타났다.
Claims (4)
- 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 포함하는 단량체 조성물을 중합 또는 공중합하여 이루어지는 바인더 폴리머를 함유하는 전고체 이차 전지용 바인더.
- 제1항에 있어서,
상기 바인더 폴리머는, 상기 바인더 폴리머를 포함하는 수계 분산액의 용매가 유기 용매에 용매 교환되어 이루어지는 바인더 조성물에 의한 것인 전고체 이차 전지용 바인더. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 단량체 조성물은, 상기 폴리알킬렌옥사이드계 모노머를 1~50 wt% 포함하는 전고체 이차 전지용 바인더. - 정극 활물질층을 갖는 정극과, 부극 활물질층을 갖는 부극과, 이들 정부극 활물질층 사이에 고체 전해질층을 갖는 전고체 이차 전지로서, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 전고체 이차 전지용 바인더를 사용하여 이루어지는 전고체 이차 전지.
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