KR20180072944A - Method of manufacturing a solid electrolyte layer and anode composite layer containing a sulfide-based solid electrolyte and all-solid electrolyte cell comprising the same - Google Patents

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도칠훈
박준우
이유진
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a solid electrolyte layer and an anode composite layer comprising a sulfide-based solid electrolyte, and an all-solid battery comprising the same. The method comprises the steps of: preparing a sulfide-based solid electrolyte; manufacturing a slurry comprising the sulfide-based solid electrolyte and a binder; and drying and pressing the slurry to obtain a solid electrolyte layer and an anode composite layer. Accordingly, the binder can be mixed with the sulfide-based solid electrolyte to prevent the solid electrolyte from being broken by repeated shrinkage and expansion.

Description

황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체전지 {Method of manufacturing a solid electrolyte layer and anode composite layer containing a sulfide-based solid electrolyte and all-solid electrolyte cell comprising the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a solid electrolyte layer comprising a sulfide-based solid electrolyte and a method for producing the same, the same}

본 발명은 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 황화물계 고체전해질에 바인더를 혼합하여 고체전해질이 수축 및 팽창 반복에 의해 깨지는 것을 방지할 수 있는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte and a method for producing the same, and more particularly to a method for producing a solid electrolyte layer comprising a sulfide-based solid electrolyte and a binder, The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer containing a sulfide-based solid electrolyte capable of preventing breakage by repetition, and an all solid battery including the same.

이차전지는 주로 모바일기기나 노트북 컴퓨터 등의 소형 분야에 적용되어 왔지만 최근에는 그 적용방향이 중대형 분야로 확장되고 있으며, 주로 에너지저장장치(energy storage system, ESS) 또는 전기자동차 (electric vehicle, EV) 등과 관련하여 고에너지 및 고출력이 요구되는 분야로 확장되고 있다. 이러한 중대형 이차전지의 경우 소형과는 달리 온도, 충격 등과 같은 작동환경이 가혹할 뿐만 아니라 더욱 많은 전지를 사용해야 하기 때문에 우수한 성능이나 적절한 가격과 함께 안전성이 확보될 필요가 있다. 현재 상용화된 대부분의 이차전지는 리튬염을 유기용매에 녹인 유기액체 전해질을 이용하고 있기 때문에 누액을 비롯하여 발화 및 폭발에 대한 잠재적인 위험성을 안고 있다.The secondary battery has been mainly applied to a small-sized field such as a mobile device or a notebook computer. However, recently, the application of the secondary battery has been expanding into a medium- and large-sized field, and an energy storage system (ESS) And the like are being expanded to fields requiring high energy and high output. Unlike a small-sized and medium-sized secondary battery, operating environments such as temperature and impact are not only severe but also require a large number of batteries. Therefore, it is necessary to ensure safety with good performance and reasonable prices. Most commercialized secondary batteries use an organic liquid electrolyte in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, which poses a potential risk of ignition and explosion including leakage.

따라서 최근에는 전고체전지(all-solid-state battery)에 대한 개발이 이루어지고 있는데, 전고체전지는 불연성의 무기 고체전해질을 이용하는 전지로서 종래의 가연성 유기액체 전해질을 사용하는 리튬이차전지에 비해 열적 안정성이 높다는 장점이 있다. 전고체전지는 일반적으로 음극집전체층, 음극전극복합체층, 고체전해질층, 양극전극복합체층 및 양극집전체층의 적층 구조를 가지고 있다. 이러한 전고체전지에 대한 종래기술 중 대량생산에 적합한 공정으로는 '대한민국특허청 등록특허 제10-1506833호 슬러리, 고체 전해질층의 제조방법, 전극 활물질층의 제조 방법 및 전고체 전지의 제조 방법'과 같은 슬러리 도포 방식의 기술이 개발되고 있다.Therefore, all-solid-state batteries are being developed in recent years. Batteries using non-combustible inorganic solid electrolytes as compared with lithium secondary batteries using conventional combustible organic liquid electrolytes have a higher thermal stability Is high. The precharge cell generally has a laminated structure of an anode current collector layer, a cathode electrode composite layer, a solid electrolyte layer, a cathode electrode composite layer, and a cathode collector layer. Examples of suitable processes for mass production of such prior solid-state batteries include 'Slurry, a method for producing a solid electrolyte layer, a method for producing an electrode active material layer, and a method for manufacturing an all-solid battery', Korean Registered Patent No. 10-1506833 A technique of the same slurry application method is being developed.

고체전해질은 산화물계와 황화물계가 있으나 산화물계 고체전해질은 열처리 온도가 400℃ 이상으로 높아서 전극 및 전해질층의 제조 후 열처리가 불가능하므로, 본 발명의 제조방법에서는 종래기술에 기재된 것과 같이 황화물계 고체전해질 재료를 사용한다. 황화물계 고체전해질을 고체전해질의 재료로 할 때, 이온전도도가 높은 재료를 얻기 위해서 열처리 과정이 이루어져야 한다. 따라서 종래기술은 열처리 과정을 통해 제조된 결정질(crystalline) 또는 유리-결정질(glass-ceramic)의 황화물계 고체전해질 재료를 포함하는 슬러리를 준비하는 단계와, 슬러리로 고체전해질층 형성용 코팅피막을 형성하는 코팅단계와, 코팅피막을 건조시킴으로써 고체전해질층을 건조하는 단계를 포함하도록 이루어져 있다.The solid electrolyte has an oxide system and a sulfide system. However, since the oxide-based solid electrolyte has a high heat treatment temperature of 400 ° C or more, and thus the electrode and the electrolyte layer can not be heat-treated after the production, Materials are used. When a sulfide-based solid electrolyte is used as a solid electrolyte material, a heat treatment process must be performed to obtain a material having a high ion conductivity. Accordingly, the prior art processes include preparing a slurry containing a crystalline or glass-ceramic sulfide-based solid electrolyte material prepared through a heat treatment process, and forming a coating film for forming a solid electrolyte layer with the slurry And drying the solid electrolyte layer by drying the coating film.

하지만 이와 같은 고체전해질은 고체전해질 내부로 리튬이온 충전 및 방전이 이루어질 경우 고체전해질이 수축과 팽창을 반복하다가 깨어진다는 문제점이 있다.However, such a solid electrolyte has a problem in that when the lithium ion is charged and discharged into the solid electrolyte, the solid electrolyte repeatedly shrinks and expands and is broken.

대한민국특허청 등록특허 제10-1506833호Korea Intellectual Property Office Registration No. 10-1506833 대한민국특허청 등록특허 제10-1460113호Korea Patent Office Registration No. 10-1460113 대한민국특허청 공개특허 제10-2014-0073400호Korean Patent Application Publication No. 10-2014-0073400

따라서 본 발명의 목적은, 황화물계 고체전해질에 바인더를 혼합하여 고체전해질이 수축 및 팽창 반복에 의해 깨지는 것을 방지할 수 있는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer comprising a sulfide-based solid electrolyte capable of mixing a binder with a sulfide-based solid electrolyte to prevent the solid electrolyte from being broken by shrinkage and expansion repeatedly, and The present invention also provides a solid-state battery comprising the same.

상기한 목적은, 황화물계 고체전해질을 준비하는 단계와; 상기 황화물계 고체전해질 및 바인더를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 슬러리를 건조 및 압착하여 고체전해질층 및 양극복합체층을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법에 의해서 달성된다. The above-mentioned object is achieved by a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a sulfide-based solid electrolyte; Preparing a slurry comprising the sulfide-based solid electrolyte and a binder; And a step of drying and pressing the slurry to obtain a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer. The solid electrolyte layer and the positive electrode composite layer manufacturing method according to the present invention include a sulfide-based solid electrolyte.

여기서, 상기 바인더는, 폴리스티렌(polystyrene), PS-NBR(polystyrene nitrile-butadiene rubber), PMMA-NBR(poly(methacrylate)nitrile-butadiene rubber) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 바인더는 상기 슬러리 전체 100중량% 중 0.1 내지 10중량% 포함되는 것이 바람직하다.Here, the binder is selected from the group consisting of polystyrene, polystyrene nitrile-butadiene rubber (PS-NBR), poly (methacrylate) nitrile-butadiene rubber (PSB), and mixtures thereof, It is preferable that 0.1 to 10 wt% of the total 100 wt% is included.

또한, 상기 슬러리를 건조 및 압착하여 고체전해질층 또는 양극복합체층을 얻는 단계는, 상기 슬러리를 집전체에 도포한 후 건조 및 압착하여 상기 고체전해질층 및 상기 양극복합체층을 얻거나, 또는 상기 슬러리를 건조 및 압착하여 고체전해질층 또는 양극복합체층을 얻는 단계는, 상기 슬러리를 건조하여 다입자 클러스터를 제조하고, 상기 다입자 클러스터를 가열 및 압착을 통해 치밀화하여 펠렛(pellet)으로 제조하여 상기 고체전해질층 및 상기 양극복합체층을 얻는 것이 바람직하다.The step of drying and pressing the slurry to obtain a solid electrolyte layer or a positive electrode composite layer may be performed by applying the slurry to a current collector, followed by drying and pressing to obtain the solid electrolyte layer and the positive electrode composite layer, Drying and pressing to obtain a solid electrolyte layer or a positive electrode composite layer comprises drying the slurry to prepare a multi-particle cluster, and densifying the multi-particle cluster through heating and pressing to produce a pellet, It is preferable to obtain the electrolyte layer and the positive electrode composite layer.

상기 다입자 클러스터는 상기 슬러리를 스프레이(spray) 건조 또는 스터링(stirring) 건조를 통해 입자형태로 제조되며, 상기 슬러리는, 상기 황화물계 고체전해질 및 바인더를 포함하는 고체전해질 슬러리와; 상기 황화물계 고체전해질, 바인더, 도전재 및 양극활물질 포함하는 양극복합체 슬러리를 포함하며, 상기 고체전해질층은 상기 고체전해질 슬러리를 통해 제조되며, 상기 양극복합체층은 상기 양극복합체 슬러리를 통해 제조되는 것이 바람직하다.The multi-particle clusters are prepared in the form of particles through spray drying or stirring and drying of the slurry, the slurry comprising: a solid electrolyte slurry comprising the sulfide-based solid electrolyte and a binder; Wherein the solid electrolyte layer is prepared through the solid electrolyte slurry, and the positive electrode composite layer is produced through the positive electrode composite slurry, wherein the positive electrode composite slurry is prepared by mixing the positive electrode composite slurry and the positive electrode composite slurry, wherein the positive electrode composite slurry contains the sulfide-based solid electrolyte, the binder, the conductive material and the positive electrode active material. desirable.

상기한 목적은 또한, 집전체와; 상기 집전체의 상부에 형성되며, 0.1 내지 10㎛ 사이즈의 비정질, 결정질 또는 비정질-결정질의 황화물계 고체전해질, 바인더, 도전재 및 활물질을 포함하는 양극복합체층과; 상기 양극복합체층의 상부에 적층되며, 0.1 내지 10㎛ 사이즈의 황화물계 고체전해질 및 바인더를 포함하는 고체전해질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체전지에 의해서도 달성된다.The above-described object is also achieved by a method of manufacturing a semiconductor device, A positive electrode composite layer formed on the current collector and including amorphous, crystalline or amorphous-crystalline sulfide-based solid electrolyte having a size of 0.1 to 10 탆, a binder, a conductive material, and an active material; And a solid electrolyte layer stacked on the positive electrode composite layer and including a sulfide-based solid electrolyte having a size of 0.1 to 10 탆 and a binder.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 황화물계 고체전해질에 바인더를 혼합하여 고체전해질이 수축 및 팽창 반복에 의해 깨지는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.According to the above-described constitution of the present invention, a binder is mixed with the sulfide-based solid electrolyte to obtain the effect of preventing the solid electrolyte from being broken by shrinkage and expansion and repetition.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법의 순서도이고,
도 2는 바인더의 종류에 따른 전고체전지의 전지 작동을 나타낸 그래프이고,
도 3은 NCM622 양극재 성형체의 압력에 따른 기공변화를 나타낸 SEM 사진이고,
도 4는 비정질 LSPS 분말의 비정질과 결정화 여부에 따른 입도를 비교분석한 그래프이다.
FIG. 1 is a flowchart of a method for producing a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a graph showing the battery operation of all solid-state batteries according to the kind of the binder,
FIG. 3 is a SEM photograph showing the pore change according to the pressure of the NCM 622 anode molding,
FIG. 4 is a graph comparing the particle size of the amorphous LSPS powder according to amorphous and crystallization.

이하 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체전지를 도면을 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, a solid electrolyte layer including a sulfide-based solid electrolyte according to the present invention, a method for producing the anode composite layer, and a pre-solid battery including the same will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명의 전고체전지는, 집전체와, 집전체의 상부에 형성되며, 0.1 내지 10㎛ 사이즈의 비정질, 결정질 또는 비정질-결정질의 황화물계 고체전해질, 바인더, 도전재 및 활물질을 포함하는 양극복합체층, 양극복합체층의 상부에 적층되며, 0.1 내지 10㎛ 사이즈의 황화물계 고체전해질 및 바인더를 포함하는 고체전해질층을 포함한다. 이 이외에도 음극복합체층 더 포함할 수 있으며, 집전체-양극복합체층-고체전해질층-음극복합체층-집전체로 적층된 집천체를 얻을 수 있다. 여기서 바인더는 폴리스티렌, PS-NBS, PMMA-NBS 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.A secondary battery of the present invention includes a current collector and a positive electrode composite layer formed on the current collector and including amorphous, crystalline or amorphous-crystalline sulfide-based solid electrolyte having a size of 0.1 to 10 탆, a binder, , And a solid electrolyte layer stacked on top of the positive electrode composite layer and including a sulfide-based solid electrolyte having a size of 0.1 to 10 mu m and a binder. In addition, a negative electrode composite layer may be further included, and a collector body laminated with the collector-positive electrode composite layer-solid electrolyte layer-negative electrode composite layer-collector may be obtained. Wherein the binder is selected from the group consisting of polystyrene, PS-NBS, PMMA-NBS and mixtures thereof.

이 중 고체전해질층 및 양극복합체층을 제조하는 방법으로는 도 1에 도시된 바와 같이 먼저, 황화물계 고체전해질을 준비한다(S1).As a method of manufacturing the solid electrolyte layer and the positive electrode composite layer, a sulfide-based solid electrolyte is first prepared as shown in FIG. 1 (S1).

비정질, 결정질 또는 비정질-결정질의 LSPS(Li2S-P2S5) 고체전해질을 준비한다. 고체전해질의 원료인 Li2S, P2S5 분말을 건식 밀링 또는 습식 밀링 방법을 통해 고체전해질을 제조하고, 이를 분쇄를 통해 작은 직경을 갖도록 미분화하는 단계를 거치게 된다. 고체전해질의 원료로부터 고체전해질을 제조하는 방법 및 고체전해질을 분쇄하여 미분화하는 단계는 지르코니아볼(zirconia ball)을 고체전해질과 섞은 후 지르코니아볼을 회전시켜 제조 및 분쇄과정을 거치는 것이 바람직하나 이러한 방법에 한정되지는 않는다.An amorphous, crystalline or amorphous-crystalline LSPS (Li 2 SP 2 S 5 ) solid electrolyte is prepared. A solid electrolyte is prepared by dry milling or wet milling of Li 2 S and P 2 S 5 as raw materials for a solid electrolyte and pulverized to obtain a small diameter. A method for producing a solid electrolyte from a raw material of a solid electrolyte and a step for pulverizing and pulverizing the solid electrolyte to mix the zirconia ball with a solid electrolyte is preferably followed by a manufacturing and grinding process by rotating the zirconia ball. But is not limited to.

여기서 고체전해질은 비정질, 결정질 또는 비정질-결정질을 선택 가능한데, 비정질의 경우 결정질에 비해 작은 직경의 입자로 이루어지기 때문에 고체전해질층을 얇게 제조할 수 있다는 장점이 있으며, 결정질 고체전해질의 경우 비정질에 비해 입자의 직경은 크나 전도도가 우수하다는 장점이 있다. 따라서 전고체전지의 사용 용도에 따라 비정질, 결정질 또는 비정질-결정질 고체전해질을 선택 가능하다.Here, the solid electrolyte can be selected from amorphous, crystalline, or amorphous-crystalline. In the case of amorphous, the solid electrolyte layer has a small diameter because it is made of particles having a diameter smaller than that of the crystalline material. In the case of a crystalline solid electrolyte, The particle diameter is large but the conductivity is excellent. Therefore, an amorphous, crystalline, or amorphous-crystalline solid electrolyte can be selected depending on the use of the whole solid battery.

황화물계 고체전해질을 포함하는 슬러리를 제조한다(S2).To prepare a slurry containing a sulfide-based solid electrolyte (S2).

S1 단계를 통해 얻어진 비정질, 결정질 또는 비정질-결정질의 황화물계 고체전해질과 함께 바인더, 도전재, 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한다. 고체전해질층을 이루게 되는 고체전해질 슬러리의 경우 황화물계 고체전해질, 바인더, 용매로 이루어지며, 양극복합체 슬러리의 경우에는 양극활물질, 황화물계 고체전해질, 바인더, 용매에 도전재를 추가하여 형성할 수 있다. 여기서 양극활물질은 통상의 이차전지에 사용되는 활물질이거나 황화물계 고체전해질과의 화학적 반응성을 줄이기 위해 표면처리된 활물질을 제한없이 사용 가능하다. The slurry is prepared by mixing a binder, a conductive material and a solvent together with the amorphous, crystalline or amorphous-crystalline sulfide-based solid electrolyte obtained through the step S1. In the case of the solid electrolyte slurry constituting the solid electrolyte layer, it is composed of a sulfide-based solid electrolyte, a binder and a solvent. In the case of the anode composite slurry, the anode active material, the sulfide-based solid electrolyte, the binder and the solvent may be added with a conductive material . Here, the cathode active material may be an active material used in an ordinary secondary battery, or may be any surface-treated active material to reduce chemical reactivity with a sulfide-based solid electrolyte.

여기서 바인더는 고체전해질 슬러리 및 양극복합체 슬러리 모두에 적용 가능하며, 이러한 바인더는 폴리아미드이미드(polyamide-imide, PAI), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리아믹산(polyamic acid), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), PEPMNB(poly(ethylene-co-propylene-co-5-methylene-2-norbornene)), 폴리비닐리딘플루라이드(polyviylidene fluoride, PVDF), PVDF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), NBR(nitrile-butadiene rubber), PS-NBR(polystyrene nitrile-butadiene rubber), PMMA-NBR(poly(methacrylate)nitrile-butadiene rubber) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 그 중 폴리스티렌, PS-NBR, PMMA-NBR이 가장 적합한 바인더로 사용된다. 폴리스티렌 또는 PMMA의 경우 비교적 하드한 소재인 데 비해 NBR의 경우에는 소프트한 탄소성체(elastoplastic) 소재이기 때문에 전고체전지의 사용 용도에 따라서 이들을 적절한 비율로 혼합하여 바인더를 형성할 수 있다.The binder may be applied to both the solid electrolyte slurry and the anode composite slurry, and the binder may be a polyamide-imide (PAI), a polyimide (PI), a polyamide (PA), a polyamic polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride (PVDF-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO) butadiene rubber, poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), nitrile-butadiene rubber (NBR), polystyrene nitrile-butadiene rubber (PS-NBR), poly (methacrylate) nitrile- Polystyrene, PS-NBR and PMMA-NBR are used as the most suitable binders, whereas polystyrene or PMMA is a relatively hard material, whereas NBR is a soft elastoplastic material, For use with In some it can be a mixture of these at an appropriate ratio to form a binder.

이러한 바인더는 고체전해질 슬러리 또는 양극복합체 슬러리 전체 100중량% 중 0.1 내지 10중량% 포함되는 것이 바람직하다. 바인더가 0.1중량% 미만일 경우 고체전해질이 리튬이온의 충방전에 의해 수축 및 팽창을 반복하다가 깨질 수 있다. 또한 10중량%를 초과할 경우 바인더의 양에 의해 그 만큼 고체전해질이 첨가되는 양이 감소되며 이로 인해 충방전 성능이 감소한다는 문제점이 있다.Such a binder is preferably contained in an amount of 0.1 to 10% by weight based on 100% by weight of the solid electrolyte slurry or the anode composite slurry. When the binder is less than 0.1% by weight, the solid electrolyte may repeatedly shrink and expand due to charge and discharge of lithium ions, and may break. On the other hand, when the amount is more than 10% by weight, the amount of the solid electrolyte to be added is decreased by the amount of the binder, thereby reducing the charge / discharge performance.

또한 바인더가 용해되며 고체전해질과 바인더가 골고루 혼합되도록 형성되는 용매는 바인더가 용해되는 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 도데카인(dodecane), 부틸부티레이트(butylbutyrate) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.The solvent in which the binder is dissolved and the solid electrolyte and the binder are mixed uniformly is selected from the group consisting of toluene, xylene, dodecane, butylbutyrate and mixtures thereof in which the binder is dissolved But it is not limited thereto.

뿐만 아니라 양극복합체 슬러리에 포함되는 도전재는, 활성탄(active carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소섬유(carbon fiber), 그래핀(graphene), 그라파이드(graphite), 카본블랙(carbon black), 아세틸렌블랙(acetylene black), 케천블랙(ketjen black, KR), super P, 금속나노선, 금속나노분말 및 이의 혼합으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.In addition, the conductive material contained in the anode composite slurry may be an active carbon, a carbon nanotube, a carbon fiber, a graphene, a graphite, a carbon black, , Acetylene black, ketjen black (KR), super P, metal nanowires, metal nano powders, and mixtures thereof.

바인더bookbinder wt%wt% SSESSE 용매menstruum 볼밀링(rpm)Ball milling (rpm) 코팅성Coating property PSPS 1One 자일렌Xylene 150






150






NBRNBR 1One 톨루엔 or
자일렌



Toluene or
Xylene



PS-NBR
(4wt%-6wt%)
PS-NBR
(4wt% -6wt%)
0.50.5
1One 22 PMMA-NBR

PMMA-NBR

0.50.5
22 ×× 0.50.5 PEPMNB


PEPMNB


1One 도데카인


Dodecaine


×


×


22 33 55 PVDF-HFPPVDF-HFP 33 BBRBBR ball-milled pdrball-milled pdr

바인더bookbinder wt%wt% SSESSE 용매menstruum 코팅성Coating property PVDFPVDF 55 ×× NMPNMP PVDF-HFPPVDF-HFP 33 BBRBBR PAIPAI 55 ×× NMP
NMP
PEOPEO 1010 -- PTFEPTFE 22 ×× waterwater -- NBRNBR 1One 톨루엔 or 자일렌





Toluene or xylene





PSPS 1One PS-NBR
(4wt%-6wt%)

PS-NBR
(4wt% -6wt%)

0.50.5
1One 22 PMMA-NBR
PMMA-NBR
0.50.5
22 PEPMNB




PEPMNB




0.50.5 도데카인



Dodecaine



××
1One 22 33 55 33 BBRBBR

표 1은 황화물계 고체전해질(SSE)과 바인더가 혼합된 고체전해질 슬러리의 코팅성을 확인한 표로, 100wt%중 바인더의 함유량을 제외한 잔부는 SSE로 이루어지며 이를 용매와 혼합하여 제조된 슬러리의 코팅성을 확인한 것이다. 표를 통해 확인할 수 있듯이 바인더를 첨가하여도 코팅성에는 영향을 주지 않고 코팅이 원활하게 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 표 2는 고체전해질, 바인더와 함께 NCM622 양극활물질이 포함된 양극복합체 슬러리의 코팅성을 확인해볼 것으로, 표 2 또한 표 1과 마찬가지로 바인더를 첨가하여도 대부분의 바인더는 코팅성에 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.Table 1 shows the coating properties of a solid electrolyte slurry mixed with a sulfide-based solid electrolyte (SSE) and a binder. The balance, except for the content of the binder in 100 wt%, is SSE, . As can be seen from the table, even if the binder is added, it can be confirmed that the coating is smooth without affecting the coating property. Table 2 shows the coating properties of the positive electrode composite slurry containing the NCM 622 positive electrode active material together with the solid electrolyte and the binder. Table 2 As in Table 1, even when the binder is added, most of the binders do not affect the coating properties Can be confirmed.

슬러리를 집전체에 도포한 후 건조 및 압착하여 고체전해질층 또는 양극복합체층을 얻는다(S3).The slurry is applied to the current collector, followed by drying and pressing to obtain a solid electrolyte layer or a positive electrode composite layer (S3).

양극복합체 슬러리를 집전체에 도포한 후 건조 및 압착하여 구조치밀도가 높은 전극복합체층을 형성하고, 양극복합체층의 상부에 고체전해질 슬러리를 도포한 후 압착하여 고체전해질층을 형성한다. 여기서 고체전해질층 및 양극복합체층에 별도의 열처리를 수행하지 않아도 되나 필요에 따라서 50 내지 300℃의 열처리를 수행하여 리튬이온 전도도를 증가시킬 수도 있다.The positive electrode composite slurry is applied to a current collector, dried and compressed to form an electrode composite layer having a high structural density, and a solid electrolyte slurry is coated on the positive electrode composite layer, followed by pressing to form a solid electrolyte layer. Here, the solid electrolyte layer and the positive electrode composite layer need not be subjected to a separate heat treatment, but the lithium ion conductivity may be increased by performing heat treatment at 50 to 300 ° C as needed.

즉 양극복합체 슬러리 또는 고체전해질 슬러리를 도포한 후 건조하는 단계, 밀봉하여 압착-구조치밀화하는 단계, 고체전해질의 이온전도도를 향상시키는 단계를 포함한다. 여기서 슬러리를 도포하는 방법으로는 닥터블레이드(Dr. blade) 방법을 이용하는 것이 바람직하다.That is, applying a positive electrode composite slurry or a solid electrolyte slurry, followed by drying, sealing, compression-structure densification, and improving the ion conductivity of the solid electrolyte. As a method of applying the slurry, it is preferable to use a Dr. blade method.

다입자 클러스터를 압착하여 고체전해질층 또는 양극복합체층을 얻는다(S3').The multi-particle clusters are pressed to obtain a solid electrolyte layer or a positive electrode composite layer (S3 ').

경우에 따라서 슬러리를 집전체에 도포한 후 건조 및 압착하는 방법이 아닌 다입자 클러스터를 제조하는 단계를 수행할 수도 있다. 다입자 클러스터를 스프레이(spray) 건조 또는 스터링(stirring) 건조를 통해 입자형태로 제조하는데, 건조 단계의 경우 50 내지 150℃에서 진공 또는 불활성 분위기에서 작업하는 것이 바람직하다. 그 후에 제조된 클러스터를 가열 및 압착을 통해 치밀화하여 펠렛(pellet) 또는 시트(sheet) 형상으로 제조하는 단계가 이루어질 수 있다. 이때 클러스터의 치밀화는 10 내지 500MPa의 압력으로 압착하여 펠렛을 제조하는 것이 바람직하다. 이러한 펠렛은 별도의 집전체를 준비한 후 집전체에 도포하지 않아도 고체전해질층 또는 양극복합체층을 이룰 수 있다.In some cases, it is possible to carry out a step of preparing a multiparticulate cluster other than a method of applying a slurry to a current collector, followed by drying and pressing. The multiparticulate clusters are prepared in the form of particles by spray drying or stirring drying, and in the case of the drying step it is preferred to work in a vacuum or inert atmosphere at 50-150 ° C. And then the produced clusters may be densified by heating and pressing to produce pellets or sheets. At this time, the densification of the cluster is preferably carried out by pressing at a pressure of 10 to 500 MPa to produce a pellet. Such a pellet can be formed as a solid electrolyte layer or a positive electrode composite layer without preparing a separate current collector and then applying it to the current collector.

이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.

<실시예><Examples>

먼저, 비정질의 LSPS(Li2S-P2S5) 고체전해질을 얻기 위해 Li2S, P2S5 분말을 정량하여 250ml의 볼밀(ball mill) 반응용기에 넣고, 직경 5mm 지르코니아볼(zirconia ball) 200g과 2mm 지르코니아볼 60g을 함께 넣는다. 그 다음 400rpm으로 고에너지 건식 볼밀링(ball milling)을 20시간(net time) 시행하여 LSPS 고체전해질 분말을 얻었다. 이때 반응용기의 지나친 온도 상승을 막기 위해 반응을 30분간 수행한 후 20분간 휴지하는 방식으로 반복하였다.Li 2 S and P 2 S 5 powders were quantitatively measured in order to obtain an amorphous LSPS (Li 2 SP 2 S 5 ) solid electrolyte and placed in a 250 ml ball mill reaction vessel. A 5 mm diameter zirconia ball Put 200g and 60g of 2mm zirconia balls together. Then, LSPS solid electrolyte powder was obtained by performing high energy dry ball milling at 400 rpm for 20 hours (net time). At this time, in order to prevent the excessive rise of the temperature of the reaction vessel, the reaction was performed for 30 minutes and then the reaction was stopped for 20 minutes.

얻어진 비정질 고체전해질의 입자 사이즈를 감소시키기 위해 고체전해질 분쇄과정을 거치게 되는데, 고체전해질 분쇄를 위하여 비정질 고채전해질 2g의 분말을 16ml의 헵탄(heptane), 2g의 디부틸에테르(dibutyl ether), 직경 1mm의 지르코니아 볼 60g, 직경 0.1mm 지르코니아볼 20g을 150rpm에서 10시간 동안 볼밀링하여 비정질 고체전해질 입자를 잘게 분쇄하였다. 이렇게 얻은 비정질 고체전해질 입자 분쇄 분말을 회수한 후 세척, 액체와 분리, 상온 진공건조 및 120℃에서 진공건조를 통해 순수한 비정질 고체전해질 분말을 얻었다.In order to reduce the particle size of the obtained amorphous solid electrolyte, a solid electrolytic pulverization process is performed. In order to pulverize the solid electrolyte, 2 g of the amorphous solid electrolyte is mixed with 16 ml of heptane, 2 g of dibutyl ether, 60 g of zirconia balls and 20 g of a 0.1 mm-diameter zirconia balls were ball-milled at 150 rpm for 10 hours to finely crush the amorphous solid electrolyte particles. The obtained amorphous solid electrolyte powder was recovered, washed, separated with liquid, vacuum dried at room temperature and vacuum dried at 120 ° C to obtain a pure amorphous solid electrolyte powder.

이와 같은 방법으로 제조된 비정질 고체전해질 분말을 이용하여 전고체전지 실험셀을 제조하는 순서는 다음과 같다. 우선 양극복합체층은 LiZrO3 또는 LiNbO3가 ~10nm 두께로 코팅된 LiNi0 .6Mn0 .2Co0 .2O2 양극활물질이고, 고체전해질은 비정질 LSPS이며, 도전재는 super P 또는 VGCF, 바인더는 PS 또는 PS-NBR를 사용하여 이들을 67.2 : 28.8 : 2 : 2 중량비로 자일렌(xylene)에 혼합한 슬러리를 제조한다. The procedure of manufacturing the all-solid-state battery test cell using the amorphous solid electrolyte powder produced in this way is as follows. First, a positive electrode composite layer is LiZrO 3 or LiNbO 3, and the thickness of ~ 10nm LiNi 0 .6 Mn 0 .2 Co 0 .2 O 2 positive active material coated with the solid electrolyte is an amorphous LSPS, super conductive material P or VGCF, binder PS or PS-NBR is used to prepare a slurry in which xylene is mixed at a weight ratio of 67.2: 28.8: 2: 2.

그 다음 슬러리를 알루미늄 집전체에 도포하고 건조한 후 압착하여 양극복합체층을 제조하였다. 이어 고체전해질층은 양극복합체층의 상부에서 비정질 LSPS와 바인더가 분산된 슬러리를 도포하고 80℃에서 12시간 진공건조하여 제조하였다. 이렇게 제조된 양극복합체층/고체전해질층을 동시에 200 내지 350MPa의 압력으로 압착한 후, 인듐 상대전극으로 하여 실험셀을 제조하였다. 실험셀은 양극복합체층/고체전해질층/인듐(In)대극으로 이루어지며, 상세하게는 LSPS 황화물계 고체전해질, LiZrO2-coated NCM622, 바인더를 포함하는 양극복합체층/Li2S-P2S5 황화물계 고체전해질과 바인더를 포함하는 고체전해질층/인듐대극으로 된 실험셀이다. 여기서 황화물계 고체전해질은 LSPS(80Li2S-20P2S5, 75Li2S-25P2S5 등, 예를 들어 Li7P3S11)의 비정질 고체전해질이며, 0.1 내지 10㎛의 입자사이즈를 가지는 것이 바람직하다. 이때 상대전극인 인듐대극 대신 흑연 같은 리튬이온전지용 음극활물질을 이용하여 양극복합체와 동일한 방식으로 고체전해질과 혼합하여 제조된 음극복합체층이나 인듐/리튬 리튬금속합금전극을 사용함으로써 전고체전지를 제조할 수 있다.The slurry was then applied to an aluminum current collector, dried and compressed to produce a positive electrode composite layer. Then, the solid electrolyte layer was prepared by applying a slurry in which amorphous LSPS and binder were dispersed at the upper part of the positive electrode composite layer, followed by vacuum drying at 80 DEG C for 12 hours. The thus prepared positive electrode composite layer / solid electrolyte layer was simultaneously pressed at a pressure of 200 to 350 MPa, and then an experimental cell was prepared as an indium counter electrode. The test cell is composed of a positive electrode composite layer / solid electrolyte layer / indium (In) counter electrode, and specifically, a positive electrode composite layer / Li 2 SP 2 S 5 containing LSPS sulfide solid electrolyte, LiZrO 2 -coated NCM 622 , It is an experimental cell composed of a solid electrolyte layer / indium counter electrode including a sulfide-based solid electrolyte and a binder. Here, the sulfide-based solid electrolyte is an amorphous solid electrolyte of LSPS (80Li 2 S-20P 2 S 5 , 75Li 2 S-25P 2 S 5, etc., for example, Li 7 P 3 S 11 ) . At this time, all solid-state batteries are manufactured by using a negative electrode composite layer or an indium / lithium-lithium metal alloy electrode prepared by mixing a negative electrode active material for a lithium-ion battery such as graphite in place of the indium counter electrode as a counter electrode with a solid electrolyte in the same manner as the positive electrode composite .

도 2는 바인더의 종류에 따른 전고체전지의 전지 작동을 나타낸 그래프로, 바인더를 첨가하여 양극복합체층 및 고체전해질층을 제조하더라도 충방전 성능에는 이상이 없는 것을 확인할 수 있다.FIG. 2 is a graph showing the battery operation of all solid-state batteries according to the types of binders. It can be confirmed that even when a positive electrode composite layer and a solid electrolyte layer are produced by adding a binder, there is no abnormality in charging / discharging performance.

도 3은 NCM622 양극재 성형체의 압력에 따른 기공변화를 나타낸 SEM 사진으로, 도 3a 및 b는 비정질 고체전해질을 나타낸 것이며 도 3a-1 및 b-1은 결정질 고체전해질을 나타낸 것이다. 225MPa 압력의 경우 기공이 다소 많이 분포되어 있으며 이들 양극재 입자와 입자 사이의 기공은 고체전해질, 도전재, 바인더가 존재할 수 있는 공간이다. 450MPa 압력인 경우 양극재 입자들 사이에 존재하는 기공이 좁고 그 양이 상당히 줄어들어 고채전해질, 도전재, 바인더가 얇게 존재할 수 있는 공간이 형성된다.FIG. 3 is a SEM photograph showing the pore change according to the pressure of the NCM 622 positive electrode mold-formed body. FIGS. 3a and 3b show amorphous solid electrolytes, and FIGS. 3a-1 and b-1 show crystalline solid electrolytes. At 225 MPa pressure, the pores are distributed a little more and the pores between the cathode material and the particles are the space where the solid electrolyte, the conductive material and the binder can exist. When the pressure is 450 MPa, the pores existing between the cathode material particles are narrow and the amount thereof is considerably reduced, thereby forming a space in which the cathode material, the conductive material, and the binder are thinly present.

도 4는 습식 볼밀 반응으로 제조된 비정질 LSPS 분말과 이의 결정질 분말을 디부틸에테르(dibutyl ether)와 헵탄의 혼합용매에 재분산하여 비정질과 결정질 여부에 따른 입도를 비교분석한 그래프이다. 이를 통해 비정질 LSPS 분말의 경우 주로 0.1 내지 10㎛ 입자 사이즈를 가져 결정질 LPSI 분말에 비해 사이즈가 작은 것을 확인할 수 있다.FIG. 4 is a graph comparing the particle size of amorphous LSPS powders prepared by a wet ball milling reaction and their crystalline powders in a mixed solvent of dibutyl ether and heptane to determine amorphous and crystalline states. As a result, it can be confirmed that the amorphous LSPS powder has a particle size of 0.1 to 10 mu m, which is smaller than that of the crystalline LPSI powder.

LSPS의 결정상태Crystalline state of LSPS d(0.1)d (0.1) d(0.5)d (0.5) d(0.9)d (0.9) 결정질(~10-3S/cm) LSPS 밀링 후Crystalline (~ 10-3 S / cm) after LSPS milling 19.817㎛19.817 m 25.393㎛25.393 탆 30.452㎛30.452 탆 비정질(~10-3S/cm) LSPS 밀링 후Amorphous (~ 10-3 S / cm) after LSPS milling 0.702㎛0.702 탆 3.349㎛3.349 탆 5.979㎛5.979 탆

도 4의 수치를 나타낸 표 3은 특히 결정질과 비정질의 LSPS를 비교해보면 리튬이온 전도도에 있어서 각각 1order 정도 차이가 날뿐만 아니라 입자분쇄공정인 밀링 후 입도 역시 상당히 큰 차이를 볼 수 있다. 예를 들어 d(0.5) 입도는 결정질과 비정질이 8배 가량 차이가 난다. 따라서 고체전해질층 및 양극복합체층을 제조함에 있어서, 결정질 또는 비정질-결정질의 고체전해질보다는 입도가 작은 비정질의 고체전해질을 사용하는 것이 균일한 혼합 전극을 얻는데 유리하다. 또한 입도가 작은 비정질 입자는 고체전해질층이나 전극복합체층을 압착할 때에도 공극을 최소화하고 고체전해질층이나 전극복합체층의 구성물질 간의 접촉을 최대화하는 데 도움이 된다.Table 3 shows that the LSPS of crystalline and amorphous materials differ not only in the degree of lithium ion conductivity but also in the particle size after the milling process. For example, the d (0.5) grain size is about eight times as great as that of crystalline and amorphous. Therefore, in producing the solid electrolyte layer and the positive electrode composite layer, it is advantageous to use an amorphous solid electrolyte having a smaller particle size than a crystalline or amorphous-crystalline solid electrolyte to obtain a uniform mixed electrode. The amorphous particles having a small particle size also minimize pores when pressing the solid electrolyte layer or the electrode composite layer and help maximize the contact between the solid electrolyte layer and the constituent materials of the electrode composite layer.

이와 같은 방법으로 고체전해질층 및 양극복합체층을 제조하고 이를 전고체전지에 적용할 경우 황화물계 고체전해질에 바인더를 혼합하여 고체전해질이 수축 및 팽창 반복에 의해 깨지는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.When a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer are manufactured by applying the same to a full solid battery, a binder is mixed with a sulfide-based solid electrolyte to prevent the solid electrolyte from being broken by shrinkage and expansion repeatedly have.

Claims (8)

황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법에 있어서,
황화물계 고체전해질을 준비하는 단계와;
상기 황화물계 고체전해질 및 바인더를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계와;
상기 슬러리를 건조 및 압착하여 고체전해질층 및 양극복합체층을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법.
A solid electrolyte layer comprising a sulfide-based solid electrolyte and a method for producing a positive electrode composite layer,
Preparing a sulfide-based solid electrolyte;
Preparing a slurry comprising the sulfide-based solid electrolyte and a binder;
And drying and pressing the slurry to obtain a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer. The method for producing a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer according to claim 1,
제 1항에 있어서,
상기 바인더는, 폴리스티렌(polystyrene, PS), PS-NBR(polystyrene nitrile-butadiene rubber), PMMA-NBR(poly(methacrylate)nitrile-butadiene rubber) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the binder is selected from the group consisting of polystyrene (PS), polystyrene nitrile-butadiene rubber (PS-NBR), poly (methacrylate) nitrile-butadiene rubber A solid electrolyte layer comprising a solid electrolyte and a method for producing a positive electrode composite layer.
제 1항에 있어서,
상기 바인더는 상기 슬러리 전체 100중량% 중 0.1 내지 10중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the binder comprises 0.1 to 10% by weight of 100% by weight of the whole slurry.
제 1항에 있어서,
상기 슬러리를 건조 및 압착하여 고체전해질층 또는 양극복합체층을 얻는 단계는, 상기 슬러리를 집전체에 도포한 후 건조 및 압착하여 상기 고체전해질층 또는 상기 양극복합체층을 얻는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of drying and compressing the slurry to obtain a solid electrolyte layer or a positive electrode composite layer comprises applying the slurry to a current collector, followed by drying and pressing to obtain the solid electrolyte layer or the positive electrode composite layer A method for producing a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer containing an electrolyte.
제 1항에 있어서,
상기 슬러리를 건조 및 압착하여 고체전해질층 또는 양극복합체층을 얻는 단계는, 상기 슬러리를 건조하여 다입자 클러스터를 제조하고, 상기 다입자 클러스터를 가열 및 압착을 통해 치밀화하여 펠렛(pellet) 또는 시트(sheet) 형상으로 제조하여 상기 고체전해질층 또는 상기 양극복합체층을 얻는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of drying and pressing the slurry to obtain a solid electrolyte layer or a positive electrode composite layer may include drying the slurry to prepare a multi-particle cluster, densifying the multi-particle cluster through heating and pressing to form a pellet or a sheet wherein the solid electrolyte layer or the positive electrode composite layer is produced in the form of a sheet and a solid electrolyte layer and a positive electrode composite layer.
제 5항에 있어서,
상기 다입자 클러스터는 상기 슬러리를 스프레이(spray) 건조 또는 스터링(stirring) 건조를 통해 입자형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the multi-particle clusters are prepared in the form of particles through spray drying or stirring and drying of the slurry.
제 1항에 있어서,
상기 슬러리는,
상기 황화물계 고체전해질 및 바인더를 포함하는 고체전해질 슬러리와;
상기 황화물계 고체전해질, 바인더, 도전재 및 양극활물질 포함하는 양극복합체 슬러리를 포함하며,
상기 고체전해질층은 상기 고체전해질 슬러리를 통해 제조되며, 상기 양극복합체층은 상기 양극복합체 슬러리를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질층 및 양극복합체층 제조방법.
The method according to claim 1,
The slurry,
A solid electrolyte slurry comprising the sulfide-based solid electrolyte and a binder;
And a positive electrode composite slurry including the sulfide-based solid electrolyte, a binder, a conductive material, and a positive electrode active material,
Wherein the solid electrolyte layer is produced through the solid electrolyte slurry and the positive electrode composite layer is produced through the positive electrode composite slurry.
전고체전지에 있어서,
집전체와;
상기 집전체의 상부에 형성되며, 0.1 내지 10㎛ 사이즈의 비정질, 결정질 또는 비정질-결정질의 황화물계 고체전해질, 바인더, 도전재 및 활물질을 포함하는 양극복합체층과;
상기 양극복합체층의 상부에 적층되며, 0.1 내지 10㎛ 사이즈의 황화물계 고체전해질 및 바인더를 포함하는 고체전해질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체전지.
In all solid state batteries,
The whole house;
A positive electrode composite layer formed on the current collector and including amorphous, crystalline or amorphous-crystalline sulfide-based solid electrolyte having a size of 0.1 to 10 탆, a binder, a conductive material, and an active material;
And a solid electrolyte layer stacked on the positive electrode composite layer and including a sulfide-based solid electrolyte having a size of 0.1 to 10 탆 and a binder.
KR1020160176241A 2016-12-22 2016-12-22 Method of manufacturing a solid electrolyte layer and anode composite layer containing a sulfide-based solid electrolyte and all-solid electrolyte cell comprising the same KR20180072944A (en)

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