KR20190013424A - Lithium secondary battery - Google Patents

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KR20190013424A
KR20190013424A KR1020180002971A KR20180002971A KR20190013424A KR 20190013424 A KR20190013424 A KR 20190013424A KR 1020180002971 A KR1020180002971 A KR 1020180002971A KR 20180002971 A KR20180002971 A KR 20180002971A KR 20190013424 A KR20190013424 A KR 20190013424A
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lithium
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KR1020180002971A
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오지민
이영기
김주미
신동옥
김광만
김주영
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한국전자통신연구원
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Abstract

Provided is a lithium secondary battery, comprising: first and second current collectors; an anode and a cathode provided between the first and second current collectors; and a hybrid solid electrolyte provided between the anode and the cathode and comprising a mixture of an organic electrolyte and an inorganic electrolyte. The organic electrolyte comprises ethylene carbonate (CE), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), or a mixture thereof. The inorganic electrolyte comprises lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), lithium silicon titanium phosphate (LSTP), lithium aluminum titanium phosphate (LATP), or a mixture thereof.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY}LITHIUM SECONDARY BATTERY [0002]

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 상세하게는 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a lithium secondary battery including a solid electrolyte.

리튬 이온 이차 전지는 현재 휴대폰, 노트북 등 휴대용 전자통신 장치의 핵심적 전력원으로 사용되고 있다. 캐패시터(capacitor), 연료전지(fuel cell) 등의 타 에너지 저장 비해 높은 저장 용량, 우수한 충방전 특성과 높은 가공성 등을 보이고 있어, 웨어러블 소자(wearable device), 전기차 및 에너지 저장 시스템 (energy storage system: ESS) 등의 차세대 에너지 저장 소자로서 큰 주목을 받고 있다.Lithium ion secondary batteries are currently used as a key power source for portable electronic communication devices such as mobile phones and notebook computers. Electric storage and energy storage system, which have high storage capacity, excellent charge / discharge characteristics and high processability compared to other energy storage such as a capacitor, a fuel cell, ESS) have attracted great attention as next generation energy storage devices.

리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 이동 경로를 제공하는 전해질과 분리막으로 구성되는 전지로서, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입/탈삽입될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생성한다. 리튬 이차 전지 에너지 밀도가 높은 리튬 금속을 음극으로 하고, 액체 용매를 전해질로 한다. 현재 리튬 이차 전지에서는 유기계 액체 전해질을 고성능 및 고에너지 저장장치의 구동요소로써 이용하고 있다.The lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte that provides a pathway for lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, and a separator. The lithium secondary battery includes an anode, a cathode, To generate electrical energy. Lithium secondary battery Lithium metal having a high energy density is used as a negative electrode, and a liquid solvent is used as an electrolyte. In the present lithium secondary battery, the organic liquid electrolyte is used as a driving element for high performance and high energy storage devices.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 안정성이 높은 리튬 이차 전지를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a lithium secondary battery having high stability.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기적 특성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a lithium secondary battery having improved electrical characteristics.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 제 1 및 제 2 집전체, 상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체 사이에 제공되는 양전극 및 음전극, 및 상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 제공되고, 유기계 전해질 및 무기계 전해질의 혼합물로 구성되는 하이브리드 고체 전해질을 포함할 수 있다. 상기 유기계 전해질은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 무기계 전해질은 리튬 란타늄 지르코늄옥사이드(LLZO), 리튬 실리콘 티타늄 포스페이트(LSTP), 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LATP) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery including: a positive electrode and a negative electrode provided between first and second current collectors, a first current collector and a second current collector, And a hybrid solid electrolyte provided between the negative electrode and composed of a mixture of an organic electrolyte and an inorganic electrolyte. The organic electrolyte may include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), or mixtures thereof. The inorganic electrolyte may include lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), lithium silicon titanium phosphate (LSTP), lithium aluminum titanium phosphate (LATP), or a mixture thereof.

본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 하이브리드 고체 전해질은 낮은 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 가질 수 있다. 즉, 하이브리드 고체 전해질은 리튬 이온의 전극에서의 원활한 탈리/삽입이 가능하며, 전지 용량이 높고 전기적 싸이클 특성이 우수할 수 있다. 하이브리드 고체 전해질은 높은 전자 전도도를 가질 수 있다. 하이브리드 고체 전해질은 높은 리튬 이온 전도도를 가질 수 있다.The hybrid solid electrolyte of the lithium secondary battery according to the embodiments of the present invention may have a low open circuit voltage. That is, the hybrid solid electrolyte is capable of smoothly separating / inserting lithium ions at the electrode, and has high battery capacity and excellent electrical cycle characteristics. Hybrid solid electrolytes can have high electronic conductivity. Hybrid solid electrolytes can have high lithium ion conductivity.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 실험예 1의 초기 방전 용량 및 싸이클 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 실험예 2의 초기 용량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 실험예 3의 초기 용량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 실험예 4의 계면 저항 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
1 is an exploded perspective view illustrating a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a lithium secondary battery according to embodiments of the present invention.
3 is a graph for explaining the initial discharge capacity and cycle characteristics of Experimental Example 1. FIG.
4 is a graph for explaining the initial capacity of Experimental Example 2. Fig.
5 is a graph for explaining the initial capacity of Experimental Example 3;
6 is a graph for explaining the interfacial resistance characteristics of Experimental Example 4;

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.In order to fully understand the structure and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Those of ordinary skill in the art will understand that the concepts of the present invention may be practiced in any suitable environment.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions.

본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.When a film (or layer) is referred to herein as being on another film (or layer) or substrate it may be formed directly on another film (or layer) or substrate, or a third film Or layer) may be interposed.

본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Although the terms first, second, third, etc. have been used in various embodiments herein to describe various regions, films (or layers), etc., it is to be understood that these regions, do. These terms are merely used to distinguish any given region or film (or layer) from another region or film (or layer). Thus, the membrane referred to as the first membrane in one embodiment may be referred to as the second membrane in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Like numbers refer to like elements throughout the specification.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.The terms used in the embodiments of the present invention may be construed as commonly known to those skilled in the art unless otherwise defined.

이하, 도면들 참조하여 본 발명의 개념에 따른 리튬 이차 전지를 설명한다.Hereinafter, a lithium secondary battery according to the concept of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 단면도이다.1 is an exploded perspective view illustrating a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view illustrating a lithium secondary battery according to embodiments of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하여, 리튬 이차 전지는 제 1 집전체(110), 제 2 집전체(120), 제 1 전극(210), 제 2 전극(220) 및 하이브리드 고체 전해질(300)을 포함할 수 있다.1 and 2, a lithium secondary battery includes a first current collector 110, a second current collector 120, a first electrode 210, a second electrode 220, and a hybrid solid electrolyte 300. .

제 1 집전체(110) 및 제 2 집전체(120)는 상호 이격될 수 있다. 제 1 집전체(110) 및 제 2 집전체(120)는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 집전체(110)는 알루미늄(Al)을 포함하고, 제 2 집전체(120)는 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제 1 집전체(110)는 후술되는 제 1 전극(210)과의 접촉에 의한 전압 분해반응이 없거나 적을 수 있다. 제 2 집전체(120)는 후술되는 제 2 전극(220)과의 접촉에 의한 전압 분해반응이 없거나 적을 수 있다. 제 1 집전체(110) 및 제 2 집전체(120)는 일 측으로 연장된 패드들(112, 122)을 가질 수 있다. 제 1 집전체(110) 및 제 2 집전체(120)는 패드들(112, 122)을 통해 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 집전체(110)의 패드(112) 및 제 2 집전체(120)의 패드(122) 중 적어도 하나는 그의 일부가 절연층(130)에 의해 둘러싸일 수 있다. 절연층(130)은 패드들(112, 122)이 후술되는 하이브리드 고체 전해질(300)과 집적 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 절연층(130)은 필요에 따라 제공되지 않을 수 있다.The first current collector 110 and the second current collector 120 may be spaced apart from each other. The first current collector 110 and the second current collector 120 may include a metal. For example, the first current collector 110 may include aluminum (Al), and the second current collector 120 may include copper (Cu). The first current collector 110 may have no or little voltage decomposition reaction due to contact with the first electrode 210, which will be described later. The second current collector 120 may have little or no voltage decomposition reaction due to contact with the second electrode 220, which will be described later. The first current collector 110 and the second current collector 120 may have pads 112 and 122 extending to one side. The first current collector 110 and the second current collector 120 may be electrically connected to the outside through the pads 112 and 122. At least one of the pad 112 of the first current collector 110 and the pad 122 of the second current collector 120 may be partially surrounded by the insulating layer 130. The insulating layer 130 may prevent the pads 112 and 122 from being brought into intensive contact with the hybrid solid electrolyte 300 described later. The insulating layer 130 may not be provided if necessary.

제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)은 제 1 집전체(110)와 제 2 집전체(120) 사이에 제공될 수 있다. 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)은 상호 이격될 수 있다. 이때, 제 1 전극(210)은 제 1 집전체(110)와 접하고, 제 2 전극(220)은 제 2 집전체(120)와 접할 수 있다.The first electrode 210 and the second electrode 220 may be provided between the first current collector 110 and the second current collector 120. The first electrode 210 and the second electrode 220 may be spaced apart from each other. The first electrode 210 may be in contact with the first current collector 110 and the second electrode 220 may be in contact with the second current collector 120.

제 1 전극(210)은 양전극일 수 있다. 제 1 전극(210)은 양극 활물질, 도전재 및 바인더로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 리튬 니켈 옥사이드(LiNiO2), 리튬 망간 옥사이드(LiMnO4), 올리빈(LiFePO4), 천연 흑연(natural graphite), 이들의 혼합체(mixture) 또는 이들의 고용체(solid solution)를 포함할 수 있다. 상기 도전재는 그라파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 나노 튜브(CNT), 선형 카본, 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black) 또는 케첸 블랙(ketjen black)을 포함할 수 있다. 상기 바인더는 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVdF)와 같은 불소계 폴리머를 포함할 수 있다.The first electrode 210 may be a positive electrode. The first electrode 210 may be composed of a cathode active material, a conductive material, and a binder. For example, the cathode active material may be selected from the group consisting of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 4 ), olivine (LiFePO 4 ), natural graphite, mixture or a solid solution thereof. The conductive material may be at least one selected from the group consisting of graphite, hard carbon, soft carbon, carbon fiber, carbon nanotube (CNT), linear carbon, carbon black, acetylene black black) or ketjen black. The binder may comprise a fluoropolymer such as polyvinylidene fluoride (PVdF).

제 2 전극(220)은 음전극일 수 있다. 제 2 전극(220)은 음극 활물질, 도전제 및 바인더로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 활물질은 탄소계 물질(일 예로, 그라파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon) 또는 소프트 카본(soft carbon) 등), 비탄소계 물질(일 예로, 주석(Sn), 실리콘(Si), 리튬 티타늄옥사이드(LixTiO2) 또는 스피넬 리튬 티타늄옥사이드(Li4Ti5O12) 등), 또는 리튬금속 또는 실리콘-그라파이트 복합체(silicon/graphite composite)를 포함할 수 있다. 상기 도전재는 그라파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon), 탄소 섬유(carbon fiber), 탄소 나노 튜브(CNT), 선형 카본, 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black) 또는 케첸 블랙(ketjen black)을 포함할 수 있다. 상기 바인더는 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVdF)와 같은 불소계 폴리머를 포함할 수 있다.The second electrode 220 may be a negative electrode. The second electrode 220 may be composed of a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder. For example, the negative electrode active material may be a carbon-based material (for example, graphite, hard carbon or soft carbon), a non-carbon material (for example, tin (Sn) Si), lithium titanium oxide (Li x TiO 2 ) or spinel lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 )), or a lithium metal or silicon / graphite composite. The conductive material may be at least one selected from the group consisting of graphite, hard carbon, soft carbon, carbon fiber, carbon nanotube (CNT), linear carbon, carbon black, acetylene black black) or ketjen black. The binder may comprise a fluoropolymer such as polyvinylidene fluoride (PVdF).

실시예들에 따르면, 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)은 고체 전해질을 더 함유할 수 있다. 예를 들어, 상기 고체 전해질은 옥시나이트라이드계 전해질, 인산염계 전해질, 산화물계 전해질 또는 황화물계 전해질을 포함할 수 있다. 상기 옥시나이트라이드계 전해질은 리튬 포스포러스 옥시나이트라이드(LiPON)를 포함할 수 있다. 상기 인산염계 전해질은 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LATP), 리튬 알루미늄 게르마늄 포스페이트(LAGP) 또는 리튬 실리콘 티타늄 포스페이트(LSTP)를 포함할 수 있다. 상기 산화물계 전해질은 가넷(garnet) 구조의 리튬 란타늄 지르코늄옥사이드(LLZO) 또는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 리튬 란타늄 티타늄옥사이드(LLTO)를 포함할 수 있다. 상기 고체 전해질은 필요에 따라 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)에 제공되지 않을 수 있다.According to embodiments, the first electrode 210 and the second electrode 220 may further contain a solid electrolyte. For example, the solid electrolyte may include an oxynitride-based electrolyte, a phosphate-based electrolyte, an oxide-based electrolyte, or a sulfide-based electrolyte. The oxynitride-based electrolyte may include lithium phosphorus oxynitride (LiPON). The phosphate-based electrolyte may include lithium aluminum titanium phosphate (LATP), lithium aluminum germanium phosphate (LAGP), or lithium silicon titanium phosphate (LSTP). The oxide-based electrolyte may include lithium garnet metal oxide (LLZO) or perovskite metal oxide lithium garnet (LLTO). The solid electrolyte may not be provided to the first electrode 210 and the second electrode 220 as needed.

하이브리드 고체 전해질(300)은 제 1 전극(210)과 제 2 전극(220) 사이에 제공될 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)의 두께는 1um 내지 50um일 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)은 제 1 전극(210)과 제 2 전극(220) 사이에서 리튬(Li) 이온이 이동하는 경로를 제공할 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)은 유기계 전해질 및 무기계 전해질로 구성될 수 있다. 상기 유기계 전해질은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 무기계 전해질은 리튬 란타늄 지르코늄옥사이드(LLZO), 리튬 실리콘 티타늄 포스페이트(LSTP), 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LATP) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 무기계 전해질의 중량은 상기 유기계 전해질의 5% 내지 25%일 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)은 충방전에 따른 리튬(Li) 이온의 이동에 의한 전압 변화가 적을 수 있다.The hybrid solid electrolyte 300 may be provided between the first electrode 210 and the second electrode 220. The thickness of the hybrid solid electrolyte 300 may be 1 um to 50 um. The hybrid solid electrolyte 300 may provide a path through which lithium (Li) ions migrate between the first electrode 210 and the second electrode 220. The hybrid solid electrolyte 300 may be composed of an organic electrolyte and an inorganic electrolyte. The organic electrolyte may include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), or mixtures thereof. The inorganic electrolyte may include lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), lithium silicon titanium phosphate (LSTP), lithium aluminum titanium phosphate (LATP), or a mixture thereof. The weight of the inorganic electrolyte may be 5% to 25% of the organic electrolyte. The hybrid solid electrolyte 300 may have less change in voltage due to the movement of lithium (Li) ions due to charging and discharging.

하이브리드 고체 전해질(300)은 낮은 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 가질 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 고체 전해질(300)의 개방 회로 전압은 1 mV 내지 20 mV일 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)은 낮은 개방 회로 전압으로 인해 충/방전 시 실제 구동 전압과 외부 모니터링 전압의 차이가 적을 수 있다. 즉, 하이브리드 고체 전해질(300)은 리튬 이온이 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)에서의 원활한 탈리/삽입이 가능하며, 전지 용량이 높고 전기적 싸이클 특성이 우수할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 고체 전해질(300)은 높은 전자 전도도를 가질 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)은 높은 리튬 이온 전도도를 가질 수 있다.The hybrid solid electrolyte 300 may have a low open circuit voltage. For example, the open circuit voltage of the hybrid solid electrolyte 300 may be between 1 mV and 20 mV. The hybrid solid electrolyte 300 may have a small difference between the actual driving voltage and the external monitoring voltage during charge / discharge due to the low open circuit voltage. That is, in the hybrid solid electrolyte 300, lithium ions can be easily removed / inserted from the first electrode 210 and the second electrode 220, and the battery capacity and the electrical cycle characteristics can be excellent. For example, the hybrid solid electrolyte 300 may have a high electronic conductivity. The hybrid solid electrolyte 300 may have a high lithium ion conductivity.

리튬 이차 전지는 다음과 같은 과정을 통해 형성될 수 있다.The lithium secondary battery can be formed through the following process.

양극 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 제 1 슬러리가 형성될 수 있다. 상기 양극 활물질, 상기 도전재, 및 상기 바인더는 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 닥터 블레이드(Dr. blade) 방법으로 제 1 슬러리를 도포하여 제 1 전극(210)이 형성될 수 있다.The first slurry may be formed by mixing the cathode active material, the conductive material, and the binder. The cathode active material, the conductive material, and the binder may be the same as or similar to those described with reference to FIG. The first electrode 210 may be formed by applying the first slurry by a Dr. blade method.

음극 활물질, 도전재 및 바인더를 혼합하여 제 2 슬러리가 형성될 수 있다. 상기 음극 활물질, 상기 도전재, 및 상기 바인더는 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 닥터 블레이드(Dr. blade) 방법으로 제 2 슬러리를 도포하여 제 2 전극(220)이 형성될 수 있다.The second slurry may be formed by mixing the negative electrode active material, the conductive material, and the binder. The negative electrode active material, the conductive material, and the binder may be the same as or similar to those described with reference to FIG. The second electrode 220 may be formed by applying the second slurry by a Dr. blade method.

겔 전해질에 유기계 전해질 및 무기계 전해질을 교반하여 제 3 슬러리가 형성될 수 있다. 상기 유기계 전해질 및 상기 무기계 전해질은 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 겔 전해질은 하이드록시프로필 셀룰로스(hydroxypropyl cellulose) 또는 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVdF)를 함유하는 전해질일 수 있다. 상기 유기계 전해질은 액체 전해질일 수 있다. 상기 유기계 전해질의 중량은 상기 겔 전해질의 중량의 1배 내지 5배일 수 있다. 상기 무기계 전해질은 고체 전해질일 수 있다. 상기 무기계 전해질의 중량은 상기 겔 전해질의 중량의 0.25배 내지 1배일 수 있다. 이후, 제 3 슬러리를 도포하여 하이브리드 고체 전해질(300)이 형성될 수 있다. 제 3 슬러리의 도포는 캐스팅법, 스크린 프린팅법, 전사법을 통해 수행될 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)은 1um 내지 50um의 두께로 형성될 수 있다. 실시예들에 따르면, 제 3 슬러리는 바인더 또는 전해질을 더 포함할 수도 있다.A third slurry can be formed by stirring the organic electrolyte and the inorganic electrolyte in the gel electrolyte. The organic electrolyte and the inorganic electrolyte may be the same as or similar to those described with reference to FIG. The gel electrolyte may be an electrolyte containing hydroxypropyl cellulose or polyvinylidene fluoride (PVdF). The organic electrolyte may be a liquid electrolyte. The weight of the organic electrolyte may be 1 to 5 times the weight of the gel electrolyte. The inorganic electrolyte may be a solid electrolyte. The weight of the inorganic electrolyte may be 0.25 times to 1 time the weight of the gel electrolyte. Thereafter, the hybrid solid electrolyte 300 may be formed by applying the third slurry. Application of the third slurry can be carried out by a casting method, a screen printing method, or a transfer method. The hybrid solid electrolyte 300 may be formed to a thickness of 1 [mu] m to 50 [mu] m. According to embodiments, the third slurry may further comprise a binder or an electrolyte.

제 1 집전체(110)와 제 2 집전체(120) 사이에 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)이 제공될 수 있다. 하이브리드 고체 전해질(300)이 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220) 사이에 제공되어, 리튬 이차 전지가 제조될 수 있다.The first electrode 210 and the second electrode 220 may be provided between the first current collector 110 and the second current collector 120. A hybrid solid electrolyte 300 is provided between the first electrode 210 and the second electrode 220 so that a lithium secondary battery can be manufactured.

본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 하이브리드 고체 전해질의 구성 성분 및 형상에 따라 최적의 전기적 특성을 나타낼 수 있다.The lithium secondary battery according to embodiments of the present invention can exhibit optimal electrical characteristics depending on the constituent components and shape of the hybrid solid electrolyte.

하이브리드 고체 전해질의 두께에 따른 전기적 특성을 시뮬레이션 하였다. 여기서, 하이브리드 고체 전해질은 폴리 비닐리덴 플로라이드-헥사 플루오르 프로필렌(PVdF-HFP)의 겔 전해질, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸메틸 카보네이트(EMC)을 혼합한 유기계 액체 전해질, 및 리튬 실리콘 티타늄 포스페이트(LSTP)의 무기계 고체 전해질을 이용하여 형성하였다. 무기계 고체 전해질의 중량은 겔 전해질의 중량의 50%가 되도록 하였으며, 유기계 액체 전해질의 중량은 겔 전해질의 중량의 400%가 되도록 하였다.The electrical characteristics of the hybrid solid electrolyte according to the thickness were simulated. Here, the hybrid solid electrolyte is composed of a gel electrolyte of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), an organic liquid electrolyte in which ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and ethyl methyl carbonate (EMC) Lithium-silicon-titanium phosphate (LSTP) inorganic solid electrolyte. The weight of the inorganic solid electrolyte was 50% of the weight of the gel electrolyte, and the weight of the organic liquid electrolyte was 400% of the weight of the gel electrolyte.

막 종류Film type 막의 두께(um)The thickness (um) 개방 회로 전압(mV)Open circuit voltage (mV) PVdF-HFP+EC/PC/EMC+LSTPPVdF-HFP + EC / PC / EMC + LSTP 00 200~240200 to 240 PVdF-HFP+EC/PC/EMC+LSTPPVdF-HFP + EC / PC / EMC + LSTP 2525 1~201 to 20

표 1은 하이브리드 고체 전해질의 두께에 따른 전기적 특성을 설명하기 위한 표이다. 표 1에 따르면, 하이브리드 고체 전해질의 두께를 약 300um로 형성하는 경우, 하이브리드 고체 전해질은 200mV 내지 240mV의 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 나타내었다. 하이브리드 고체 전해질의 두께를 약 20um로 형성하는 경우, 하이브리드 고체 전해질은 1mV 내지 20mV의 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 나타내었다. 하이브리드 고체 전해질의 두께가 얇을수록 개방 회로 전압이 낮으며, 전기적 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.Table 1 is a table for explaining electrical characteristics according to the thickness of the hybrid solid electrolyte. According to Table 1, when the thickness of the hybrid solid electrolyte was about 300 mu m, the hybrid solid electrolyte exhibited an open circuit voltage of 200 mV to 240 mV. When the thickness of the hybrid solid electrolyte was about 20 mu m, the hybrid solid electrolyte exhibited an open circuit voltage of 1 mV to 20 mV. The thinner the hybrid solid electrolyte, the lower the open circuit voltage and the better the electrical properties.

하이브리드 고체 전해질에서 무기계 고체 전해질의 함량에 따른 전기적 특성을 시뮬레이션 하였다. 여기서, 하이브리드 고체 전해질은 폴리 비닐리덴 플로라이드-헥사 플루오르 프로필렌(PVdF-HFP)의 겔 전해질, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸메틸 카보네이트(EMC)을 혼합한 유기계 액체 전해질, 및 리튬 실리콘 티타늄 포스페이트(LSTP)의 무기계 고체 전해질을 이용하여 형성하였다. 유기계 액체 전해질의 중량은 겔 전해질의 400%가 되도록 하였으며, 하이브리드 고체 전해질의 두께는 20um가 되도록 하였다.The electrical properties of the hybrid solid electrolyte were simulated according to the content of the inorganic solid electrolyte. Here, the hybrid solid electrolyte is composed of a gel electrolyte of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), an organic liquid electrolyte in which ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and ethyl methyl carbonate (EMC) Lithium-silicon-titanium phosphate (LSTP) inorganic solid electrolyte. The weight of the organic liquid electrolyte was 400% of the gel electrolyte, and the thickness of the hybrid solid electrolyte was 20um.

막 종류Film type 고체 전해질의 함량(%)Solid electrolyte content (%) 개방 회로 전압(mV)Open circuit voltage (mV) PVdF-HFP+EC/PC/EMCPVdF-HFP + EC / PC / EMC 00 60~8060 to 80 PVdF-HFP+EC/PC/EMC+LSTPPVdF-HFP + EC / PC / EMC + LSTP 2525 1~201 to 20 PVdF-HFP+EC/PC/EMC+LSTPPVdF-HFP + EC / PC / EMC + LSTP 5050 1~201 to 20 PVdF-HFP+EC/PC/EMC+LSTPPVdF-HFP + EC / PC / EMC + LSTP 7575 1~201 to 20 PVdF-HFP+EC/PC/EMC+LSTPPVdF-HFP + EC / PC / EMC + LSTP 100100 1~201 to 20

표 2는 무기계 고체 전해질의 함량에 따른 전기적 특성을 설명하기 위한 표이다. 표 2에 따르면, 무기계 고체 전해질의 함량을 겔 전해질의 25%, 50%, 75%, 100%로 형성한 경우 모두, 하이브리드 고체 전해질은 1mV 내지 20mV의 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 나타내었다. 무기계 고체 전해질의 함량을 겔 전해질의 0%로 형성한 경우, 하이브리드 고체 전해질은 60mV 내지 80mV의 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 나타내었다. 하이브리드 고체 전해질에 유기계 액체 전해질에 무기계 고체 전해질이 첨가 됨에 따라 개방 회로 전압이 낮아졌으며, 전기적 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.Table 2 is a table for explaining the electrical characteristics according to the content of the inorganic solid electrolyte. According to Table 2, when the content of the inorganic solid electrolyte was formed to 25%, 50%, 75%, and 100% of the gel electrolyte, the hybrid solid electrolyte exhibited an open circuit voltage of 1 mV to 20 mV . When the content of the inorganic solid electrolyte was formed to 0% of the gel electrolyte, the hybrid solid electrolyte showed an open circuit voltage of 60 mV to 80 mV. As the inorganic solid electrolyte is added to the organic solid electrolyte in the hybrid solid electrolyte, the open circuit voltage is lowered and the electrical characteristics are improved.

(실시예)(Example)

양극 활물질로 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 도전재로 카본 블랙(carbon black) 및 바인더로 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVdF)를 중량비 92:4:4로 혼합하여 제 1 슬러리를 형성하였다. 닥터 블레이드(Dr. blade) 방법으로 제 1 슬러리를 도포하여 제 1 전극을 제조하였다. 제 1 전극은 가로 2cm, 세로 2cm 및 두께 162um로 제조되었다.Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as a cathode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in a weight ratio of 92: 4: 4 to form a first slurry. A first electrode was prepared by applying a first slurry using the Dr. blade method. The first electrode was fabricated with a width of 2 cm, a length of 2 cm, and a thickness of 162 um.

음극 활물질로 천연 흑연(natural graphite), 도전재로 카본 블랙(carbon black) 및 바인더로 폴리 비닐리덴 플로라이드(PVdF)를 중량비 93:6:1로 혼합하여 제 2 슬러리를 형성하였다. 닥터 블레이드(Dr. blade) 방법으로 제 2 슬러리를 도포하여 제 2 전극을 제조하였다. 제 2 전극은 가로 2.2cm, 세로 2.2cm 및 두께 145um로 제조되었다.Natural graphite as a negative electrode active material, carbon black as a conductive material and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in a weight ratio of 93: 6: 1 to form a second slurry. A second electrode was prepared by applying a second slurry using the Dr. blade method. The second electrode was fabricated with a width of 2.2 cm, a length of 2.2 cm and a thickness of 145 um.

하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose)와 폴리 비닐리덴 플로라이드-헥사 플루오르 프로필렌(PVdF-HFP)을 교반하여 겔 전해질을 형성하였다. 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸메틸 카보네이트(EMC)을 중량비 1.5:1:1.5로 혼합하여 유기계 액체 전해질을 형성하였다. 상기 겔 전해질에 상기 액체 전해질, 리튬 실리콘 티타늄 포스페이트(LSTP)의 무기계 고체 전해질, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 및 아세톤을 혼합하여 하이브리드 고체 전해질을 제조하였다. 이때, 액체 전해질은 겔 전해질의 중량 대비 4배의 중량으로 혼합되었고, 고체 전해질은 겔 전해질의 중량 대비 0.5의 중량으로 혼합되었다. 하이브리드 고체 전해질은 가로 2.2m, 세로 2.2cm 및 두께 30um로 제조되었다.Hydroxypropyl cellulose and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) were stirred to form a gel electrolyte. Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a weight ratio of 1.5: 1: 1.5 to form an organic liquid electrolyte. The liquid electrolyte, the inorganic solid electrolyte of lithium silicon titanium phosphate (LSTP), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and acetone were mixed in the gel electrolyte to prepare a hybrid solid electrolyte. At this time, the liquid electrolyte was mixed at a weight of four times the weight of the gel electrolyte, and the solid electrolyte was mixed at a weight of 0.5 relative to the weight of the gel electrolyte. The hybrid solid electrolyte was fabricated with 2.2 m width, 2.2 cm width and 30 m thickness.

제 1 집전체는 알루미늄(Al)을 이용하고, 제 2 집전체는 구리(Cu)를 이용하였다.Aluminum (Al) was used for the first current collector, and copper (Cu) was used for the second current collector.

상기와 같이 제조된 제 1 집전체, 제 2 집전체, 제 1 전극, 제 2 전극 및 하이브리드 고체 전해질을 이용하여, 리튬 이차 전지를 제작하였다. 리튬 이차 전지의 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 개방 회로 전압(open circuit voltage)은 7mV로 측정되었다.A lithium secondary battery was fabricated using the first current collector, the second current collector, the first electrode, the second electrode, and the hybrid solid electrolyte thus prepared. The open circuit voltage between the first electrode and the second electrode of the lithium secondary battery was measured at 7 mV.

(실험예 1)(Experimental Example 1)

실시예에 따라 제작된 리튬 이차 전지의 셀 테스트를 수행하였다. 도 3은 실험예 1의 초기 방전 용량 및 싸이클 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 리튬 이차 전지는 18mAh(122mAh/g)의 높은 초기 방전 용량을 나타내는 것을 볼 수 있다. 15싸이클 평균 방전 효율을 측정한 결과, 리튬 이차 전지는 99.72%의 높은 용량 유지율을 나타내는 것을 볼 수 있다.A cell test of the lithium secondary battery fabricated according to the embodiment was performed. 3 is a graph for explaining the initial discharge capacity and cycle characteristics of Experimental Example 1. FIG. As shown in FIG. 3, it can be seen that the lithium secondary battery exhibits a high initial discharge capacity of 18 mAh (122 mAh / g). As a result of measuring the 15 cycle average discharge efficiency, it can be seen that the lithium secondary battery exhibits a high capacity retention rate of 99.72%.

(실험예 2)(Experimental Example 2)

실시예와 동일하게 리튬 이차 전지를 제작하되, 유기계 액체 전해질의 함량이 1배 및 0.5배가 되도록 리튬 이차 전지들을 제작하였다. 도 4는 실험예 2의 초기 용량을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 유기계 액체 전해질의 함량이 낮을 경우 초기 용량이 증가한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 하이브리드 고체 전해질의 각 성분의 함량을 조절하여, 최적의 초기 용량이 구현될 수 있다.Lithium secondary batteries were fabricated in the same manner as in Examples, except that the contents of the organic liquid electrolyte were 1 and 0.5 times. 4 is a graph for explaining the initial capacity of Experimental Example 2. Fig. As shown in FIG. 4, when the content of the organic liquid electrolyte is low, the initial capacity is increased. That is, according to the present invention, by adjusting the content of each component of the hybrid solid electrolyte, an optimum initial capacity can be realized.

(실험예 3)(Experimental Example 3)

실시예와 동일하게 리튬 이차 전지를 제작하되, 무기계 고체 전해질이 겔 전해질의 중량 대비 0.25, 0.5, 0.75, 100의 중량이 되도록 리튬 이차 전지들을 제작하였다. 도 5는 실험예 3의 초기 용량을 설명하기 위한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 무기계 고체 전해질의 함량에 무관하게, 하이브리드 고체 전해질은 122mAh/g의 높은 초기 방전 용량을 나타내는 것을 볼 수 있다.Lithium secondary batteries were fabricated in the same manner as in Example, except that the inorganic solid electrolyte had weights of 0.25, 0.5, 0.75, and 100 by weight of the gel electrolyte. 5 is a graph for explaining the initial capacity of Experimental Example 3; As shown in FIG. 5, regardless of the content of the inorganic solid electrolyte, the hybrid solid electrolyte exhibits a high initial discharge capacity of 122 mAh / g.

(실험예 4)(Experimental Example 4)

실시예의 하이브리드 고체 전해질과 폴리 에틸렌(PE) 분리막의 계면 저항 특성을 비교 분석하였다. 폴리 에틸렌(PE) 분리막의 두께는 하이브리드 고체 전해질과 동일하게 30um로 제조되었다. 도 6은 실험예 4의 계면 저항 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하이브리드 고체 전해질의 계면 저항이 폴리 에틸렌(PE) 분리막보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 하이브리드 고체 전해질은 전자 전도도가 향상될 수 있다.The interfacial resistance characteristics of the hybrid solid electrolyte and the polyethylene (PE) separator of the examples were compared and analyzed. The thickness of the polyethylene (PE) separator was 30 mu m, which was the same as that of the hybrid solid electrolyte. 6 is a graph for explaining the interfacial resistance characteristics of Experimental Example 4; As shown in FIG. 6, it can be confirmed that the interface resistance of the hybrid solid electrolyte is lower than that of the polyethylene (PE) separator. That is, the hybrid solid electrolyte according to the present invention can improve the electronic conductivity.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

110: 제 1 집전체 120: 제 2 집전체
210: 제 1 전극 220: 제 2 전극
300: 하이브리드 고체 전해질
110: The 1st Collection 120: The 2nd Collection
210: first electrode 220: second electrode
300: Hybrid solid electrolyte

Claims (1)

제 1 집전체 및 제 2 집전체;
상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체 사이에 제공되는 양전극 및 음전극; 및
상기 양전극 및 상기 음전극 사이에 제공되고, 유기계 전해질 및 무기계 전해질의 혼합물로 구성되는 하이브리드 고체 전해질을 포함하되,
상기 유기계 전해질은 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
상기 무기계 전해질은 리튬 란타늄 지르코늄옥사이드(LLZO), 리튬 실리콘 티타늄 포스페이트(LSTP), 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LATP) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 리튬 이차 전지.
A first collector and a second collector;
A positive electrode and a negative electrode provided between the first current collector and the second current collector; And
And a hybrid solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, the hybrid solid electrolyte comprising a mixture of an organic electrolyte and an inorganic electrolyte,
Wherein the organic electrolyte comprises ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC)
Wherein the inorganic electrolyte comprises lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), lithium silicon titanium phosphate (LSTP), lithium aluminum titanium phosphate (LATP), or a mixture thereof.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110165236A (en) * 2019-06-05 2019-08-23 青岛大学 A kind of preparation method and applications of bilayer oxide solid electrolyte

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