KR20190100612A - All solid lithium secondary battery having improved electric potential stability and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides an all-solid-state lithium secondary battery, which comprises: a positive electrode comprising a positive electrode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder including a first polymer and a second polymer, and a conductive material; a negative electrode comprising lithium metal; and a composite solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode, comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder including a first polymer and a second polymer. In the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention, a discharge capacity and cycle characteristics of the battery can be enhanced by using a binder including polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride in the positive electrode and the composite solid electrolyte layer.

Description

전위 안정성이 우수한 전고체 리튬이차전지 및 그의 제조방법{ALL SOLID LITHIUM SECONDARY BATTERY HAVING IMPROVED ELECTRIC POTENTIAL STABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}All-solid-state lithium secondary battery with excellent potential stability and its manufacturing method {ALL SOLID LITHIUM SECONDARY BATTERY HAVING IMPROVED ELECTRIC POTENTIAL STABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 전고체 리튬이차전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 바인더를 사용하여 제조된 양극 및 복합고체전해질층을 포함하는 전고체 리튬이차전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an all-solid-state lithium secondary battery and a method for manufacturing the same, an all-solid-state lithium secondary battery including a positive electrode and a composite solid electrolyte layer prepared using a binder containing polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride It is about a method.

리튬이차전지는 큰 전기화학 용량, 높은 작동전위 및 우수한 충방전 사이클 특성을 갖기 때문에 휴대정보 단말기, 휴대 전자 기기, 가정용 소형 전력 저장 장치, 모터사이클, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 용도로 수요가 증가하고 있다. 이와 같은 용도의 확산에 따라 리튬이차전지의 안전성 향상 및 고성능화가 요구되고 있다.Lithium secondary batteries have high electrochemical capacity, high operating potential, and excellent charge / discharge cycle characteristics. Therefore, they are in demand for portable information terminals, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles. It is increasing. The proliferation of such applications is required to improve the safety and performance of lithium secondary batteries.

종래의 리튬이차전지는 액체전해질을 사용함에 따라 공기 중의 물에 노출될 경우 쉽게 발화되어 안전성 문제가 항상 제기되어 왔다. 이러한 안전성 문제는 전기 자동차가 가시화되면서 더욱 이슈화되고 있다.Conventional lithium secondary batteries ignite easily when exposed to water in the air due to the use of a liquid electrolyte has always raised safety issues. This safety issue is becoming more and more an issue as electric vehicles become visible.

이에 따라, 최근 안전성 향상을 목적으로 불연 재료인 무기 재료로 이루어진 고체 전해질을 이용한 전고체 이차전지(All-Solid-State Secondary Battery)의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 전고체 이차전지는 안전성, 고에너지 밀도, 고출력, 장수명, 제조공정의 단순화, 전지의 대형화/콤팩트화 및 저가화 등의 관점에서 차세대 이차전지로 주목되고 있다.Accordingly, recently, all-solid-state secondary batteries using solid electrolytes made of inorganic materials, which are non-combustible materials, have been actively researched for the purpose of improving safety. All-solid-state secondary batteries are attracting attention as next-generation secondary batteries in terms of safety, high energy density, high output, long life, simplification of manufacturing process, battery size / compact size and low cost.

전고체 이차전지의 핵심 기술은 높은 이온전도도를 나타내는 고체전해질을 개발하는 것이다. 현재까지 알려진 전고체 이차전지용 고체전해질에는 황화물 고체전해질과, 산화물 고체전해질이 있다. The core technology of the all-solid-state secondary battery is to develop a solid electrolyte showing high ion conductivity. Solid electrolytes for all-solid-state secondary batteries known to date include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes.

대한민국 공개특허공보 제2012-0132533호에는 전해질로서 황화물계 고체 전해질을 사용하여 우수한 출력 특성을 갖는 전고체 리튬 이차전지가 개시되어 있다. 그러나, 황화물 고체전해질은 유독 가스인 황화수소(H2S) 가스가 발생된다는 문제점이 있다. Korean Unexamined Patent Publication No. 2012-0132533 discloses an all-solid lithium secondary battery having excellent output characteristics using a sulfide-based solid electrolyte as an electrolyte. However, sulfide solid electrolytes have a problem in that hydrogen sulfide (H 2 S) gas, which is a toxic gas, is generated.

산화물 고체전해질은 황화물 고체전해질에 비해 낮은 이온전도도를 보이지만 안정성이 우수하여 최근 주목 받고 있다. 산화물계 고체전해질은 제조공정에 따라 습식 및 건식법이 있으며, 이중 습식법이 코스트 및 전지 성능면에서 우수한 것으로 검토되고 있으며, 습식법에 의해 양극 및 고체전해질층을 제작할 경우 고분자 소재에 의한 산화물계 고체전해질 소재의 계면을 제어함으로 기계적 특성(바인딩)을 유지할 수 있다. 그러나, 종래의 방법에 의한 양극 및 고체전해질층의 고분자 소재의 전기화학적 특성 열화에 의해 전지의 내부저항이 증가하여, 셀의 방전용량 및 싸이클 특성이 저하될 수 있는 문제점이 있다. Oxide solid electrolytes show lower ionic conductivity than sulfide solid electrolytes, but have recently attracted attention due to their excellent stability. Oxide-based solid electrolytes are wet and dry depending on the manufacturing process, and the double wet method is considered to be excellent in terms of cost and battery performance, and when a cathode and a solid electrolyte layer are manufactured by the wet method, an oxide-based solid electrolyte material is used. By controlling the interface of the mechanical properties (binding) can be maintained. However, the internal resistance of the battery is increased by the deterioration of the electrochemical properties of the polymer material of the positive electrode and the solid electrolyte layer according to the conventional method, and there is a problem that the discharge capacity and the cycle characteristics of the cell may be reduced.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 양극과 복합고체전해질층에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 바인더를 사용하여 방전용량 및 싸이클 특성이 향상된 전고체 리튬이차전지를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an all-solid lithium secondary battery having improved discharge capacity and cycle characteristics by using a binder containing polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride in a positive electrode and a composite solid electrolyte layer. have.

또한, 양극과 복합고체전해질층에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 바인더를 사용하여 전고체 리튬이차전지를 제조함으로써 제조비용을 감소시키고, 활물질/활물질 간, 고체 전해질 입자 간, 전해질/전극 간의 계면반응을 제어하여 전지의 내부저항을 보다 감소시킬 수 있는 전고체 리튬이차전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.In addition, the manufacturing cost is reduced by manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery using a binder including polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride in the positive electrode and the composite solid electrolyte layer, between active materials / active materials, between solid electrolyte particles, and electrolyte / It is to provide a method for manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery that can further reduce the internal resistance of the battery by controlling the interfacial reaction between the electrodes.

본 발명의 일 측면에 따르면, 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극; 리튬 금속을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에, 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층;을 포함하는 전고체 리튬이차전지가 제공된다. According to an aspect of the present invention, a cathode including a cathode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder and a conductive material comprising a first polymer and a second polymer; A negative electrode comprising lithium metal; And a composite solid electrolyte layer comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder including a first polymer and a second polymer between the positive electrode and the negative electrode. .

상기 제1 고분자 및 제2 고분자가 각각 독립적으로 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리프로필렌옥사이드(polypropyleneoxide), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리비닐리덴카보네이트(polyvinylidenecarbonate) 및 폴리비닐피롤리디논(polyvinyl pyrrolidinone) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The first polymer and the second polymer are each independently polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polymethylmethacrylate, polypropylene It may include one or more selected from oxide (polypropyleneoxide), polydimethylsiloxane (polydimethylsiloxane), polyvinylidene fluoride (polyvinylidenefluoride), polyvinylidenecarbonate (polyvinylidenecarbonate) and polyvinylpyrrolidinone (polyvinyl pyrrolidinone).

상기 제1 고분자가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide)를 포함하고, 제2 고분자가 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 포함할 수 있다. The first polymer may include polyethylene oxide, and the second polymer may include polyvinylidene fluoride.

상기 제1 바인더가 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride) 100 중량부에 대하여, 상기 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 500 내지 1,400 중량부를 포함하고, 상기 제2 바인더가 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride) 100 중량부에 대하여, 상기 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 2,000 내지 3,600 중량부를 포함할 수 있다. The first binder comprises 500 to 1,400 parts by weight of the polyethylene oxide, based on 100 parts by weight of the polyvinylidene fluoride, and the second binder is the polyvinylidene fluoride ) 100 parts by weight, the polyethylene oxide (Polyethylene oxide) may include 2,000 to 3,600 parts by weight.

상기 제1 및 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 각각 독립적으로 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)이고, The first and second lithium lanthanum zirconium oxides (LLZO) are each independently lithium or gallium doped lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO),

상기 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 하기 화학식 1로 표시되고,The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum is represented by the following Chemical Formula 1,

상기 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with gallium may be represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 1][Formula 1]

LixLayZrzAlwO12(5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0<w≤1)Li x La y Zr z Al w O 12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0 <w≤1)

[화학식 2][Formula 2]

LixLayZrzGamO12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0<m≤4)Li x La y Zr z Ga m O 12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0 <m≤4)

상기 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)가 큐빅(cubic)구조 및 테트라고날(tetragonal)구조 중에서 선택된 1종 이상의 구조를 포함할 수 있다.The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum or gallium may include at least one structure selected from a cubic structure and a tetragonal structure.

상기 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)가 단일상의 큐빅 구조일 수 있다.The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum or gallium may have a single phase cubic structure.

상기 양극이 상기 양극활물질 100 중량부에 대하여, 상기 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 1 내지 30 중량부와, 상기 제1 바인더 10 내지 90 중량부와 상기 도전재 10 내지 30 중량부를 포함하고, 상기 복합고체전해질층이 상기 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 100 중량부에 대하여 상기 제2 바인더 10 내지 90 중량부를 포함할 수 있다. The positive electrode includes 1 to 30 parts by weight of the first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), 10 to 90 parts by weight of the first binder, and 10 to 30 parts by weight of the conductive material, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material, The composite solid electrolyte layer may include 10 to 90 parts by weight of the second binder based on 100 parts by weight of the second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO).

상기 양극활물질이 아래 화학식 3으로 표시되는 Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC)일 수 있다.The cathode active material may be a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn represented by Chemical Formula 3 below.

[화학식 3][Formula 3]

LiNipCoqMnrO2 (0<p<0.9, 0<q<0.5, 0<r<0.5, p+q+r=1)LiNi p Co q Mn r O 2 (0 <p <0.9, 0 <q <0.5, 0 <r <0.5, p + q + r = 1)

상기 도전재가 카본블랙, 아세틸렌블랙, 및 케첸블랙 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The conductive material may include at least one selected from carbon black, acetylene black, and ketjen black.

상기 리튬 금속을 포함하는 음극이 (a) 리튬을 포함하는 기재; 및 (b) 상기 기재의 일면에 음각으로 형성된 다수의 구멍을 포함하는 음각 패턴;을 포함할 수 있다.The negative electrode containing the lithium metal (a) a substrate containing lithium; And (b) an intaglio pattern including a plurality of holes formed in an intaglio on one surface of the substrate.

상기 음각 패턴의 형상이 원형, 타원형, 다각형, 마름모형 및 선형 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The intaglio pattern may include one or more of a circle, an oval, a polygon, a rhombus, and a line.

상기 음각 패턴의 깊이가 50 내지 500 ㎛일 수 있다.The intaglio pattern may have a depth of 50 to 500 μm.

상기 기재의 두께가 20 내지 1,000㎛일 수 있다.The substrate may have a thickness of 20 to 1,000 μm.

상기 전고체 리튬이차전지가 Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC), 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하는 바인더, 및 카본블랙을 포함하는 양극; 리튬 금속을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에, 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하는 바인더를 포함하는 복합고체전해질층;을 포함할 수 있다.The all-solid-state lithium secondary battery is a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn, lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum, polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene fluoride) A binder comprising a, and a positive electrode comprising carbon black; A negative electrode comprising lithium metal; And a composite solid electrolyte layer comprising a binder including lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride doped with gallium between the anode and the cathode. can do.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극을 제조하는 단계; (b) 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층을 제조하는 단계; (c) 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하여 적층체를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 적층체의 복합고체전해질층 상에 리튬 금속을 포함하는 음극을 배치하는 단계;를 포함하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, (a) manufacturing a positive electrode comprising a positive electrode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder and a conductive material; (b) preparing a composite solid electrolyte layer comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder; (c) stacking the positive electrode and the composite solid electrolyte layer to manufacture a laminate; And (d) disposing a negative electrode including a lithium metal on the composite solid electrolyte layer of the laminate.

상기 전고체 리튬이차전지의 제조방법이, 단계 (c)가 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하고, 아래 식 1의 온도 범위(T)에서, 0.1 내지 1.0 MPa의 압력으로 가압하여 적층체를 제조하는 단계일 수 있다. In the manufacturing method of the all-solid-state lithium secondary battery, step (c) laminates the positive electrode and the composite solid electrolyte layer, and pressurizes at a pressure of 0.1 to 1.0 MPa in the temperature range (T) of Equation 1 below to laminate the laminate. It may be a step of preparing.

[식 1][Equation 1]

Tm-35℃ ≤T≤ Tm+55℃Tm-35 ℃ ≤T≤ Tm + 55 ℃

상기 식 1에서, Tm1 < Tm2 인 경우 Tm = Tm1이고, Tm1 > Tm2 인 경우 Tm = Tm2이고, Tm1 = Tm2 인 경우 Tm= Tm1이며,In Formula 1, when T m1 <T m2 , Tm = T m1 , T m1 > T m2 , Tm = T m2 , and when T m1 = T m2 , Tm = T m1 ,

여기서, Tm1은 제1 고분자의 용융온도이고, Tm2은 제2 고분자의 용융온도이다.Here, T m1 is the melting temperature of the first polymer, T m2 is the melting temperature of the second polymer.

상기 제1 바인더가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하고, 상기 제2 바인더가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하고, 단계 (c)가 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하고 30℃ 내지 120℃, 바람직하게는 40℃ 내지 60℃의 온도 범위에서 가압하여 적층체를 제조하는 단계일 수 있다. The first binder comprises polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride, the second binder comprises polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride, Step (c) may be a step of stacking the positive electrode and the composite solid electrolyte layer and pressurizing at a temperature range of 30 ° C. to 120 ° C., preferably 40 ° C. to 60 ° C., to prepare a laminate.

상기 전고체 리튬이차전지의 제조방법이, 단계 (d)의 결과물을 아래 식 1의 온도 범위(T)에서 가압하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method of manufacturing the all-solid-state lithium secondary battery may further include pressing the resultant of step (d) in a temperature range T of Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Tm-35℃ ≤T≤ Tm+55℃Tm-35 ℃ ≤T≤ T m + 55 ℃

상기 식 1에서, Tm1 < Tm2 인 경우 Tm = Tm1이고, Tm1 > Tm2 인 경우 Tm = Tm2이고, Tm1 = Tm2 인 경우 Tm = Tm1이며,In Formula 1, when T m1 <T m2 , Tm = T m1 , T m1 > T m2 , Tm = T m2 , and T m1 = T m2 , Tm = T m1 ,

여기서, Tm1은 제1 고분자의 용융온도이고, Tm2은 제2 고분자의 용융온도이다.Here, T m1 is the melting temperature of the first polymer, T m2 is the melting temperature of the second polymer.

단계 (a)가 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 바인더 및 도전재를 혼합한 슬러리를 캐스팅한 후 건조하여 양극을 제조하는 단계일 수 있다. Step (a) may be a step of casting a slurry in which a cathode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder, and a conductive material are mixed and then dried to manufacture a cathode.

단계 (b)가 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제2 바인더를 혼합한 슬러리를 기재 상에서 코팅하여 복합고체전해질층을 제조하는 단계일 수 있다.Step (b) may be a step of preparing a composite solid electrolyte layer by coating a slurry of a mixture of second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder on a substrate.

본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (a') 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극을 제조하는 단계; (b') 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층을 제조하는 단계; (c') 상기 양극, 상기 양극 상에 복합고체전해질층, 및 상기 복합고체전해질층 상에 리튬 금속을 포함하는 음극을 배치하여 적층체를 제조하는 단계; 및 (d') 상기 적층체를 아래 식 1의 온도 범위(T)에서 가압하여 전고체 리튬이차전지를 제조하는 단계;를 포함하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, (a ') manufacturing a positive electrode comprising a positive electrode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder and a conductive material; (b ') preparing a composite solid electrolyte layer comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder; (c ′) preparing a laminate by disposing a composite solid electrolyte layer on the cathode, a composite solid electrolyte layer on the cathode, and a cathode including lithium metal on the composite solid electrolyte layer; And (d ') manufacturing the all-solid-state lithium secondary battery by pressing the laminate in a temperature range T of the following Equation 1. The method of manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery is provided.

[식 1][Equation 1]

Tm-35℃ ≤T≤ Tm+55℃Tm-35 ℃ ≤T≤ T m + 55 ℃

상기 식 1에서, Tm1 < Tm2 인 경우 Tm = Tm1이고, Tm1 > Tm2 인 경우 Tm = Tm2이고, Tm1 = Tm2 인 경우 Tm = Tm1이며,In Formula 1, when T m1 <T m2 , Tm = T m1 , T m1 > T m2 , Tm = T m2 , and T m1 = T m2 , Tm = T m1 ,

여기서, Tm1은 제1 고분자의 용융온도이고, Tm2은 제2 고분자의 용융온도이다.Here, T m1 is the melting temperature of the first polymer, T m2 is the melting temperature of the second polymer.

본 발명의 전고체 리튬이차전지는 종래기술과는 다르게 양극과 복합고체전해질층에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 바인더를 사용하여 전지의 방전용량 및 싸이클 특성이 향상될 수 있다.In the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention, the discharge capacity and the cycle characteristics of the battery may be improved by using a binder including polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride in the positive electrode and the composite solid electrolyte layer, unlike the prior art.

또한, 본 발명의 전고체 리튬이차전지의 제조방법은 양극과 복합고체전해질층에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 바인더를 사용하여 습식법으로 전고체 리튬이차전지를 제조함으로써 제조비용을 감소시키고, 활물질/활물질 간, 고체 전해질 입자 간, 전해질/전극 간의 계면반응을 제어하여 전지의 내부저항을 보다 감소시키는 효과가 있다.In addition, the manufacturing method of the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention by using a binder containing polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride in the positive electrode and the composite solid electrolyte layer by the wet method to produce an all-solid lithium secondary battery by reducing the manufacturing cost In addition, there is an effect of reducing the internal resistance of the battery by controlling the interfacial reaction between the active material / active material, the solid electrolyte particles, the electrolyte / electrode.

도 1은 본 발명의 전고체 리튬이차전지의 개략도이다.
도 2의 a는 패턴된 리튬금속을 포함하는 음극의 표면을 10배, b는 100배 확대한 사진이다.
도 3의 a는 치공구의 표면을 전체, b는 일부를 확대한 사진이다.
도 4a는 1 싸이클에서, 도 4b는 6 싸이클에서 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 싸이클 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram of an all-solid-state lithium secondary battery of the present invention.
2 is an enlarged photograph of the surface of the anode including the patterned lithium metal 10 times and b 100 times.
3A is an enlarged photograph of the entire surface of the tool, and b is a part thereof.
4A is a graph showing charge and discharge characteristics of an all-solid-state lithium secondary battery manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1 in one cycle and FIG. 4B.
5 is a graph showing the cycle characteristics of the all-solid-state lithium secondary battery prepared according to Example 1 and Comparative Example 1.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following descriptions are not intended to limit the present invention to specific embodiments, and detailed descriptions of well-known techniques related to the present invention will be omitted when it is determined that the present invention may obscure the gist of the present invention. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification, and one or more other features or It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, or combinations thereof.

도 1은 본 발명의 전고체 리튬이차전지의 개략도이다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.1 is a schematic diagram of an all-solid-state lithium secondary battery of the present invention. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 전고체 리튬이차전지에 대해 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.

본 발명의 전고체 리튬이차전지는 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극; 리튬 금속을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에, 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층;을 포함할 수 있다. The all-solid-state lithium secondary battery of the present invention includes a cathode including a cathode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder including a first polymer and a second polymer, and a conductive material; A negative electrode comprising lithium metal; And a composite solid electrolyte layer including a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder including a first polymer and a second polymer between the anode and the cathode.

상기 제1 고분자 및 제2 고분자가 각각 독립적으로 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리프로필렌옥사이드(polypropyleneoxide), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리비닐리덴카보네이트(polyvinylidenecarbonate) 및 폴리비닐피롤리디논(polyvinyl pyrrolidinone) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The first polymer and the second polymer are each independently polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polymethylmethacrylate, polypropylene It may include one or more selected from oxide (polypropyleneoxide), polydimethylsiloxane (polydimethylsiloxane), polyvinylidene fluoride (polyvinylidenefluoride), polyvinylidenecarbonate (polyvinylidenecarbonate) and polyvinylpyrrolidinone (polyvinyl pyrrolidinone).

상기 제1 고분자가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide)를 포함하고, 제2 고분자가 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 포함할 수 있다.The first polymer may include polyethylene oxide, and the second polymer may include polyvinylidene fluoride.

상기 제1 바인더가 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride) 100 중량부에 대하여, 상기 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 500 내지 1,400 중량부를 포함하고, The first binder comprises 500 to 1,400 parts by weight of the polyethylene oxide, based on 100 parts by weight of the polyvinylidene fluoride,

상기 제2 바인더가 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride) 100 중량부에 대하여, 상기 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 2,000 내지 3,600 중량부를 포함할 수 있다.The second binder may include 2,000 to 3,600 parts by weight of the polyethylene oxide based on 100 parts by weight of the polyvinylidene fluoride.

상기 양극 및 복합고체전해질층에 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 포함하는 바인더를 사용하여 활물질/활물질 간, 고체 전해질 입자 간 계면을 제어할 수 있고, 전기화학적으로 고전압이면서 안정성이 우수한 PVDF를 포함함으로써, 충전전압이 증가할 수 있다. 또한 PVDF가 이온전도성은 유지하면서 복합고체전해질층의 기계적 특성을 향상시켜 필름의 두께를 감소하는 효과로 셀/모듈의 에너지밀도를 증가시킬 수 있다.By using a binder containing polyvinylidene fluoride (PVDF) in the positive electrode and the composite solid electrolyte layer, the interface between the active material / active material and the solid electrolyte particles can be controlled, and the electrochemically high voltage and excellent stability By including PVDF, the charging voltage can be increased. In addition, PVDF can increase the energy density of the cell / module by reducing the thickness of the film by improving the mechanical properties of the composite solid electrolyte layer while maintaining ion conductivity.

상기 제1 및 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 각각 독립적으로 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)이고, 상기 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 하기 화학식 1로 표시되고, 상기 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.The first and second lithium lanthanum zirconium oxides (LLZO) are each independently aluminum or gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), and the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum is represented by Formula 1 below. The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with gallium may be represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 1][Formula 1]

LixLayZrzAlwO12(5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0<w≤1)Li x La y Zr z Al w O 12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0 <w≤1)

[화학식 2][Formula 2]

LixLayZrzGamO12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0<m≤4)Li x La y Zr z Ga m O 12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0 <m≤4)

상기 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)가 큐빅(cubic)구조 및 테트라고날(tetragonal)구조 중에서 선택된 1종 이상의 구조를 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)가 단일상의 큐빅 구조일 수 있으며, 상기 큐빅 구조는 이온 전도도가 높고 전위 안전성이 우수한 구조이다. The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum or gallium may include at least one structure selected from a cubic structure and a tetragonal structure. Preferably, the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum or gallium may be a single-phase cubic structure, and the cubic structure has high ion conductivity and excellent potential safety.

상기 양극이 상기 양극활물질 100 중량부에 대하여, 상기 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 1 내지 30 중량부와, 상기 제1 바인더 10 내지 90 중량부와 상기 도전재 10 내지 30 중량부를 포함하고, The positive electrode includes 1 to 30 parts by weight of the first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), 10 to 90 parts by weight of the first binder, and 10 to 30 parts by weight of the conductive material, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material,

상기 복합고체전해질층이 상기 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 100 중량부에 대하여 상기 제2 바인더 10 내지 90 중량부를 포함할 수 있다. The composite solid electrolyte layer may include 10 to 90 parts by weight of the second binder based on 100 parts by weight of the second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO).

상기 양극활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li 1+xMn2-xO4(여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu,Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3; Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC)인 Li[NixCo1-2xNnxO]2 (0<x<0.5)로 표현될 수 있는 Li[Ni1/3Co1/3Nn1/3O]2 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The cathode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + x Mn 2-x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2, and the like; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , Cu 2 V 2 O 7 and the like; Ni-site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1 - x M x O 2 , wherein M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x = 0.01 to 0.3; Formula LiMn 2 - x M x O 2 (wherein M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (wherein M = Fe, Co, Lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 ; Li [Ni x Co 1-2x Nn x O] 2, a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn Li [Ni 1/3 Co 1/3 Nn 1/3 O] 2 and the like, which can be represented by (0 <x <0.5), may be mentioned, but are not limited thereto.

상기 양극활물질이 바람직하게는 아래 화학식 3으로 표시되는 Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC)일 수 있다. The cathode active material may be a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn represented by Chemical Formula 3 below.

[화학식 3][Formula 3]

LiNipCoqMnrO2 (0<p<0.9, 0<q<0.5, 0<r<0.5, p+q+r=1)LiNi p Co q Mn r O 2 (0 <p <0.9, 0 <q <0.5, 0 <r <0.5, p + q + r = 1)

상기 도전재는 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙 등이 가능하며, 바람직하게는 카본블랙일 수 있다. The conductive material may be carbon black, acetylene black, Ketjen black, or the like, and preferably carbon black.

상기 리튬 금속을 포함하는 음극이 (a) 리튬을 포함하는 기재; 및 (b) 상기 기재의 일면에 음각으로 형성된 다수의 구멍을 포함하는 음각 패턴;을 포함할 수 있다.The negative electrode containing the lithium metal (a) a substrate containing lithium; And (b) an intaglio pattern including a plurality of holes formed in an intaglio on one surface of the substrate.

상기 음각 패턴의 형상이 원형, 타원형, 다각형, 마름모형 및 선형 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The intaglio pattern may include one or more of a circle, an oval, a polygon, a rhombus, and a line.

상기 음각 패턴의 깊이가 50 내지 500 ㎛일 수 있다.The intaglio pattern may have a depth of 50 to 500 μm.

상기 기재의 두께가 20 내지 1,000㎛일 수 있다.The substrate may have a thickness of 20 to 1,000 μm.

상기 전고체 리튬이차전지가 바람직하게는 Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC), 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하는 바인더 및 카본블랙을 포함하는 양극; 리튬 금속을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에, 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하는 바인더를 포함하는 복합고체전해질층;을 포함할 수 있다.The all-solid-state lithium secondary battery is preferably a three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn, lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum, polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride ( A binder comprising Polyvinylidene fluoride) and a cathode comprising carbon black; A negative electrode comprising lithium metal; And a composite solid electrolyte layer comprising a binder including lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), polyethylene oxide, and polyvinylidene fluoride doped with gallium between the anode and the cathode. can do.

이하, 본 발명의 전고체 리튬이차전지의 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the manufacturing method of the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention will be described in detail.

먼저, first, 양극활물질Cathode active material , 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(First lithium lanthanum zirconium oxide ( LLZOLLZO ), 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극을 제조한다(단계 a).), A positive electrode comprising a first binder and a conductive material is prepared (step a).

좀 더 상세하게 설명하면, 상기 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 바인더 및 도전재를 혼합한 슬러리를 캐스팅한 후 건조하여 양극을 제조할 수 있다. In more detail, the cathode may be manufactured by casting a slurry in which the cathode active material, the first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), the first binder, and the conductive material are mixed and then dried.

상기 양극은 전고체 리튬이차전지의 전위 안정성을 향상시키기 위해 습식법에 의해 제조될 수 있다The positive electrode may be manufactured by a wet method to improve the potential stability of an all-solid-state lithium secondary battery.

다음으로, 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Next, the second lithium lanthanum zirconium oxide ( LLZOLLZO ) 및 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층을 제조한다(단계 b).And a second solid binder is prepared (step b).

좀 더 상세하게 설명하면, 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제2 바인더를 혼합한 슬러리를 기재 상에서 코팅하여 복합고체전해질층을 제조할 수 있다.In more detail, a composite solid electrolyte layer may be prepared by coating a slurry on which a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder are mixed on a substrate.

상기 기재는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenenaphthalate), PES(polyethersulfone), PC(Polycarbonate), PP(polypropylene) 등이 가능하며, 바람직하게는 PET일 수 있다.The substrate may be polyethylene terephthalate (PET), polyethylenenaphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), or the like, and preferably PET.

상기 코팅은 기재에 손상을 입히지 않는 코팅 방법이라면 어느 것이든 가능할 수 있다.The coating may be any coating method that does not damage the substrate.

다음으로, 상기 양극과 상기 Next, the anode and the 복합고체전해질층을Composite solid electrolyte layer 적층하여Stacked 적층체를Laminates 제조한다(단계 c). To manufacture (step c).

바람직하게는 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하고, 아래 식 1의 온도 범위(T)에서, 0.1 내지 1.0 MPa 의 압력으로 가압하여 적층체를 제조할 수 있다.Preferably, the positive electrode and the composite solid electrolyte layer may be stacked, and the laminate may be manufactured by pressing at a pressure of 0.1 to 1.0 MPa in the temperature range T of Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Tm-35℃ ≤T≤ Tm+55℃ Tm-35 ℃ ≤T≤ Tm + 55 ℃

상기 식 1에서, Tm1 < Tm2 인 경우 Tm = Tm1이고, Tm1 > Tm2 인 경우 Tm = Tm2이고, Tm1 = Tm2 인 경우 Tm= Tm1이며,In Formula 1, when T m1 <T m2 , Tm = T m1 , T m1 > T m2 , Tm = T m2 , and when T m1 = T m2 , Tm = T m1 ,

여기서, Tm1은 제1 고분자의 용융온도이고, Tm2은 제2 고분자의 용융온도이다.Here, T m1 is the melting temperature of the first polymer, T m2 is the melting temperature of the second polymer.

상기 가압은 바람직하게는 0.1 내지 1.0 MPa 의 압력으로 수행될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.8 MPa 로 수행될 수 있다.The pressurization may be preferably performed at a pressure of 0.1 to 1.0 MPa, more preferably 0.1 to 0.8 MPa.

상기 가압은 1분 내지 5분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1분 내지 2분 동안 수행될 수 있다.The pressurization may be performed for 1 minute to 5 minutes, preferably 1 minute to 2 minutes.

상기 제1 바인더가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하고, 상기 제2 바인더가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하고, 단계 (c)가 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하고 30℃ 내지 120℃, 바람직하게는 40℃ 내지 60℃의 온도 범위에서 가압하여 적층체를 제조하는 단계일 수 있다. The first binder comprises polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride, the second binder comprises polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride, Step (c) may be a step of stacking the positive electrode and the composite solid electrolyte layer and pressurizing at a temperature range of 30 ° C. to 120 ° C., preferably 40 ° C. to 60 ° C., to prepare a laminate.

상기 적층체는 제1 고분자 및 제2 고분자의 용융온도 이상에서 가압이 수행됨으로써, 양극에 포함되는 제1 바인더와 복합고체전해질층에 포함되는 제2 바인더가 용융된 후 접착되어 양극과 복합고체전해질층 사이의 계면 특성이 향상되고, 이로 인해 전지의 내부저항이 감소될 수 있다.The laminate is pressurized at a melting temperature or higher of the first polymer and the second polymer, so that the first binder and the second binder included in the composite solid electrolyte layer are melted and then bonded to each other to bond the anode and the composite solid electrolyte. The interfacial properties between the layers are improved, thereby reducing the internal resistance of the battery.

마지막으로, 상기 Finally, the above 적층체의Laminate 복합고체전해질층Composite Solid Electrolyte Layer 상에 리튬 금속을 포함하는 음극을 배치하여 전고체 리튬이차전지를 제조한다(단계 d). A negative electrode containing a lithium metal is disposed thereon to prepare an all-solid lithium secondary battery (step d).

단계 (d) 이후에 선택적으로 단계 (d)의 결과물을 상기 식 1의 온도 범위(T)에서, 0.1 내지 1.0 MPa 의 압력으로 가압하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.After step (d) may optionally further comprise the step of pressing the resultant of step (d) at a pressure of 0.1 to 1.0 MPa in the temperature range (T) of the formula (1).

상기 가압에 의해서 양극에 포함되는 제1 바인더와 복합고체전해질층에 포함되는 제2 바인더가 용융된 후 접착될 수 있으며, 이로 인한 효과는 단계 (c)에서 상술한 바와 같다. By the pressurization, the first binder included in the positive electrode and the second binder included in the composite solid electrolyte layer may be melted and then bonded, and the effect thereof is as described above in step (c).

또 다른 형태의 전고체 리튬이차전지의 제조방법은 (a') 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극을 제조하는 단계; (b') 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층을 제조하는 단계; (c') 상기 양극, 상기 양극 상에 복합고체전해질층, 및 상기 복합고체전해질층 상에 리튬 금속을 포함하는 음극을 배치하여 적층체를 제조하는 단계; 및 (d') 상기 적층체를 아래 식 1의 온도 범위(T)에서 가압하여 전고체 리튬이차전지를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. Another method of manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery includes (a ') preparing a cathode including a cathode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder, and a conductive material; (b ') preparing a composite solid electrolyte layer comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder; (c ′) preparing a laminate by disposing a composite solid electrolyte layer on the cathode, a composite solid electrolyte layer on the cathode, and a cathode including lithium metal on the composite solid electrolyte layer; And (d ') manufacturing the all-solid-state lithium secondary battery by pressurizing the laminate in the following temperature range (T).

상기 가압에 의해서 양극에 포함되는 제1 바인더와 복합고체전해질층에 포함되는 제2 바인더가 용융된 후 접착될 수 있으며, 이로 인한 효과는 단계 (c)에서 상술한 바와 같다.By the pressurization, the first binder included in the positive electrode and the second binder included in the composite solid electrolyte layer may be melted and then bonded, and the effect thereof is as described above in step (c).

[실시예] EXAMPLE

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes and the scope of the present invention is not limited thereby.

제조예Production Example 1: 알루미늄이  1: aluminum 도핑된Doped 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Aluminum doped lithium lanthanum zirconium oxide, Al-LLZO)의 제조 Preparation of Lithium Lanthanum Zirconium Oxide (Al-LLZO)

증류수에 출발물질인 La:Zr:Al의 몰비율이 3:2:0.25가 되도록 란타늄 질산염(La(NO3)3·6H2O), 지르코늄 질산염(ZrO(NO3)2·2H2O) 및 알루미늄 질산염(Al(NO3)3·9H2O)을 용해시켜 출발물질이 1몰 농도인 출발물질 용액을 제조하였다. Lanthanum nitrate (La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O) and zirconium nitrate (ZrO (NO 3 ) 2 · 2H 2 O) so that the molar ratio of La: Zr: Al, the starting material, in distilled water is 3: 2: 0.25. And aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) to prepare a starting material solution having a starting material concentration of 1 mole.

쿠에트 테일러 와류 반응기의 주입부를 통하여 상기 출발물질 용액, 착화제로 암모니아수 0.6몰, 및 수산화나트륨 수용액을 적정량 첨가하여 pH가 11로 조절된 혼합 용액이 되도록 하고 반응온도는 25℃, 반응시간은 4hr, 교반봉의 교반속도는 1,300 rpm으로 하여 공침시켜 액상 슬러리 형태의 전구체 슬러리를 토출부로 토출하였다. 상기 쿠에트 테일러 와류 반응기의 공침 반응에서 테일러 수는 640 이상으로 하였다.The starting solution of the Kuet Taylor vortex reactor was added with an appropriate amount of the starting material solution, 0.6 mol of ammonia water, and an aqueous sodium hydroxide solution as a complexing agent to obtain a mixed solution having a pH of 11, and a reaction temperature of 25 ° C., a reaction time of 4 hr, The stirring speed of the stirring rod was coprecipitated at 1,300 rpm to discharge the precursor slurry in the form of a liquid slurry to the discharge part. In the coprecipitation reaction of the Kuet Taylor vortex reactor, the Taylor number was set to 640 or more.

상기 전구체 슬러리를 정제수로 세척한 후, 밤새 건조하였다. 건조된 전구체를 볼밀로 분쇄한 후, 과잉의 LiOH·H2O을 첨가하고, 볼밀로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물의 LiOH·H2O 함량은 LiOH·H2O 중 Li의 함량이 생성되는 고체전해질 중 Li 100중량부에 대하여 103 중량부가 되도록 3 wt% 과잉 투입하였다. 상기 혼합물을 900℃에서 2시간 동안 하소한 후 분쇄하여 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Al-LLZO)를 제조하였다.The precursor slurry was washed with purified water and then dried overnight. The dried precursor was ground in a ball mill, then excess LiOH.H 2 O was added and mixed in a ball mill to prepare a mixture. The LiOH.H 2 O content of the mixture was added in an excessive amount of 3 wt% to 103 parts by weight based on 100 parts by weight of Li in the solid electrolyte in which the content of Li in LiOH.H 2 O was produced. The mixture was calcined at 900 ° C. for 2 hours and then ground to produce lithium lanthanum zirconium oxide (Al-LLZO) doped with aluminum.

제조예Production Example 2: 갈륨이  2: gallium 도핑된Doped 리튬 란타늄 지르코늄 산화물( Lithium lanthanum zirconium oxide ( GaliumGalium doped lithium lanthanum zirconium oxide, Ga-LLZO)의 제조 doped lithium lanthanum zirconium oxide, Ga-LLZO)

출발물질인 란타늄 질산염(La(NO3)3·6H2O), 지르코늄 질산염(ZrO(NO3)2·2H2O) 및 갈륨 질산염(Ga(NO3)3·9H2O)을 그들의 금속원소인 La:Zr:Ga의 몰비율이 3:2:0.25가 되도록 증류수에 용해시켜 출발물질 용액을 제조하였다. Starting materials lanthanum nitrate (La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O), zirconium nitrate (ZrO (NO 3 ) 2 · 2H 2 O) and gallium nitrate (Ga (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) A starting material solution was prepared by dissolving in distilled water such that the molar ratio of the element La: Zr: Ga is 3: 2: 0.25.

상기 출발물질 용액, 착화제로 암모니아수 0.6몰, 및 수산화나트륨 수용액을 적정량 첨가하여 pH가 11로 조절된 혼합 용액이 되도록 하고 반응온도는 25℃, 반응시간은 24hr, 교반하면서 공침시켜 액상 슬러리 형태의 전구체 슬러리를 얻었다.The starting material solution, ammonia water 0.6 mol, and sodium hydroxide aqueous solution is added as an appropriate amount to the mixed solution adjusted to pH 11, the reaction temperature is 25 ℃, the reaction time is 24hr, co-precipitation while stirring to form a precursor in the form of a liquid slurry A slurry was obtained.

상기 전구체 슬러리를 정제수로 세척한 후, 24시간 건조하였다. 건조된 전구체를 볼밀로 분쇄하였고, 여기서 상기 혼합물의 LiOH·H2O 함량은 LiOH·H2O 중 Li의 함량이 생성되는 고체전해질 중 Li 100중량부에 대하여 110중량부가 되도록(10 wt% 과잉) 투입하였다. 상기 혼합물을 900℃에서 2시간 동안 하소한 후 분쇄하여 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (Ga-LLZO)을 제조하였다.The precursor slurry was washed with purified water and then dried for 24 hours. The dried precursor was ground in a ball mill, where the LiOH.H 2 O content of the mixture was 110 parts by weight (10 wt% excess) based on 100 parts by weight of Li in the solid electrolyte in which the content of Li in LiOH.H 2 O was produced. ). The mixture was calcined at 900 ° C. for 2 hours and then milled to produce gallium doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO).

제조예 3: 양극의 제조Preparation Example 3 Preparation of Positive Electrode

양극활물질 NMC (리튬 니켈 코발트 망간 산화물) 100중량부에 대해서, 제조예 1에 따라 제조된 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Al-LLZO) 9.1중량부, 도전재 Super-P 18.2중량부, 제1 바인더(PEO+PVDF) 54.5중량부를 혼합하여 NMC (리튬 니켈 코발트 망간 산화물), 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Al-LLZO), Super-P 및 바인더(PEO + PVDF)의 혼합물을 제조하였다.100 parts by weight of the positive electrode active material NMC (lithium nickel cobalt manganese oxide), 9.1 parts by weight of lithium lanthanum zirconium oxide (Al-LLZO) doped with aluminum prepared according to Preparation Example 1, 18.2 parts by weight of a conductive material Super-P, and 54.5 parts by weight of 1 binder (PEO + PVDF) were mixed to prepare a mixture of NMC (lithium nickel cobalt manganese oxide), aluminum-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Al-LLZO), Super-P, and binder (PEO + PVDF). .

이때, 상기 바인더(PEO + PVDF)는 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 100 중량부 대비 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide, PEO) 900 중량부, 리튬퍼클로레이트(LiClO4) 145 중량부, 그리고 아크로니트릴(acetonitrile, ACN) 7,955 중량부로 하여 바인더 용액을 제조하였다. In this case, the binder (PEO + PVDF) is 900 parts by weight of polyethylene oxide (PEO), 100 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF), 145 parts by weight of lithium perchlorate (LiClO 4 ), and acrylonitrile. (acetonitrile, ACN) 7,955 parts by weight to prepare a binder solution.

구체적으로, 먼저 NMC (리튬 니켈 코발트 망간 산화물) 100 중량부 대비, Super-p 18 중량부 및 제조예 1에 따라 제조된 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Al-LLZO) 9 중량부 및 바인더(PEO + PVDF) 54.5 중량부로 혼합하여 싱키 혼합기(Thinky mixer)에서 2,000rpm으로 약 5분 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. 다음으로, 상기 슬러리를 알루미늄 포일 상에 캐스팅 하고, 진공에서 건조하여 양극을 제조하였다. 이때 전극의 로딩량을 약 4 mg/cm2으로 제조하였다.Specifically, first, based on 100 parts by weight of NMC (lithium nickel cobalt manganese oxide), 18 parts by weight of Super-p and 9 parts by weight of lithium-lanthanum zirconium oxide (Al-LLZO) doped with aluminum prepared according to Preparation Example 1 and a binder ( PEO + PVDF) was mixed at 54.5 parts by weight, and stirred at 2,000 rpm for about 5 minutes in a Thinky mixer to prepare a slurry. Next, the slurry was cast on aluminum foil and dried in vacuo to prepare a positive electrode. At this time, the loading amount of the electrode was prepared to about 4 mg / cm 2 .

제조예 4: 양극의 제조Preparation Example 4 Preparation of Positive Electrode

제조예 3에서 바인더(PEO + PVDF)을 사용하는 대신에 바인더(PEO)를 사용하는 것을 제외하고는 제조예 3과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.A positive electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 3, except that the binder (PEO) was used instead of the binder (PEO + PVDF) in Preparation Example 3.

제조예 5: 복합고체전해질층의 제조Preparation Example 5 Preparation of Composite Solid Electrolyte Layer

제조예 2에 따라 제조된 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (Ga-LLZO) 100중량부에 대해서, 바인더(PEO + PVDF) 42.9중량부를 혼합하여 제조예 2에 따라 제조된 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (Ga-LLZO) 및 바인더(PEO + PVDF)의 혼합물을 제조하고, 싱키 혼합기(Thinky mixer)를 이용하여 2,000rpm으로 5분 동안 교반하였다.Gallium-doped lithium lanthanum prepared according to Preparation Example 2 by mixing 42.9 parts by weight of a binder (PEO + PVDF) with respect to 100 parts by weight of gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) prepared according to Preparation Example 2. A mixture of zirconium oxide (Ga-LLZO) and binder (PEO + PVDF) was prepared and stirred at 2,000 rpm for 5 minutes using a Thinky mixer.

이때, 상기 바인더(PEO + PVDF)는 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 100 중량부 대비 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide, PEO) 2,800 중량부, 리튬퍼클로레이트(LiClO4) 451 중량부, 그리고 아크로니트릴(acetonitrile, ACN) 11,200 중량부로 하여 바인더 용액을 제조하였다.In this case, the binder (PEO + PVDF) is 2,800 parts by weight of polyethylene oxide (PEO), 451 parts by weight of lithium perchlorate (LiClO 4 ), and acrylonitrile, based on 100 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF). (acetonitrile, ACN) 11,200 parts by weight to prepare a binder solution.

상기 혼합물에 ACN을 혼합하고, 싱키 혼합기로 교반하여 적절한 점도로 조절하였다. 다음으로, 2mm 지르콘 볼을 첨가하고 싱키 혼합기로 2,000rpm으로 5분 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리는 PET(polyethylene terephthalate) 필름 상에 캐스팅하고 상온 건조하였으며, 그 두께가 85㎛가 되도록 조절하여 복합고체전해질층을 제조하였다. ACN was mixed into the mixture and stirred with a syncy mixer to adjust to an appropriate viscosity. Next, 2 mm zircon balls were added and stirred for 5 minutes at 2,000 rpm with a syncy mixer to prepare a slurry. The slurry was cast on a polyethylene terephthalate (PET) film, dried at room temperature, and adjusted to have a thickness of 85 μm to prepare a composite solid electrolyte layer.

제조예 6: 복합고체전해질층의 제조Preparation Example 6 Preparation of Composite Solid Electrolyte Layer

제조예 5에서 제조예 2에 따라 제조된 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 (Ga-LLZO)을 사용하는 대신에 제조예 1에 따라 제조된 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Al-LLZO)을 사용하고, 바인더(PEO + PVDF)을 사용하는 대신에 바인더(PEO)을 사용하고, 85㎛의 두께로 제조하는 대신에 150㎛의 두께로 제조하는 것을 제외하고는 제조예 5와 동일한 방법으로 복합고체전해질층을 제조하였다.Instead of using gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) prepared in Preparation Example 5 in Preparation Example 5, aluminum-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Al-LLZO) prepared in Preparation Example 1 was used. Composite, using a binder (PEO) instead of using a binder (PEO + PVDF), and to a thickness of 150 ㎛ instead of using a thickness of 85 ㎛ A solid electrolyte layer was prepared.

제조예 7: 패턴된 리튬금속층 음극의 제조Preparation Example 7 Preparation of Patterned Lithium Metal Layer Cathode

도 2의 a는 패턴된 리튬금속을 포함하는 음극의 표면을 10배, b는 100배 확대한 사진이고, 도 3의 a는 치공구의 표면을 전체, b는 일부를 확대한 사진이다.2 is an enlarged photograph of the surface of a negative electrode including a patterned lithium metal 10 times, b is 100 times, a is an enlarged image of the entire surface of the tool, b is a portion enlarged.

도 2 및 3을 참고하여 설명하면, 패턴간의 간격이 약 400㎛, 패턴의 깊이가 약 200㎛인 치공구를 제작하였다. 치공구는 SUS304 소재를 사용하여 프로그램에 패턴을 입력하고 방전가공에 의해 1차적인 가공을 실시하고, 리튬금속의 패턴성형을 쉽게 하도록 금속표면에 테플론 코팅을 실시한 후 280℃에서 열처리하여 제작하였다. Referring to FIGS. 2 and 3, a tool having a pattern spacing of about 400 μm and a pattern depth of about 200 μm was produced. The tool was fabricated by using SUS304 material, inputting a pattern into the program, performing primary processing by electric discharge processing, and applying heat treatment at 280 ° C. after Teflon coating on the metal surface to facilitate pattern forming of lithium metal.

상기 치공구를 이용하여 상온에서 0.3 MPa의 압력을 가해 0.2t(200㎛)의 리튬 금속 시트의 표면에 복수의 패턴이 형성된 리튬 금속을 포함하는 음극을 제조하였다. 이때 상기의 방법으로 제조한 패턴의 깊이가 약 200㎛의 치공구를 사용하여 0.2t 리튬 금속 상부에서 일정한 압력으로 약 50~100 ㎛의 홈깊이가 형성되도록 한다. A negative electrode including a lithium metal having a plurality of patterns formed on a surface of a lithium metal sheet having a thickness of 0.2 t (200 μm) was manufactured by applying a pressure of 0.3 MPa at room temperature using the tool. At this time, the depth of the pattern prepared by the above method is used to form a groove depth of about 50 ~ 100 ㎛ at a constant pressure on the upper 0.2t lithium metal using a tool of about 200㎛.

[전고체 리튬이차전지의 제조][Manufacture of All-Solid Lithium Secondary Battery]

실시예 1: 전고체 리튬이차전지의 제조Example 1 Fabrication of All Solid Lithium Secondary Battery

제조예 3에 따라 제조된 양극과 제조예 5에 따라 제조된 복합고체전해질층을 각각 Ø16 사이즈로 펀칭한 후 적층하였다. 다음으로, 약 40~60℃로 가열하면서 가압하여 적층체를 제조하였다. The positive electrode prepared according to Preparation Example 3 and the composite solid electrolyte layer prepared according to Preparation Example 5 were each punched to Ø16 size and then laminated. Next, it pressed by heating at about 40-60 degreeC, and manufactured the laminated body.

상기 적층체 상에 패턴화된 리튬 금속층을 올려, 2032 규격의 코인셀로 전고체 리튬이차전지를 제조하였다.The patterned lithium metal layer was placed on the laminate to manufacture an all-solid lithium secondary battery using a coin cell of a 2032 standard.

비교예 1: 전고체 리튬이차전지의 제조Comparative Example 1: Fabrication of All-Solid Lithium Secondary Battery

제조예 3에 따라 제조된 양극과 제조예 5에 따라 제조된 복합고체전해질층을 사용하는 대신에 제조예 4에 따라 제조된 양극과 제조예 6에 따라 제조된 복합고체전해질층을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전고체 리튬이차전지를 제조하였다.Instead of using the positive electrode prepared according to Preparation Example 3 and the composite solid electrolyte layer prepared according to Preparation Example 5, except that the positive electrode prepared according to Preparation Example 4 and the composite solid electrolyte layer prepared according to Preparation Example 6 were used. Then, an all-solid lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.

[시험예][Test Example]

시험예 1: 전고체 리튬이차전지의 충방전 특성Test Example 1: Charging and Discharging Characteristics of an All-Solid Lithium Secondary Battery

도 4a는 1 싸이클에서, 도 4b는 6 싸이클에서 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다. 0.1C 충방전 전류로 3.0∼4.2V 구간에서 실시하였다.4A is a graph showing charge and discharge characteristics of an all-solid-state lithium secondary battery manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1 in one cycle and FIG. 4B. It was carried out in the 3.0 ~ 4.2V section with 0.1C charge-discharge current.

도 4a 및 4b를 참조하면, 4.2V까지 1 및 6 싸이클에서 충전시 초기 용량은 약 130 mAh/g로 거의 유사한 특성을 나타내는 사실을 알 수 있었다.4A and 4B, it can be seen that the initial capacity when charging at 1 and 6 cycles up to 4.2V is about 130 mAh / g, showing almost similar characteristics.

시험예 2: 전도체 리튬이차전지의 싸이클 특성Test Example 2: Cycle Characteristics of Conductor Lithium Secondary Battery

도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 싸이클 특성을 나타낸 그래프이다. 0.1C 충방전 전류로 3.0∼4.2V 구간에서 실시하였다.5 is a graph showing the cycle characteristics of the all-solid-state lithium secondary battery prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. It was carried out in the 3.0 ~ 4.2V section with 0.1C charge-discharge current.

도 5를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지 및 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지의 충방전 싸이클 (약 70회)에 따른 방전용량 유지율은 각각 74%, 54% 로서 약 20% 차이가 발생하는 것으로 나타났다. Referring to Figure 5, the discharge capacity retention rate according to the charge and discharge cycle (about 70 times) of the all-solid lithium secondary battery prepared according to Example 1 and the all-solid lithium secondary battery prepared according to Comparative Example 1 were 74%, As much as 54%, about 20% difference occurs.

또한, 일반적으로 폴리에틸렌옥사이드(PEO)는 이온전도성이 우수하나, 기계적 특성이 취약함으로 고체전해질층의 바인더로 사용시(비교예 1) 최소 150㎛ 이상의 두께가 요구되었으나, 소량의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 적용에 의해(실시예 1) 두께를 약 50% 정도 감소시키는 것이 가능했다. In addition, polyethylene oxide (PEO) is generally excellent in ion conductivity, but when used as a binder of a solid electrolyte layer due to its weak mechanical properties (Comparative Example 1) At least 150 ㎛ thickness was required, but a small amount of polyvinylidene fluoride ( PVDF) application (Example 1) made it possible to reduce the thickness by about 50%.

따라서, PVDF를 PEO와 적절하게 블랜딩하여 바인더로 적용한 실시예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지가 비교예 1에 따라 제조된 전고체 리튬이차전지에 비해 초기 방전용량은 비슷하게 나타났으나, 싸이클에 따른 용량 감소가 작아 우수한 방전용량 및 싸이클 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.Therefore, the all-solid-state lithium secondary battery prepared according to Example 1, in which PVDF was properly blended with PEO and applied as a binder, showed an initial discharge capacity similar to that of the all-solid-state lithium secondary battery prepared according to Comparative Example 1, but the cycle It was found that the reduction in capacity was small, resulting in excellent discharge capacity and cycle characteristics.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (20)

양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극;
리튬 금속을 포함하는 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에, 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층;을
포함하는 전고체 리튬이차전지.
A cathode including a cathode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder including a first polymer and a second polymer, and a conductive material;
A negative electrode comprising lithium metal; And
A composite solid electrolyte layer comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder including a first polymer and a second polymer between the anode and the cathode;
All-solid lithium secondary battery containing.
제1항에 있어서,
상기 제1 고분자 및 제2 고분자가 각각 독립적으로 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리프로필렌옥사이드(polypropyleneoxide), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리비닐리덴카보네이트(polyvinylidenecarbonate) 및 폴리비닐피롤리디논(polyvinyl pyrrolidinone) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 1,
The first polymer and the second polymer are each independently polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polymethylmethacrylate, polypropylene At least one selected from oxide (polypropyleneoxide), polydimethylsiloxane (polydimethylsiloxane), polyvinylidene fluoride (polyvinylidene fluoride), polyvinylidene carbonate (polyvinylidene carbonate) and polyvinyl pyrrolidinone All-solid-state lithium secondary battery.
제2항에 있어서,
상기 제1 고분자가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide)를 포함하고, 제2 고분자가 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 2,
The first polymer comprises a polyethylene oxide (Polyethylene oxide), the second polymer comprises a polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene fluoride), all-solid lithium secondary battery.
제3항에 있어서,
상기 제1 바인더가 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride) 100 중량부에 대하여, 상기 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 500 내지 1,400 중량부를 포함하고,
상기 제2 바인더가 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride) 100 중량부에 대하여, 상기 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 2,000 내지 3,600 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 3,
The first binder comprises 500 to 1,400 parts by weight of the polyethylene oxide, based on 100 parts by weight of the polyvinylidene fluoride,
The second binder is based on 100 parts by weight of the polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene fluoride), the solid-state lithium secondary battery, characterized in that containing 2,000 to 3,600 parts by weight of polyethylene oxide.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 각각 독립적으로 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)이고,
상기 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 하기 화학식 1로 표시되고,
상기 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)는 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
[화학식 1]
LixLayZrzAlwO12(5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0<w≤1)
[화학식 2]
LixLayZrzGamO12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0<m≤4)
The method of claim 1,
The first and second lithium lanthanum zirconium oxides (LLZO) are each independently lithium or gallium doped lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO),
The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum is represented by the following Chemical Formula 1,
The gallium doped lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) is an all-solid lithium secondary battery, characterized in that represented by the formula (2).
[Formula 1]
Li x La y Zr z Al w O 12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0 <w≤1)
[Formula 2]
Li x La y Zr z Ga m O 12 (5≤x≤9, 2≤y≤4, 1≤z≤3, 0 <m≤4)
제5항에 있어서,
상기 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)이 큐빅(cubic)구조 및 테트라고날(tetragonal)구조 중에서 선택된 1종 이상의 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 5,
The aluminum or gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) is an all-solid lithium secondary battery, characterized in that it comprises at least one structure selected from cubic (cubic) structure and tetragonal (tetragonal) structure.
제6항에 있어서,
상기 알루미늄 또는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO)이 단일상의 큐빅 구조인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 6,
The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) doped with aluminum or gallium has a single-phase cubic structure.
제1항에 있어서,
상기 양극이 상기 양극활물질 100 중량부에 대하여, 상기 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 1 내지 30 중량부와, 상기 제1 바인더 10 내지 90 중량부와 상기 도전재 10 내지 30 중량부를 포함하고,
상기 복합고체전해질층이 상기 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 100 중량부에 대하여 상기 제2 바인더 10 내지 90 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 1,
The positive electrode includes 1 to 30 parts by weight of the first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), 10 to 90 parts by weight of the first binder, and 10 to 30 parts by weight of the conductive material, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material,
The composite solid electrolyte layer comprises 10 to 90 parts by weight of the second binder relative to 100 parts by weight of the second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO).
제1항에 있어서,
상기 양극활물질이 아래 화학식 3으로 표시되는 Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC)인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
[화학식 3]
LiNipCoqMnrO2 (0<p<0.9, 0<q<0.5, 0<r<0.5, p+q+r=1)
The method of claim 1,
The cathode active material is an all-solid lithium secondary battery, characterized in that the three-component lithium metal oxide (NMC) of Ni-Co-Mn represented by the formula (3).
[Formula 3]
LiNi p Co q Mn r O 2 (0 <p <0.9, 0 <q <0.5, 0 <r <0.5, p + q + r = 1)
제1항에 있어서,
상기 도전재가 카본블랙, 아세틸렌블랙, 및 케첸블랙 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 1,
And the conductive material comprises at least one selected from carbon black, acetylene black, and ketjen black.
제1항에 있어서, 상기 리튬 금속을 포함하는 음극이
(a) 리튬을 포함하는 기재; 및
(b) 상기 기재의 일면에 음각으로 형성된 다수의 구멍을 포함하는 음각 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 1, wherein the negative electrode comprising a lithium metal
(a) a substrate comprising lithium; And
(B) an intaglio pattern comprising a plurality of holes formed intaglio on one surface of the substrate; all-solid-state lithium secondary battery comprising a.
제11항에 있어서,
상기 음각 패턴의 형상이 원형, 타원형, 다각형, 마름모형 및 선형 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 11,
The shape of the intaglio pattern is an all-solid lithium secondary battery, characterized in that it comprises one or more of the circle, oval, polygon, rhombus and linear.
제11항에 있어서,
상기 음각 패턴의 깊이가 50 내지 500 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 11,
All-in-one lithium secondary battery, characterized in that the depth of the intaglio pattern is 50 to 500 ㎛.
제11항에 있어서,
어느 하나의 상기 음각 패턴과 다른 하나의 상기 음각 패턴 간의 간격이 200 내지 600 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 11,
All-in-one lithium secondary battery, characterized in that the interval between the intaglio pattern and the other intaglio pattern is 200 to 600 ㎛.
제11항에 있어서,
상기 기재의 두께가 20 내지 1,000㎛인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 11,
An all-solid lithium secondary battery, characterized in that the thickness of the substrate is 20 to 1,000㎛.
제1항에 있어서,
상기 전고체 리튬이차전지가
Ni-Co-Mn의 3성분계 리튬금속산화물(NMC), 알루미늄이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하는 바인더 및 카본블랙을 포함하는 양극;
리튬 금속을 포함하는 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에, 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하는 바인더를 포함하는 복합고체전해질층;을
포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지.
The method of claim 1,
The all-solid-state lithium secondary battery
Ni-Co-Mn-based lithium metal oxide (NMC), aluminum doped lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), polyethylene oxide (Polyethylene oxide) and polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene fluoride) and carbon black Anode comprising a;
A negative electrode comprising lithium metal; And
A composite solid electrolyte layer comprising a binder including lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), polyethylene oxide, and polyvinylidene fluoride doped with gallium between the anode and the cathode;
All-solid-state lithium secondary battery comprising a.
(a) 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극을 제조하는 단계;
(b) 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층을 제조하는 단계;
(c) 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하여 적층체를 제조하는 단계; 및
(d) 상기 적층체의 복합고체전해질층 상에 리튬 금속을 포함하는 음극을 배치하는 단계;를
포함하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법.
(a) preparing a positive electrode including a positive electrode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder, and a conductive material;
(b) preparing a composite solid electrolyte layer comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder;
(c) stacking the positive electrode and the composite solid electrolyte layer to manufacture a laminate; And
(d) disposing a negative electrode including lithium metal on the composite solid electrolyte layer of the laminate;
Method for producing an all-solid lithium secondary battery comprising.
제17항에 있어서, 전고체 리튬 이차전지의 제조방법이
단계 (c)가 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하고, 아래 식 1의 온도 범위(T)에서, 0.1 내지 1.0 MPa의 압력으로 가압하여 적층체를 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법.
[식 1]
Tm-35℃ ≤T≤ Tm+55℃
상기 식 1에서, Tm1 < Tm2 인 경우 Tm = Tm1이고, Tm1 > Tm2 인 경우 Tm = Tm2이고, Tm1 = Tm2 인 경우 Tm= Tm1이며,
여기서, Tm1은 제1 고분자의 용융온도이고, Tm2은 제2 고분자의 용융온도이다.
18. The method of claim 17, wherein the manufacturing method of the all-solid lithium secondary battery
Step (c) is a step of stacking the positive electrode and the composite solid electrolyte layer, and in the temperature range (T) of the following formula 1, the step of producing a laminate by pressing at a pressure of 0.1 to 1.0 MPa Method of manufacturing a lithium secondary battery.
[Equation 1]
Tm-35 ℃ ≤T≤ Tm + 55 ℃
In Formula 1, when T m1 <T m2 , Tm = T m1 , T m1 > T m2 , Tm = T m2 , and when T m1 = T m2 , Tm = T m1 ,
Here, T m1 is the melting temperature of the first polymer, T m2 is the melting temperature of the second polymer.
제17항에 있어서,
상기 제1 바인더가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하고,
상기 제2 바인더가 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)을 포함하고,
단계 (c)가 상기 양극과 상기 복합고체전해질층을 적층하고 30℃ 내지 120℃의 온도에서 가압하여 적층체를 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법.
The method of claim 17,
The first binder comprises polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride,
The second binder comprises polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride,
Step (c) is a step of stacking the positive electrode and the composite solid electrolyte layer and pressurized at a temperature of 30 ℃ to 120 ℃ to produce a laminate, characterized in that the manufacturing method of the all-solid lithium secondary battery.
(a') 양극활물질, 제1 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 제1 바인더 및 도전재를 포함하는 양극을 제조하는 단계;
(b') 제2 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 및 제2 바인더를 포함하는 복합고체전해질층을 제조하는 단계;
(c') 상기 양극, 상기 양극 상에 복합고체전해질층, 및 상기 복합고체전해질층 상에 리튬 금속을 포함하는 음극을 배치하여 적층체를 제조하는 단계; 및
(d') 상기 적층체를 아래 식 1의 온도 범위(T)에서 가압하여 전고체 리튬이차전지를 제조하는 단계;를
포함하는 전고체 리튬이차전지의 제조방법.
[식 1]
Tm-35℃ ≤T≤ Tm+55℃
상기 식 1에서, Tm1 < Tm2 인 경우 Tm = Tm1이고, Tm1 > Tm2 인 경우 Tm = Tm2이고, Tm1 = Tm2 인 경우 Tm = Tm1이며,
여기서, Tm1은 제1 고분자의 용융온도이고, Tm2은 제2 고분자의 용융온도이다.
(a ') preparing a positive electrode including a positive electrode active material, a first lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO), a first binder, and a conductive material;
(b ') preparing a composite solid electrolyte layer comprising a second lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) and a second binder;
(c ′) preparing a laminate by disposing a composite solid electrolyte layer on the cathode, a composite solid electrolyte layer on the cathode, and a cathode including lithium metal on the composite solid electrolyte layer; And
(d ') manufacturing the all-solid-state lithium secondary battery by pressing the laminate in a temperature range T of the following Equation 1;
Method for producing an all-solid lithium secondary battery comprising.
[Equation 1]
Tm-35 ℃ ≤T≤ T m + 55 ℃
In Formula 1, when T m1 <T m2 , Tm = T m1 , T m1 > T m2 , Tm = T m2 , and T m1 = T m2 , Tm = T m1 ,
Here, T m1 is the melting temperature of the first polymer, T m2 is the melting temperature of the second polymer.
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