KR20190142572A - Sulfide-based Solid Electrolytes and All-Solid-State Lithium-Ion Secondary Batteries Including the Same - Google Patents

Sulfide-based Solid Electrolytes and All-Solid-State Lithium-Ion Secondary Batteries Including the Same Download PDF

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KR20190142572A
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Abstract

Disclosed are a novel sulfide-based solid electrolyte and an all-solid lithium ion secondary battery containing the same. By introducing a specific element to a crystal structure of the existing sulfide-based solid electrolyte, it is possible not only to secure good lithium ion conductivity even at high temperatures, but also to have improved atmospheric stability.

Description

황화물계 고체 전해질 및 이를 함유하는 전고체형 리튬이온 2차 전지{Sulfide-based Solid Electrolytes and All-Solid-State Lithium-Ion Secondary Batteries Including the Same}Sulfide-based Solid Electrolytes and All-Solid-State Lithium-Ion Secondary Batteries Including the Same}

본 개시 내용은 황화물계 고체 전해질 및 이를 함유하는 전고체형 리튬이온 2차전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 기존의 황화물계 고체전해질의 결정 구조에 특정 원소를 도입함으로써 고온에서도 양호한 리튬 이온전도성을 나타낼 뿐만 아니라, 대기 안정성이 개선된 신규 황화물계 고체전해질 및 이를 함유하는 전고체형 리튬이온 2차전지에 관한 것이다. The present disclosure relates to a sulfide-based solid electrolyte and an all solid lithium ion secondary battery containing the same. More specifically, the present disclosure not only shows good lithium ion conductivity even at high temperature by introducing a specific element into the crystal structure of an existing sulfide-based solid electrolyte, but also a novel sulfide-based solid electrolyte and an all-solid type containing the same having improved atmospheric stability. It relates to a lithium ion secondary battery.

소형 전자기기 및 전기 자동차가 널리 보급됨에 따라 높은 에너지 밀도를 갖는 2차 전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 2차 전지로서 리튬 이온을 이용한 리튬이온 2차 전지는 소형의 모바일 기기 전원에서 중대형의 전기자동차(예를 들면, EV, HEV, 등) 및 에너지 저장 장치(ESS)의 전원으로 적용 분야가 확대되는 추세에 있다. 특히, 친환경 자동차인 전기자동차에 대한 관심은 매우 높아지고 있으며, 전 세계 주요 자동차 업체들은 친환경을 모토로 전지자동차를 차세대 성장 기술로 인지하여 관련기술의 개발에 박차를 가하고 있다. BACKGROUND With the widespread use of small electronic devices and electric vehicles, interest in secondary batteries having high energy density is increasing. Lithium-ion secondary batteries using lithium ions as secondary batteries are widely used in applications ranging from small mobile device power supplies to medium and large electric vehicles (eg, EV, HEV, etc.) and energy storage devices (ESS). There is a trend. In particular, interest in electric vehicles, which are eco-friendly vehicles, is increasing very much, and major automobile companies around the world are accelerating the development of related technologies by recognizing battery vehicles as the next-generation growth technology under the motto of eco-friendliness.

이러한 중대형 리튬이온 2차전지의 경우, 소형과는 달리 작동 환경(예를 들면, 온도 및 충격)이 가혹할 뿐만 아니라, 다수의 전지를 포함하고 있기 때문에 안전성 확보가 필수적이다. 리튬이온 2차전지를 요구하는 산업 분야가 대형전지로 응용 범위가 확대됨에 따라, 리튬이온 2차전지의 안전성과 관련한 문제에 대한 관심 또한 크게 증가하고 있다.In the case of such a medium-large Li-ion secondary battery, unlike small size, not only the harsh operating environment (for example, temperature and impact), but also includes a large number of batteries, it is essential to ensure safety. As the industrial field requiring a lithium ion secondary battery expands to an application range for large batteries, interest in the safety-related problems of the lithium ion secondary battery also increases significantly.

종래의 리튬이온 2차전지의 경우, 유기 용매에 리튬염을 용해시킨 비수 전해액, 즉 유기계 액체 전해질을 사용하기 때문에 낮은 낮은 열적 안정성, 발화 현상, 액체 전해질의 누액 등과 같은 현상이 일어나는 관계로 엄격한 패키징이 요구되고 있으며, 이에 따라 일정 수준 이상으로 에너지 밀도를 높이기 어려운 기술적 한계를 갖고 있다. 실제, 리튬이온 2차전지를 적용한 제품의 폭발 사고가 지속적으로 보고되고 있는 바, 이러한 안전성과 관련한 문제점을 해소하는 것이 시급한 상황이다. In the conventional lithium ion secondary battery, since a nonaqueous electrolyte in which lithium salt is dissolved in an organic solvent, that is, an organic liquid electrolyte is used, strict packaging due to low thermal stability, ignition phenomenon, and leakage of liquid electrolyte occurs. This is required, and accordingly, there is a technical limitation that it is difficult to increase the energy density above a certain level. In fact, explosion accidents of products using lithium-ion secondary batteries have been reported continuously. Therefore, it is urgent to solve these safety-related problems.

상술한 액체 전해질에 의한 문제점을 해결하기 위하여, 불연 재료인 무기 재료로 이루어지는 고체 전해질을 이용하는 전고체형 리튬 이온 2차전지(all-solid-state lithium ion secondary batteries)가 그 대안으로 떠오르고 있다. 전고체형 리튬 이온 2차전지의 고체 전해질로서 황화물, 산화물 등을 사용할 수 있지만, 리튬 이온의 전도성 면에서 황화물계 고체 전해질이 가장 유력한 재료로 고려되고 있다.In order to solve the problems caused by the above-mentioned liquid electrolyte, all-solid-state lithium ion secondary batteries using a solid electrolyte made of an inorganic material which is a non-combustible material have emerged as an alternative. Although sulfides, oxides, and the like can be used as solid electrolytes of all-solid-state lithium ion secondary batteries, sulfide-based solid electrolytes are considered to be the most potent materials in terms of conductivity of lithium ions.

이러한 전고체형 리튬 이온 전지의 성능을 발현하기 위하여는 그 기반이 되는 고체 전해질과 양극 활물질 입자 간의 접촉 특성이 양호할 필요성이 있다. 이는 충전 시 고체 전해질과 양극 활물질 입자 간의 계면에서 반응이 일어나는데, 접촉이 불충분하면 계면 저항(즉, 양극 활물질 입자와 고체 전해질 입자 간의 계면을 리튬 이온이 이동할 때의 저항)이 증가하기 때문이다. 따라서, 계면 저항이 증가할 경우에는 리튬 이온의 전도성이 저하되기 때문에, 전고체형 리튬 이온 2차 전지의 출력이 감소하게 된다. 황화물계 고체전해질(예를 들면, LixPSy, LixMySz 등)은 산화물계 고체전해질(예를 들면, LixLayTiO3, Li7La3Zr2O12) 보다 나은 연성(ductile) 특성을 나타내는 바, 입자 특성에 의하여 저온 압착(cold pressing)만으로도 고체 전해질과 양극 활물질 입자 간의 긴밀한 접촉을 유도할 수 있어, 리튬 이온 전도도가 우수한 전고체형 전지를 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다. In order to express the performance of such an all-solid-state lithium ion battery, it is necessary to have good contact characteristics between the solid electrolyte on which it is based and the positive electrode active material particles. The reaction occurs at the interface between the solid electrolyte and the positive electrode active material particles during charging, because insufficient contact increases the interface resistance (that is, resistance when lithium ions move through the interface between the positive electrode active material particles and the solid electrolyte particles). Therefore, when the interface resistance increases, the conductivity of lithium ions decreases, so that the output of the all-solid-state lithium ion secondary battery decreases. Sulfide-based solid electrolytes (eg, Li x PS y , Li x M y S z, etc.) are better than oxide-based solid electrolytes (eg, Li x La y TiO 3 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ). Due to the ductile properties, the particle characteristics can lead to intimate contact between the solid electrolyte and the positive electrode active material particles even by cold pressing, and thus have an advantage of obtaining an all-solid-state battery having excellent lithium ion conductivity. have.

이와 관련하여, 다양한 조성의 황화물계 고체전해질이 개발되었는 바, 예를 들면 국내특허번호 제1392689호에서는 리튬(Li), M(예를 들면, Ge 및 P), 그리고 황(S)을 함유하는 황화물계 고체전해질, 그리고 국내특허공개번호 제2016-0032664호는 적어도 황 및 리튬을 포함하고, 인(P), 규소(Si), 붕소(B), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 할로겐 원소로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함하는 황화물계 고체전해질을 개시하고 있다. 또한, 국내특허번호 제1506109호는 Li, A(A는, P, Si, Ge, Al 및 B의 적어도 일종임), X(X는 할로겐임) 및 S를 포함하는 황화물계 고체전해질을 개시하고 있다.In this regard, sulfide-based solid electrolytes having various compositions have been developed. For example, in Korean Patent No. 1392689, lithium (Li), M (for example, Ge and P), and sulfur (S) are contained. Sulfide-based solid electrolytes, and Korean Patent Publication No. 2016-0032664 include at least sulfur and lithium, phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), aluminum (Al), germanium (Ge), zinc A sulfide-based solid electrolyte further comprising at least one selected from (Zn), gallium (Ga), indium (In), and a halogen element is disclosed. In addition, Korean Patent No. 1506109 discloses a sulfide-based solid electrolyte comprising Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), X (X is halogen) and S. have.

그러나, 기보고된 황화물계 고체전해질은 산화물계 고체전해질에 비하여 대기 안정성이 떨어지는 문제점을 가지고 있어, 전고체형 리튬 이온 2차전지의 제조 공정에서 중대한 문제점을 발생시키고, 더 나아가 전지의 작동 중 황화수소와 같은 유해한 가스를 방출하여 잠재적으로 환경오염을 유발할 수 있다. However, since the reported sulfide-based solid electrolyte has a problem in that the atmospheric stability is lower than that of the oxide-based solid electrolyte, it causes a serious problem in the manufacturing process of the all-solid-state lithium ion secondary battery, and furthermore, hydrogen sulfide and Emissions of such harmful gases can potentially cause environmental pollution.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 황화물계 고체전해질에 대하여 다양한 연구가 진행되었는데, 일 예로서 Li4SnS4로 표시되는 재료는 대기 안정성을 향상시킬 수 있는 것으로 보고되었다. In order to solve the above problems, various studies have been conducted on sulfide-based solid electrolytes, and as an example, a material represented by Li 4 SnS 4 has been reported to improve atmospheric stability.

그러나, Li4SnS4은 낮은 리튬 이온 전도도를 나타내므로 Sn 사이트를 As로 치환하거나, 또는 용액 공정을 이용하여 비정질의 상태에서 LiI를 첨가하는 시도가 이루어진 바 있으나, 치환 원소의 독성, 및/또는 고온에서의 이온 전도도의 하락으로 인하여 상술한 황화물계 고체전해질을 전고체형 전지에 적용하거나 제조하는 과정에서 여전히 문제점을 발생시킨다. 따라서, 종래 기술의 한계를 극복하는 방안에 대한 필요성이 존재한다.However, since Li 4 SnS 4 exhibits low lithium ion conductivity, attempts have been made to replace Sn sites with As or to add LiI in an amorphous state by using a solution process, but the toxicity of the substitution elements, and / or Due to the decrease in ionic conductivity at high temperature, the above-mentioned sulfide-based solid electrolyte is still a problem in the process of applying or manufacturing the all-solid-state battery. Accordingly, there is a need for a method that overcomes the limitations of the prior art.

본 개시 내용의 일 구체예에서는 황화물계 고체전해질 재료에 독성 원소를 치환하는 것을 배제하면서도 우수한 대기 안정성을 제공할 수 있고, 더 나아가 제조 과정 중 용매를 사용하지 않기 때문에 결정질을 유지할 수 있어 고온에서도 양호한 리튬 이온 전도성을 나타낼 수 있는 황화물계 고체전해질 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.In one embodiment of the present disclosure can provide excellent atmospheric stability while eliminating the substitution of toxic elements in the sulfide-based solid electrolyte material, furthermore can maintain the crystalline because no solvent is used during the manufacturing process is good even at high temperatures An object of the present invention is to provide a sulfide-based solid electrolyte and a method of manufacturing the same, which may exhibit lithium ion conductivity.

본 개시 내용의 다른 구체예에서는 전술한 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체형 리튬 이온 2차전지를 제공하고자 한다.Another embodiment of the present disclosure is to provide an all-solid-type lithium ion secondary battery comprising the sulfide-based solid electrolyte described above.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되고, 2θ가 16 내지 18°인 범위, 25 내지 27°인 범위, 및 44 내지 46°인 범위에서 각각 XRD 피크(peak)가 나타나고, 25 내지 27°인 범위에서 XRD 피크의 갈라짐(split peak)이 나타나는 황화물계 고체전해질이 제공된다:According to the first aspect of the present disclosure, represented by the following Chemical Formula 1, an XRD peak appears in a range of 2θ of 16 to 18 °, a range of 25 to 27 °, and a range of 44 to 46 °, respectively, A sulfide-based solid electrolyte is provided which exhibits a split peak of the XRD peak in the range of 25 to 27 °:

[화학식1] [Formula 1]

LiaM1bM2cSdXe (2<a<4, 0<b<1, 0<c<1, 0≤d≤4, 그리고 0≤e≤4임)Li a M 1b M 2c S d X e (2 <a <4, 0 <b <1, 0 <c <1, 0 ≦ d ≦ 4, and 0 ≦ e ≦ 4)

상기 식에서, M1은 Sn, Si, Ge 또는 Pb이고, Wherein M 1 is Sn, Si, Ge or Pb,

M2는 Sb 또는 Bi이고, M 2 is Sb or Bi,

X는 F, Cl, Br, I, Se, 또는 Te임.X is F, Cl, Br, I, Se, or Te.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 황화물계 고체전해질의 제조방법으로서,According to the second aspect of the present disclosure, as a method for producing a sulfide-based solid electrolyte represented by the following formula (1),

a) 리튬 원소, M1 원소, M2 원소, 황 원소 및 X 원소를 포함하는 원료를 비활성 분위기 하에서 분쇄하는 단계; 및a) pulverizing a raw material comprising lithium element, M 1 element, M 2 element, elemental sulfur and element X under inert atmosphere; And

b) 상기 단계 a)에서 얻어진 분쇄물을 진공 하에서 열처리하는 단계;b) heat-treating the pulverized product obtained in step a) under vacuum;

를 포함하며,Including;

2θ가 16 내지 18°인 범위, 25 내지 27°인 범위, 및 44 내지 46°인 범위에서 각각 XRD 피크(peak)가 나타나고, 25 내지 27°인 범위에서 XRD 피크의 갈라짐(split peak)이 나타나는 황화물계 고체전해질의 제조방법:XRD peaks appear in the range 2θ is 16-18 °, 25-27 °, and 44-46 °, and split peaks of the XRD peak are in the range 25-27 °. Method for preparing sulfide solid electrolyte:

[화학식1]  [Formula 1]

LiaM1bM2cSdXe (2<a<4, 0<b<1, 0<c<1, 0≤d≤4, 그리고 0≤e≤4임)Li a M 1b M 2c S d X e (2 <a <4, 0 <b <1, 0 <c <1, 0 ≦ d ≦ 4, and 0 ≦ e ≦ 4)

상기 식에서, M1은 Sn, Si, Ge 또는 Pb이고, Wherein M 1 is Sn, Si, Ge or Pb,

M2는 Sb 또는 Bi이고, M 2 is Sb or Bi,

X는 F, Cl, Br, I, Se, 또는 Te임.X is F, Cl, Br, I, Se, or Te.

본 개시 내용의 제3 면에 따르면, 상술한 황화물계 고체전해질을 포함하는 리튬 이온 2차 전지가 제공된다.According to the third aspect of the present disclosure, there is provided a lithium ion secondary battery comprising the sulfide-based solid electrolyte described above.

일 구체예에 따르면, 상기 황화물계 고체전해질은 사방정계(orthorhombic), 그리고 공간군은 Pnma에 속하는 결정구조를 가질 수 있다.According to one embodiment, the sulfide-based solid electrolyte may be orthorhombic, and the space group may have a crystal structure belonging to Pnma.

일 구체예에 따르면, 상기 황화물계 고체전해질의 30℃에서의 리튬 이온 전도도가 적어도 1.0 X 10-4S/cm일 수 있다. According to one embodiment, the lithium ion conductivity at 30 ° C. of the sulfide-based solid electrolyte may be at least 1.0 × 10 −4 S / cm.

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 종래의 황화물계 고체 전해질에 비하여 우수한 대기 안정성을 가지면서도 리튬 이온 전도성이 양호한 황화물계 고체전해질을 제공할 수 있다. 또한, 상기 황화물계 고체전해질을 포함함으로써, 유기 액체 전해질을 적용한 경우에 비하여 안전성이 높고, 전지 성능이 양호하게 발현되는 전고체형 리튬 이온 2차 전지를 제작할 수 있는 장점을 갖는다.According to an embodiment of the present disclosure, it is possible to provide a sulfide-based solid electrolyte having a good lithium ion conductivity while having excellent atmospheric stability compared to a conventional sulfide-based solid electrolyte. In addition, by including the sulfide-based solid electrolyte, there is an advantage that can manufacture an all-solid-state lithium ion secondary battery having high safety and good battery performance compared to the case of applying an organic liquid electrolyte.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 황화물계 고체전해질인 Li4-xSnx-1SbxS4에 있어서 x의 변화에 따른 X-ray 회절 피크(peak)를 나타내는 그래프이고;
도 2는 실시예 1에서 제조된 황화물계 고체전해질의 이온전도도를 측정하기 위한 장치의 예를 개략적으로 도시하는 도면이고; 그리고
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 황화물계 고체전해질인 Li4-xSnx-1SbxS4에 있어서 x의 변화에 따른 이온 전도도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing an X-ray diffraction peak with a change of x in Li 4-x Sn x-1 Sb x S 4 , a sulfide-based solid electrolyte prepared according to Example 1;
2 is a view schematically showing an example of an apparatus for measuring the ion conductivity of a sulfide-based solid electrolyte prepared in Example 1; And
Figure 3 is a graph showing the result of measuring the ion conductivity according to the change of x in Li 4-x Sn x-1 Sb x S 4 which is a sulfide-based solid electrolyte prepared according to Example 1.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can be achieved by the following description. The following description is to be understood as describing preferred embodiments of the invention, but the invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are for ease of understanding, and the present invention is not limited thereto. Details of individual components may be appropriately understood by specific gist of the related description to be described later.

"고체전해질"은 내부에 이온을 이동시킬 수 있는 고체상의 전해질을 의미하며, 정상 상태에서는 고체이기 때문에, 통상 양이온 및 음이온으로 해리 또는 유리되어 있지 않다. 따라서, 전해액이나 고분자 내에서 양이온 및 음이온이 해리 또는 유리되어 있는 전해질 염(LiPF6, LiBF4, LiFSI, LiCl 등)과도 구별된다. "Solid electrolyte" means a solid electrolyte capable of transferring ions therein, and since it is solid in a steady state, it is usually not dissociated or liberated with cations and anions. Therefore, it is also distinguished from an electrolyte salt (LiPF 6 , LiBF 4 , LiFSI, LiCl, etc.) in which cations and anions are dissociated or released in an electrolyte solution or a polymer.

"황화물계 고체전해질"은 무기계 고체전해질의 일종으로서, 황(S)을 함유하고, 또한 주기율표 제1족 또는 제2족에 속하는 금속의 이온 전도성을 가지며, 또한 전자 절연성을 갖는 것을 의미할 수 있다. "Sulfide-based solid electrolyte" is a kind of inorganic solid electrolyte, which may include sulfur (S), and also have ionic conductivity of a metal belonging to group 1 or group 2 of the periodic table, and may also have electronic insulation. .

어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. When "includes" any component, this means that it can further include other components, unless stated otherwise.

황화물계 고체전해질Sulfide solid electrolyte

본 개시 내용에 따른 황화물계 고체전해질은 하기 화학식 1로 표시된다.Sulfide-based solid electrolyte according to the present disclosure is represented by the following formula (1).

[화학식1] [Formula 1]

LiaM1bM2cSdXe (2<a<4, 0<b<1, 0<c<1, 0≤d≤4, 그리고 0≤e≤4임)Li a M 1b M 2c S d X e (2 <a <4, 0 <b <1, 0 <c <1, 0 ≦ d ≦ 4, and 0 ≦ e ≦ 4)

상기 식에서, M1은 Sn, Si, Ge 또는 Pb이고, Wherein M 1 is Sn, Si, Ge or Pb,

M2는 Sb 또는 Bi이고, M 2 is Sb or Bi,

X는 F, Cl, Br, I, Se, 또는 Te이다.X is F, Cl, Br, I, Se, or Te.

예시적인 구체예에 따르면, 화학식 1에 따른 화합물 중 구성원소의 비율은 3<a<4, 0<b<1, 0<c<0.5, 0≤d≤4, 그리고 0≤e≤4일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the proportion of member elements in the compound according to Formula 1 may be 3 <a <4, 0 <b <1, 0 <c <0.5, 0 ≦ d ≦ 4, and 0 ≦ e ≦ 4 have.

다른 예시적인 구체예에 따르면, 화학식 1에 따른 화합물 중 구성원소의 비율은 3.5<a<4, 0.5<b<1, 0.1<c<0.5, 2≤d≤4, 그리고 0≤e≤4일 수 있다.According to another exemplary embodiment, the proportion of member elements in the compound according to Formula 1 is 3.5 <a <4, 0.5 <b <1, 0.1 <c <0.5, 2 ≦ d ≦ 4, and 0 ≦ e ≦ 4 days Can be.

특히, XRD 분석 결과, 본 개시 내용의 구체예에 따른 황화물계 고체전해질은 2θ가 16내지 18°인 범위, 25 내지 27°인 범위, 및 44 내지 46°인 범위에서 각각 XRD 피크(peak)가 나타나고, 25 내지 27°인 범위에서 XRD 피크의 갈라짐(split peak)이 나타난다.In particular, as a result of XRD analysis, the sulfide-based solid electrolyte according to an embodiment of the present disclosure has an XRD peak in a range of 2 to 16 to 18 degrees, a range of 25 to 27 degrees, and a range of 44 to 46 degrees, respectively. And split peaks of the XRD peak appear in the range of 25 to 27 °.

상술한 화합물은 최근 양호한 특성을 갖는 것으로 알려진 황화물계 화합물, 구체적으로 리튬 원소, M 원소(예를 들면 주석 또는 게르마늄), 인(P) 원소, 황(S) 원소 및 할로겐 원소로 이루어지는 화합물에 비하여 이온 전도도, 특히 리튬 이온의 이온 전도도를 증가시킬 수 있는 장점을 제공한다. 본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이와 같이 개선된 특성을 나타내는 이유는 하기와 같이 설명될 수 있다.The above-mentioned compounds are compared with sulfide compounds known to have good properties in recent years, specifically, compounds consisting of lithium element, M element (for example, tin or germanium), phosphorus (P) element, sulfur (S) element and halogen element. It offers the advantage of increasing the ionic conductivity, in particular the ionic conductivity of lithium ions. Although the present invention is not limited to a specific theory, the reason for exhibiting such improved characteristics can be explained as follows.

전고체형 전지에 있어서 고체전해질에서의 이온 전달은 일반적으로 결함(defects)의 농도 및 분포에 의존한다. 쇼트키(Schottky) 및 프렌켈(Frenkel) 포인트 결함을 기반으로 하는 이온 확산 메커니즘은 간단한 공공(Vacancy; 원자가 비어있는 격자 자리) 메커니즘 및 상대적으로 복잡한 확산 메커니즘(예를 들면, 복공공(divacancy) 메커니즘, 침입형(interstitial) 메커니즘, 침입형 치환(interstitial-substitutional) 교환 메커니즘 및 집단화(collective) 메커니즘)을 포함한다. 빠른 이온 전도성을 달성하기 위하여는 3개의 초기 기준을 충족해야 한다: (i) 모바일 이온이 차지할 수 있는 등가 사이트(equivalent site)의 개수가 모바일 종의 개수보다 훨씬 많아야 하고, (ii) 인접하는 사이트 간의 이동 장벽 에너지(migration barrier energy)는 이온이 어느 하나의 사이트로부터 또 다른 사이트로 뛰어넘을 수 있도록 충분히 낮아야 하며, 그리고 (iii) 이러한 사이트가 연속적인 확산 경로를 형성하도록 연결되어 있어야 한다.In all-solid-state cells, ion transport in solid electrolytes generally depends on the concentration and distribution of defects. Ion diffusion mechanisms based on Schottky and Frenkel point defects include simple Vacancy mechanisms and relatively complex diffusion mechanisms (eg, divacancy mechanisms). , Interstitial mechanisms, interstitial-substitutional exchange mechanisms, and collective mechanisms. To achieve fast ion conductivity, three initial criteria must be met: (i) the number of equivalent sites that mobile ions can occupy is much greater than the number of mobile species, and (ii) adjacent sites. The migration barrier energy of the liver must be low enough to allow ions to jump from one site to another, and (iii) these sites must be connected to form a continuous diffusion path.

이와 관련하여, M1은 황화물계 고체전해질의 기본적인 결정 구조를 결정하는 원소로서, 사방정계(orthorhombic), 그리고 공간군은 Pnma에 속하는 결정구조를 제공할 수 있다. 한편, M2는 황화물계 고체전해질의 M1에 의하여 영향을 받는 결정 구조에 있어서 격자 사이즈에 영향을 미치고, 결정 격자 간 거리를 변화시킴으로써 리튬 이온이 용이하게 이동할 수 있도록 한다. In this regard, M 1 is an element that determines the basic crystal structure of the sulfide-based solid electrolyte, orthorhombic, and the space group may provide a crystal structure belonging to Pnma. On the other hand, M 2 affects the lattice size in the crystal structure affected by M 1 of the sulfide-based solid electrolyte, and allows lithium ions to move easily by changing the distance between the crystal lattice.

특히, 본 개시 내용에 따른 황화물계 고체전해질의 경우, M1에 의하여 영향을 받는 결정구조에 M2를 도입함으로써 XRD 피크 중 25 내지 27°인 범위에서 갈라짐을 유발하여 격자 파라미터(lattice parameter; 결정 격자 내 단위 셀의 물리적 치수를 의미함)의 사이즈를 증가시키고, 그 결과 리튬 이온의 이온 전도도는 현저히 증가하게 된다. In particular, in the case of the sulfide-based solid electrolyte according to the present disclosure, by introducing M 2 in the crystal structure affected by M 1 causes cracking in the range of 25 to 27 ° of the XRD peak to determine the lattice parameter; Increasing the size of the unit cell in the lattice, resulting in a significant increase in the ion conductivity of lithium ions.

또한, 종래의 황화물계 고체전해질에 있어서, 인(P) 원소는 이온 전도도를 개선하는 기능을 발휘하는 원소이기는 하나, 대기 중 불안정한 특성을 갖고 있기 때문에 고체 전해질의 제조 과정에서 전해질의 성능을 저하시킬 수 있고, 다수의 제조 설비 내에 비활성 분위기를 유지해야 하는 등, 공정 설비에 대한 투자 비용을 증가시키는 요인으로 작용한다. 더욱이, 낮은 대기안정성으로 인하여 황화수소가 발생하여 대기 오염의 문제점을 유발할 수 있다.In addition, in the conventional sulfide-based solid electrolyte, phosphorus (P) element is an element that improves the ionic conductivity, but has an unstable characteristic in the air, and thus may degrade the performance of the electrolyte during the preparation of the solid electrolyte. And the need to maintain an inert atmosphere in many manufacturing facilities, which increases the investment cost for the process equipment. In addition, hydrogen sulfide may be generated due to low atmospheric stability, which may cause problems of air pollution.

그러나, 본 개시 내용에 따른 황화물계 고체전해질에서는 인 원소를 함유시키는 대신에 M2 원소로서 안티몬(Sb) 또는 비스무스(Bi)를 결정 구조 내에 도입함으로써 대기안정성을 개선시킬 수 있다. 그 결과, 화학식 1에 따른 화합물을 이용하여 다양한 대상에 적용하는 과정에서 일반 건조기에서도 작업을 수행할 수 있고, 황화수소의 발생도 최소화할 수 있다.However, in the sulfide-based solid electrolyte according to the present disclosure, the atmospheric stability can be improved by introducing antimony (Sb) or bismuth (Bi) into the crystal structure as the M 2 element instead of containing the phosphorus element. As a result, in the process of applying to a variety of objects using the compound according to formula 1 can be carried out in a general dryer, it is possible to minimize the generation of hydrogen sulfide.

예시적 구체예에 따르면, 황화물계 고체전해질의 평균 입경은, 예를 들면 약 0.1 내지 50 ㎛, 구체적으로 약 1 내지 30 ㎛, 보다 구체적으로 약 5 내지 20 ㎛의 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the average particle diameter of the sulfide-based solid electrolyte may be, for example, in the range of about 0.1 to 50 μm, specifically about 1 to 30 μm, more specifically about 5 to 20 μm.

예시적 구체예에 있어서, 전술한 황화물계 고체전해질의 리튬 이온 전도도(30℃)는, 예를 들면 적어도 약 1.0 x 10-4S/cm, 구체적으로 적어도 약 1.0 x 10-3/cm, 보다 구체적으로 적어도 약 3 x 10-3S/cm일 수 있다. 이러한 이온전도도는 종래에 알려진 황화물계 고체전해질용 화합물로서 M2가 함유되어 있지 않은 경우에 비하여 유의미한 수준으로 높다는 점은 주목할만하다. In an exemplary embodiment, the lithium ion conductivity (30 ° C.) of the sulfide-based solid electrolyte described above is, for example, at least about 1.0 × 10 −4 S / cm, specifically at least about 1.0 × 10 −3 / cm, more Specifically at least about 3 × 10 −3 S / cm. It is noteworthy that such ion conductivity is significantly higher than that when M 2 is not contained as a conventional sulfide-based solid electrolyte compound.

황화물계 고체전해질의 제조방법Method for preparing sulfide solid electrolyte

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 전술한 화학식 1에 따른 황화물계 고체전해질은 용매의 사용없이 제조될 수 있는 바, 이하에서 구체적으로 설명하기로 한다.According to one embodiment of the present disclosure, the sulfide-based solid electrolyte according to Chemical Formula 1 may be prepared without using a solvent, and will be described in detail below.

먼저, 화학식 1에 따른 화합물을 구성하는 리튬 원소, M1 원소, M2 원소, 황 원소 및 X 원소(선택적 성분)를 포함하는 원료를 형성한다. First, a raw material including lithium element, M 1 element, M 2 element, sulfur element, and X element (optional component) constituting the compound according to Formula 1 is formed.

리튬 원소Lithium element

리튬 원소는 당업계에서 공지된 리튬 소스로부터 제공될 수 있는 바, 전형적으로는 Li2S, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2, Li2S 또는 이의 조합일 수 있으며, 구체적으로는 Li2S, 보다 구체적으로는 가급적 불순물을 함유하지 않는 고순도의 Li2S을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 전술한 리튬 황화물계 소스이외에도, Li4SiO4, Li4GeO4 등을 사용하는 것을 배제하는 것은 아니지만, 리튬과 황이 결합되어 있는 소스(구체적으로 Li2S)가 산소를 함유하고 있지 않은 만큼, 리튬 원소의 소스로 바람직할 수 있다. The elemental lithium can be provided from a lithium source known in the art, typically Li 2 S, Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , Li 2 S or combinations thereof In particular, it may be advantageous to use Li 2 S, more specifically, high purity Li 2 S containing no impurities as possible. In addition to the above-mentioned lithium sulfide-based sources, the use of Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4, etc. is not excluded. However, as long as the source to which lithium and sulfur are bonded (specifically, Li 2 S) does not contain oxygen, It may be preferred as a source of elemental lithium.

MM 1One 원소 element

일 구체예에 있어서, M1 원소는 Sn, Si, Ge 또는 Pb로서 당업계에서 공지된 화합물 또는 전구체 형태로 사용할 수 있다. In one embodiment, the M 1 element may be used in the form of a compound or precursor known in the art as Sn, Si, Ge or Pb.

주석 원소의 소스의 예는 SnS2, SnF4, SnCl4, SnBr4, SnI4, SnF2, SnCl2, SnBr2, SnI2, 등을 포함할 수 있으며, 1종 또는 2종을 조합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 SnS2을 사용할 수 있다.Examples of the source of tin element may include SnS 2 , SnF 4 , SnCl 4 , SnBr 4 , SnI 4 , SnF 2 , SnCl 2 , SnBr 2 , SnI 2 , and the like, and may be used alone or in combination. Can be. Preferably SnS 2 can be used.

실리콘 원소의 소스는, 예를 들면 SiS2, SiF4, SiCl4, SiBr4, SiBrCl3, SiBr2Cl2, SiI4 등일 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종을 조합하여 사용할 수 있다. 다만, 합성 반응 및 최종 생성물의 조성을 고려할 때, SiS2를 사용하는 것이 유리할 수 있다. The source of the silicon element may be, for example, SiS 2 , SiF 4 , SiCl 4 , SiBr 4 , SiBrCl 3 , SiBr 2 Cl 2 , SiI 4, or the like, and one or two of these may be used in combination. However, considering the synthesis reaction and the composition of the final product, it may be advantageous to use SiS 2 .

게르마늄 원소의 소스로서, 예를 들면 GeS2, GeF4, GeCl4, GeBr4, GeI4 등을 예시할 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종을 조합하여 사용할 수 있다. 다만, GeS2를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.As a source of germanium element, for example, GeS 2, GeF 4, GeCl 4 , GeBr 4, GeI 4 , etc. can be mentioned, can be used alone or in combination of two or more of them. However, it may be preferable to use GeS 2 .

납 원소의 소스의 경우, PbS2, PbF4, PbCl4, PbBr4, PbI4 등을 예시할 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종을 조합하여 사용할 수 있다. 다만, PbS2를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. In the case of a source of lead element, PbS 2 , PbF 4 , PbCl 4 , PbBr 4 , PbI 4 , and the like can be exemplified, and one or two of them can be used in combination. However, it may be preferable to use PbS 2 .

MM 22 원소 element

일 구체예에 있어서, M2 원소는 Sb 또는 Bi로서 당업계에서 공지된 화합물 또는 전구체 형태로 사용할 수 있다. In one embodiment, the M 2 element may be used in the form of a compound or precursor known in the art as Sb or Bi.

안티몬 원소의 소스의 예는 Sb2S3, Sb2S5, SbF3, SbCl3, SbBr3, SbI3, SbF5, SbCl5 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는 Sb2S3, Sb2S5, 또는 이의 조합일 수 있다.Examples of sources of antimony elements may include Sb 2 S 3 , Sb 2 S 5 , SbF 3 , SbCl 3 , SbBr 3 , SbI 3 , SbF 5 , SbCl 5, or a combination thereof. More specifically, it may be Sb 2 S 3 , Sb 2 S 5 , or a combination thereof.

비스무스 원소의 소스로서, 예를 들면 Bi2S3, BiF3, BiCl3, BiBr3, BiI3 또는 이의 조합을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 Bi2S3일 수 있다.As a source of the bismuth element, for example, Bi 2 S 3 , BiF 3 , BiCl 3 , BiBr 3 , BiI 3 or a combination thereof may be used, more specifically, Bi 2 S 3 .

황 원소Elemental sulfur

예시적 구체예에 따르면, 황 원소는 단독으로(즉, 원소 황(S8) 형태) 또는 다른 원소(리튬, M1 및/또는 M2)와 결합된 형태로 제공될 수 있다. 이러한 황 소스의 구체적인 예는 앞서 기술한 만큼, 생략하기로 한다.According to an exemplary embodiment, the elemental sulfur may be provided alone (ie, in the form of elemental sulfur (S 8 )) or in combination with other elements (lithium, M 1 and / or M 2 ). Specific examples of such sulfur sources will be omitted as described above.

X 원소X element

본 구체예에 있어서, X 원소는 할로겐(F, Cl, Br, 또는 I), Se, 또는 Te일 수 있다.In this embodiment, the element X may be halogen (F, Cl, Br, or I), Se, or Te.

이와 관련하여, 할로겐 원소의 소스는 전술한 바와 같이 다른 원소(리튬, M1 및/또는 M2)와 결합된 형태로 제공될 수 있다. 이러한 형태의 할로겐 소스의 예는 앞서 기술한 만큼, 생략하기로 한다.In this regard, the source of the halogen element may be provided in a form combined with other elements (lithium, M 1 and / or M 2 ) as described above. Examples of this type of halogen source are omitted as described above.

한편, 셀레늄 원소 소스의 경우, 전형적으로 SeS2, SeF4, Se2F6, Se2Cl2, SeBr2, SeI2 등일 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종을 조합하여 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 SeS2일 수 있다.On the other hand, in the case of the element selenium, typically may be SeS 2 , SeF 4 , Se 2 F 6 , Se 2 Cl 2 , SeBr 2 , SeI 2, etc., one or two of these may be used in combination. More specifically, it may be SeS 2 .

또한, 텔루륨 원소 소스의 예는 TeS, Te2S6, TeF4, Te2F10, TeF6, TeCl2, TeCl4, TeBr2, TeBr4, TeI4 또는 이의 조합일 수 있다. 보다 구체적으로는 TeS, Te2S6 또는 이의 조합을 사용할 수 있다.Further, examples of the tellurium element source may be TeS, Te 2 S 6 , TeF 4 , Te 2 F 10 , TeF 6 , TeCl 2 , TeCl 4 , TeBr 2 , TeBr 4 , TeI 4, or a combination thereof. More specifically, TeS, Te 2 S 6 or a combination thereof may be used.

그 다음, 상술한 바와 같이 화학식 1에 대응하는 원소의 소스를 원하는 비율(즉, 화학식 1에서 특정된 원소 간 비율)을 고려하여 적절한 량으로 투입하고, 이를 분쇄하여 원료 분쇄물을 형성한다. 이때, 분쇄 과정은 비활성 분위기 하에서 수행될 수 있는 바, 예를 들면 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 또는 이의 혼합 가스를 이용할 수 있다. 만약, 대기 중에서 분쇄할 경우에는 분쇄 과정에서 산소가 혼입되어 최종 생성물 내에서 산화물이 부분적으로 생성될 수 있는 만큼, 비활성 분위기를 유지하면서 분쇄하는 것이 유리할 수 있다. Then, as described above, the source of the element corresponding to the formula (1) is added in an appropriate amount in consideration of the desired ratio (that is, the ratio between the elements specified in the formula 1), and it is pulverized to form a raw material pulverized product. At this time, the grinding process may be performed under an inert atmosphere, for example, it may use nitrogen, helium, neon, argon, or a mixed gas thereof. When pulverizing in the atmosphere, it may be advantageous to pulverize while maintaining an inert atmosphere, as oxygen may be partially mixed in the pulverizing process to partially form oxides in the final product.

한편, 분쇄 과정에서는 기계적 밀링(구체적으로 고에너시 기계적 밀링) 방식을 이용하여 원료를 분쇄할 수 있는 바, 전술한 원소의 소스 전부를 일거에 분쇄 장치에 투입하여 밀링할 수도 있고, 이중 단일 또는 복수의 원료 소스를 먼저 첨가하여 분쇄한 후에 나머지 원료 소스를 순차적으로 또는 추가적으로 투입하여 밀링하는 방식으로 분쇄할 수 있다. 이때, 밀링 과정에서 온도는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 약 10 내지 40℃, 구체적으로 약 15 내지 30℃, 보다 구체적으로 약 20 내지 25℃ 범위일 수 있다. Meanwhile, in the grinding process, the raw material may be pulverized by using mechanical milling (specifically, high energy mechanical milling), and all of the above-described sources of the elements may be put in a crushing apparatus in one step, and may be milled. A plurality of raw material sources may be added first to be pulverized, and then the remaining raw material sources may be pulverized in a sequential or additional manner to be milled. At this time, the temperature in the milling process is not particularly limited, for example, may be in the range of about 10 to 40 ℃, specifically about 15 to 30 ℃, more specifically about 20 to 25 ℃.

그 다음, 원료 분쇄물을 열처리하여 반응을 유도한다. 예시적 구체예에 따르면, 상기 반응은 진공 하에서 수행될 수 있는 바, 이를 위하여 흡입 과정을 통하여 앞서 공급된 비활성 가스를 제거한 후에 밀봉하는 방식으로 비활성 분위기를 진공 분위기로 대체할 수 있다. 이후, 분쇄물을 진공 하에서 승온시켜 열처리함으로써 화학식 1에 따른 황화물계 고체전해질로 전환시킬 수 있다. 이때, 열처리 온도는, 예를 들면 약 400 내지 800℃, 구체적으로 약 500 내지 700℃, 보다 구체적으로 약 520 내지 600℃ 범위일 수 있다. 또한, 열처리 시간은, 예를 들면 약 5 내지 30 시간, 구체적으로 약 8 내지 25 시간, 보다 구체적으로 약 10 내지 15 시간 범위 내에서 선정될 수 있다. Then, the raw pulverized product is heat treated to induce a reaction. According to an exemplary embodiment, the reaction can be carried out under vacuum, for which the inert atmosphere can be replaced by a vacuum atmosphere in such a way as to seal after removing the previously supplied inert gas through a suction process. Thereafter, the pulverized product may be converted to a sulfide-based solid electrolyte according to Chemical Formula 1 by heating under elevated temperature. In this case, the heat treatment temperature may be, for example, about 400 to 800 ° C, specifically about 500 to 700 ° C, and more specifically about 520 to 600 ° C. In addition, the heat treatment time may be selected, for example, within the range of about 5 to 30 hours, specifically about 8 to 25 hours, more specifically about 10 to 15 hours.

전술한 열처리 조건은 가급적 형성된 황화물계 화합물이 단일 결정을 갖도록 적절히 조절될 수 있는 바, 예를 들면 먼저 약 5 내지 30℃/h(구체적으로 약 10 내지 25℃/h, 보다 구체적으로 약 15 내지 20℃/h)의 승온 속도로 열처리 온도까지 승온시킨 후에 온도를 유지하고, 그 다음 일정한 냉각 속도(예를 들면, 약 2 내지 10℃/h, 구체적으로 약 3 내지 7℃/h, 보다 구체적으로 약 4 내지 6℃/h)로 상온까지 냉각시키는 방식으로 수행할 수 있다.The above heat treatment conditions may be suitably adjusted so that the sulfide-based compound formed preferably has a single crystal, for example, first about 5 to 30 ° C./h (specifically about 10 to 25 ° C./h, more specifically about 15 to The temperature is maintained after the temperature is raised to the heat treatment temperature at a temperature increase rate of 20 ° C./h, followed by a constant cooling rate (eg, about 2 to 10 ° C./h, specifically about 3 to 7 ° C./h, more specifically To about 4 to 6 ° C./h).

전고체형 리튬 이온 2차전지의 제작Fabrication of all-solid lithium ion secondary battery

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 전술한 바에 따라 제조된 화학식 1의 황화물계 화합물을 전해질로 적용하여 전고체형 리튬 이온 2차전지를 제작할 수 있다. 이러한 전고체형 리튬 이온 2차전지의 구성은 당업계에서 공지되어 있는 바, 고체전해질 이외의 구성요소는 하기와 같이 간략하게 설명할 수 있다.According to another embodiment of the present disclosure, an all-solid-state lithium ion secondary battery may be manufactured by applying a sulfide-based compound of Formula 1 prepared as described above as an electrolyte. The configuration of such an all-solid-state lithium ion secondary battery is known in the art, components other than the solid electrolyte can be briefly described as follows.

먼저, 전고체형 리튬 이온 2차전지의 경우, 양극(cathode)에 부착된 양극 활물질 층, 음극(anode)에 부착된 음극 활물질 층, 및 상기 양극 활물질 층과 상기 음극 활물질 층 사이에 전술한 황화물계 고체전해질 층이 개재되어 있다. First, in the case of an all-solid-state lithium ion secondary battery, the above-mentioned sulfide type between the positive electrode active material layer attached to a cathode, the negative electrode active material layer attached to an anode, and the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer A solid electrolyte layer is interposed.

양극 활물질은, 가역적으로 리튬 이온을 삽입 및 방출할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 양극 활물질의 재질로서, 특별히 한정되는 것은 아니며, 전이 금속 산화물이나, 황 등의 Li와 복합화할 수 있는 원소 등이어도 무방하다. 그 중에서도, 전이금속 산화물을 이용할 수 있고, 이러한 전이금속 원소로서 Co, Ni, Fe, Mn, Cu, V로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 예시할 수 있다.It is preferable that the positive electrode active material can reversibly insert and release lithium ions. It does not specifically limit as a material of such a positive electrode active material, It may be an element which can be compounded with Li, such as a transition metal oxide and sulfur. Especially, a transition metal oxide can be used and one or more types of elements chosen from Co, Ni, Fe, Mn, Cu, V can be illustrated as such a transition metal element.

전이금속 산화물의 예로서, 층상 암염형 구조를 갖는 전이금속 산화물, 스피넬형 전이금속 산화물, 리튬-함유 전이금속 인산 화합물, 리튬-함유 전이금속 할로겐화 인산 화합물, 리튬-함유 전이금속 실리콘 화합물 등을 들 수 있다.Examples of the transition metal oxide include a transition metal oxide having a layered rock salt structure, a spinel transition metal oxide, a lithium-containing transition metal phosphate compound, a lithium-containing transition metal halide phosphate compound, a lithium-containing transition metal silicon compound, and the like. Can be.

이와 관련하여, 층상 암염형 구조를 갖는 전이금속 산화물로서, LiCoO2(LCO), LiNi2O2, LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(NCA), LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(NMC), LiNi0.5Mn0.5O를 예시할 수 있다. 스피넬형 전이금속 산화물로서, LiCoMnO4, Li2FeMn3O8, Li2CuMn3O8, Li2CrMn3O8, Li2NiMn3O8을 예시할 수 있다. 또한, 리튬-함유 전이금속 인산 화합물의 예는 LiFePO4, Li3Fe2(PO4)3, LiFeP2O7, LiCoPO4, 및 Li3V2(PO4)3을 포함할 수 있고, 리튬-함유 전이금속 할로겐화 인산 화합물로서, 예를 들면 Li2FePO4F, Li2MnPO4F, Li2CoPO4F 등을 예시할 수 있다. 이외에도, 리튬-함유 전이금속 실리콘 화합물로서, 예를 들면 Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, Li2CoSiO4 등을 예시할 수 있다.In this connection, as a transition metal oxide having a layered rock salt structure, LiCoO 2 (LCO), LiNi 2 O 2 , LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0.05 O 2 (NCA), LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 (NMC), LiNi 0.5 Mn 0.5 O can be illustrated. Examples of the spinel transition metal oxide include LiCoMnO 4 , Li 2 FeMn 3 O 8 , Li 2 CuMn 3 O 8 , Li 2 CrMn 3 O 8 , and Li 2 NiMn 3 O 8 . In addition, examples of the lithium-containing transition metal phosphate compound may include LiFePO 4 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , LiFeP 2 O 7 , LiCoPO 4 , and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , and lithium As the -containing transition metal halide phosphoric acid compound, for example, Li 2 FePO 4 F, Li 2 MnPO 4 F, Li 2 CoPO 4 F and the like can be exemplified. In addition, examples of the lithium-containing transition metal silicon compound include Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , Li 2 CoSiO 4 , and the like.

음극 활물질의 경우, 가역적으로 리튬 이온을 삽입 및 방출할 수 있는 것이 바람직하다. 음극 활물질의 재료는 특별히 제한되지 않고, 탄소질 재료, 산화주석이나 산화규소 등의 금속 산화물, 금속 복합 산화물, 리튬 또는 리튬 합금 등을 예시할 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소질 재료 또는 리튬 복합 산화물을 사용할 수 있다. In the case of the negative electrode active material, it is preferable that lithium ions can be reversibly inserted and released. The material of the negative electrode active material is not particularly limited, and examples thereof include carbonaceous materials, metal oxides such as tin oxide and silicon oxide, metal composite oxides, lithium or lithium alloys. More specifically, carbonaceous materials or lithium composite oxides can be used.

이와 관련하여, 탄소질 재료는 실질적으로 탄소로 이루어지는 재료로서, 예를 들면 석유 피치, 아세틸렌 블랙(AB) 등의 카본 블랙, 천연 흑연, 기상 성장 흑연 등의 인조 흑연, 및 PAN(폴리아크릴로나이트릴)계의 수지나 퓨퓨릴알코올 수지 등의 각종 합성수지를 소성한 탄소질 재료를 예시할 수 있다. 또한, PAN계 탄소섬유, 셀룰로스계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유, 기상 성장 탄소섬유, 리그닌 탄소 섬유, 유리상 탄소섬유, 활성 탄소섬유 등의 각종 탄소 섬유류, 평판의 흑연 등을 예시할 수 있다.In this regard, the carbonaceous material is substantially a material made of carbon, for example, petroleum pitch, carbon black such as acetylene black (AB), artificial graphite such as natural graphite, vapor-grown graphite, and PAN (polyacrylonitrile). Carbonaceous materials which baked various synthetic resins, such as a reel) type resin and a furfuryl alcohol resin, can be illustrated. Moreover, various carbon fibers, such as PAN type | system | group carbon fiber, cellulose type carbon fiber, pitch type carbon fiber, vapor-growth carbon fiber, lignin carbon fiber, glassy carbon fiber, and activated carbon fiber, a graphite of a flat plate, etc. can be illustrated.

또한, 금속 산화물 및 금속 복합 산화물로서, 특히 비정질 산화물을 사용할 수 있고, 금속 원소와 주기율표 제16족의 원소의 반응 생성물인 칼코게나이드도 사용할 수 있다. 이러한 비정질 산화물 및 칼코게나이드로 이루어지는 화합물에 있어서, 반금속원소의 비정질 산화물, 또는 칼코게나이드를 사용할 수 있고, 보다 구체적으로 Al, Ga, Si, Sn, Ge, Pb, Sb, Bi의 1종 단독 또는 이의 조합으로 이루어지는 산화물, 및 칼코게나이드를 사용할 수 있는 바, 예를 들면 Ga2O3, SiO, GeO, SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb2O4, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, Bi2O3, Bi2O4, SnSiO3, GeS, SnS, SnS2, PbS, PbS2, Sb2S3, Sb2S5, SnSiS3 등을 사용할 수 있다.As the metal oxide and the metal complex oxide, in particular, an amorphous oxide can be used, and chalcogenide, which is a reaction product of a metal element and an element of group 16 of the periodic table, can also be used. In the compound consisting of such an amorphous oxide and chalcogenide, an amorphous oxide of a semimetal element or chalcogenide can be used, and more specifically, one of Al, Ga, Si, Sn, Ge, Pb, Sb, and Bi. Oxides composed of single or a combination thereof and chalcogenide can be used, for example Ga 2 O 3 , SiO, GeO, SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 2 O 4 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , SnSiO 3 , GeS, SnS, SnS 2 , PbS, PbS 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 S 5 , SnSiS 3 and the like can be used.

한편, 전고체형 리튬 이온 2차전지는 집전체를 포함할 수 있는 바, 이러한 집전체의 재질로서 전자 전도체를 사용할 수 있다. 양극의 집전체의 경우, 알루미늄, 스테인리스강, 니켈, 티타늄 등을 사용할 수 있고, 이외에도 알루미늄 또는 스테인리스강의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은을 처리할 것을 상숑할 수 있다. 한편, 음극의 집전체로서, 알루미늄, 구리, 스테인리스강, 니켈, 티타늄 등을 사용할 수 있다. 이러한 집전체의 형상은, 전형적으로 필름 형상일 수 있으나, 망 구조물, 펀칭 구조물, 다공질체, 발포체 등을 적용할 수도 있다. 예시적으로, 집전체의 두께는, 예를 들면 약 1 내지 300 ㎛, 구체적으로 약 10 내지 250 ㎛, 보다 구체적으로 약 50 내지 200 ㎛ 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 의미로 이해될 수 있다. Meanwhile, the all-solid-state lithium ion secondary battery may include a current collector, and an electronic conductor may be used as a material of the current collector. In the case of the current collector of the positive electrode, aluminum, stainless steel, nickel, titanium, or the like may be used, and in addition, it may be advisable to treat carbon, nickel, titanium, or silver on the surface of aluminum or stainless steel. On the other hand, aluminum, copper, stainless steel, nickel, titanium, etc. can be used as an electrical power collector of a negative electrode. The shape of the current collector may be typically in the form of a film, but a network structure, a punching structure, a porous body, a foam, or the like may also be applied. By way of example, the thickness of the current collector may be in the range of, for example, about 1 to 300 μm, specifically about 10 to 250 μm, more specifically about 50 to 200 μm, but this may be understood in an exemplary sense.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention, but the following examples are provided only for better understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

Li2S, SnS2, Sb2S3, S 및 Sb2S5을 각각 밀링 장치에 투입하고 글로브박스 내에 아르곤 분위기를 형성한 후에 분쇄시켰다. 이후, 실리카 앰플 내에서 원료 분쇄물을 투입하고 진공을 가한 후에 이를 밀봉하였다. 이후, 가스 버너를 이용하여 원료 분쇄물을 열처리하였는 바, 이때 열처리 온도는 550℃, 그리고 열처리 시간은 12 시간이었다. 상술한 열처리 과정을 통하여 Li4-xSnx-1SbxS4로 표시되는 황화물계 고체전해질을 제조하였다. Li 2 S, SnS 2 , Sb 2 S 3 , S and Sb 2 S 5 were each put into a milling apparatus, and after forming an argon atmosphere in the glovebox, they were ground. Thereafter, the raw material pulverized product was put in a silica ampoule and sealed after applying a vacuum. Thereafter, the raw material pulverized product was heat treated using a gas burner, wherein the heat treatment temperature was 550 ° C., and the heat treatment time was 12 hours. A sulfide-based solid electrolyte represented by Li 4-x Sn x-1 Sb x S 4 was prepared through the above-described heat treatment.

제조된 황화물계 고체전해질에 대하여 XED 분석을 수행하였고, x의 변화에 따른 XRD 피크 특성을 도 1에 나타내었다.XED analysis was performed on the prepared sulfide-based solid electrolyte, and the XRD peak characteristics according to the change of x are shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, x=0인 경우(즉, 화학식 1에서 M2가 결정구조에 도입되지 않은 경우), 25 내지 27°인 범위에서 피크가 검출되었으나, 갈라짐은 발견되지 않고 매끈한 피크 형태를 나타내었다. 그러나, x가 0.1로 증가함에 따라 25 내지 27°인 범위에서 검출된 피크가 갈라진 형태를 나타내었으며, 이러한 갈라짐 형태의 피크는 x가 0.15, 0.167, 0.2 및 0.3까지 증가한 경우에도 발견되었다.Referring to FIG. 1, when x = 0 (that is, when M 2 is not introduced into the crystal structure in Chemical Formula 1), a peak is detected in a range of 25 to 27 °, but no crack is found and a smooth peak shape is observed. Indicated. However, as x increased to 0.1, the detected peak in the range of 25 to 27 ° showed a cracked form, and this cracked peak was found even when x increased to 0.15, 0.167, 0.2 and 0.3.

제조된 황화물계 고체전해질의 이온전도도를 측정하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 이온전도도 측정 장치를 자체 제작하였으며, 이를 이용하여 x의 변화에 따른 이온전도도를 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to measure the ionic conductivity of the prepared sulfide-based solid electrolyte, as shown in FIG. 2, an ion conductivity measuring apparatus was manufactured by itself, and the ionic conductivity according to the change of x was measured. The results are shown in FIG.

도 3에 따르면, x=0에서 점차적으로 증가하여 0.2에 도달할 때까지 이온전도도는 지속적으로 증가하였다. 다만, x가 0.3으로 증가할 경우에는 이온전도도가 다소 감소하였으나, 이는 x가 0인 경우(즉, 화학식 1에서 M2가 결정구조에 도입되지 않은 경우)에 비하여 현저히 높은 수준이었다.According to FIG. 3, the ion conductivity continuously increased until it gradually increased at x = 0 and reached 0.2. However, when x increased to 0.3, the ionic conductivity decreased slightly, but this was significantly higher than when x was 0 (that is, when M 2 was not introduced into the crystal structure).

따라서, 리튬, 주석 및 황을 함유하는 황화물계 고체전해질에 있어서 안티몬을 격자 구조에 도입함으로써 리튬 이온의 이동성이 현저히 증가하였음을 알 수 있다. Therefore, in the sulfide-based solid electrolyte containing lithium, tin and sulfur, it can be seen that the mobility of lithium ions was significantly increased by introducing antimony into the lattice structure.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. Simple modifications and variations of the present invention can be readily used by those skilled in the art, and all such variations or modifications can be considered to be included within the scope of the present invention.

Claims (1)

하기 화학식 1로 표시되고, 2θ가 16내지 18°인 범위, 25 내지 27°인 범위, 및 44 내지 46°인 범위에서 각각 XRD 피크(peak)가 나타나고, 25 내지 27°인 범위에서 XRD 피크의 갈라짐(split peak)이 나타나는 황화물계 고체전해질:
[화학식1]
LiaM1bM2cSdXe (2<a<4, 0<b<1, 0<c<1, 0≤d≤4, 그리고 0≤e≤4임)
상기 식에서, M1은 Sn, Si, Ge 또는 Pb이고,
M2는 Sb 또는 Bi이고,
X는 F, Cl, Br, I, Se, 또는 Te임.
The XRD peak is represented by the following Chemical Formula 1, wherein 2θ is in the range of 16 to 18 °, in the range of 25 to 27 °, and in the range of 44 to 46 °, respectively, and in the range of 25 to 27 °. Sulfide-based solid electrolytes with split peaks:
[Formula 1]
Li a M 1b M 2c S d X e (2 <a <4, 0 <b <1, 0 <c <1, 0 ≦ d ≦ 4, and 0 ≦ e ≦ 4)
Wherein M 1 is Sn, Si, Ge or Pb,
M 2 is Sb or Bi,
X is F, Cl, Br, I, Se, or Te.
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