KR20200000393A - Electrode active material-solid electrolyte composite, method for manufacturing the same, and all solid state rechargeable lithium battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
전극 활물질-고체 전해질 복합체, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode active material-solid electrolyte composite, a method for preparing the same, and an all-solid-state battery including the same.
리튬 이차 전지는 주로 모바일 기기나 노트북 컴퓨터 등의 소형 분야에 적용되어 왔지만, 최근에는 그 연구 방향이 에너지 저장 장치(ESS, energy storage system)나 전기자동차 (EV, Electric vehicle) 등 중대형 분야로 확장되고 있다.Lithium secondary batteries have been mainly applied to small fields such as mobile devices and notebook computers, but recently, the research direction has been extended to medium and large fields such as energy storage systems (ESS) and electric vehicles (EVs). have.
이러한 중대형 리튬 이차 전지의 경우, 소형과는 달리 작동 환경(예를 들어, 온도, 충격)이 가혹할 뿐만 아니라, 더욱 많은 전지를 사용하여야 하기 때문에, 우수한 성능이나 적절한 가격과 함께 안전성이 확보될 필요가 있다. In the case of such a medium-large lithium secondary battery, unlike a small battery, the operating environment (for example, temperature and impact) is not only severe but also requires more batteries. Therefore, it is necessary to secure safety with excellent performance or an appropriate price. have.
현재 상용화된 대부분의 리튬 이차 전지는 리튬염(Lithium salt)을 유기용매(flammable organic solvent)에 녹인 유기 액체 전해질을 이용하고 있기 때문에, 누액을 비롯하여, 발화 및 폭발에 대한 잠재적인 위험성을 안고 있다. Most commercially available lithium secondary batteries use an organic liquid electrolyte in which lithium salt is dissolved in a flammable organic solvent, and thus have a potential risk of ignition and explosion, including leakage.
이에 따라, 상기 유기 액체 전해질을 대체하여 고체 전해질을 이용하는 것이 상기 안전성 문제를 극복하기 위한 대안으로 각광받고 있다. 구체적으로, 고체 전해질을 이용한 전지, 즉 전고체 전지는 박막형과 후막형으로 분류할 수 있다. 이 중 후막형 전고체 전지는 이른바 복합형(composite-type) 전고체 전지이며, 현재 상용화된 리튬 이차 전지에 있어서 유기 액체 전해질을 단순히 고체 전해질로 치환한 형태인 것이다.Accordingly, using a solid electrolyte in place of the organic liquid electrolyte has been in the spotlight as an alternative to overcome the safety problem. Specifically, a battery using a solid electrolyte, that is, an all-solid-state battery may be classified into a thin film type and a thick film type. Among these, the thick-film all-solid-state battery is a so-called composite-type all-solid-state battery, and is a form in which an organic liquid electrolyte is simply replaced with a solid electrolyte in a commercially available lithium secondary battery.
이러한 전고체 전지의 성능을 발현하기 위해서는, 그 기반이 되는 활물질의 이론 용량을 온전히 발현시킬 수 있을 정도로 전고체 전지 내 고체 전해질 및 활물질의 입자 간 접촉 특성이 우수할 것이 요구되나, 현재까지 연구된 바로는 그 요구 수준에 부합하지 못하고 있다.In order to express the performance of such an all-solid-state battery, it is required to have excellent contact characteristics between the particles of the solid electrolyte and the active material in the all-solid-state battery to the extent that the theoretical capacity of the active material on which it is based can be fully expressed. Pharaoh is not meeting that level of demand.
앞서 살펴본 문제를 해결하기 위해, 수용액 공정을 기반으로, 전극 활물질 입자의 표면에 고체 전해질 코팅층을 형성하여 복합체로 수득하는 여러 방법을 제시한다.In order to solve the problems discussed above, based on the aqueous solution process, various methods for forming a solid electrolyte coating layer on the surface of the electrode active material particles to obtain a composite.
본 발명의 일 구현예에서는, 전극 활물질 입자; 및 상기 전극 활물질 입자의 표면에 위치하는 고체 전해질 코팅층;을 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체를 제공한다.In one embodiment of the present invention, the electrode active material particles; And a solid electrolyte coating layer disposed on the surface of the electrode active material particles.
단, 상기 고체 전해질 코팅층은 고체 전해질을 포함하며, 상기 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 비정질 황화물계 화합물을 포함하는 것이다.However, the solid electrolyte coating layer includes a solid electrolyte, and the solid electrolyte includes an amorphous sulfide-based compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1] LiaMbScX1 d [Formula 1] Li a M b S c X 1 d
상기 화학식 1에서, M은 Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, 또는 La이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6임.In
구체적으로, 상기 복합체 내 코팅층: 전극 활물질 입자의 중량비는, 0.1:99.9 내지 50:50일 수 있다.Specifically, the weight ratio of the coating layer in the composite to the electrode active material particles may be 0.1: 99.9 to 50:50.
상기 고체 전해질은, 30 ℃에서 리튬 이온 전도도가 1.010-4 S/cm 이상일 수 있다. 이 경우, 상기 화학식 1에서, M은 Sn일 수 있고, 3.5<a≤4.5일 수 있고, 0.5<b≤1.5일 수 있고, 3.5<c≤4.5일 수 있다. The solid electrolyte has a lithium ion conductivity of 1.0 at 30 ° C. It may be at least 10 -4 S / cm. In this case, in Chemical Formula 1, M may be Sn, 3.5 <a ≦ 4.5, 0.5 <b ≦ 1.5, and 3.5 <c ≦ 4.5.
상기 전극 활물질 입자는, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물일 수 있다. 또한, 상기 전극 활물질 입자는, Li, Nb, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 포함하는 코팅 원소의 화합물, 또는 상기 화합물의 혼합물을 포함하는 코팅층이 표면에 위치할 수 있다.The electrode active material particles may be a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium. In addition, the electrode active material particles, Li, Nb, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a coating element containing a mixture thereof The coating layer containing a compound of, or a mixture of the compounds may be located on the surface.
구체적으로, 상기 전극 활물질 입자는, 리튬(Li), 리튬메탈(Li-metal)계 산화물, 카본계 물질, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.Specifically, the electrode active material particles are lithium (Li), lithium metal (Li-metal) oxide, carbon-based material, oxide, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), At least one selected from the group comprising derivatives thereof, and mixtures thereof.
예를 들어, 상기 리튬메탈(Li-metal)계 산화물은, 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합인 금속; 및 리튬;의 복합 산화물 중 1종 이상일 수 있다.For example, the lithium metal (Li-metal) oxide, cobalt, manganese, nickel or a combination thereof metal; And lithium; at least one of complex oxides.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 전극 활물질 입자, 하기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물, 및 물(H2O)을 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제1 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, preparing a first mixture comprising an electrode active material particles, a crystalline sulfide-based compound represented by
단, 상기 제1 혼합물을 열처리하는 단계;에서, 상기 제1 혼합물 내 물이 제거되고, 상기 결정질 황화물계 화합물이 비정질로 전환됨과 동시에 상기 전극 활물질 입자의 표면에 코팅된다.However, in the step of heat-treating the first mixture; water in the first mixture is removed, and the crystalline sulfide compound is converted to amorphous and coated on the surface of the electrode active material particles.
[화학식 1] LiaMbScX1 d [Formula 1] Li a M b S c X 1 d
상기 화학식 1에서, M은 Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, 또는 La이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6임.In
구체적으로, 상기 제1 혼합물을 제조하는 단계;는, 상기 전극 활물질 입자, 상기 결정질 황화물계 화합물, 및 상기 물을 동시에 혼합하는 단계;일 수 있다.Specifically, preparing the first mixture; may include mixing the electrode active material particles, the crystalline sulfide compound, and the water at the same time.
이와 독립적으로, 상기 제1 혼합물을 제조하는 단계;는, 상기 결정질 황화물계 화합물 및 상기 물을 혼합한 후, 상기 전극 활물질 입자를 첨가하여 혼합하는 단계;일 수 있다.Independently, preparing the first mixture; may include mixing the crystalline sulfide-based compound and the water and then adding and mixing the electrode active material particles.
상기 제1 혼합물 제조 시, 구성 성분의 혼합 순서와 무관하게, 상기 용매 1 mL 당, 상기 전극 활물질 입자 및 상기 결정질 황화물계 화합물 의 총량이 300 내지 600 mg이 되도록 혼합할 수 있다. 또한, 상기 제1 혼합물 내 결정질 황화물계 화합물: 전극 활물질 입자의 중량비가 0.1:99.9 내지 50:50이 되도록 혼합할 수 있다.In preparing the first mixture, regardless of the mixing order of the components, the total amount of the electrode active material particles and the crystalline sulfide compound may be 300 to 600 mg per 1 mL of the solvent. In addition, the weight ratio of the crystalline sulfide-based compound: electrode active material particles in the first mixture may be mixed to be 0.1: 99.9 to 50:50.
상기 제1 혼합물을 열처리하는 단계는, 200 내지 450 ℃ 이하의 온도 범위, 예를 들어 280 내지 320 ℃ 이하의 온도 범위에서, 6 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다. 이때의 압력은 0 내지 760 torr범위일 수 있다.The heat treatment of the first mixture may be performed for 6 to 10 hours in a temperature range of 200 to 450 ° C. or less, for example, in a temperature range of 280 to 320 ° C. or less. At this time, the pressure may be in the range of 0 to 760 torr.
상기 제1 혼합물을 제조하는 단계 이후에, 상기 제1 혼합물을 여과하여, 상기 제1 혼합물을 내 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.After preparing the first mixture, the first mixture may be filtered to further remove impurities in the first mixture.
상기 제1 혼합물을 제조하는 단계 이전에, 상기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물;을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. Before preparing the first mixture, a crystalline sulfide compound represented by Chemical Formula 1 may be further included.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물;를 제조하는 단계는, 상기 화학식 1의 화학양론적 몰비를 만족하도록, 리튬 원료 물질; 상기 M 원료 물질; 및 상기 S 원료 물질;을 건식 혼합하는 단계; 및 상기 건식 혼합물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the step of preparing the crystalline sulfide-based compound represented by the formula (1), so as to satisfy the stoichiometric molar ratio of the formula (1), a lithium raw material; The M raw material; And dry mixing the S raw material; And heat treating the dry mixture.
보다 구체적으로, 상기 건식 혼합물을 열처리하는 단계는, 400 내지 700 ℃의 온도 범위 및 진공 조건에서, 5 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다.More specifically, the step of heat-treating the dry mixture may be performed for 5 to 30 hours in a temperature range of 400 to 700 ℃ and vacuum conditions.
상기 화학식 1의 화학양론적 몰비를 만족하도록, 리튬 또는 나트륨 원료 물질' 상기 M 원료 물질; 및 상기 S 원료 물질;을 건식 혼합하는 단계에서, 상기 X1 원료 물질을 첨가하여 건식 혼합할 수도 있다.Lithium or sodium raw material to satisfy the stoichiometric molar ratio of Chemical Formula 1 'M raw material; And dry mixing the S raw material; by adding the X 1 raw material.
한편, 본 발명의 또 다른 일 구현예에서도, 전극 활물질 입자; 및 상기 전극 활물질 입자의 표면에 위치하는, 고체 전해질 코팅층;을 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체를 제공한다.On the other hand, in another embodiment of the present invention, the electrode active material particles; And a solid electrolyte coating layer positioned on a surface of the electrode active material particles.
단, 상기 고체 전해질 코팅층은 고체 전해질을 포함하고, 상기 고체 전해질은 하기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 결정질 화합물을 포함하는 것이다.However, the solid electrolyte coating layer includes a solid electrolyte, and the solid electrolyte includes a crystalline compound represented by any one of the following Chemical Formulas 2 to 4.
[화학식 2] x(LiX2 eHf)-(1-x)(LiaMbScX1 d)[Formula 2] x (LiX 2 e H f )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
[화학식 3] x(LigX3 eOh)-(1-x)(LiaMbScX1 d)[Formula 3] x (Li g X 3 e O h )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
[화학식 4] x(LiX4 eHf)-(1-x)(LiaMbScX1 d)[Formula 4] x (LiX 4 e H f )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
상기 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, M은 Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, 또는 La이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6이고, x는 0.1 내지 0.5이다.In Formulas 2 to 4, each independently of each other, M is Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, or La, X 1 is F, Cl, Br, I, Se , Te, or O, 0 <a ≦ 6, 0 <b ≦ 6, 0 <c ≦ 6, 0 ≦ d ≦ 6, and x is 0.1 to 0.5.
상기 화학식 2에서, X2는 F, Cl, Br, 또는 I이고, 0<e≤6이고, 0≤f≤6이다.In Formula 2, X 2 is F, Cl, Br, or I, 0 <e ≦ 6, and 0 ≦ f ≦ 6.
상기 화학식 3에서, X3는 Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, 또는 Mg이고, 0<g≤6이고, 0<e≤6이고, 0<h≤6이다.In Formula 3, X 3 is Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, or Mg, 0 <g ≦ 6, 0 <e ≦ 6, and 0 <h ≦ 6.
상기 화학식 4에서, X4는 B, Mg, 또는 N이고, 0<e≤4이고, 0<f≤6이다.In
구체적으로, 상기 고체 전해질은, 2θ가 16.5 내지 17 °인 범위, 17 내지 18 °인 범위, 18.5 내지 19 °인 범위, 25 내지 26 °인 범위, 및 26 내지 26.5 °인 범위 중 적어도 하나 이상의 범위에서, Cu Kα X선(X-rα)에 의한 XRD 피크(peak)가 나타날 수 있다. 이때의 고체 전해질은, 결정 구조가 사방정계(orthorhombic)일 수 있다.Specifically, the solid electrolyte, at least one or more of the range 2θ is 16.5 to 17 °, the range 17 to 18 °, the range 18.5 to 19 °, the
상기 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, x는 0.3 내지 0.5일 수 있다.In Chemical Formulas 2 to 4, each independently, x may be 0.3 to 0.5.
또한, 상기 고체 전해질은, 30 ℃에서 리튬 이온 전도도가 1.010-4 S/cm 이상일 수 있다.In addition, the solid electrolyte has a lithium ion conductivity of 1.0 at 30 ° C. It may be at least 10 -4 S / cm.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 이온 전도성 첨가제, 전극 활물질 입자, 하기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물, 및 물(H2O)을 포함하는 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, preparing a second mixture comprising an ion conductive additive, an electrode active material particles, a crystalline sulfide compound represented by
단, 상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;에서, 상기 제2 혼합물 내 물이 제거되고, 상기 이온 전도성 첨가제 및 상기 결정질 황화물계 화합물이 상기 전극 활물질 입자의 표면에 코팅되는 것이다.However, in the step of heat-treating the second mixture; water in the second mixture is removed, and the ion conductive additive and the crystalline sulfide compound are coated on the surface of the electrode active material particles.
[화학식 1] LiaMbScX1 d [Formula 1] Li a M b S c X 1 d
상기 화학식 1에서, M은 Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, 또는 La이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6임.In
구체적으로, 상기 제2 혼합물을 제조하는 단계;는, 상기 이온 전도성 첨가제, 상기 전극 활물질 입자, 상기 결정질 황화물계 화합물, 및 상기 물을 동시에 혼합하는 단계;일 수 있다.Specifically, preparing the second mixture; may include mixing the ion conductive additive, the electrode active material particles, the crystalline sulfide compound, and the water at the same time.
이와 독립적으로, 상기 제2 혼합물을 제조하는 단계;는, 상기 이온 전도성 첨가제, 상기 결정질 황화물계 화합물 및 상기 물을 혼합한 후, 상기 전극 활물질 입자를 첨가하여 혼합하는 단계;일 수 있다.Independently, preparing the second mixture; may include mixing the ion conductive additive, the crystalline sulfide compound, and the water, and then adding and mixing the electrode active material particles.
상기 제2 혼합물 제조 시, 그 제조 방법과 무관하게, 상기 용매 1 mL 당, 상기 전극 활물질 입자 및 상기 결정질 황화물계 화합물 의 총량이 300 내지 600 mg이 되도록 할 수 있다.In preparing the second mixture, regardless of the preparation method, the total amount of the electrode active material particles and the crystalline sulfide compound may be 300 to 600 mg per 1 mL of the solvent.
또한, 상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;는, 180 내지 220 ℃의 온도 범위에서, 6 내지 10 시간 동안, 0 내지 760 torr 범위의 압력에서 수행될 수 있다.In addition, the step of heat-treating the second mixture; may be performed at a pressure in the range of 0 to 760 torr for 6 to 10 hours at a temperature range of 180 to 220 ℃.
상기 이온 전도성 첨가제는, 하기 화학식 5 내지 7 중 어느 하나로 표시되는 것일 수 있다.The ion conductive additive may be represented by any one of the following Chemical Formulas 5 to 7.
[화학식 5] LiX2 [Formula 5] LiX 2
[화학식 6] LiaX3 bOc [Formula 6] Li a X 3 b O c
[화학식 7] LiX4 aHb [Formula 7] LiX 4 a H b
상기 화학식 5에서 X2는 F, Cl, Br, 또는 I이다. 상기 화학식 6에서, X3는 Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, 또는 Mg이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이다. 상기 화학식 7에서, X4는 B, Mg, 또는 N이고, 0<a≤4이고, 0<b≤6이다.X 2 in
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극 층; 고체 전해질 층; 및 음극 층;을 포함하되, 전술한 복합체가 상기 양극 층 및 상기 음극 층 중 하나 이상의 전극 층에 포함되는, 전고체 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, an anode layer; Solid electrolyte layer; And a negative electrode layer, wherein the above-described composite is included in at least one electrode layer of the positive electrode layer and the negative electrode layer.
본 발명의 일 구현예에 따른 복합체들은, 이온 전도도 및 활물질과의 접촉 특성이 우수하게 발현될 수 있다. Composites according to an embodiment of the present invention can be excellently expressed in ionic conductivity and contact properties with the active material.
상기 특성은, 수용액 공정으로 제조됨에 기인한 것일 수 있다.The property may be due to being prepared in an aqueous solution process.
도 1은, 수용액 공정으로 전극 활물질 입자 표면에 고체 전해질을 코팅하는 공정을 나타낸 것이다.
도 2a는, 고체 전해질 입자 1(수용액 공정)의 열처리 온도 별 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 2b는, 고체 전해질 입자 1(메탄올 공정)의 열처리 온도 별 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 2c는, 고체 전해질 입자 2(수용액 공정)의 LiI: Li4SnS4 몰비 및 열처리 온도 별 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 2d는, 고체 전해질 입자 2(메탄올 공정)의 LiI: Li4SnS4 몰비 및 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b는, 고체 전해질 입자 1 및 2(수용액 공정)와 관련하여, 열처리 온도 및 LiI: Li4SnS4 의 몰비 별 이온 전도도를 나타낸 것이다.
도 4a는, 표면 코팅된 활물질 입자(수용액 공정)의 FESEM 및 EDXS 이다.
도 4b는, 표면 코팅된 활물질 입자(수용액 공정)의 단면에 대한 FESEM이다.
도 5a는, 활물질 및 고체 전해질의 단순 혼합물들과, 표면 코팅된 활물질 입자들(수용액 공정)과 관련하여, 각각을 적용한 전지의 율별 특성을 나타낸 것이다.
도 5b는, 활물질 및 고체 전해질의 단순 혼합물들과, 표면 코팅된 활물질 입자들(수용액 공정)과 관련하여, 각각을 적용한 전지의 C-rate별 방전 특성을 나타낸 것이다.
도 5c는, 표면 코팅된 활물질 입자(수용액 공정)를 적용한 전지의 수명 특성을 나타낸 것이다.Figure 1 shows a process of coating a solid electrolyte on the surface of the electrode active material particles in an aqueous solution process.
FIG. 2A shows the XRD pattern according to the heat treatment temperature of the solid electrolyte particle 1 (aqueous solution step).
Figure 2b shows the XRD pattern for each heat treatment temperature of the solid electrolyte particles 1 (methanol process).
FIG. 2C shows the XRD pattern according to the LiI: Li 4 SnS 4 molar ratio and the heat treatment temperature of the solid electrolyte particle 2 (aqueous solution step).
2D shows the LiI: Li 4 SnS 4 molar ratio and XRD pattern of solid electrolyte particle 2 (methanol process).
3A and 3B show the heat treatment temperature and the ionic conductivity by molar ratio of LiI: Li 4 SnS 4 in relation to the
4A is FESEM and EDXS of surface coated active material particles (aqueous solution process).
4B is a FESEM for the cross section of surface coated active material particles (aqueous solution process).
FIG. 5A shows the rate-specific characteristics of the cell to which each is applied, with respect to simple mixtures of the active material and the solid electrolyte and surface coated active material particles (aqueous solution process).
FIG. 5B shows the discharge characteristics for each C-rate of the battery to which each of the batteries is applied, with respect to simple mixtures of the active material and the solid electrolyte and surface-coated active material particles (aqueous solution process).
5C shows the life characteristics of a battery to which the surface-coated active material particles (aqueous solution process) are applied.
이하, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. 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.
일반적으로, 전고체 전지는 두 개의 전극 층과, 그 사이에 위치하는 고체 전해질 층을 포함한다. 구체적으로, 고체 전해질 층에는 고체 전해질이 포함되고, 적어도 하나의 전극 층에도 고체 전해질이 포함되어, 고체 전해질에 의한 이온 전도성이 확보된다.In general, an all-solid-state battery includes two electrode layers and a solid electrolyte layer positioned therebetween. Specifically, the solid electrolyte layer includes a solid electrolyte, and at least one electrode layer also includes a solid electrolyte, thereby ensuring ion conductivity by the solid electrolyte.
한편, 전극 층에는 고체 전해질과 함께 전극 활물질이 포함되며, 전극 층 내 고체 전해질과 전극 활물질 입자 간 접촉 특성은 전고체 전지의 성능에 영향을 미친다. 현재까지 알려진 고체 전해질은 전극 활물질 입자와의 접촉 특성이 좋지 못하고, 그에 따라 전극 층 내 전극 활물질의 이론 용량을 온전히 발현시키기 어렵다. Meanwhile, the electrode layer includes an electrode active material together with a solid electrolyte, and the contact property between the solid electrolyte and the electrode active material particles in the electrode layer affects the performance of the all-solid-state battery. Solid electrolytes known to date have poor contact characteristics with electrode active material particles, and thus, it is difficult to fully express the theoretical capacity of the electrode active material in the electrode layer.
본 발명의 구현예들은, 고체 전해질이 전극 활물질 입자의 표면에 코팅된 형태인 복합체를 제시한다.Embodiments of the present invention present a composite in which the solid electrolyte is coated on the surface of the electrode active material particles.
특히, 상기 복합체에 적용 가능한 고체 전해질은 2종이다. 상기 2종의 고체 전해질은, 기본적으로 이온 전달 매체로써 우수한 이온 전도성을 가지며, 우수한 연성을 가져 전극 활물질 입자와의 접촉 특성이 향상된 것이다.In particular, there are two kinds of solid electrolytes applicable to the composite. The two solid electrolytes basically have excellent ion conductivity as an ion transfer medium, and have excellent ductility to improve contact characteristics with electrode active material particles.
이하에서는, 상기 2종의 고체 전해질을 구별하기 위하여, 임의로 고체 전해질 1 및 고체 전해질 2로 지칭하기로 한다. 또한, 상기 고체 전해질 1로 코팅된 전극 활물질 입자는 복합체 1, 상기 고체 전해질 2로 코팅된 전극 활물질 입자는 복합체 2로 지칭하기로 한다.Hereinafter, to distinguish the two solid electrolytes, they will be referred to as
복합체 1 및 그 제조 방법
본 발명의 일 구현예에서는, 전극 활물질 입자; 및 상기 전극 활물질 입자의 표면에 위치하는 고체 전해질 코팅층;을 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체를 제공한다.
단, 상기 고체 전해질 코팅층은 고체 전해질을 포함하며, 상기 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 비정질 황화물계 화합물을 포함하는 것이다.In one embodiment of the present invention, the electrode active material particles; And a solid electrolyte coating layer disposed on the surface of the electrode active material particles.
However, the solid electrolyte coating layer includes a solid electrolyte, and the solid electrolyte includes an amorphous sulfide-based compound represented by
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 전극 활물질 입자, 하기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물, 및 물(H2O)을 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제1 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법을 제공한다.
단, 상기 제1 혼합물을 열처리하는 단계;에서, 상기 제1 혼합물 내 물이 제거되고, 상기 결정질 황화물계 화합물이 비정질로 전환됨과 동시에 상기 전극 활물질 입자의 표면에 코팅된다.In another embodiment of the present invention, preparing a first mixture comprising an electrode active material particles, a crystalline sulfide-based compound represented by
[화학식 1] LiaMbScX1 d [Formula 1] Li a M b S c X 1 d
상기 화학식 1에서, M은 Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, 또는 La이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6임.In
일반적으로, 동일한 화학식으로 표시되는 물질이라 하더라도, 그 물질의 결정 구조에 따라 그 화학적 특성은 달리 발현될 수 있다.In general, even if a substance is represented by the same chemical formula, its chemical properties may be expressed differently depending on the crystal structure of the substance.
예를 들어, 동일한 화학식으로 표시되는 고체 전해질의 경우, 결정질인 경우보다 비정질일 때 이온 전도도가 더 높고, 연성(ductility)이 향상되는 것으로 알려져 있다.For example, in the case of a solid electrolyte represented by the same chemical formula, it is known that ionic conductivity is higher and ductility is improved when it is amorphous than when it is crystalline.
이와 관련하여, 고체 전해질 1은, 상기 화학식 1로 표시되며, 비정질이다. 이에 따라, 동일한 화학식을 가지며 결정질인 경우보다 높은 이온 전도도를 가지며, 향상된 연성(ductility)에 기반하여 전극 활물질과의 긴밀하게 접촉되기에 유리하다.In this regard, the
아울러, 상기 고체 전해질 1이 비정질인 것은, 본 발명의 일 구현예에 따라 물을 용매로 하는 공정(이하, "수용액 공정"이라 함)을 통해 제조된 것에 기인할 수 있다. 만약 물이 아닌 메탄올 등의 유기 용매를 사용한다면 (이하, "유기 용매 공정"이라 함), 동일한 화학식으로 표시되는 황화물계 화합물을 포함하지만 결정질인 입자가 수득될 수 있다. In addition, the
이하, 본 발명의 구현예들에 따른 복합체 1 및 그 제조 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the
고체 전해질 1의 원료(결정질 황화물계 화합물)Raw Material of Solid Electrolyte 1 (crystalline Sulfide Compound)
구체적으로, 상기 고체 전해질 1의 제조 원료는, 그와 동일한 화학식으로 표시되는 결정질 황화물계 화합물이다. Specifically, the raw material for producing the
상기 원료인 결정질 황화물계 화합물은, 건식 공정에 의해 제조된 것일 수 있다. 이와 관련하여, 상기 제1 수용액을 제조하는 단계 이전에, 상기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물;을 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The crystalline sulfide compound that is the raw material may be prepared by a dry process. In this regard, before the step of preparing the first aqueous solution, the step of preparing a crystalline sulfide-based compound represented by
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물;을 제조하는 단계는, 상기 화학식 1의 화학양론적 몰비를 만족하도록, 리튬 원료 물질; 상기 M 원료 물질; 및 상기 S 원료 물질;을 건식 혼합하는 단계 및 상기 건식 혼합물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the step of preparing the crystalline sulfide-based compound represented by the formula (1), so as to satisfy the stoichiometric molar ratio of the formula (1), a lithium raw material; The M raw material; And dry mixing the S raw material; and heat treating the dry mixture.
보다 구체적으로, 상기 화학식 1의 화학양론적 몰비를 만족하도록, 리튬 또는 나트륨 원료 물질' 상기 M 원료 물질; 및 상기 S 원료 물질;을 건식 혼합하는 단계;에서, 상기 X1 원료 물질을 첨가하여 건식 혼합할 수 있다.More specifically, to satisfy the stoichiometric molar ratio of
이와 관련하여, 상기 건식 혼합물을 열처리하는 단계는, 5 내지 30 시간, 구체적으로는 5 내지 24 시간 동안, 400 내지 700 ℃, 구체적으로는 400 내지 650 ℃의 온도 범위에서, 진공 조건으로 수행될 수 있다. 이러한 시간, 온도, 및 분위기 조건에서, 상기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물이 형성될 수 있다.In this regard, the step of heat-treating the dry mixture may be carried out under vacuum conditions in a temperature range of 400 to 700 ℃, specifically 400 to 650 ℃ for 5 to 30 hours, specifically 5 to 24 hours. have. At such time, temperature, and atmospheric conditions, the crystalline sulfide compound represented by
전극 활물질 입자Electrode active material particles
상기 전극 활물질 입자는, 후술되는 실시예에서 사용된 리튬 코발트 산화물일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 리튬(Li), 리튬메탈(Li-metal)계 산화물, 카본계 물질, 산화물, 실리콘(Si), 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 황(S), 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나의 전극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.The electrode active material particles may be lithium cobalt oxide used in Examples described later. However, the present invention is not limited thereto, and lithium (Li), lithium metal (Li-metal) oxides, carbon-based materials, oxides, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), sulfur (S), and the like It may include at least one electrode active material selected from the group comprising derivatives, and mixtures thereof.
구체적으로, 상기 전극 활물질은 양극 활물질일 수 있고, 상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. Specifically, the electrode active material may be a positive electrode active material, and as the positive electrode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium (lithiated intercalation compound) may be used.
예를 들어, 상기 리튬메탈(Li-metal)계 산화물은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이며, 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합인 금속; 및 리튬의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.For example, the lithium metal oxide (Li-metal) oxide is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, a metal which is cobalt, manganese, nickel or a combination thereof; And one or more of composite oxides of lithium can be used.
그 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. LiaA1-bRbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bRbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 및 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bRbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobRcD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 이다); LiaNi1-b-cCobRcO2-αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobRcO2-αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbRcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbRcO2-αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbRcO2-αZα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05 및 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5 및 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5 및 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 2.1, 구체적으로 0.90 ≤ a ≤ 1.8 및 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiTO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.Specific examples thereof may be a compound represented by any one of the following formulas. Li a A 1-b R b D 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0 ≦ b ≦ 0.5); Li a E 1-b R b O 2-c D c (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, and 0 ≦ c ≦ 0.05); LiE 2-b R b 0 4-c D c (wherein 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b R c D 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b R c O 2-α Z α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05 and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Co b R c O 2-α Z α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05 and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b R c D α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1-bc Mn b R c O 2-α Z α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05 and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b R c O 2-α Z α (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05 and 0 <α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, and 0.001 ≦ d ≦ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 2.1, specifically 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5 and 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a CoG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a MnG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 2.1, specifically 0.90 ≦ a ≦ 1.8 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiTO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≦ f ≦ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≦ f ≦ 2); And LiFePO 4 .
상기 각 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; Z는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; T는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합이다.In each of the formulas above, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; R is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements or combinations thereof; D is O, F, S, P or a combination thereof; E is Co, Mn or a combination thereof; Z is F, S, P or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn or a combination thereof; T is Cr, V, Fe, Sc, Y or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu or a combination thereof.
한편, 상기 카본계 물질의 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.On the other hand, as a representative example of the carbon-based material may be used crystalline carbon, amorphous carbon or a combination thereof. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite. Examples of the amorphous carbon include soft carbon (low temperature calcined carbon). Or hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, or the like.
물론 상기 화합물(즉, 상기 전극 활물질)의 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 코팅층은 코팅 원소의 화합물로서, 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트를 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅 원소로는 Li, Nb, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 아울러, 상기 코팅 원소들의 화합물, 상기 화합물의 혼합물 형태로 상기 코팅층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 원소들의 화합물은, O, C, H, S, Se, F, Cl, Br, I, 및 이들의 조합 중 하나와, 상기 코팅 원소의 화합물일 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, one having a coating layer on the surface of the compound (ie, the electrode active material) may be used, or a compound having the compound and the coating layer may be used in combination. The coating layer may include an oxide of a coating element, a hydroxide of a coating element, an oxyhydroxide of a coating element, an oxycarbonate of a coating element, or a hydroxycarbonate of a coating element. The compounds constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. Li, Nb, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof may be used as the coating element. In addition, the coating layer may be formed in the form of a compound of the coating elements, a mixture of the compound. For example, the compound of the coating elements may be one of O, C, H, S, Se, F, Cl, Br, I, and combinations thereof, and a compound of the coating element. The coating layer forming process may use any coating method as long as it does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using such elements in the compound (for example, spray coating, dipping, etc.). Details that will be well understood by those in the field will be omitted.
제1 혼합물 제조 공정First Mixture Manufacturing Process
상기 제조 원료인 결정질 황화물계 화합물과, 상기 전극 활물질 입자, 및 상기 물을 혼합하여, 상기 제1 혼합물을 제조한다. The first mixture is prepared by mixing the crystalline sulfide compound which is the production raw material, the electrode active material particles, and the water.
구체적으로, 상기 제1 혼합물을 제조하는 단계;는, 상기 전극 활물질 입자, 상기 결정질 황화물계 화합물, 및 상기 물을 동시에 혼합하는 단계;일 수 있다.Specifically, preparing the first mixture; may include mixing the electrode active material particles, the crystalline sulfide compound, and the water at the same time.
이와 독립적으로, 상기 제1 혼합물을 제조하는 단계;는, 상기 결정질 황화물계 화합물 및 상기 물을 혼합한 후, 상기 전극 활물질 입자를 첨가하여 혼합하는 단계;일 수 있다.Independently, preparing the first mixture; may include mixing the crystalline sulfide-based compound and the water and then adding and mixing the electrode active material particles.
후술되는 평가예에서, 전해질, 활물질, 및 물 동시 혼합의 경우와(Coated 1), 전해질 및 물 혼합 후 활물질 첨가의 경우(Coated 2), 각각 수득되는 복합체 1을 평가하였다. 그 평가 결과에 따르면, 양자 모두(Coated 1 및 2) 우수한 전지 성능이 확보되며, 후자(Coated 2)의 전지 성능이 더욱 향상된 것을 확인할 수 잇다.In the evaluation examples described below, the composite 1 obtained in the case of simultaneous mixing of the electrolyte, the active material, and water (Coated 1), and in the case of adding the active material after the electrolyte and water mixing (Coated 2) were evaluated. According to the evaluation result, it can be confirmed that excellent battery performance of both (Coated 1 and 2) is secured, and the battery performance of the latter (Coated 2) is further improved.
상기 제1 혼합물의 제조 시, 구성 성분의 혼합 순서와 무관하게, 상기 용매 1 mL 당, 상기 전극 활물질 입자 및 상기 결정질 황화물계 화합물 의 총량이 300 내지 600 mg이 되도록 혼합할 수 있다. 이는 예시일 뿐이며, 상기 제1 혼합물 내 상기 결정질 황화물계 화합물이 완전히 용해될 정도면 충분하다. In the preparation of the first mixture, regardless of the mixing order of the constituents, it can be mixed so that the total amount of the electrode active material particles and the crystalline sulfide-based compound is 300 to 600 mg per 1 mL of the solvent. This is merely an example, and it is sufficient that the crystalline sulfide compound in the first mixture is completely dissolved.
또한, 상기 제1 혼합물 내 결정질 황화물계 화합물: 전극 활물질 입자의 중량비가 0.1:99.9 내지 50:50이 되도록 혼합할 수 있다. 이를 만족할 때, 최종적으로 수득되는 복합체 1에서, 코팅층: 전극 활물질 입자의 중량비도 0.1:99.9 내지 50:50의 범위가 될 수 있다. 이러한 중량비 범위를 만족할 때, 5 내지 30 ㎛직경의 상기 전극 활물질 입자의 표면에 상기 코팅층의 두께가 0.05 내지 0.5 ㎛로 형성될 수 있고, 상기 코팅층이 상기 전극 활물질 입자 간 향상된 이온 전달 경로를 제공할 수 있다.In addition, the weight ratio of the crystalline sulfide-based compound: electrode active material particles in the first mixture may be mixed to be 0.1: 99.9 to 50:50. When satisfying this, in the finally obtained
상기 제1 혼합물을 제조하는 단계 이후에, 상기 제1 혼합물을 여과하여, 상기 제1 혼합물을 내 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 더욱 순도 높은 최종 물질이 수득될 수 있다.After preparing the first mixture, the first mixture may be filtered to further remove impurities in the first mixture. Thus, a higher purity final material can be obtained.
제1 혼합물 열처리 공정First Mixture Heat Treatment Process
앞서 언급한 바와 같이, 상기 제1 혼합물의 열처리 과정에서, 상기 제1 혼합물 내 물이 제거되고, 상기 제조 원료인 결정질 화합물은 비정질로 전환됨과 동시에 상기 전극 화합물 입자 표면에 코팅된다.As mentioned above, during the heat treatment of the first mixture, water in the first mixture is removed, and the crystalline compound which is the raw material for preparation is converted to amorphous and coated on the surface of the electrode compound particles.
이와 관련하여, 상기 제1 혼합물을 열처리하는 단계는, 200℃ 이상 450 ℃ 이하의 온도 범위, 구체적으로 280 이상 450 ℃ 이하의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 280℃ 이상 320 ℃ 이하의 온도 범위에서, 상기 제조 원료인 결정질 화합물이 거의 대부분 비정질로 전환될 수 있다. 다만, 320 , 구체적으로 450 초과의 온도 범위에서는, 상기 제조 원료의 결정성이 회복될 수 있다.In this regard, the heat treatment of the first mixture may be performed at a temperature range of 200 ° C. to 450 ° C., specifically, at a temperature range of 280 to 450 ° C. Specifically, in the temperature range of 280 ° C or more and 320 ° C or less, the crystalline compound which is the raw material for manufacture may be almost converted to amorphous. However, in the temperature range of more than 320, specifically 450, the crystallinity of the manufacturing raw material may be restored.
그러나, 동일한 원료를 사용하여 280 이상 450 ℃ 이하의 온도 범위에서 열처리하더라도, 유기 용매 공정에 의할 경우 비정질로 전환되지 않고, 여전히 결정질인 입자가 수득될 수 있다. 이러한 사실은, 후술되는 평가예에서 확인된다.However, even when heat-treated in the temperature range of 280 or more and 450 ° C. or less using the same raw material, the organic solvent process does not convert to amorphous, but still crystalline particles can be obtained. This fact is confirmed by the evaluation example mentioned later.
또한, 상기 제1 혼합물을 열처리하는 단계는, 6 내지 10 시간 동안, 0 내지 760 torr, 예를 들어 0 내지 0.1 torr 범위의 압력에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment of the first mixture may be performed at a pressure in the range of 0 to 760 torr, for example, 0 to 0.1 torr, for 6 to 10 hours.
최종 물질(복합체 1)Final Substance (Compound 1)
상기 제1 혼합물의 열처리에 따라, 본 발명의 일 구현예에 따른 복합체 1이 수득된다.According to the heat treatment of the first mixture,
상기 복합체 1의 코팅층에 포함되는 고체 전해질 1은, 상기 화학식 1에서 M은 Sn이고, 3.5<a≤4.5이고, 0.5<b≤1.5이고, 3.5<c≤4.5인 황화물계 화합물을 포함하는 것일 수 있다. 이 경우의 화학식에 기반하여, 보다 우수한 이온 전도성을 가질 수 있다.The
구체적으로, 상기 고체 전해질 1은, 30 ℃에서 리튬 이온 전도도가 1.010-4 S/cm 이상으로, 우수한 이온 전도성을 가질 수 있다.Specifically, the
아울러, 상기 고체 전해질 1은 비정질이므로, 제조 원료인 결정질 입자보다 연성이 향상되어, 전극 활물질과의 접촉 특성이 개선된 것일 수 있다. In addition, since the
앞서 설명한 바와 같이, 상기 복합체 1에서, 코팅층: 전극 활물질 입자의 중량비도 0.1:99.9 내지 50:50의 범위가 될 수 있다. 이러한 중량비 범위를 만족할 때, 5 내지 30 ㎛직경의 상기 전극 활물질 입자의 표면에 상기 코팅층의 두께가 0.05 내지 0.5 ㎛로 형성될 수 있고, 상기 코팅층이 상기 전극 활물질 입자 간 향상된 이온 전달 경로를 제공할 수 있다.As described above, in the
복합체 2 및 그 제조 방법Composite 2 and its manufacturing method
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 전극 활물질 입자; 및 상기 전극 활물질 입자의 표면에 위치하는, 고체 전해질 코팅층;을 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체를 제공한다. 단, 상기 고체 전해질 코팅층은 고체 전해질을 포함하고, 상기 고체 전해질은 하기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 결정질 화합물을 포함하는 것이다.In another embodiment of the present invention, the electrode active material particles; And a solid electrolyte coating layer positioned on a surface of the electrode active material particles. However, the solid electrolyte coating layer includes a solid electrolyte, and the solid electrolyte includes a crystalline compound represented by any one of the following Chemical Formulas 2 to 4.
[화학식 1] LiaMbScX1 d [Formula 1] Li a M b S c X 1 d
[화학식 2] x(LiX2 eHf)-(1-x)(LiaMbScX1 d)[Formula 2] x (LiX 2 e H f )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
[화학식 3] x(LigX3 eOh)-(1-x)(LiaMbScX1 d)[Formula 3] x (Li g X 3 e O h )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
[화학식 4] x(LiX5 eHf)-(1-x)(LiaMbScX1 d)[Formula 4] x (LiX 5 e H f )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
상기 화학식 1에서, M은 Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, 또는 La이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6이다.In
상기 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, M은 Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, 또는 La이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6이고, x는 0.1 내지 0.5이다.In Formulas 2 to 4, each independently of each other, M is Sn, Mg, Ba, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, or La, X 1 is F, Cl, Br, I, Se , Te, or O, 0 <a ≦ 6, 0 <b ≦ 6, 0 <c ≦ 6, 0 ≦ d ≦ 6, and x is 0.1 to 0.5.
상기 화학식 2에서, X2는 F, Cl, Br, 또는 I이고, 0<e≤6이고, 0≤f≤6이다. 상기 화학식 3에서, X3는 Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, 또는 Mg이고, 0<g≤6이고, 0<e≤6이고, 0<h≤6이다. 상기 화학식 4에서, X4는 B, Mg, 또는 N이고, 0<e≤4이고, 0<f≤6이다.In Formula 2, X 2 is F, Cl, Br, or I, 0 <e ≦ 6, and 0 ≦ f ≦ 6. In Formula 3, X 3 is Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, or Mg, 0 <g ≦ 6, 0 <e ≦ 6, and 0 <h ≦ 6. In
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 이온 전도성 첨가제, 전극 활물질 입자, 하기 화학식 1로 표시되는 결정질 황화물계 화합물, 및 물(H2O)을 포함하는 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하는 전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법을 제공한다.
단, 상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;에서, 상기 제2 혼합물 내 물이 제거되고, 상기 이온 전도성 첨가제 및 상기 결정질 황화물계 화합물이 상기 전극 활물질 입자의 표면에 코팅되는 것이다.In another embodiment of the present invention, preparing a second mixture comprising an ion conductive additive, an electrode active material particles, a crystalline sulfide compound represented by
상기 복합체 2의 코팅층에 포함되는 고체 전해질 2는, 전술한 고체 전해질 1과 동일한 제조 원료를 사용하되, 이온 전도성 첨가제를 추가로 사용하여, 수용액 공정으로 제조된다. 이에 따라, 상기 고체 전해질 2에 포함되는 화합물은, 상기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 것이다. Solid electrolyte 2 included in the coating layer of the composite 2, using the same raw material as the above-described
다만, 상기 고체 전해질 2는, 상기 고체 전해질 1과 달리 결정질 구조를 가지며, 그 제조 공정에서 상기 이온 전도성 첨가제가 결정화 온도를 낮추는 역할을 하기 때문이다. However, since the solid electrolyte 2 has a crystalline structure unlike the
만약 물이 아닌 메탄올 등의 유기 용매를 사용한다면 (이하, "유기 용매 공정"이라 함), 동일한 화학식으로 표시되는 황화물계 화합물을 포함하지만 비정질인 입자가 수득될 수 있다. If an organic solvent such as methanol is used instead of water (hereinafter referred to as "organic solvent process"), amorphous particles containing sulfide-based compounds represented by the same chemical formula can be obtained.
물론, 동일한 화학식으로 표시되는 물질이, 결정질인 경우보다 비정질인 경우에 이온 전도성, 연성 등이 더 높음은, 앞서 설명한 바와 같다. 그러나, 메탄올 등의 유기 용매는, 물에 비하여 취급이 용이하지 못하고, 그 배출에 제한이 가해지는 유해 물질이며, 고가인 문제가 있다.Of course, it is as described above that the material represented by the same chemical formula is higher in ion conductivity, ductility, etc. when amorphous than when crystalline. However, compared with water, organic solvents, such as methanol, are not easy to handle, are harmful substances to which the discharge | emission is restricted, and there exists a problem of being expensive.
상기 고체 전해질 2의 경우, 결정질 구조를 가지므로 비정질인 경우보다 이온 전도도, 연성 등이 약간 감소되는 면이 있지만, 리튬 이온 전도성을 가진 리튬 화합물 입자를 추가로 사용함에 따라 이온 전도도의 감소를 최소화할 수 있고, 취급이 용이하며 안전하고 저렴한 용매인 물을 사용하는 공정 상 이점을 취할 수 있다.Since the solid electrolyte 2 has a crystalline structure, the ionic conductivity, ductility, etc. may be slightly reduced than in the amorphous case, but the reduction of the ionic conductivity may be minimized by additionally using lithium compound particles having lithium ion conductivity. It can take advantage of the process of using water, which is easy to handle, safe and inexpensive solvent.
이하, 본 발명의 구현예들에 따른 복합체 2 및 그 제조 방법을 상세히 설명한다. 단, 이하에서 설명되지 않은 내용은 상기 복합체 1에 관한 설명과 동일하다.Hereinafter, the composite 2 according to the embodiments of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail. However, the content not described below is the same as the description of the
제조 원료Manufacturing raw materials
구체적으로, 상기 고체 전해질 2의 제조 원료는, 상기 고체 전해질 1의 제조 원료와 동일한 결정질 입자일 수 있다. 이에, 중복되는 설명을 생략한다.Specifically, the production raw material of the solid electrolyte 2 may be the same crystalline particles as the production raw material of the
한편, 상기 이온 전도성 첨가제는, 하기 화학식 5 내지 7 중 어느 하나로 표시되는 리튬 화합물을 포함하는 것일 수 있다.Meanwhile, the ion conductive additive may include a lithium compound represented by any one of the following
[화학식 5] LiX2 [Formula 5] LiX 2
[화학식 6] LiaX3 bOc [Formula 6] Li a X 3 b O c
[화학식 7] LiX4 aHb [Formula 7] LiX 4 a H b
상기 화학식 5에서, X2는 F, Cl, Br, 또는 I이고,In
상기 화학식 6에서, X3는 Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, 또는 Mg이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고,In Chemical Formula 6, X 3 is Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, or Mg, 0 <a ≦ 6, 0 <b ≦ 6, 0 <c ≦ 6,
상기 화학식 7에서, X4는 B, Mg, 또는 N이고, 0<a≤4이고, 0<b≤6임.In Formula 7, X 4 is B, Mg, or N, 0 <a ≦ 4, and 0 <b ≦ 6.
제2 혼합물 제조 공정Second Mixture Manufacturing Process
상기 제조 원료인 결정질 황화물계 화합물과, 상기 전극 활물질 입자, 및 상기 물에 더해, 상기 이온 전도성 첨가제를 혼합하여, 상기 제2 혼합물을 제조한다. 즉, 상기 제2 혼합물은 상기 제1 혼합물보다 상기 이온 전도성 첨가제를 더 포함하는 것이다.In addition to the crystalline sulfide type compound which is the said manufacturing raw material, the said electrode active material particle, and the said water, the said ion conductive additive is mixed, and the said 2nd mixture is manufactured. That is, the second mixture further includes the ion conductive additive than the first mixture.
상기 제2 수용액에서, 상기 결정질 황화물계 화합물및 상기 이온 전도성 첨가의 몰비는, 목적하는 고체 전해질 2의 조성에 따라 결정할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 수용액에서 이온 전도성 첨가제: 결정질 황화물계 화합물의 몰비는, 1:9 내지 5:5일 수 있다. In the second aqueous solution, the molar ratio of the crystalline sulfide compound and the ion conductive addition may be determined according to the composition of the desired solid electrolyte 2. Specifically, the molar ratio of the ion conductive additive: the crystalline sulfide compound in the second aqueous solution may be 1: 9 to 5: 5.
만약 상기 범위를 초과하여 상기 이온 전도성 첨가제가 과량 포함된 경우, 최종 수득되는 고체 전해질 2의 결정성이 높아지고, 첨가제의 결정상이 따로 존재하여, 이온 전도성은 낮아지며 전지 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 한편, 상기 범위 미만으로 상기 이온 전도성 첨가제가 소량 포함된 경우, 이온 전도성 향상의 효과가 미미하게 발현될 수 있다.If the ion conductive additive is included in excess of the above range, the crystallinity of the finally obtained solid electrolyte 2 is increased, and the crystal phase of the additive is separately present, so that ion conductivity is lowered and battery performance may be deteriorated. . On the other hand, when a small amount of the ion conductive additive is included in less than the above range, the effect of improving the ion conductivity may be minimally expressed.
구체적으로, 상기 몰비가 3:7 내지 4:6인 경우, 나아가 후술되는 열처리 공정에서 열처리 온도를 적절히 제어할 경우, 상기 고체 전해질 1과 유사 수준의 이온 전도성이 발현될 수 있다.Specifically, when the molar ratio is 3: 7 to 4: 6, and when the heat treatment temperature is properly controlled in the heat treatment process described later, ionic conductivity similar to that of the
제2 혼합물 열처리 공정Second mixture heat treatment process
앞서 언급한 바와 같이, 상기 제2 혼합물의 열처리 과정에서, 상기 제2 수용액 내 물이 제거되고, 상기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 화합물을 포함하는 결정질 화합물이 상기 전극 활물질 입자 표면에 코팅될 수 있다.As mentioned above, in the heat treatment process of the second mixture, water in the second aqueous solution is removed, and a crystalline compound including the compound represented by any one of Formulas 2 to 4 is coated on the surface of the electrode active material particles. Can be.
이때, 상기 제2 혼합물 내 이온 전도성 첨가제가 결정화 온도를 낮추는 역할을 하여, 상기 제2 혼합물의 열처리 온도는 상기 제1 혼합물의 열처리 온도보다 낮게 할 수 있다.At this time, the ion conductive additive in the second mixture serves to lower the crystallization temperature, the heat treatment temperature of the second mixture may be lower than the heat treatment temperature of the first mixture.
구체적으로, 상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계는, 180 내지 220 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 이러한 범위는, 최대한 결정화도가 낮은 고체 전해질 2를 수득할 수 있는 범위이다.Specifically, the heat treatment of the second mixture may be performed at a temperature range of 180 to 220 ° C. This range is the range which can obtain the solid electrolyte 2 with the lowest crystallinity as possible.
또한, 상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계는, 6 내지 10 시간, 0 내지 760 torr, 예를 들어 0 내지 0.1 torr 범위의 압력에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment of the second mixture may be performed at a pressure ranging from 6 to 10 hours, 0 to 760 torr, for example, 0 to 0.1 torr.
최종 물질(복합체 2)Final material (complex 2)
구체적으로, 최종 수득되는 복합체 2에서, 코팅층에 포함되는 고체 전해질 2는 2θ가 16.5 내지 17 °인 범위, 17 내지 18 °인 범위, 18.5 내지 19 °인 범위, 25 내지 26 °인 범위, 및 26 내지 26.5 °인 범위 중 적어도 하나 이상의 범위에서, Cu Kα X선(X-rα)에 의한 XRD 피크(peak)가 나타나는 것일 수 있다. 이는, 상기 고체 전해질 2의 결정 구조가 사방정계(orthorhombic)임을 의미할 수 있다. Specifically, in the final composite 2 obtained, the solid electrolyte 2 contained in the coating layer has a 2θ range of 16.5 to 17 °, a range of 17 to 18 °, a range of 18.5 to 19 °, a range of 25 to 26 °, and 26 In at least one or more of the range of 26.5 ° to, XRD peak by Cu Kα X-ray (X-rα) may appear. This may mean that the crystal structure of the solid electrolyte 2 is orthorhombic.
또한 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, M은 Sn이고, 3.5<a≤4.5이고, 0.5<b≤1.5이고, 3.5<c≤4.5인 황화물계 화합물을 포함하는 것일 수 있다. 이 경우의 화학식에 기반하여, 보다 우수한 이온 전도성을 가질 수 있다.In addition, in Chemical Formulas 2 to 4, each independently, M may be a Sn, 3.5 <a ≦ 4.5, 0.5 <b ≦ 1.5, and 3.5 <c ≦ 4.5, and may include a sulfide-based compound. Based on the chemical formula in this case, it can have a better ion conductivity.
또한, 상기 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, x는 0.1 내지 0.5, 구체적으로, 0.3 내지 0.5일 수 있다.In addition, in Chemical Formulas 2 to 4, each independently, x may be 0.1 to 0.5, specifically, 0.3 to 0.5.
상기 고체 전해질 2는, 30 ℃에서 리튬 이온 전도도가 1.010-4 S/cm 이상으로, 우수한 이온 전도성을 가질 수 있다.The solid electrolyte 2 has a lithium ion conductivity of 1.0 at 30 ° C. At 10 −4 S / cm or more, it may have excellent ion conductivity.
전고체전지All-solid-state battery
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극 층; 고체 전해질 층; 및 음극 층; 을 포함하고, 상기 양극 층 및 상기 음극 층 중 하나 이상의 전극 층은 상기 복합체 1 또는 상기 복합체 2를 포함하는, 전고체 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, an anode layer; Solid electrolyte layer; And a cathode layer; And an electrode layer of at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer comprises the composite 1 or the composite 2.
구체적으로, 상기 전고체 전지는, 상기 우수한 특성을 지닌 상기 복합체 1 또는 상기 복합체 2를 상기 전극 층에 포함함으로써, 일반적인 전고체 전지와 달리 별도의 고체 전해질(하기 제3 고체 전해질)을 포함하지 않더라도, 전고체 전지의 성능을 향상시키며, 이처럼 개선된 성능이 안정적으로 유지될 수 있다.Specifically, the all-solid-state battery includes the complex 1 or the complex 2 having the excellent characteristics in the electrode layer, so that unlike the general all-solid-state battery, the all-solid-state battery does not include a separate solid electrolyte (the following third solid electrolyte). In addition, the performance of the all-solid-state battery is improved, and the improved performance can be maintained stably.
이하 본 발명의 바람직한 실시예, 이에 대비되는 비교예, 및 이들에 대한 평가예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples of the present invention, comparative examples, and evaluation examples thereof will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1 (수용액 공정)Example 1 (Aqueous solution process)
(1) 고체 전해질 1 특성 평가용 LSS 의 제조(1) Preparation of LSS for Characteristic Evaluation of
우선, 결정질인 Li4SnS4 입자를 제조하였다. 구체적으로, Li2S(순도 99.9%, 제조처:alfa-aesar), Sn(순도 99.8%, 제조처:alfa-aesar), 및 S(순도 99.5%, 제조처:alfa-aesar)를 Li4SnS4 의 화학양론적 몰비에 맞추어 혼합한 뒤, 진공 조건에서 650 ℃에서 24 시간 동안 열처리하여, 결정질인 Li4SnS4 입자를 수득할 수 있었다. 이는, 후술되는 평가예의 도면에서, "SS-LSS"로 표시된다.First, crystalline Li 4 SnS 4 particles were prepared. Specifically, Li 2 S (purity 99.9%, alfa-aesar), Sn (purity 99.8%, alfa-aesar), and S (purity 99.5%, alfa-aesar) are selected from Li 4. After mixing according to the stoichiometric molar ratio of SnS 4 and heat-treating at 650 ° C. for 24 hours under vacuum conditions, crystalline Li 4 SnS 4 particles could be obtained. This is represented by "SS-LSS" in the drawing of the evaluation example mentioned later.
이후, 상기 결정질인 Li4SnS4 입자를 물에 용해시켜, 제1 용액을 제조하였다. 이때의 제1 용액 총량 100 중량% 중, 상기 결정질인 Li4SnS4 입자는 9.1 중량% 포함되고, 상기 물은 잔부로 포함되게끔 하였다.Thereafter, the crystalline Li 4 SnS 4 particles were dissolved in water to prepare a first solution. At this time, the total amount of the
상기 제1 용액을 여과하여 고/액 분리함으로써 불순물을 제거하고, 여액은 진공 조건에서 6 시간 열처리하였다. (단, 이때의 온도 조건은 후술되는 평가예에 따른다.) 그 결과, 고체 전해질 입자 1을 포함하는 분말을 최종 수득할 수 있었다. The first solution was filtered to remove the impurities by solid / liquid separation, and the filtrate was heat-treated under vacuum conditions for 6 hours. (However, the temperature conditions at this time depend on the evaluation example mentioned later.) As a result, the powder containing the
상기 고체 전해질 입자 1은, 후술되는 평가예의 도면에서 "LSS" 및 "열처리 온도"의 조합으로 표시된다. 예를 들어, 200 ℃에서 열처리된 경우, LSS200으로 표시된다.The said
(2) 고체 전해질 2 특성 평가용 xLiI-(1-x)LSS 의 제조(2) Preparation of xLiI- (1-x) LSS for Evaluation of Solid Electrolyte 2 Properties
고체 전해질 입자 1과 동일한 공정으로, 결정질인 Li4SnS4 입자를 제조하였다. 이후, 상기 결정질인 Li4SnS4 입자 및 이온 전도성 첨가제의 일종인 LiI을 물에 용해시켜, 제1 용액을 제조하였다. 이때의 제1 용액에서, 상기 결정질인 Li4SnS4 입자 및 상기 LiI의 몰비는 후술되는 평가예에 따른다.In the same process as the
이후, 앞서와 동일한 공정으로, 상기 제1 용액을 여과하여 고/액 분리함으로써 불순물을 제거하고, 여액은 진공 조건에서 특정 온도에서 일정 시간 열처리하여, 고체 전해질 입자 2를 포함하는 분말을 최종 수득할 수 있었다. Thereafter, in the same process as above, the first solution is filtered to remove impurities by solid / liquid separation, and the filtrate is heat-treated at a specific temperature in a vacuum for a predetermined time to finally obtain a powder containing solid electrolyte particles 2. Could.
상기 고체 전해질 입자 2는, 후술되는 평가예의 도면에서 "xLiI-(1-x)LSS" 및 "열처리 온도"의 조합으로 표시된다. 예를 들어, LiI:LSS 의 몰비가 0.2:0.8이고, 200 ℃에서 열처리된 경우, 0.2 LiI-0.8LSS200으로 표시된다.The said solid electrolyte particle 2 is represented by the combination of "xLiI- (1-x) LSS" and "heat treatment temperature" in the drawing of the evaluation example mentioned later. For example, when the molar ratio of LiI: LSS is 0.2: 0.8 and heat-treated at 200 ° C, it is represented as 0.2 LiI-0.8LSS200.
(2) 고체 전해질 1 및 2 특성 평가용 펠렛 제조(2) Preparation of pellets for the evaluation of
상기 고체 전해질 입자 1 및 상기 고체 전해질 입자 2를 각각, 평가에 적합한 형태로 성형하였다.The
구체적으로, f 13 mm의 원통형의 틀에, 상기 고체 전해질 입자 1 또는 2를 각각 120 mg 넣고, 370 Mpa의 압력으로 눌러주어 펠렛(pellet) 형태로 성형하였다.Specifically, 120 mg of the
(3) 고체 전해질 입자를 이용한 전극 활물질 입자 표면 코팅(3) Surface coating of electrode active material particles using solid electrolyte particles
도 1에 따라, 고체 전해질 입자 1 및 2를 각각 이용하여, 전극 활물질 표면을 코팅하였다.According to FIG. 1, the surface of the electrode active material was coated using
1) 전극 활물질 입자 제조 공정(LiNbO3 코팅된 LCO 입자)1) Electrode active material particle manufacturing process (LiNbO 3 coated LCO particles)
우선, 결정질의 LiCoO2 (이하, LCO) 분말을 준비하였다. 상기 LCO 입자의 표면에, 고체 전해질(Li4SnS4 또는 xLiI-(1-x)Li4SnS4) 코팅층을 형성시키기 전, 리튬-금속 산화물(LiNbO3) 코팅층을 형성시켰다.First, crystalline LiCoO 2 (hereinafter LCO) powder was prepared. On the surface of the LCO particles, a lithium-metal oxide (LiNbO 3 ) coating layer was formed before forming a solid electrolyte (Li 4 SnS 4 or x LiI- (1-x) Li 4 SnS 4 ) coating layer.
구체적으로, 리튬 에톡사이드(Lithium ethoxide, Li(OC2H5)), 니오븀 에톡사이드 (niobium ethoxide (Nb(OC2H5)5)를 1:1의 몰비(Li(OC2H5): (Nb(OC2H5)5) 로 혼합하였다. 이 혼합물을 에탄올(C2H5OH)에 용해시켜 코팅액을 제조하였고, 상기 코팅액 총량 중 혼합물의 함량은 10 중량%가 되도록 하였다.Specifically, lithium ethoxide (Li (OC 2 H 5 )) and niobium ethoxide (Nb (OC 2 H 5 ) 5 ) in a molar ratio of 1: 1 (Li (OC 2 H 5 ): (Nb (OC 2 H 5 ) 5 ) This mixture was dissolved in ethanol (C 2 H 5 OH) to prepare a coating solution, and the content of the mixture in the total amount of the coating solution was 10% by weight.
상기 LCO 분말에 대해, 상기 코팅액을 혼합하였다. 이때, 코팅액: LCO 분말의 중량비가 99.7: 0.3가 되도록 하였다. 이후, 60 ℃의 열처리 조건에서 에탄올을 증발시켜 제거한 뒤, 400 ℃의 공기(air) 분위기에서 1 시간 동안 열처리하여, 최종적으로 LiNbO3 가 코팅된 LCO 입자를 수득하였다. For the LCO powder, the coating solution was mixed. At this time, the weight ratio of the coating liquid: LCO powder was 99.7: 0.3. Thereafter, ethanol was removed by evaporation under heat treatment at 60 ° C., and then heat-treated for 1 hour in an air atmosphere at 400 ° C. to finally obtain LiNbO 3 coated LCO particles.
2) 코팅 공정2) coating process
상기 전극 활물질 입자 표면에, 수용액 공정으로 고체 전해질 1 또는 2를 코팅하였다. On the surface of the electrode active material particles, a
2-1) 전해질, 활물질, 및 물 동시 혼합 (Coated 1)2-1) Simultaneous Mixing of Electrolyte, Active Material, and Water (Coated 1)
상기 결정질인 Li4SnS4 입자, 상기 전극 활물질 입자,및 물을 동시에 혼합하여, 제1 혼합물을 제조하였다. 이와 독립적으로, 상기 결정질인 Li4SnS4 입자, 상기 LiI, 상기 전극 활물질 입자, 및 물을 동시에 혼합하여, 제2 혼합물을 제조하였다.The first crystalline Li 4 SnS 4 particles, the electrode active material particles, and water were simultaneously mixed to prepare a first mixture. Independently of this, the crystalline Li 4 SnS 4 particles, the LiI, the electrode active material particles, and water were simultaneously mixed to prepare a second mixture.
상기 제1 혼합물 및 상기 제2 혼합물 제조 시, 각각 고체 성분(즉, 상기 고체 전해질 입자, 및 상기 전극 활물질 입자)의 총합이 300 mg이 될 때, 용매인 물은 1 mL로 하였다.In the preparation of the first mixture and the second mixture, when the total of the solid components (ie, the solid electrolyte particles and the electrode active material particles) was 300 mg, the solvent, water, was 1 mL.
상기 혼합물을 여과하여 고/액 분리함으로써 불순물을 제거하고, 여액은 진공 조건에서 특정 온도에서 일정 시간 열처리하였다. (단, 이때의 온도 및 시간 조건은 후술되는 평가예에 따른다.)The mixture is filtered to remove impurities by solid / liquid separation, and the filtrate is heat-treated at a specific temperature under vacuum for a certain time. (The temperature and time conditions at this time are based on the evaluation example mentioned later.)
2-2) 전해질 및 물 혼합 후 활물질 첨가 (Coated 2)2-2) Add Active Material after Mixing Electrolyte and Water (Coated 2)
상기 결정질인 Li4SnS4 입자 및 물을 먼저 혼합한 후, 상기 전극 활물질 입자를 첨가하여 제1 혼합물을 제조하였다. 이와 독립적으로, 상기 상기 결정질인 Li4SnS4 입자, 상기 LiI, 및 물을 혼합한 후, 상기 전극 활물질 입자를 첨가하여 제2 혼합물을 제조하였다.After mixing the crystalline Li 4 SnS 4 particles and water first, the electrode active material particles were added to prepare a first mixture. Independently, after mixing the crystalline Li 4 SnS 4 particles, the LiI, and water, the electrode active material particles were added to prepare a second mixture.
구체적으로, 상기 제1 혼합물 및 상기 제2 혼합물 제조 시, 전극 활물질 첨가 전 용액 내 상기 결정질인 Li4SnS4 입자가 균일하게 분산되도록 하였다. 상기 전해질 용액을 여과하여 고/액 분리함으로써 불순물을 제거하였다.Specifically, when preparing the first mixture and the second mixture, the crystalline Li 4 SnS 4 particles in the solution before the addition of the electrode active material was dispersed uniformly. The electrolyte solution was filtered to solidify / liquid to remove impurities.
이후, 상기 여과된 전해질 용액에 상기 전극 활물질 입자를 투입하였다. 상기 고체 성분(즉, 상기 고체 전해질 입자, 및 상기 전극 활물질 입자)의 총합이 300 mg이 될 때, 용매인 물은 1 mL로 하였다.Thereafter, the electrode active material particles were added to the filtered electrolyte solution. When the total of the solid components (ie, the solid electrolyte particles and the electrode active material particles) became 300 mg, water as a solvent was 1 mL.
그 다음, 진공 조건에서 상기 혼합 용액을 특정 온도에서 일정 시간 열처리하였다. (단, 이때의 온도 및 시간 조건은 후술되는 평가예에 따른다.)Then, the mixed solution was heat-treated at a specific temperature for a certain time under vacuum conditions. (The temperature and time conditions at this time are based on the evaluation example mentioned later.)
3) 그 결과, 표면 코팅된 활물질 입자를 수득할 수 있었다. 3) As a result, the surface-coated active material particles could be obtained.
(4) 양극층 제조(4) anode layer manufacturing
f 13 mm의 원통형의 틀에, 상기 표면 코팅된 활물질 입자를 15 mg 넣고 370 Mpa의 압력으로 눌러주어 펠렛(pellet) 형태로 성형하였다. f into a cylindrical mold of 13 mm, 15 mg of the surface-coated active material particles were pressed at a pressure of 370 Mpa to form a pellet.
(5) 전고체 전지 제작(5) all-solid-state battery manufacturing
도 1의 적층 구조를 만족하도록, 전고체 전지를 제작하였다.The all-solid-state battery was produced so that the laminated structure of FIG. 1 might be satisfied.
우선, f 13 mm의 원통형의 틀에, 120 mg의 LGPS 고체 전해질 분말 및 30 mg의 LPS 고체 전해질 분말을 순차적으로 적층하고, 74 MPa의 압력을 가하여 펠렛(pellet) 형태로 성형하였다. 이로써, LGPS/LPS 이중층(bi-layer) 형태의 고체 전해질 필름을 수득하였다.First, 120 mg of LGPS solid electrolyte powder and 30 mg of LPS solid electrolyte powder were sequentially stacked in a cylindrical frame of f 13 mm, and formed into pellets by applying a pressure of 74 MPa. This resulted in a solid electrolyte film in the form of an LGPS / LPS bi-layer.
상기 고체 전해질 필름의 양면에 각각 상기 양극층 및 음극층을 부착하였다. 구체적으로, 고체 전해질 필름에서, LGPS가 위치하는 면에는 상기 양극층 15 mg을, LPS가 위치하는 면에는 음극층을 부착하였다. 이후, 최종적으로 370 MPa의 압력을 가하여, 도 1의 적층 구조를 만족하는 전고체 전지를 수득하였다.The anode layer and the cathode layer were attached to both surfaces of the solid electrolyte film, respectively. Specifically, in the solid electrolyte film, 15 mg of the positive electrode layer was attached to the surface where the LGPS is located, and a negative electrode layer was attached to the surface where the LPS is located. Thereafter, finally, a pressure of 370 MPa was applied to obtain an all-solid-state battery satisfying the laminated structure of FIG. 1.
비교예 1 (메탄올 공정)Comparative Example 1 (Methanol Process)
(1) LSS 및 xLiI-(1-x)LSS 의 제조(1) Preparation of LSS and xLiI- (1-x) LSS
실시예 1의 전 공정에서 물을 용매로 사용한 것과 달리, 메탄올을 용매로 사용하는 용액 공정으로, 고체 전해질 입자 1(Li4SnS4) 및 고체 전해질 입자 2(xLiI-(1-x)Li4SnS4)를 각각 제조하였다. Unlike using water as a solvent in the entire process of Example 1, a solution process using methanol as a solvent, solid electrolyte particles 1 (Li 4 SnS 4 ) and solid electrolyte particles 2 ( x LiI- (1-x) Li 4 SnS 4 ) were prepared respectively.
(2) 고체 전해질 입자를 이용한 전극 활물질 입자 표면 코팅(2) Surface coating of electrode active material particles using solid electrolyte particles
또한, 상기 메탄올 공정으로 제조된 고체 전해질 입자 1(Li4SnS4) 및 고체 전해질 입자 2(xLiI-(1-x)Li4SnS4)를 이용하여, 메탄올을 용매로 사용하는 용액 공정으로, 표면 코팅된 LCO 입자를 제조하였다. 용매를 변경한 것 이외에, 다른 공정 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.In addition, by using the solid electrolyte particles 1 (Li 4 SnS 4 ) and solid electrolyte particles 2 ( x LiI- (1-x) Li 4 SnS 4 ) prepared by the methanol process, a solution process using methanol as a solvent , Surface coated LCO particles were prepared. Other process conditions were the same as Example 1 except having changed the solvent.
(3) 양극층 제조(3) anode layer manufacturing
실시예 1과 동일하게, f 13 mm의 원통형의 틀에, 비교예 2에서 표면 코팅된 활물질 입자를 15 mg 넣고 370 Mpa의 압력으로 눌러주어 펠렛(pellet) 형태로 성형하였다. 이를 양극층으로 하였다.In the same manner as in Example 1, 15 mg of the surface-coated active material particles in Comparative Example 2 was put into a cylindrical frame of f 13 mm and pressed at a pressure of 370 Mpa to form a pellet. This was used as an anode layer.
(4) 전고체 전지 제작(4) all-solid-state battery manufacturing
실시예 1의 양극층 대신 비교예 1의 양극층을 사용한 점을 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하게 하여, 전고체 전지를 제작하였다.An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode layer of Comparative Example 1 was used instead of the positive electrode layer of Example 1.
비교예 2 (건식 혼합물)Comparative Example 2 (Dry Mixture)
(1) 양극층 제조(1) anode layer manufacturing
실시예 1의 Li4SnS4 또는 xLiI-(1-x)Li4SnS4 각 고체 전해질 입자를, 단순히 전극 활물질 입자와 혼합하였다.Each solid electrolyte particle of Li 4 SnS 4 or x LiI- (1-x) Li 4 SnS 4 of Example 1 was simply mixed with electrode active material particles.
구체적으로, 상기 전극 활물질 입자 및 상기 고체 전해질 입자의 중량비가 85:15(활물질: 고체 전해질)이 되도록 혼합하고, 총 중량은 15 mg이 되도록 하여, f 13 mm의 원통형의 틀에 투입하고 370 Mpa의 압력으로 눌러주어 펠렛(pellet) 형태로 성형하였다.Specifically, the electrode active material particles and the solid electrolyte particles are mixed so that the weight ratio is 85:15 (active material: solid electrolyte), the total weight is 15 mg, put into a cylindrical frame of f 13 mm and 370 Mpa It was pressed in the pressure of to form a pellet (pellet).
(2) 전고체 전지 제작(2) all-solid-state battery manufacturing
또한, 실시예 1의 양극층 대신 비교예 2의 양극층을 사용한 점을 제외하고, 이 외는 실시예 1과 동일하게 하여, 전고체 전지를 제작하였다.In addition, except having used the positive electrode layer of the comparative example 2 instead of the positive electrode layer of Example 1, except having carried out similarly to Example 1, the all-solid-state battery was produced.
평가예 1 (XRD)Evaluation Example 1 (XRD)
(1) LSS (수용액 공정 vs. 메탄올 공정) (1) LSS (aqueous process vs. methanol process)
1) 실시예 1에서 고체 전해질 입자 1 제조 시, 수용액의 열처리 온도를 200, 240, 280, 320, 또는 450 ℃로 달리 하였다. 그에 따라, LSS200, LSS240, LSS280, LSS320, 및 LSS450을 각각 수득하고, 원료로 사용된 SS-LSS과 대비하여, XRD 패턴을 확인하였다(도 2a).1) When preparing the
도 2a에서, SS-LSS는, 2θ가 16.5 내지 17 °인 범위, 17 내지 18 °인 범위, 18.5 내지 19 °인 범위, 25 내지 26 °인 범위, 및 26 내지 26.5 °인 범위에서 각각, Cu Kα X선(X-rα)에 의한 XRD 피크(peak)가 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, SS-LSS는 그 XRD로부터, 사방정계(orthorhombic)인 결정 구조를 가지는, 결정질 입자임을 알 수 있다.In FIG. 2A, SS-LSS is Cu in the range 2θ is 16.5 to 17 °, the range 17 to 18 °, the range 18.5 to 19 °, the
그에 반면, LSS200, LSS240, LSS280, LSS320, 및 LSS450은 SS-LSS의 특징적인 피크가 나타나지 않는다. 구체적으로, LSS200, LSS240, LSS280, 및 LSS320는, 각 XRD에서 불순물에 의한 피크만 나타나는 바, 거의 비정질인 것이다.In contrast, LSS200, LSS240, LSS280, LSS320, and LSS450 do not exhibit characteristic peaks of SS-LSS. Specifically, LSS200, LSS240, LSS280, and LSS320 are almost amorphous because only peaks due to impurities appear in each XRD.
따라서, 수용액 공정에 의해 고체 전해질 입자 1(LSS)을 제조할 경우, 200 내지 450 ℃, 구체적으로 200 내지 320 ℃로 열처리하면, 비정질인 입자가 수득되고, 그에 따른 이온 전도성과 연성이 두루 우수하게 발현될 것임이 추론된다.Therefore, when preparing the solid electrolyte particles 1 (LSS) by the aqueous solution process, when the heat treatment at 200 to 450 ℃, specifically 200 to 320 ℃, the amorphous particles are obtained, thereby excellent ionic conductivity and ductility Inferred to be expressed.
2) 비교예 1서 고체 전해질 입자 1 제조 시, 메탄올 공정의 열처리 온도를 200, 320, 또는 450 ℃로 달리 하였다. 그에 따라 수득된 각 입자에 대해, 원료로 사용된 SS-LSS과 대비하여, XRD 패턴을 확인하였다(도 2b).2) In the preparation of the
도 2b에 따르면, 메탄올 공정을 이용하여 320 ℃에서 열처리한 경우, SS-LSS의 특징적인 피크가 나타난다.According to Figure 2b, when heat treated at 320 ℃ using a methanol process, a characteristic peak of SS-LSS appears.
3) 따라서, 동일한 원료 SS-LSS를 사용하며 열처리 온도가 200 내지 450 ℃의 범위 내일 때, 수용액 공정에 의하면 비정질 입자가 수득되고, 메탄올 공정에 의하면 결정질 입자가 수득됨을 알 수 있다. 3) Thus, when the same raw material SS-LSS is used and the heat treatment temperature is in the range of 200 to 450 ° C., it can be seen that amorphous particles are obtained by the aqueous solution process and crystalline particles are obtained by the methanol process.
(2) xLiI-(1-x)LSS (수용액 공정 vs. 메탄올 공정)(2) xLiI- (1-x) LSS (aqueous process vs. methanol process)
1) 비교예 1에서 고체 전해질 입자 2 제조 시, 수용액의 열처리 온도를 200℃로 고정하되, LiI: Li4SnS4 의 몰비를 달리 하였다. 그에 따라 수득된 각 입자에 대해, 실시예 1에서 원료로 사용된 SS-LSS과 대비하여, XRD 패턴을 확인하였다(도 2d).1) In preparing the solid electrolyte particles 2 in Comparative Example 1, the heat treatment temperature of the aqueous solution was fixed at 200 ° C., but the molar ratio of LiI: Li 4 SnS 4 was varied. For each particle thus obtained, XRD pattern was confirmed in comparison with SS-LSS used as a raw material in Example 1 (FIG. 2D).
도 2d에서, 메탄올 공정에 의할 경우, LiI의 첨가 유무에 관계 없이, 200℃에서는 LSS의 결정화가 이루어지지 않음을 의미한다.In FIG. 2D, when the methanol process is used, crystallization of LSS is not performed at 200 ° C., regardless of LiI addition.
2) 실시예 1에서 고체 전해질 입자 2 제조 시, LiI: Li4SnS4 의 몰비를 2:8, 3:7, 또는 4:6로 달리 하고, 수용액의 열처리 온도를 200 ℃ 또는 320 ℃로 달리 하였다. 그에 따라 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, 0.4LiI-0.6LSS200, 0.2LiI-0.8LSS320, 및 0.4LiI-0.6LSS320을 각각 수득하고, 실시예 1의 고체 전해질 입자 1 (LSS200)과 대비하여, XRD 패턴을 확인하였다(도 2c).2) In preparing the solid electrolyte particles 2 in Example 1, the molar ratio of LiI: Li 4 SnS 4 is 2: 8, 3: 7, or 4: 6, and the heat treatment temperature of the aqueous solution is different from 200 ° C. or 320 ° C. It was. This yields 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, 0.4LiI-0.6LSS200, 0.2LiI-0.8LSS320, and 0.4LiI-0.6LSS320, respectively, and compared with Solid Electrolyte Particle 1 (LSS200) of Example 1 The XRD pattern was confirmed (FIG. 2C).
도 2c에서, 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, 0.4LiI-0.6LSS200, 0.2LiI-0.8LSS320, 및 0.4LiI-0.6LSS320 공통적으로, SS-LSS의 특징적인 피크가 일부 나타남을 확인할 수 있다. 이는, 수용액 공정에서 LiI가 결정화 온도를 낮추어, 일부 결정질화된 입자가 형성되는 것과 관련된다. In FIG. 2C, 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, 0.4LiI-0.6LSS200, 0.2LiI-0.8LSS320, and 0.4LiI-0.6LSS320 are commonly found, and some characteristic peaks of SS-LSS appear. have. This involves that LiI lowers the crystallization temperature in the aqueous solution process, so that some crystallized particles are formed.
보다 구체적으로, 동일한 LiI: Li4SnS4 의 몰비일 때, 열처리 온도가 높을수록 SS-LSS의 특징적인 피크가 더 잘 나타나는 것으로 확인된다. 이에, 고체 전해질 입자 2의 제조 시, 결정화도를 최대한 낮추기 위해서는, 고체 전해질 입자 1의 제조 시보다 낮은 온도로 열처리해야 함을 알 수 있다.More specifically, when the molar ratio of the same LiI: Li 4 SnS 4 , it is confirmed that the higher the heat treatment temperature, the better the characteristic peak of SS-LSS appears. Thus, in the preparation of the solid electrolyte particles 2, it can be seen that in order to lower the degree of crystallization as much as possible, heat treatment must be performed at a lower temperature than in the preparation of the
한편, 0.3LiI-0.7LSS200 및 0.4LiI-0.6LSS200 (특히, 후자)의 경우, LiI에 의한 특징적인 피크도 나타난다. 이들은, LSS의 결정화에 따른 이온 전도도 감소를 LiI에 의해 상쇄할 수 있는 것이다.On the other hand, in the case of 0.3LiI-0.7LSS200 and 0.4LiI-0.6LSS200 (particularly the latter), characteristic peaks due to LiI also appear. These can offset the decrease in ionic conductivity due to the crystallization of LSS by LiI.
3) 따라서, 동일한 원료 SS-LSS를 사용할 때, 수용액 공정에 의하면 LiI에 의해 LSS의 결정화 온도가 낮아지지만, LSS의 결정화에 따른 이온 전도도 감소를 LiI에 의해 적절히 상쇄할 수 있는 LiI: LSS의 몰비를 제어할 수 있음을 알 수 있다.3) Therefore, when the same raw material SS-LSS is used, the crystallization temperature of LSS is lowered by LiI according to the aqueous solution process, but the molar ratio of LiI: LSS that can adequately offset the decrease in ion conductivity due to the crystallization of LSS by LiI It can be seen that can control.
평가예 2 (리튬 이온 전도도)Evaluation Example 2 (lithium ion conductivity)
(1) LSS 및 xLiI-(1-x)LSS (수용액 공정)(1) LSS and xLiI- (1-x) LSS (aqueous solution process)
실시예 1 공정을 제어하여 LSS200, LSS240, LSS280, LSS320, LSS450, 0.4LiI-0.6LSS200, 및 0.4LiI-0.6LSS320을 각각 수득하고, 30 ℃에서 이들의 리튬 이온 전도도를 측정하였다(도 3a). Example 1 The process was controlled to yield LSS200, LSS240, LSS280, LSS320, LSS450, 0.4LiI-0.6LSS200, and 0.4LiI-0.6LSS320, respectively, and measured their lithium ion conductivity at 30 ° C (FIG. 3A).
도 3a에 따르면, LSS200, LSS240, LSS280, LSS320, LSS450, 0.4LiI-0.6LSS200, 및 0.4LiI-0.6LSS320 모두, 30 ℃에서 적어도 1.0*10-5 S/cm 초과인 리튬 이온 전도도가 확보됨을 알 수 있다.According to FIG. 3A, it can be seen that the LSS200, LSS240, LSS280, LSS320, LSS450, 0.4LiI-0.6LSS200, and 0.4LiI-0.6LSS320 all secure lithium ion conductivity of at least 1.0 * 10 -5 S / cm at 30 ° C. Can be.
나아가, 고체 전해질 입자 1의 경우, 열처리 온도가 280 내지 320 ℃인 범위 내일 때(즉, LSS280, 및 LSS320), 1.0*10-4 S/cm 초과인 리튬 이온 전도도가 나타난다. 이는, 상기 온도 범위에서 LSS가 거의 비정질화되고, 탈수(dehydration)된 것에 기인한다고 추론된다.Furthermore, in the case of the
또한, 고체 전해질 입자 2의 경우, 열처리 온도가 200 ℃일 때(즉, 0.4LiI-0.6LSS200), 1.0*10-4 S/cm 초과인 리튬 이온 전도도가 나타난다. 이로부터, LSS의 결정화 온도가 낮아진 것은 LiI에 기인한 것이지만, LSS의 결정화에 따른 이온 전도도 감소를 상쇄하는 것도 LiI에 의한 것임을 알 수 있다.In addition, in the case of the solid electrolyte particle 2, when the heat treatment temperature is 200 ° C. (that is, 0.4LiI-0.6LSS200), lithium ion conductivity of more than 1.0 * 10 −4 S / cm appears. From this, it can be seen that the lowering of the crystallization temperature of the LSS is due to LiI, but it is also due to the LiI that offsets the decrease in the ionic conductivity due to the crystallization of the LSS.
(2) xLiI-(1-x)LSS (수용액 공정)(2) xLiI- (1-x) LSS (aqueous solution process)
한편, 실시예 1 공정을 제어하여 LSS200, 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, 및 0.4LiI-0.6LSS320, 및 0.5LiI-0.5LSS200을 각각 수득하고, 30 ℃에서 이들의 리튬 이온 전도도를 측정하였다(도 3b). Meanwhile, Example 1 process was controlled to obtain LSS200, 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, and 0.4LiI-0.6LSS320, and 0.5LiI-0.5LSS200, respectively, and their lithium ion conductivity at 30 ° C. It was measured (FIG. 3B).
도 3b에서, LSS200, 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, 및 0.4LiI-0.6LSS320, 및 0.5LiI-0.5LSS200 모두, 30 ℃에서 적어도 1.0*10-5 S/cm 초과인 리튬 이온 전도도가 확보됨을 알 수 있다.In FIG. 3B, all of LSS200, 0.2LiI-0.8LSS200, 0.3LiI-0.7LSS200, and 0.4LiI-0.6LSS320, and 0.5LiI-0.5LSS200, lithium ion conductivity of at least 1.0 * 10 -5 S / cm at 30 ° C. It can be seen that is secured.
나아가, 열처리 온도가 200 ℃인 고체 전해질 입자 2의 경우, LiI: LSS의 몰비가 2:8 내지 3:7일 때(즉, 0.2LiI-0.8LSS200, 및 0.3LiI-0.7LSS200) 거의 1.0*10-4 S/cm 수준의 리튬 이온 전도도가 나타나고, 특히 LiI: LSS의 몰비가 4:6일 때(즉, 0.4LiI-0.6LSS200) 1.0*10-4 S/cm 초과인 리튬 이온 전도도가 나타난다. 이는, 최적의 열처리 온도 및 LiI: LSS의 최적 몰비에 기인한 것이다.Furthermore, in the case of solid electrolyte particles 2 having a heat treatment temperature of 200 ° C., when the molar ratio of LiI: LSS is 2: 8 to 3: 7 (that is, 0.2LiI-0.8LSS200, and 0.3LiI-0.7LSS200), almost 1.0 * 10 Lithium ion conductivity of -4 S / cm level is shown, especially when the molar ratio of LiI: LSS is 4: 6 (ie 0.4LiI-0.6LSS200), lithium ion conductivity is greater than 1.0 * 10 -4 S / cm. This is due to the optimum heat treatment temperature and the optimum molar ratio of LiI: LSS.
평가예 3 (FESEM, HRTEM, 및 EDXS; LSS 수용액 공정)Evaluation Example 3 (FESEM, HRTEM, and EDXS; LSS aqueous solution process)
도 4는, 실시예 1에서 LSS320으로 표면 코팅된 활물질 입자에 관한 것이다.Figure 4 relates to the active material particles surface-coated with LSS320 in Example 1.
구체적으로, 상기 표면 코팅된 활물질 입자의 FESEM 및 EDXS를 살펴보면(도 4a), 활물질 입자 내부에 위치하는 Co의 분포와, 그 표면에 위치하는 Sn 및 S의 분포가 거의 일치하는 것으로 나타난다. 이로부터, 수용액 공정에 의해 활물질 입자 표면에 고체 전해질이 고르게 코팅된 것을 알 수 있다.Specifically, looking at the FESEM and EDXS of the surface-coated active material particles (Fig. 4a), it appears that the distribution of Co located inside the active material particles and the distribution of Sn and S located on the surface thereof are almost identical. From this, it can be seen that the solid electrolyte is evenly coated on the surface of the active material particles by the aqueous solution process.
또한, 상기 표면 코팅된 활물질 입자를 FIB로 절단한 단면에 대한 FESEM 를 살펴보면(도 4b), LCO 표면이 LiNbO2로 얇게 코팅되고, 그러한 LiNbO2 코팅층 상에 LSS 코팅층이 존재함을 확인할 수 있다. 이는, 상기 단면에 대한 EDXS에서 나타나는 원소 분포와도 일치한다.Also, look at the FESEM for the cross-section cutting the active material particle surface coated with a FIB (Fig. 4b), LCO surface can be seen that the LSS coating layer present on the thin, on such LiNbO 2 coating layer is coated with a LiNbO 2. This is also consistent with the elemental distribution seen in EDXS for this cross section.
평가예 4 (전지의 율별 특성, C-rate 별 방전 특성, 및 수명 특성; 수용액 공정 vs. 건식 혼합)Evaluation Example 4 (Characteristics by Rate, Discharge Characteristics by C-rate, and Lifetime Characteristics; Aqueous Process vs. Dry Mixing)
실시예 1에 따라 수용액 공정으로 LSS320으로 표면 코팅된 LCO 입자에 대해, 전지 적용 시 특성을 평가하였다. 단, 전해질, 활물질, 및 물 동시 혼합하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 1), 전해질 및 물 혼합 후 활물질을 첨가하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 2)에 대해, 각각 평가하였다. LCO particles surface-coated with LSS320 by an aqueous solution process according to Example 1 were evaluated for battery application. However, for the active material surface-coated by the process of simultaneously mixing the electrolyte, the active material, and water (Coated 1), and the case of the active material surface-coated by the process of adding the active material after mixing the electrolyte and water (Coated 2), respectively It was.
한편, LCO(bare) 및 LSS320의 혼합물을 양극층에 적용한 전지(p-LCO로 표시)와, 물로 표면처리된 LCO 및 LSS320의 혼합물을 양극층에 적용한 전지(w-LCO로 표시)와 비교 하였다.On the other hand, a cell (shown as p-LCO) with a mixture of LCO (bare) and LSS320 was applied to the positive electrode layer and a cell (shown with w-LCO) with a mixture of LCO and LSS320 treated with water was applied to the positive electrode layer. .
구체적으로, 각 전지에 대해, 상온에서 3.0 내지 4.3 V (V vs. Li/Li+)인 조건을 부과하면서, 방전 속도를 변화시키며 율별 특성을 평가하고(도 5a), C-rate 별 방전 특성을 평가하였다(도 5b).Specifically, for each battery, the discharge rate is changed and the rate-specific characteristics are evaluated while imposing conditions of 3.0 to 4.3 V (V vs. Li / Li + ) at room temperature (FIG. 5A), and the discharge characteristics for each C-rate. Was evaluated (FIG. 5B).
도 5a 및 도 5b를 살펴보면, 단순히 LCO(bare) 및 LSS320을 혼합한 경우, 물로 표면처리된 LCO 및 LSS320를 혼합한 경우, 전해질, 활물질, 및 물 동시 혼합하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 1), 전해질 및 물 혼합 후 활물질을 첨가하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 2)의 순서로, 율별 특성과 C-rate 별 방전 특성이 우수하게 나타났다.5A and 5B, when only LCO (bare) and LSS320 are mixed, when LCO and LSS320 surface-treated with water are mixed, an electrolyte, an active material, and a surface-coated active material by a process of simultaneously mixing water ( Coated 1), the process of adding an active material after mixing the electrolyte and water, in the order of the surface-coated active material (Coated 2), the characteristics of the rate and discharge characteristics of the C-rate was excellent.
이로써, 물을 매개로 활물질과 고체 전해질의 접촉 특성이 향상되며, 특히 활물질 표면에 고체 전해질을 코팅할 때 그 특성이 더욱 탁월해짐을 알 수 있다.As a result, the contact property between the active material and the solid electrolyte is improved through water, and it can be seen that the property becomes more excellent when the solid electrolyte is coated on the surface of the active material.
율별 특성 및 C-rate 별 방전 특성이 가장 우수한 Coated 2에 대해 충방전 사이클을 80회 수행한 결과(도 5c), 초기 대비 용량 감소가 거의 없음을 확인할 수 있다.As a result of performing charge / discharge cycles 80 times for Coated 2 having the best rate-specific characteristics and discharge characteristics for each C-rate (FIG. 5C), it can be seen that there is almost no capacity reduction compared to the initial stage.
평가예 5 (전극 층의 저항 특성, 방전 전압 특성; 수용액 공정 vs. 건식 혼합)Evaluation Example 5 (resistance characteristics, discharge voltage characteristics of the electrode layer; aqueous solution process vs. dry mixing)
실시예 1에 따라 수용액 공정으로 LSS320으로 표면 코팅된 LCO 입자와 관련하여, 전극 저항 특성 (도 7a) 및 방전 전압 특성(도 7b)를 평가하였다. 단, 전해질, 활물질, 및 물 동시 혼합하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 1), 전해질 및 물 혼합 후 활물질을 첨가하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 2)에 대해, 각각 평가하였다. Regarding the LCO particles surface-coated with LSS320 in an aqueous solution process according to Example 1, electrode resistance characteristics (FIG. 7A) and discharge voltage characteristics (FIG. 7B) were evaluated. However, for the active material surface-coated by the process of simultaneously mixing the electrolyte, the active material, and water (Coated 1), and the case of the active material surface-coated by the process of adding the active material after mixing the electrolyte and water (Coated 2), respectively It was.
또한, LCO(bare) 및 LSS320의 혼합물을 적용한 양극 (p-LCO로 표시)과, 물로 표면처리된 LCO 및 LSS320의 혼합물을 적용한 양극(w-LCO로 표시)도 비교 평가하였다.In addition, the positive electrode (indicated by p-LCO) to which a mixture of LCO (bare) and LSS320 was applied, and the positive electrode (indicated by w-LCO) to which a mixture of LCO and LSS320 surface-treated with water were also evaluated.
일반적으로, 임피던스 분석 그래프의 반원 크기는 저항 크기에 상응하기 때문에, 그에 따른 저항 특성을 파악할 수 있다. 이와 관련하여 도 7a를 살펴보면, 단순히 LCO(bare) 및 LSS320을 혼합한 경우, 물로 표면처리된 LCO 및 LSS320를 혼합한 경우, 전해질, 활물질, 및 물 동시 혼합하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 1), 전해질 및 물 혼합 후 활물질을 첨가하는 공정으로 표면 코팅된 활물질의 경우(Coated 2)의 순서로, 저항이 작아짐을 알 수 있다. In general, since the semicircle size of the impedance analysis graph corresponds to the resistance size, it is possible to determine the resistance characteristics accordingly. In this regard, referring to FIG. 7A, when LCO (bare) and LSS320 are simply mixed, when LCO and LSS320 surface-treated with water are mixed, an electrolyte, an active material, and a surface-coated active material by a process of simultaneously mixing water ( Coated 1), the process of adding the active material after mixing the electrolyte and water, in the case of the surface-coated active material (Coated 2), it can be seen that the resistance is small.
이러한 저항 특성 평가 결과는, 평가예 1에서 확인된 율별 특성 평가 결과에 상응하는 것이다. 나아가, 도 7b에 나타난 방전 전압 특성 평가 결과와도 상응한다. This resistance characteristic evaluation result corresponds to the characteristic evaluation result for each rate confirmed by the evaluation example 1. Furthermore, it corresponds to the discharge voltage characteristic evaluation result shown in FIG. 7B.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various forms, and a person skilled in the art to which the present invention pertains has another specific form without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that the present invention may be practiced as. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
Claims (11)
상기 전극 활물질 입자의 표면에 위치하는, 고체 전해질 코팅층;을 포함하고,
상기 고체 전해질 코팅층은 고체 전해질을 포함하고,
상기 고체 전해질은 하기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 결정질 화합물을 포함하는 것이고,
상기 고체 전해질은,
2θ가 16.5 내지 17 °인 범위, 17 내지 18 °인 범위, 18.5 내지 19 °인 범위, 25 내지 26 °인 범위, 및 26 내지 26.5 °인 범위 중 적어도 하나 이상의 범위에서, Cu Kα X선(X-rα)에 의한 XRD 피크(peak)가 나타나는 것이고,
상기 고체 전해질은,
결정 구조가 사방정계(orthorhombic)인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체:
[화학식 2]
x(LiX2 eHf)-(1-x)(LiaMbScX1 d)
[화학식 3]
x(LigX3 eOh)-(1-x)(LiaMbScX1 d)
[화학식 4]
x(LiX4 eHf)-(1-x)(LiaMbScX1 d)
상기 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, M은 Sn이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6이고, x는 0.2 내지 0.4이다.
상기 화학식 2에서, X2는 F, Cl, Br, 또는 I이고, 0<e≤6이고, 0≤f≤6이다.
상기 화학식 3에서, X3는 Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, 또는 Mg이고, 0<g≤6이고, 0<e≤6이고, 0<h≤6이다.
상기 화학식 4에서, X4는 B, Mg, 또는 N이고, 0<e≤4이고, 0<f≤6이다.
Electrode active material particles; And
It includes; a solid electrolyte coating layer, which is located on the surface of the electrode active material particles,
The solid electrolyte coating layer comprises a solid electrolyte,
The solid electrolyte includes a crystalline compound represented by any one of the following Chemical Formulas 2 to 4,
The solid electrolyte,
In at least one or more of 2θ ranges from 16.5 to 17 °, ranges from 17 to 18 °, ranges from 18.5 to 19 °, ranges from 25 to 26 °, and range from 26 to 26.5 °, Cu Kα X-rays (X XRD peak by -rα) appears,
The solid electrolyte,
Crystal structure is orthorhombic,
Electrode Active Material-Solid Electrolyte Composite:
[Formula 2]
x (LiX 2 e H f )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
[Formula 3]
x (Li g X 3 e O h )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
[Formula 4]
x (LiX 4 e H f )- (1-x) (Li a M b S c X 1 d )
In Formulas 2 to 4, each independently of each other, M is Sn, X 1 is F, Cl, Br, I, Se, Te, or O, 0 <a ≦ 6, 0 <b ≦ 6, 0 <c ≦ 6, 0 ≦ d ≦ 6, and x is 0.2 to 0.4.
In Formula 2, X 2 is F, Cl, Br, or I, 0 <e ≦ 6, and 0 ≦ f ≦ 6.
In Formula 3, X 3 is Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, or Mg, 0 <g ≦ 6, 0 <e ≦ 6, and 0 <h ≦ 6.
In Formula 4, X 4 is B, Mg, or N, 0 <e ≦ 4, and 0 <f ≦ 6.
상기 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, x는 0.3 내지 0.4인 것인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체.
The method of claim 1,
In Formula 2 to 4, each independently of each other, x is 0.3 to 0.4,
Electrode Active Material-Solid Electrolyte Composite.
상기 고체 전해질은,
상기 화학식 2 내지 4에서 각각, 서로 독립적으로, x는 0.4이고,
30 ℃에서 리튬 이온 전도도가 1.010-4 S/cm 이상인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체.
The method of claim 2,
The solid electrolyte,
In the formulas 2 to 4, each independently of each other, x is 0.4,
Lithium ion conductivity at 30 ℃ 1.0 More than 10 -4 S / cm,
Electrode Active Material-Solid Electrolyte Composite.
상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;를 포함하되,
상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;에서,
상기 제2 혼합물 내 물이 제거되고,
상기 이온 전도성 첨가제 및 상기 결정질 황화물계 화합물이 상기 전극 활물질 입자의 표면에 코팅되는 것이고,
상기 제2 혼합물을 제조하는 단계에서 제2 혼합물 내의 이온 전도성 첨가제 : 결정질 황화물계 화합물의 질량비는 2:8 내지 4:6 이고,
상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계는 180℃ 이상, 및 320℃ 미만인 온도범위에서 수행되는 것이고,
상기 이온 전도성 첨가제는 하기 화학식 5 내지 7 중 어느 하나로 표시되는 것인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법:
[화학식 1]
LiaMbScX1 d
[화학식 5]
LiX2
[화학식 6]
LiaX3 bOc
[화학식 7]
LiX4 aHb
상기 화학식 1에서, M은 Sn이고, X1은 F, Cl, Br, I, Se, Te, 또는 O이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고, 0≤d≤6이고,
상기 화학식 5에서, X2는 F, Cl, Br, 또는 I이고,
상기 화학식 6에서, X3는 Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, 또는 Mg이고, 0<a≤6이고, 0<b≤6이고, 0<c≤6이고,
상기 화학식 7에서, X4는 B, Mg, 또는 N이고, 0<a≤4이고, 0<b≤6임.
Preparing a second mixture including an ion conductive additive, electrode active material particles, a crystalline sulfide compound represented by Chemical Formula 1, and water (H 2 O) as a solvent; And
Heat treating the second mixture; including,
Heat-treating the second mixture;
Water in the second mixture is removed,
The ion conductive additive and the crystalline sulfide compound are coated on the surface of the electrode active material particles,
In the step of preparing the second mixture, the mass ratio of the ion conductive additive to the crystalline sulfide compound in the second mixture is 2: 8 to 4: 6,
The step of heat-treating the second mixture is carried out at a temperature range of more than 180 ℃, and less than 320 ℃,
The ion conductive additive is represented by any one of the following formulas 5 to 7,
Method for preparing an electrode active material-solid electrolyte composite:
[Formula 1]
Li a M b S c X 1 d
[Formula 5]
LiX 2
[Formula 6]
Li a X 3 b O c
[Formula 7]
LiX 4 a H b
In Formula 1, M is Sn, X 1 is F, Cl, Br, I, Se, Te, or O, 0 <a≤6, 0 <b≤6, 0 <c≤6, 0≤d≤6,
In Formula 5, X 2 is F, Cl, Br, or I,
In Chemical Formula 6, X 3 is Mg, Ba, P, As, Sb, B, S, Se, or Mg, 0 <a ≦ 6, 0 <b ≦ 6, 0 <c ≦ 6,
In Formula 7, X 4 is B, Mg, or N, 0 <a ≦ 4, and 0 <b ≦ 6.
상기 제2 혼합물을 제조하는 단계;는,
상기 이온 전도성 첨가제, 상기 전극 활물질 입자, 상기 결정질 황화물계 화합물, 및 상기 물을 동시에 혼합하는 단계;인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
Preparing the second mixture;
Simultaneously mixing the ion conductive additive, the electrode active material particles, the crystalline sulfide compound, and the water;
Method for producing an electrode active material-solid electrolyte composite.
상기 제2 혼합물을 제조하는 단계;는,
상기 이온 전도성 첨가제, 상기 결정질 황화물계 화합물 및 상기 물을 혼합한 후, 상기 전극 활물질 입자를 첨가하여 혼합하는 단계;인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
Preparing the second mixture;
Mixing the ion conductive additive, the crystalline sulfide compound and the water, and then adding and mixing the electrode active material particles;
Method for producing an electrode active material-solid electrolyte composite.
상기 제2 혼합물을 제조하는 단계;에서,
상기 물 1 mL 당, 상기 전극 활물질 입자 및 상기 결정질 황화물계 화합물 의 총량이 300 내지 600 mg이 되도록 혼합하는 것인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
In the step of preparing the second mixture;
Per 1 mL of water, the total amount of the electrode active material particles and the crystalline sulfide compound is mixed so as to be 300 to 600 mg,
Method for producing an electrode active material-solid electrolyte composite.
상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;는,
180 내지 220 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
Heat-treating the second mixture;
To be carried out in the temperature range of 180 to 220 ℃,
Method for producing an electrode active material-solid electrolyte composite.
상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;는,
6 내지 10 시간 동안 수행되는 것인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
Heat-treating the second mixture;
That is performed for 6 to 10 hours,
Method for producing an electrode active material-solid electrolyte composite.
상기 제2 혼합물을 열처리하는 단계;는,
0 내지 760 torr 범위의 압력에서 수행되는 것인,
전극 활물질-고체 전해질 복합체의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
Heat-treating the second mixture;
Is carried out at a pressure in the range of 0 to 760 torr,
Method for producing an electrode active material-solid electrolyte composite.
고체 전해질 층; 및
음극 층;을 포함하되,
상기 양극 층 및 상기 음극 층 중 하나 이상의 전극 층에, 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 복합체가 포함되는 것인,
전고체 전지.An anode layer;
Solid electrolyte layer; And
Including a cathode layer,
At least one electrode layer of the anode layer and the cathode layer, the composite of any one of claims 1 to 3,
All-solid-state battery.
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20150018562A (en) * | 2012-06-29 | 2015-02-23 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | Composite active material, solid-state battery and method for producing composite active material |
KR20150144119A (en) * | 2014-06-16 | 2015-12-24 | 한국과학기술연구원 | Solid electrolyte coated cathode materials for lithium ion battery |
KR20160121951A (en) * | 2015-04-13 | 2016-10-21 | 울산과학기술원 | Solid electrolytes for all solid state rechargeable lithium battery, methods for manufacturing the same, and all solid state rechargeable lithium battery including the same |
-
2019
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20150018562A (en) * | 2012-06-29 | 2015-02-23 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | Composite active material, solid-state battery and method for producing composite active material |
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