KR20200050628A - Composite Electrode Including Polymer Solid Electrolyte for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same - Google Patents

Composite Electrode Including Polymer Solid Electrolyte for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a composite electrode for an all-solid-state battery including a solid polymer electrolyte, a manufacturing method thereof, and an all-solid-state lithium battery including the same. More specifically, according to the present invention, a solid electrolyte based on heterogeneous polymers is impregnated into a surface of a composite electrode in which an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material are mixed, thereby increasing bonding properties between a bulk solid electrolyte and an electrode. Moreover, pores inside the electrode and an interface between components are filled with the polymer electrolyte, thereby increasing interface characteristics. Accordingly, an electrode/solid electrolyte interfacial resistance is decreased when the composite electrode is used as an electrode of an all-solid-state battery, thereby realizing high output and high performance of the all-solid-state battery.

Description

고분자 고체 전해질을 포함하는 전고체전지용 복합 전극, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 전고체 리튬 전지{Composite Electrode Including Polymer Solid Electrolyte for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same}Composite electrode for an all-solid-state battery containing a polymer solid electrolyte, a method for manufacturing the same, and an all-solid lithium battery comprising the same (Composite Electrode Including Polymer Solid Electrolyte for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same}

본 발명은 전고체 전지용 복합 전극, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 전고체 전지(all solid state battery)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 기반의 고체전해질을 전극 내에 침윤시킨 복합 전극, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composite electrode for an all-solid-state battery, a method for manufacturing the same, and an all-solid-state battery comprising the same, more specifically, a composite electrode in which a polymer-based solid electrolyte is infiltrated into an electrode, a method for manufacturing the same, and It relates to an all-solid-state battery containing him.

에너지의 효율적 사용을 위하여 최근 리튬 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 소형 모바일 전자 기기 뿐만 아니라, 전기자동차 및 전력 저장 분야의 에너지원으로 사용하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다. 하지만, 상용화된 리튬 이온 이차전지에 사용되는 유기계 액체 전해질의 경우 폭발/화재의 위험성이 매우 높아 전지의 안전성을 향상시키기 위하여 최근 이를 고체전해질로 대체하고자 하는 필요성이 계속 증가되어 왔다. Recently, research on lithium batteries has been actively conducted for efficient use of energy, and various efforts have been made to use them as energy sources in electric vehicles and power storage as well as small mobile electronic devices. However, in the case of an organic liquid electrolyte used in a commercially available lithium ion secondary battery, the risk of explosion / fire is very high, and in order to improve the safety of the battery, the need to replace it with a solid electrolyte has been continuously increasing.

고체전해질을 사용하는 전고체 이차전지는 가연성 유기 전해액을 사용하지 않아, 전해액의 유출이나 발화의 우려가 없어 안전성이 우수한 특징을 갖는다. 고체전해질은 크게 무기계 기반의 황하물계 및 산화물계, 유기계 기반의 고분자 전해질 및 유기/무기계 고체전해질이 복합화된 하이드리계 고체전해질로 나눌 수 있다. 황하물계 고체전해질의 경우 산화물계 대비 높은 리튬 이온 전도 특성을 보이고 있으나, 흡습성이 강하고, 유독 가스인 황하수소(H2S)가 발생될 가능성이 높은 문제점이 있다. 산화물계 고체전해질 소재로는 가넷 구조를 갖는 LLZO (LiaLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3aLa(2/3-a)□(1/3-2a)TiO3), NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1+aAlaTi2-a(PO4)3) 등을 들 수 있으며, 황화물계 고체전해질대비 수분, 화학적, 물리적, 기계적 안정성이 우수하나, 높은 입계 저항으로 인한 낮은 이온전도도 문제를 개선해야 한다. 고분자계 전해질로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플로라디드, 비닐리덴폴로라이드 및 헥사플로로프로필렌의 공중합체, 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리디메틸실록산 등이 사용되기도 하며, 최근에는 무기계 소재와 유기계 고분자 소재가 복합화된 유무기 하이브리드 형태의 고체전해질에 대한 연구가 진행되고 있다. The all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte does not use a flammable organic electrolyte, and there is no fear of leakage or ignition of the electrolyte, and thus has excellent safety characteristics. The solid electrolyte can be largely divided into an inorganic-based sulfide-based and oxide-based, an organic-based polymer electrolyte, and an organic / inorganic solid-electrolyte hybrid hydride-based solid electrolyte. In the case of the sulfide-based solid electrolyte, lithium ion conduction characteristics are higher than those of the oxide-based electrolyte, but the hygroscopicity is strong and there is a high possibility that toxic hydrogen sulfide (H2S) is generated. As the oxide-based solid electrolyte material, LLZO (LiaLa3Zr2O12) having a garnet structure, LLTO (Li3aLa (2 / 3-a) □ (1 / 3-2a) TiO3) having a perovskite structure, and LATP (NASCON structure) Li1 + aAlaTi2-a (PO4) 3) and the like, and has excellent moisture, chemical, physical, and mechanical stability compared to sulfide-based solid electrolytes, but needs to improve low ion conductivity problems due to high grain boundary resistance. Polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polymethacrylate, polyacrylonitrile, polydimethylsiloxane, etc. are used as the polymer electrolyte. Recently, inorganic materials are used. Research has been conducted on organic and organic hybrid materials in which organic polymer materials are complex.

전고체전지의 경우 일반적으로 고체전해질 자체의 이온전도도가 낮고, 전지를 구성하는 양극, (고체)전해질, 음극이 모두 고상으로 이루어져, 구성요소 상호간에 밀착 및 결착이 어렵고, 각 계면 및 전지의 셀 저항이 매우 커 전지의 고성능화 및 고출력화가 어려운 단점이 있다(J. W. Fergus, J. Power Sources 195, 4554-4569, 2010; 및 Y-C. Jung et al., J. Electrochem. Soc., 162 A704-A710, 2015). 이는 고체전해질에서 전극으로 전도되는 이온 및 전자의 접촉면적에 제한을 받아 저항이 증가하게 되어 전도성이 낮아지는 문제점을 들 수 있으며, 이를 해결하기 위해서는 전극/고체전해질, 전류집전체/전극 계면 뿐만 아니라, 전극 내에서 활물질, 고체전해질 소재, 결착제, 도전재 간의 접합성 및 밀착성이 향상된 고밀도의 전극을 제조할 수 있어야 하며, 균일하고 접착이 향상된 계면을 형성시킬 수 있는 계면 제어 기술이 요구된다(K. Fu et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 113, 7094-7099, 2016; 및 D.H. Kim et al., Nano Lett.,17,3013-3020, 2017).In the case of an all-solid-state battery, generally, the ionic conductivity of the solid electrolyte itself is low, and the positive electrode, the (solid) electrolyte, and the negative electrode constituting the battery are all solid, making it difficult to adhere and bond between the components, and the cells of each interface and battery. There is a disadvantage that it is difficult to achieve high performance and high output of the battery due to its very high resistance (JW Fergus, J. Power Sources 195, 4554-4569, 2010; and YC. Jung et al., J. Electrochem. Soc., 162 A704-A710, 2015). This may include a problem in that the conductivity is lowered due to an increase in resistance due to the limited contact area of ions and electrons that are conducted from the solid electrolyte to the electrode, and to solve this, as well as the electrode / solid electrolyte, current collector / electrode interface, , A high-density electrode with improved adhesion and adhesion between an active material, a solid electrolyte material, a binder, and a conductive material in an electrode must be manufactured, and an interface control technology capable of forming a uniform and improved interface is required (K Fu et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 113, 7094-7099, 2016; and DH Kim et al., Nano Lett., 17,3013-3020, 2017).

본 발명자들은 전고체 전지에서 전극/고체전해질 계면 및 전극 내 고체전해질/구성물질(활물질, 도전재, 결착제)계면에서 발생하는 높은 저항 문제로 인한, 전고체전지의 출력 및 성능이 저하되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 계면 특성이 향상된 복합 전극 제조 방법을 도입하여, 계면 저항이 감소되고 전지 특성이 향상된 전고체 전지를 제조하고자 노력하였다. The present inventors have reduced the output and performance of the all-solid-state battery due to the high resistance problem occurring at the interface of the electrode / solid-electrolyte in the all-solid-state battery and the solid electrolyte / constituent material (active material, conductive material, binder) in the electrode. In order to solve the problem of the technology, by introducing a method for manufacturing a composite electrode with improved interfacial properties, an effort was made to manufacture an all-solid-state battery with reduced interfacial resistance and improved battery characteristics.

이에 본 발명자들은 복합 전극 표면에서 내부로, 이종의 고분자 기반의 고체전해질을 열을 가하여 침윤(infiltration)시켜, 벌크(bulk) 고체전해질과 전극 사이의 계면의 접합성을 향상시키고, 전극 내의 기공 및 구성요소간 계면을 고분자 전해질로 채워, 계면 특성이 향상된 전고체 전지용 복합 전극을 제조하였으며, 이를 전고체 전지의 전극으로 사용시 전극/고체전해질 계면 저항을 감소시켜 전고체 전지의 고출력 및 고성능화를 가능하게 해주는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors infiltrate the surface of the composite electrode from the surface of the composite electrode to the inside by heating the heterogeneous polymer-based solid electrolyte, thereby improving the bonding property of the interface between the bulk solid electrolyte and the electrode, and the pores and composition in the electrode. The interface between the elements was filled with a polymer electrolyte to prepare a composite electrode for an all-solid-state battery with improved interfacial properties, and when it is used as an electrode for an all-solid-state battery, the interface resistance of the electrode / solid electrolyte is reduced to enable high power and high performance of the all-solid battery. The present invention was completed by confirming that.

J. W. Fergus, J. Power Sources 195, 4554-4569, 2010J. W. Fergus, J. Power Sources 195, 4554-4569, 2010 Y-C. Jung et al., J. Electrochem. Soc., 162 A704-A710, 2015Y-C. Jung et al., J. Electrochem. Soc., 162 A704-A710, 2015 K. Fu et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 113, 7094-7099, 2016K. Fu et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 113, 7094-7099, 2016 D.H. Kim et al., Nano Lett.,17,3013-3020, 2017D.H. Kim et al., Nano Lett., 17,3013-3020, 2017

본 발명의 목적은 복합 전극 표면에서 내부로, 이종의 고분자 기반의 고체전해질을 침윤(infiltration)시켜, 벌크(bulk) 고체전해질과 복합 전극 사이의 계면의 접합성을 향상시키고, 복합전극 내의 기공 및 구성요소 간 계면을 고분자 전해질로 채워, 계면 특성이 향상된 고밀도 전고체 전지용 복합 전극을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to infiltrate (infiltration) a heterogeneous polymer-based solid electrolyte from the surface of the composite electrode to improve the bonding property of the interface between the bulk solid electrolyte and the composite electrode, and the pores and composition in the composite electrode It is to provide a composite electrode for a high-density all-solid-state battery having an improved interface property by filling the interface between elements with a polymer electrolyte.

본 발명의 또다른 목적은 고분자 기반 고체전해질을 제조한 후, 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 혼합한 복합 전극의 상단부에 도포된 고분자 고체전해질에 열을 가하여, 고분자 전해질을 전극 내로 침윤시킨 다음, 복합 전극 고밀도화 및 입자 간 접촉면 향상을 위한 전극을 압착하는 단계를 포함하는 고밀도 전고체 전지용 복합 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to prepare a polymer-based solid electrolyte, and then apply heat to the polymer solid electrolyte applied to the upper portion of the composite electrode in which an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material are mixed, to obtain a polymer electrolyte. It is to provide a method for manufacturing a composite electrode for a high-density all-solid-state battery comprising infiltrating into an electrode and then compressing the electrode for high-density composite electrode and improved contact surface between particles.

본 발명의 다른 목적은 상기 고밀도 전고체 전지용 복합 전극 또는 이의 제조 방법을 도입하여, 이를 전고체 전지의 전극으로 사용시 계면 저항을 감소시켜 전고체전지의 고출력 및 고성능화를 가능하게 해줄 수 있는, 전고체 전지용 복합 전극을 포함하는 전고체 리튬 전지를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to introduce a composite electrode for a high-density all-solid-state battery or a method for manufacturing the same, which can reduce the interface resistance when used as an electrode of the all-solid-state battery, thereby enabling high-power and high-performance of the all-solid-state battery. It is to provide an all-solid lithium battery comprising a composite electrode for a battery.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 포함하고,It includes an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material,

전극 내에 고분자 기반 고체전해질이 균일하게 침윤되어 있는, The polymer-based solid electrolyte is uniformly infiltrated in the electrode,

전고체 리튬 전지용 복합 전극을 제공한다.Provided is a composite electrode for an all-solid lithium battery.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

i) 리튬 염이 함유된 고분자 기반 고체전해질을 제조하는 단계; i) preparing a polymer-based solid electrolyte containing a lithium salt;

ii) 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 혼합하여 복합 전극을 제조하는 단계; 및ii) mixing an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to produce a composite electrode; And

iii) 전극 상단부에 고분자 고체전해질을 도포한 후, 열을 가하여 고분자 전해질을 전극 내로 침윤시키는 단계;를 포함하는,iii) applying a polymer solid electrolyte to the top of the electrode, and then applying heat to infiltrate the polymer electrolyte into the electrode.

전고체 리튬 전지용 복합 전극의 제조방법을 제공한다.Provided is a method of manufacturing a composite electrode for an all-solid lithium battery.

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

상기 본 발명에 따른 전고체 리튬 전지용 복합 전극을 포함하는 전고체 리튬 전지를 제공한다.Provided is an all-solid lithium battery including the composite electrode for an all-solid lithium battery according to the present invention.

아울러, 본 발명은 In addition, the present invention

i) 리튬 염이 함유된 고분자 기반 고체전해질을 제조하는 단계; i) preparing a polymer-based solid electrolyte containing a lithium salt;

ii) 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 혼합하여 복합 전극을 제조하는 단계;ii) mixing an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to produce a composite electrode;

iii) 전극 상단부에 고분자 고체전해질을 도포한 후, 열을 가하여 고분자 전해질을 전극 내로 침윤시키는 단계;iii) applying a polymer solid electrolyte to the top of the electrode, and then applying heat to infiltrate the polymer electrolyte into the electrode;

iv) 복합 전극을 압착하는 단계; 및iv) compressing the composite electrode; And

v) 복합 전극을 포함하는 복합 양극층, 고체전해질, 리튬 음극층을 적층하는 단계;를 포함하는,v) laminating a composite anode layer comprising a composite electrode, a solid electrolyte, and a lithium anode layer; comprising,

전고체 리튬 전지의 제조방법을 제공한다.Provided is a method of manufacturing an all-solid lithium battery.

본 발명은 전고체 전지에서의 복합 전극/고체전해질 계면 및 복합 전극 내에서 고체전해질/구성물질(활물질, 도전재, 결착제) 계면에서 발생하는 높은 저항 문제로 인하여, 전고체 전지의 출력 및 성능이 저하되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 계면 특성이 향상된 복합 전극 제조 방법을 도입하여, 계면 저항이 감소되고 전지 특성이 향상된 전고체 전지를제조하였다. The present invention is due to the high resistance problem occurring at the interface of the composite electrode / solid electrolyte in the all-solid-state battery and the solid electrolyte / constituent material (active material, conductive material, binder) in the composite electrode, the output and performance of the all-solid-state battery In order to solve the problem of the deteriorating prior art, a composite electrode manufacturing method with improved interfacial characteristics was introduced to manufacture an all-solid-state battery with reduced interfacial resistance and improved battery characteristics.

구체적으로, 본 발명은 복합 전극 표면에서 내부로, 이종의 고분자 기반의 고체전해질을 침윤(infiltration)시켜, 벌크(bulk) 고체전해질과 복합 전극 사이의 계면의 접합성을 향상시키고, 복합전극 내의 기공 및 구성요소 간 계면을 고분자 전해질로 채워, 계면 특성이 향상된 고밀도 전고체전지용 복합 전극을 제조하였고, 이를 전고체 전지의 전극으로 사용시 전고체 전지의 고출력 및 고성능화 효과를 나타내었다.Specifically, the present invention infiltrates a polymer-based solid electrolyte from the surface of the composite electrode to the inside to improve the bonding property of the interface between the bulk solid electrolyte and the composite electrode, and the pores in the composite electrode and By filling the interface between the components with a polymer electrolyte, a composite electrode for a high-density all-solid-state battery with improved interface properties was prepared, and when it was used as an electrode for an all-solid-state battery, it exhibited a high-power and high-performance effect of the all-solid-state battery.

도 1은 본 발명에서 제안하는 전고체 리튬 전지 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 전고체 리튬 전지 제조 단계를 나타낸 도면이다.
도 3는 실시예 1에서 제조한 복합 전극의 단면 형상을 주사전자현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험을 통해 나타낸 결과이다.
도 4는 비교예 2 및 실시예 3에서 제조한 복합 전극의 단면 형상을 주사전자현미경(SEM) 실험을 통해 나타낸 결과이다.
도 5는 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1, 2, 3에서 제조된 전고체 전지에 대한 율 특성 평가 결과이다.
1 is a view showing the configuration of an all-solid lithium battery proposed in the present invention.
2 is a view showing a step of manufacturing an all-solid lithium battery proposed in the present invention.
3 is a result showing the cross-sectional shape of the composite electrode prepared in Example 1 through a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) experiment.
4 is a result showing the cross-sectional shape of the composite electrode prepared in Comparative Example 2 and Example 3 through a scanning electron microscope (SEM) experiment.
5 is a result of evaluating rate characteristics for the all-solid-state batteries prepared in Examples 1, 2, and 3 and Comparative Examples 1, 2, and 3.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 포함하고, 전극 내에 고분자 기반 고체전해질이 균일하게 침윤되어 있는, 전고체 리튬 전지용 복합 전극을 제공한다.The present invention provides an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material, and provides a composite electrode for an all-solid lithium battery in which a polymer-based solid electrolyte is uniformly infiltrated in the electrode.

상기 전고체 리튬 전지용 복합 전극은 양극 활물질, 결착제, 도전재 및 무기계 고체전해질 분말이 슬러리 코팅 및 건조과정에 의해 형성된 양극층과 열(thermal process)에 의해 점성이 낮아져 전극 내로 침윤된 고분자 고체전해질을 포함하도록 구성될 수 있다.The all-solid lithium battery composite electrode is a positive electrode active material, a binder, a conductive material and an inorganic solid electrolyte powder formed by a slurry coating and drying process and a low viscosity due to a thermal process and a polymer solid electrolyte infiltrated into the electrode It may be configured to include.

상기 전극 활물질은 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 양극 활물질이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi1 - xMnxO2 (0<x<1), LiNi1 -x- yCoxMnyO2 (0<x<0.5, 0<y<0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2의 리튬전이금속산화물 또는 전이금속황화물 등일 수 있다. The electrode active material may be used without limitation as long as it is a positive electrode active material commonly used in lithium batteries. For example, LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1 - x Mn x O2 (0 <x <1), LiNi 1 -x- y Co x Mn y O 2 (0 <x <0.5, 0 <y <0.5), LiFePO 4 , TiS 2 , FeS 2 of lithium transition metal oxide or transition metal sulfide.

상기 결착제로는 폴리불화비닐리덴(PVdF)과 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber: SBR), 및 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose: CMC) 등이 대표적이나 이에 한정하지는 않는다. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxy methyl cellulose (CMC), but are not limited thereto.

상기 도전재로는 카본블랙(carbon black), 아세틸렌블랙(acetylene black), 케천블랙(ketjen black, KR), VGCF(vapor grown carbon fiber) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.The conductive material is preferably selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, ketjen black (KR), vapor grown carbon fiber (VGCF), and mixtures thereof. Does not.

상기 전극에 첨가되는 고체전해질 분말로는 리튬을 함유하고, 리튬 이온의 전도도 특성이 있는 일반적인 무기계 기반의 고체전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물계 NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1 + aAlaTi2 -a(PO4)3), 가넷 구조를 갖는 LLZO (LixLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3La2 /(3-x)TiO3), LIPON(Li3 -xPO4-xNx) 등 일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. The solid electrolyte powder added to the electrode contains lithium, and may include a general inorganic-based solid electrolyte having lithium ion conductivity characteristics. For example, LATP (Li 1 + a Al a Ti 2 -a (PO 4 ) 3 ) having an oxide-based NASICON structure, LLZO (Li x La 3 Zr 2 O 12 ) having a garnet structure, perovskite structure It may be LLTO (Li 3 La 2 / (3-x) TiO 3 ), LIPON (Li 3 -x PO 4-x N x ), etc., but is not limited thereto, and can be used as long as it can be used in the art. Do.

복합 전극 내로 침윤시킬 고분자 고체전해질로는 리튬 염이 첨가된 분자량 50,000 ~ 1,000,000 사이의 PEO(polyethylene oxide) 기반의 고체전해질을 선택하는 것이 바람직하다. 이때, 분자량 50,000 이상의 PEO의 경우 아세토니트릴(acetonile) 용매에 LiClO4의 리튬염을 함께 녹여 중합시킨 후 PTFE 재질의 기판에 균일하게 부은 후 용매를 휘발시켜 자립(free-standing) 형태의 고분자 전해질층을 제조할 수 있다. 분자량 50,000 이하의 PEO의 경우 자립형(free-standing)의 고분자 고체전해질을 제조하기 어려우며, 분자량 1,000,000 이상의 경우 열(100℃ ~ 130℃)을 가하여 전극 내로 침윤시킬 때 충분하게 낮은 점성 확보가 어려워, 전극 내로 균일하게 침윤시키기 어려운 문제점이 있다.As the polymer solid electrolyte to be infiltrated into the composite electrode, it is preferable to select a PEO (polyethylene oxide) based solid electrolyte having a molecular weight of 50,000 to 1,000,000 with lithium salt added. At this time, in the case of PEO having a molecular weight of 50,000 or more, a lithium salt of LiClO 4 is dissolved in an acetonitrile solvent and polymerized, and then poured uniformly onto a substrate made of PTFE and volatilized the solvent to freeze the polymer electrolyte layer. Can be produced. In the case of PEO having a molecular weight of 50,000 or less, it is difficult to prepare a free-standing polymer solid electrolyte, and when the molecular weight is 1,000,000 or more, it is difficult to secure a sufficiently low viscosity when infiltrating into the electrode by applying heat (100 ° C to 130 ° C). There is a problem that it is difficult to infiltrate into the uniform.

고분자 고체 전해질의 매트릭스로는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)에 한정하지는 않으며, 폴리비닐리덴플로라디드, 비닐리덴폴로라이드 및 헥사플로로프로필렌의 공중합체, 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리디메틸실록산로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성될 수 있으며, 리튬 염의 경우 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2) (단 x, y는 자연수), LiCl, LiI 로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. The matrix of the polymer solid electrolyte is not limited to polyethylene oxide (PEO), and is a copolymer of polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polymethacrylate, polyacrylonitrile, and polydimethylsiloxane LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x, y is a natural number), LiCl, LiI .

고분자 고체전해질 제조시 사용되는 용매로는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 아세토니트릴(acetonitrile)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The solvent used in the preparation of the polymer solid electrolyte may be selected from the group consisting of tetrahydrofuran and acetonitrile.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

i) 리튬 염이 함유된 고분자 기반 고체전해질을 제조하는 단계; i) preparing a polymer-based solid electrolyte containing a lithium salt;

ii) 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 혼합하여 복합 전극을 제조하는 단계; 및ii) mixing an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to produce a composite electrode; And

iii) 전극 상단부에 고분자 고체전해질을 도포한 후, 열을 가하여 고분자 전해질을 전극 내로 침윤시키는 단계;를 포함하는,iii) applying a polymer solid electrolyte to the top of the electrode, and then applying heat to infiltrate the polymer electrolyte into the electrode.

전고체 리튬 전지용 복합 전극의 제조방법을 제공한다.Provided is a method of manufacturing a composite electrode for an all-solid lithium battery.

상기 방법에 있어서, 전고체 리튬 전지용 복합 전극은 활물질, 결착제, 도전재 및 무기계 고체전해질 소재를 복합화하여 Al 및 Ni 등의 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 제조할 수 있다. 전극 표면에 자립형고분자 고체전해질을 위치시키고, 100℃ ~ 130℃ 열을 가하여, 고분자 전해질을 녹여 전극 내로 고분자 전해질을 침윤시킨 후 전극을 압착하여, 복합 전극 내의 밀착성/접착성이 향상된, 고밀도화된 복합 전극을 제조할 수 있다.In the above method, the composite electrode for an all-solid-state lithium battery may be prepared by complexing an active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to coat the slurry for current collectors such as Al and Ni. A high-density composite with improved self-adhesiveness / adhesiveness in the composite electrode by placing a self-supporting polymer solid electrolyte on the electrode surface, applying heat from 100 ° C to 130 ° C to melt the polymer electrolyte, infiltrating the polymer electrolyte into the electrode, and compressing the electrode. Electrodes can be prepared.

상기 방법에 있어서, 상기 단계 i) 및 ii)는 순서에 상관없으며, 순서를 서로 변경하여 제조할 수 있다.In the above method, the steps i) and ii) are irrespective of order, and can be prepared by changing the order of each other.

상기 방법에 있어서, 상기 단계 iii) 이후에 복합 전극의 고밀도화 및 입자간 접촉면 향상을 위해 전극을 압착하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the above method, after step iii), the electrode may be further compressed to increase the density of the composite electrode and improve the contact surface between particles.

상기 방법에 있어서, 상기 전극 활물질은 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 양극 활물질이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi1 - xMnxO2 (0<x<1), LiNi1 -x- yCoxMnyO2 (0<x<0.5, 0<y<0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2의 리튬전이금속산화물 또는 전이금속황화물 등일 수 있다. In the above method, the electrode active material may be used without limitation as long as it is a positive electrode active material commonly used in lithium batteries. For example, LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1 - x Mn x O2 (0 <x <1), LiNi 1 -x- y Co x Mn y O 2 (0 <x <0.5, 0 <y <0.5), LiFePO 4 , TiS 2 , FeS 2 of lithium transition metal oxide or transition metal sulfide.

상기 방법에 있어서, 상기 결착제로는 폴리불화비닐리덴(PVdF)과 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber: SBR), 및 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose: CMC) 등이 대표적이나 이에 한정하지는 않는다. In the above method, polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxy methyl cellulose (CMC) are typical examples of the binder, but are not limited thereto.

상기 방법에 있어서, 상기 도전재로는 카본블랙(carbon black), 아세틸렌블랙(acetylene black), 케천블랙(ketjen black, KR), VGCF(vapor grown carbon fiber) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.In the above method, the conductive material is selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, ketjen black (KR), vapor grown carbon fiber (VGCF) and mixtures thereof. Preferably, but not limited to.

상기 방법에 있어서, 상기 전극에 첨가되는 고체전해질 분말로는 리튬을 함유하고, 리튬 이온의 전도도 특성이 있는 일반적인 무기계 기반의 고체전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물계 NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1 + aAlaTi2 -a(PO4)3), 가넷 구조를 갖는 LLZO (LixLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3La2 /(3-x)TiO3), LIPON(Li3 - xPO4 - xNx) 등 일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. In the above method, the solid electrolyte powder added to the electrode contains lithium, and may include a general inorganic-based solid electrolyte having conductivity characteristics of lithium ions. For example, LATP (Li 1 + a Al a Ti 2 -a (PO 4 ) 3 ) having an oxide-based NASICON structure, LLZO (Li x La 3 Zr 2 O 12 ) having a garnet structure, perovskite structure It may be LLTO (Li 3 La 2 / (3-x) TiO 3 ), LIPON (Li 3 - x PO 4 - x N x ), etc., but is not limited thereto, and can be used as long as it can be used in the art. Do.

상기 방법에 있어서, 복합 전극 내로 침윤시킬 고분자 고체전해질로는 리튬 염이 첨가된 분자량 50,000 ~ 1,000,000 사이의 PEO(polyethylene oxide) 기반의 고체전해질을 선택하는 것이 바람직하다. 이때, 분자량 50,000 이상의 PEO의 경우 아세토니트릴(acetonile) 용매에 LiClO4의 리튬염을 함께 녹여 중합시킨 후 PTFE 재질의 기판에 균일하게 부은 후 용매를 휘발시켜 자립(free-standing) 형태의 고분자 전해질층을 제조할 수 있다. 분자량 50,000 이하의 PEO의 경우 자립형(free-standing)의 고분자 고체전해질을 제조하기 어려우며, 분자량 1,000,000 이상의 경우 열(100℃ ~ 130℃)을 가하여 전극 내로 침윤시킬 때 충분하게 낮은 점성 확보가 어려워, 전극 내로 균일하게 침윤시키기 어려운 문제점이 있다.In the above method, it is preferable to select a PEO (polyethylene oxide) based solid electrolyte having a molecular weight of 50,000 to 1,000,000 with lithium salt added as a polymer solid electrolyte to be infiltrated into the composite electrode. At this time, in the case of PEO having a molecular weight of 50,000 or more, the lithium salt of LiClO 4 is dissolved in an acetonitrile solvent and polymerized, and then poured into a substrate made of PTFE material and volatilized to freeze the polymer electrolyte layer in a free-standing form. Can be produced. In the case of PEO having a molecular weight of 50,000 or less, it is difficult to prepare a free-standing polymer solid electrolyte, and when the molecular weight is 1,000,000 or more, it is difficult to secure a sufficiently low viscosity when infiltrating into the electrode by applying heat (100 ° C to 130 ° C). There is a problem that it is difficult to infiltrate into the uniform.

본 발명의 한가지 실시예에서는 복합 전극 내로 고분자 기반 고체전해질을 도포 및 침윤시키기 위해선, 복합 전극 표면에 자립형 형태의 고분자 전해질 층을 올려 도포하고, 복합 전극을 100 ~ 130℃ 사이의 온도로 가열시키며, 진공을 인가하여 녹여진 고분자 전해질이 내로 침윤시키는 방법을 적용하였고, 이후 복합 전극 표면에 남아있는 고분자 전해질층을 닦아서 제거한 후, 복합 전극의 고밀도화 및 전극내 입자간 접촉면 향상을 위해 복합 전극을 롤프레스를 통해 압착하여 제조하였다.In one embodiment of the present invention, in order to apply and infiltrate the polymer-based solid electrolyte into the composite electrode, a self-supporting polymer electrolyte layer is applied on the surface of the composite electrode, and the composite electrode is heated to a temperature between 100 and 130 ° C, A method of applying a vacuum to infiltrate the melted polymer electrolyte was applied, and after wiping and removing the polymer electrolyte layer remaining on the composite electrode surface, the composite electrode was roll-pressed to increase the density of the composite electrode and improve the contact surface between particles in the electrode. It was prepared by pressing through.

상기 방법에 있어서, 고분자 고체 전해질의 매트릭스로는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)에 한정하지는 않으며, 폴리비닐리덴플로라디드, 비닐리덴폴로라이드 및 헥사플로로프로필렌의 공중합체, 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리디메틸실록산로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성될 수 있으며, 리튬 염의 경우 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2y + 1SO2) (단 x, y는 자연수), LiCl, LiI 로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. In the above method, the matrix of the polymer solid electrolyte is not limited to polyethylene oxide (PEO), and is a copolymer of polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polymethacrylate, polyacrylonitrile , And polydimethylsiloxane, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N , LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x, y is a natural number), LiCl, LiI Can be selected from.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 전고체 리튬 전지용 복합 전극을 포함하는 전고체 리튬 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides an all-solid lithium battery comprising the composite electrode for an all-solid lithium battery according to the present invention.

상기 본 발명에 따른 전고체 리튬 전지용 복합 전극으로 구성된 복합 양극, 벌크(bulk) 고체전해질, 리튬 음극을 차례로 적층하여 이종의 고분자 전해질이 침윤된 복합 전극을 포함하는 전고체 전지를 제공할 수 있다. A composite positive electrode composed of a composite electrode for an all-solid lithium battery according to the present invention, a bulk solid electrolyte, and a lithium negative electrode may be sequentially stacked to provide an all-solid battery including a composite electrode in which heterogeneous polymer electrolytes are infiltrated.

상기 벌크(bulk) 고체전해질로는 무기계 소재로 구성된 펠렛 형태의 고체전해질, 소프트한 특성을 갖는 막형태의 고분자 고체 전해질 및 고분자 전해질과 무기계 고체전해질이 복합화된 유무기 하이브리드의 고체전해질 모두 사용이 가능하다. 이 때 사용되는 무기계 고체전해질의 경우 리튬을 함유하고, 리튬 이온의 전도도 특성이 있는 일반적인 무기계 기반의 고체전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물계 NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1+aAlaTi2-a(PO4)3), 가넷 구조를 갖는 LLZO (LixLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3La2/(3-x)TiO3), LIPON(Li3-xPO4-xNx) 등 일 수 있으나. 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. The bulk solid electrolyte can be used as a solid electrolyte in the form of a pellet composed of an inorganic material, a polymer solid electrolyte in a membrane form having soft properties, and an organic-inorganic hybrid solid electrolyte in which a polymer electrolyte and an inorganic solid electrolyte are combined. Do. The inorganic solid electrolyte used at this time may contain lithium, and may include a general inorganic based solid electrolyte having lithium ion conductivity characteristics. For example, LATP (Li1 + aAlaTi2-a (PO4) 3) having an oxide-based NASICON structure, LLZO (LixLa3Zr2O12) having a garnet structure, LLTO (Li3La2 / (3-x) TiO3) having a perovskite structure) , LIPON (Li3-xPO4-xNx). It is not necessarily limited to these, and any that can be used in the art can be used.

상기 음극은 리튬 금속 포일 외에도 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬과 합금 가능한 금속, 금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi 등을 들 수 있으며, 상기 금속산화물로는 리튬티탄 산화물, SnO2, SiOx(0<x<2) 등이다. 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The negative electrode can be used without limitation, as long as it is commonly used in lithium batteries in addition to lithium metal foil. For example, it may include one or more selected from the group consisting of metals, metal oxides and carbon-based materials alloyable with lithium. For example, the metal capable of alloying with lithium includes Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, and the like, and the metal oxide is lithium titanium oxide, SnO2, SiOx (0 <x <2). Carbon-based materials may be crystalline carbon, amorphous carbon, or mixtures thereof.

상기 리튬 전지는 전기차량(Electric Vehicle)과 같은 고안전성 및 고용량이 요구되는 용도에도 적합하며, 기존의 내연기관, 연료전지, 수퍼커패시터 등과 결합하여 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle) 등에도 사용될 수 있다. 또한, 상기 리튬 전지는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 소형 IT 제품 등의 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.The lithium battery is also suitable for applications requiring high safety and high volume, such as an electric vehicle, and can be used in a hybrid vehicle in combination with an existing internal combustion engine, fuel cell, supercapacitor, or the like. In addition, the lithium battery can be used for all other applications such as mobile small IT products such as mobile phones, portable computers.

아울러, 본 발명은 In addition, the present invention

i) 리튬 염이 함유된 고분자 기반 고체전해질을 제조하는 단계; i) preparing a polymer-based solid electrolyte containing a lithium salt;

ii) 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 혼합하여 복합 전극을 제조하는 단계;ii) mixing an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to produce a composite electrode;

iii) 전극 상단부에 고분자 고체전해질을 도포한 후, 열을 가하여 고분자 전해질을 전극 내로 침윤시키는 단계;iii) applying a polymer solid electrolyte to the top of the electrode, and then applying heat to infiltrate the polymer electrolyte into the electrode;

iv) 복합 전극을 압착하는 단계; 및iv) compressing the composite electrode; And

v) 복합 전극을 포함하는 복합 양극층, 고체전해질, 리튬 음극층을 적층하는 단계;를 포함하는,v) laminating a composite anode layer comprising a composite electrode, a solid electrolyte, and a lithium anode layer; comprising,

전고체 리튬 전지의 제조방법을 제공한다.Provided is a method of manufacturing an all-solid lithium battery.

상기 방법에 있어서, 상기 단계 i) 및 ii)는 순서에 상관없으며, 순서를 서로 변경하여 제조할 수 있다.In the above method, the steps i) and ii) are irrespective of order, and can be prepared by changing the order of each other.

상기 방법에 있어서, 복합 양극의 경우 양극 활물질, 결착제, 도전재 및 무기계 고체전해질 소재를 복합화하여 Al 및 Ni 등의 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 제조할 수 있다. In the above method, in the case of a composite positive electrode, a positive electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material may be composited to prepare a slurry coating for current collectors such as Al and Ni.

상기 방법에 있어서, 복합 전극 내로 침윤시킬 고분자 고체전해질로는 리튬 염이 첨가된 분자량 50,000 ~ 1,000,000 사이의 PEO(polyethylene oxide) 기반의 고체전해질을 선택하는 것이 바람직하다. In the above method, it is preferable to select a PEO (polyethylene oxide) based solid electrolyte having a molecular weight of 50,000 to 1,000,000 with lithium salt added as a polymer solid electrolyte to be infiltrated into the composite electrode.

이때, 분자량 50,000 이상의 PEO의 경우 아세토니트릴(acetonile) 용매에 LiClO4의 리튬염을 함께 녹여 중합시킨 후 PTFE 재질의 기판에 균일하게 부은 후 용매를 휘발시켜 자립(free-standing) 형태의 고분자 전해질층을 제조할 수 있다. 분자량 50,000 이하의 PEO의 경우 자립형(free-standing)의 고분자 고체전해질을 제조하기 어려우며, 분자량 1,000,000 이상의 경우 열(100℃ ~ 130℃)을 가하여 전극 내로 침윤시킬 때 충분하게 낮은 점성 확보가 어려워, 전극 내로 균일하게 침윤시키기 어려운 문제점이 있다.At this time, in the case of PEO having a molecular weight of 50,000 or more, a lithium salt of LiClO 4 is dissolved in an acetonitrile solvent and polymerized, and then poured uniformly onto a substrate made of PTFE and volatilized the solvent to freeze the polymer electrolyte layer. Can be produced. In the case of PEO having a molecular weight of 50,000 or less, it is difficult to prepare a free-standing polymer solid electrolyte, and when the molecular weight is 1,000,000 or more, it is difficult to secure a sufficiently low viscosity when infiltrating into the electrode by applying heat (100 ° C to 130 ° C). There is a problem that it is difficult to infiltrate into the uniform.

이후, 복합 전극 내로 고분자 기반 고체전해질을 도포 및 침윤시키기 위해선, 복합 전극 표면에 자립형 형태의 고분자 전해질 층을 올려 도포하고, 복합 전극을 100 ~ 130℃ 사이의 온도로 가열시키며, 진공을 인가하여 녹여진 고분자 전해질이 내로 침윤시키는 방법을 적용할 수 있다.Thereafter, in order to apply and infiltrate the polymer-based solid electrolyte into the composite electrode, a self-supporting polymer electrolyte layer is applied on the surface of the composite electrode, and the composite electrode is heated to a temperature between 100 and 130 ° C and melted by applying a vacuum. A method in which a true polymer electrolyte infiltrates can be applied.

이후, 복합 전극 표면에 남아있는 고분자 전해질층을 닦아서 제거한 후, 복합 전극의 고밀도화 및 전극내 입자간 접촉면 향상을 위해 복합 전극을 롤프레스를 통해 압착할 수 있다.Thereafter, after removing the polymer electrolyte layer remaining on the surface of the composite electrode, the composite electrode may be compressed through a roll press to increase the density of the composite electrode and improve the contact surface between particles in the electrode.

이후, 복합 양극, bulk 고체전해질, 리튬 음극을 차례로 적층하여 이종의 고분자 전해질이 침윤된 복합 전극을 포함하는 전고체전지의 구성을 완료할 수 있다.Thereafter, the composite positive electrode, the bulk solid electrolyte, and the lithium negative electrode may be sequentially stacked to complete the configuration of the all-solid-state battery including the composite electrode in which a heterogeneous polymer electrolyte is impregnated.

이하, 본 발명을 하기 실시예 및 평가예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples and evaluation examples.

단, 하기 실시예 및 평가예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 평가예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and evaluation examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples and evaluation examples.

<< 실시예Example 1> 1>

복합 양극에 침윤시키는 고분자 고체 전해질은 다음과 같은 방법으로 제조하였다. ACN(actetonitile) 용매에 PEO(분자량 100,000)과 LiClO4을 [EO]:[Li] = 18:1 (몰비)이 되도록 칭량하여 녹인 후 50℃에서 4시간 이상 교반하어 중합 과정을 수행한다. 이후 해당 슬러리를 상온에서 식힌 후, PTFE plate에 붓고, 닥터 블레이드를 통해 20 μm 두께로 코팅하고 건조, 박리하여 자립형의 PEO-LiClO4 고분자 전해질막을 제조하였다. The polymer solid electrolyte infiltrated into the composite anode was prepared as follows. PEO (molecular weight 100,000) and LiClO 4 are weighed in ACN (actetonitile) solvent to [EO]: [Li] = 18: 1 (molar ratio), dissolved, and stirred at 50 ° C. for 4 hours or more to perform a polymerization process. Thereafter, the slurry was cooled at room temperature, poured onto a PTFE plate, coated with a 20 μm thickness through a doctor blade, dried, and peeled to prepare a self-supporting PEO-LiClO 4 polymer electrolyte membrane.

복합 전극은 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP) 분말, super-P(도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 60:20:10:10로 칭량하여, NMP(N-methyl pyrrolidinine) 용액에 녹인 후 해당 슬러리를 Al foil 위에 균일하게 닥터 블레이드 코팅을 하고, 120℃ 진공 오븐에서 충분히 건조시켜 NMP 등의 용매를 휘발시킨 후 극판을 제조하였다. 제조된 복합 전극의 로딩은 약 5 mg/cm2 였다. 음극은 리튬 금속 포일을 사용하였다. The composite electrode is a positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), pre-treated Li 1.4 Al 0.4 Ti 1.6 (PO 4 ) 3 (LATP) powder, super-P (conductive material), PVdF (binding) Weigh) at 60: 20: 10: 10 by weight ratio, dissolve in NMP (N-methyl pyrrolidinine) solution, coat the slurry uniformly on Al foil with doctor blade, dry it sufficiently in a vacuum oven at 120 ℃, and NMP After volatilization of a solvent such as, an electrode plate was prepared. The loading of the prepared composite electrode was about 5 mg / cm 2 . A lithium metal foil was used as the negative electrode.

복합 전극 내로 고분자 고체전해질을 도포 및 침윤시키기 위해선, 복합 양극 표면에 자립형 형태의 PEO-LiClO4 고분자 전해질막 층을 올려 도포하고, 복합 전극을 120℃ 온도로 가열시켜, 점성이 있는 액상 형태로 고분자 전해질 층을 녹이고, 진공챔버 안에 위치시켜 2시간가량 진공을 가하여 액상의 고분자 전해질이 복합 전극 내로 침윤시키는 방법을 적용하였으며, 이후 복합 전극 표면에 남아있는 고분자 전해질층을 닦아서 제거한 후, 복합 전극의 고밀도화 및 전극내 입자간 접촉면 향상을 위해 복합 전극의 롤프레스를 통하여 압착하였다. In order to apply and infiltrate the polymer solid electrolyte into the composite electrode, a self-supporting PEO-LiClO 4 polymer electrolyte membrane layer is applied on the surface of the composite anode, and the composite electrode is heated to a temperature of 120 ° C. to form a viscous liquid polymer. A method of dissolving the electrolyte layer, applying a vacuum for about 2 hours by placing it in a vacuum chamber to infiltrate the liquid polymer electrolyte into the composite electrode, and then wiping and removing the remaining polymer electrolyte layer on the surface of the composite electrode, and then increasing the density of the composite electrode And it was compressed through the roll press of the composite electrode to improve the contact surface between the particles in the electrode.

Bulk 고체전해질로는 자립형(free-standing)의 고분자 고체 전해질을 다음과 같은 방법으로 제조하였다. ACN(actetonitile) 용매에 PEO(분자량 600,000)과 LiClO4 을 [EO]:[Li] = 18:1 (몰비)이 되도록 칭량하여 녹인 후 50 oC에서 4시간 이상 교반하어 중합 과정을 수행한다. 이후 해당 슬러리를 상온에서 식힌 후, PTFE plate에 붓고, 닥터 블레이드를 통해 40 μm 두께로 코팅하고 건조, 박리하여 자립형의 PEO-LiClO4 고분자 전해질막을 제조하였다.As a bulk solid electrolyte, a free-standing polymer solid electrolyte was prepared as follows. PEO (molecular weight 600,000) and LiClO 4 were weighed in ACN (actetonitile) solvent to be [EO]: [Li] = 18: 1 (molar ratio) and dissolved, followed by stirring at 50 ° C for 4 hours or more to perform a polymerization process. Thereafter, the slurry was cooled at room temperature, poured onto a PTFE plate, coated with a 40 μm thickness through a doctor blade, dried, and peeled to prepare a self-supporting PEO-LiClO 4 polymer electrolyte membrane.

이후 이종의 고분자 전해질이 침윤된 복합 양극과, bulk 고분자 전해질, 리튬 음극 포일을 도 1에 나타난 바와 같이 적층하여 전고체 리튬 전지를 제작하였다. Thereafter, a composite positive electrode in which heterogeneous polymer electrolyte was impregnated, a bulk polymer electrolyte, and a lithium negative electrode foil were stacked as shown in FIG. 1 to prepare an all-solid lithium battery.

<< 실시예Example 2> 2>

복합 양극에 침윤시키는 PEO 고분자의 분자량을 600,000으로 변경한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. An all-solid lithium battery was manufactured in the same manner as in <Example 1> except that the molecular weight of the PEO polymer impregnated in the composite anode was changed to 600,000.

<< 실시예Example 3> 3>

복합 전극의 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP) 분말, super-P(도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 70:10:10:10로 변경한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. Positive electrode active material of composite electrode Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), pre-treated Li 1.4 Al 0.4 Ti 1.6 (PO 4 ) 3 (LATP) powder, super-P (conductive material), PVdF (binding) All) was prepared in the same manner as in <Example 1>, except that the weight ratio was changed to 70: 10: 10: 10 in the weight ratio.

<< 비교예Comparative example 1> 1>

고분자 전해질을 도포 및 침윤시키지 않은 것을 제외하고, 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. An all-solid lithium battery was manufactured in the same manner as in <Example 1>, except that the polymer electrolyte was not applied and infiltrated.

<< 비교예Comparative example 2> 2>

고분자 전해질을 도포 및 침윤시키지 않은 것을 제외하고, 상기 <실시예 3>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. An all-solid lithium battery was manufactured in the same manner as in <Example 3>, except that the polymer electrolyte was not applied and infiltrated.

<비교예 3><Comparative Example 3>

양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP) 분말, super-P (도전재), PEO-LiClO4 (결착제 및 고분자 전해질 역활)을 무게비로 70:10:10:10 구성된 복합 전극(로딩: 5 mg/cm2)을 적용하고, 추가적인 겔형 고분자 전해질을 도포 및 침윤시키지 않은 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다.Anode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), pre-treated Li 1.4 Al 0.4 Ti 1.6 (PO 4 ) 3 (LATP) powder, super-P (conductive material), PEO-LiClO 4 (binding <Example> except that the composite electrode (loading: 5 mg / cm 2 ) composed of 70: 10: 10: 10 by weight ratio of the agent and the polymer electrolyte) was applied, and an additional gel polymer electrolyte was not applied and infiltrated. An all-solid lithium battery was manufactured in the same manner as in 1>.

<< 평가예Evaluation example 1> 주사전자현미경( 1> Scanning electron microscope ( SEMSEM ) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험) And energy dispersive spectroscopy (EDS) experiments

<실시예 1>, <비교예 2> 및 <실시예 3>에서 제조된 복합 양극의 단면 특성을 파악하기 위하여 주사전자 현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험을 수행하였다. Scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) experiments were performed to understand the cross-sectional characteristics of the composite anodes prepared in <Example 1>, <Comparative Example 2>, and <Example 3>.

실험 결과는 도 3 및 4에 나타내었다. <실시예 1>에서 복합 전극은 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P(도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 60:20:10:10로 구성하였으며, 분자량 100,000의 PEO 기반 고체전해질이 침윤된 복합 전극의 단면을 SEM 및 EDS 분석을 수행하였다. The experimental results are shown in FIGS. 3 and 4. In <Example 1>, the composite electrode has a positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), a pre-treated LATP powder, super-P (conductive material), and PVdF (binder) in a weight ratio of 60: 20:10:10, and cross-sections of a composite electrode infiltrated with a PEO-based solid electrolyte having a molecular weight of 100,000 were subjected to SEM and EDS analysis.

도 3에 나타낸 바와 같이, <실시예 1>에서 복합 전극의 경우, 단면 SEM 결과로부터, 전극 극판이 치밀하게 구성된 것을 알 수 있으며, EDS 분석결과로부터 침윤된 PEO 고분자 전해질에 함유된 LiClO4 리튬 염의 성분인 Cl이 전극 단면 전체에 걸쳐 균일하게 존재하는 것을 확인함으로써, PEO 기반 고분자 전해질이 해당 공정을 통하여 성공적으로 전극 내로 고르게 침윤되어 분포하는 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 3, in the case of the composite electrode in <Example 1>, it can be seen from the SEM results of the cross-section that the electrode plate was densely constructed, and from the EDS analysis results, the LiClO 4 lithium salt contained in the infiltrated PEO polymer electrolyte By confirming that the component Cl is uniformly present over the entire electrode cross-section, it was confirmed that the PEO-based polymer electrolyte was successfully infiltrated into the electrode and distributed through the process.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 PEO 기반 고분자 전해질이 침윤되지 않은 <비교예 2>의 복합 전극의 경우, 활물질과 고체전해질 분말, 도전재, 결착제 등이 밀착되지 못하고, 공공 및 크랙 등이 계면에 발생한 것을 확인한 반면에, <실시예 3>의 단면 결과에서는 해당 공공 및 크랙등이 고분자 전해질로 채워져 상대적으로 고밀도의 균일한 전극을 형성한 것을 알 수 있어, 전극 내에서의 계면 특성을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다. In addition, as shown in FIG. 4, in the case of the composite electrode of <Comparative Example 2> in which the PEO-based polymer electrolyte is not infiltrated, the active material and the solid electrolyte powder, the conductive material, the binder, and the like are not in close contact, and pores and cracks are interfacial. On the other hand, it was confirmed that it occurred in the <Example 3> cross-sectional results, it can be seen that the pores and cracks are filled with a polymer electrolyte to form a relatively high-density uniform electrode, improving the interfacial properties in the electrode I could confirm that.

<< 평가예Evaluation example 2>  2> 전지 율Battery rate 특성 실험 Characteristic experiment

<실시예 1>, <실시예 2>, <실시예 3>, <비교예 1>, 및 <비교예 2>를 통해 각각 제작된 전고체 리튬 전지에 대한 정전류 인가 충방전 평가를 수행하였다. 전류 밀도는 양극 활물질 무게를 기준으로 충전은 0.2 C로 동일하게, 방전은 0.2 C 및 1 C로 다르게 인가하였다. 전압범위는 2.5 V ~ 4.2 V, 온도는 60 oC에서 수행하였으며, 0.2 C 방전 용량 대비 1 C의 방전 용량을 비교하여 율 특성을 평가였다. A constant current application charging and discharging evaluation was performed for the all-solid lithium batteries produced through <Example 1>, <Example 2>, <Example 3>, <Comparative Example 1>, and <Comparative Example 2>, respectively. Based on the weight of the positive electrode active material, the current density was equal to 0.2 C, and the discharge was applied differently to 0.2 C and 1 C. The voltage range was 2.5 V to 4.2 V, the temperature was performed at 60 o C, and the rate characteristics were evaluated by comparing the discharge capacity of 1 C compared to the 0.2 C discharge capacity.

실험 결과는 도 5에 나타내었다. 전극 조성이 6:2:1:1의 비율을 갖는 <비교예 1>, <실시예 1> 및 <실시예 2>의 경우 0.2 C 용량은 약 0.53 mAh cm-2로 유사하게 나타났으나, 고율인 1 C 용량은 0.2 C 대비 42 %, 72 %, 57 % (<비교예 1>, <실시예 1>, <실시예 2> 순)로 나타났다. 고분자 전해질이 침윤된 <실시예 1>, <실시예 2> 모두 그렇지 않은 <비교예 1> 대비 우수한 율특성을 나타냈다. 분자량 100,000의 고분자 전해질이 침윤된 <실시예 1>이, 분자량 600,000의 <실시예 2> 대비 우수한 율 특성이 나타난 원인은 낮은 분자량으로 고분자 전해질의 점성이 낮아져, 전극내로 더욱 균일하게 침윤되었기 때문으로 판단된다. 전극 조성이 7:1:1:1의 비율을 갖는 <비교예 2> 및 <실시예 3>의 경우 역시 앞의 경우와 유사한 결과를 나타내었다. 특히 고분자 전해질 침윤시키지 않고, 대신 고분자 전해질 성분을 복합전극 내에 포함한 비교예 3의 경우 저율 0.2 C 및 고율 1.0 의 용량은 각각 0.476 mAh cm-2, 0.271 mAh cm-2로 실시예 3 대비 모두 낮은 수준을 나타내어, 고분자 전해질을 전극 내에 함유하더라도, 침윤 공정을 통하지 않으면 실제 성능은 떨어지는 것을 알 수 있어, 이로부터 고분자 전해질이 침윤된 복합 전극의 경우, 전극 내 및 전극/고체전해질 계면 특성이 향상되어, 우수한 율특성 및 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. The experimental results are shown in FIG. 5. In the case of <Comparative Example 1>, <Example 1> and <Example 2> having an electrode composition ratio of 6: 2: 1: 1, the 0.2 C capacity was similar to about 0.53 mAh cm -2 , The high rate of 1 C dose was 42%, 72%, and 57% (<Comparative Example 1>, <Example 1>, <Example 2>) compared to 0.2C. Both <Example 1> and <Example 2> in which the polymer electrolyte was impregnated showed excellent rate characteristics compared to <Comparative Example 1>, which were not. <Example 1> in which a polymer electrolyte having a molecular weight of 100,000 is infiltrated is superior to <Example 2> in a molecular weight of 600,000 because the viscosity of the polymer electrolyte is lowered due to the low molecular weight and is more uniformly infiltrated into the electrode. Is judged. In the case of <Comparative Example 2> and <Example 3> having an electrode composition ratio of 7: 1: 1: 1, similar results were also obtained. In particular, in the case of Comparative Example 3, which does not infiltrate the polymer electrolyte and instead includes the polymer electrolyte component in the composite electrode, the capacity of the low rate 0.2 C and the high rate 1.0 is 0.476 mAh cm -2 and 0.271 mAh cm -2 , respectively, which are lower than in Example 3 By showing, even if the polymer electrolyte is contained in the electrode, it can be seen that the actual performance is deteriorated without passing through the infiltration process. From this, in the case of the composite electrode in which the polymer electrolyte is infiltrated, the inter-electrode and electrode / solid electrolyte interface properties are improved. It was confirmed that it exhibited excellent rate characteristics and performance.

Claims (8)

전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 포함하고,
전극 내에 고분자 기반 고체전해질이 균일하게 침윤되어 있는,
전고체 리튬 전지용 복합 전극.
It includes an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material,
The polymer-based solid electrolyte is uniformly infiltrated in the electrode,
Composite electrode for all-solid lithium battery.
제1항에 있어서,
상기 고분자 기반 고체전해질은 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리비닐리덴플로라디드, 비닐리덴폴로라이드 및 헥사플로로프로필렌의 공중합체, 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리디메틸실록산로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 전지용 복합 전극.
According to claim 1,
The polymer-based solid electrolyte is composed of polyethylene oxide (polyethylene oxide, PEO), polyvinylidene fluoride, copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polymethacrylate, polyacrylonitrile, and polydimethylsiloxane A composite electrode for an all-solid lithium battery, characterized in that any one or two or more selected from the group.
제1항에 있어서,
상기 고분자 기반 고체전해질은 리튬 염이 첨가된 분자량 50,000 ~ 1,000,000 사이의 폴리에틸렌옥사이드 기반의 고체전해질인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 전지용 복합 전극.
According to claim 1,
The polymer-based solid electrolyte is a composite electrode for an all-solid lithium battery, characterized in that it is a polyethylene oxide-based solid electrolyte with a molecular weight of 50,000 to 1,000,000 to which lithium salt is added.
i) 리튬 염이 함유된 고분자 기반 고체전해질을 제조하는 단계;
ii) 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 혼합하여 복합 전극을 제조하는 단계; 및
iii) 전극 상단부에 고분자 고체전해질을 도포한 후, 열을 가하여 고분자 전해질을 전극 내로 침윤시키는 단계;를 포함하는,
전고체 리튬 전지용 복합 전극의 제조방법.
i) preparing a polymer-based solid electrolyte containing a lithium salt;
ii) mixing an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to produce a composite electrode; And
iii) applying a polymer solid electrolyte to the top of the electrode, and then applying heat to infiltrate the polymer electrolyte into the electrode.
Method for manufacturing a composite electrode for an all-solid lithium battery.
제4항에 있어서,
상기 단계 iii) 이후에 복합 전극의 고밀도화 및 입자간 접촉면 향상을 위해 전극을 압착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 전지용 복합 전극의 제조방법.
The method of claim 4,
After the step iii), the method of manufacturing a composite electrode for an all-solid-state lithium battery further comprising the step of compressing the electrode to increase the density of the composite electrode and improve the contact surface between particles.
제1항의 전고체 리튬 전지용 복합 전극을 포함하는 전고체 리튬 전지.
An all-solid lithium battery comprising the composite electrode for an all-solid lithium battery of claim 1.
제6항에 있어서,
전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재가 함유된 복합 전극 형성 후, 상기 복합 전극 내에 고분자 고체전해질을 도포 및 침윤시켜 복합 전극과 고체전해질이 직접 접촉된 복합 양극;
벌크(bulk) 고체전해질; 및
리튬 음극;이 차례로 적층된 전고체 리튬 전지.
The method of claim 6,
After forming a composite electrode containing an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material, a composite anode is directly contacted with a composite electrode by applying and infiltrating a polymer solid electrolyte in the composite electrode;
Bulk solid electrolytes; And
Lithium negative electrode; All-solid lithium battery stacked in this order.
i) 리튬 염이 함유된 고분자 기반 고체전해질을 제조하는 단계;
ii) 전극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 혼합하여 복합 전극을 제조하는 단계;
iii) 전극 상단부에 고분자 고체전해질을 도포한 후, 열을 가하여 고분자 전해질을 전극 내로 침윤시키는 단계;
iv) 복합 전극을 압착하는 단계; 및
v) 복합 전극을 포함하는 복합 양극층, 고체전해질, 리튬 음극층을 적층하는 단계;를 포함하는,
전고체 리튬 전지의 제조방법.
i) preparing a polymer-based solid electrolyte containing a lithium salt;
ii) mixing an electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to produce a composite electrode;
iii) applying a polymer solid electrolyte to the top of the electrode, and then applying heat to infiltrate the polymer electrolyte into the electrode;
iv) compressing the composite electrode; And
v) laminating a composite anode layer comprising a composite electrode, a solid electrolyte, and a lithium anode layer; comprising,
Method for manufacturing an all-solid lithium battery.
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