KR20200056039A - Graphite-free composite anode for all-solid state battery and process for preparing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 흑연을 포함하지 않는 전고체 전지용 복합 음극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 음극 활물질인 흑연을 사용하지 않고, 그 대신 카본나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 등의 카본 소재를 사용하여 최소한의 부피와 중량으로 리튬 이온을 저장할 수 있는 복합 음극을 구현함으로써 전고체 전지의 중량당 에너지 밀도, 부피당 에너지 밀도를 획기적으로 개선한 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a composite anode for an all-solid-state battery that does not contain graphite and a method for manufacturing the same. Specifically, instead of using graphite as a negative electrode active material, instead of using a carbon material such as carbon nanotubes (CNTs), a composite negative electrode capable of storing lithium ions in a minimum volume and weight is realized, thereby It is characterized by a significant improvement in energy density per weight and energy density per volume.
충방전이 가능한 이차 전지는 휴대폰, 노트북 등의 소형 전자기기뿐만 아니라 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 대형 운송수단에도 사용된다. 그에 따라 더 높은 안정성과 에너지 밀도를 갖는 이차 전지의 개발이 필요한 실정이다.Secondary batteries that can be charged and discharged are used not only in small electronic devices such as mobile phones and laptops, but also in large vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles. Accordingly, there is a need to develop a secondary battery having higher stability and energy density.
기존 이차 전지는 대부분 유기용제(유기 액체전해질)를 기반으로 셀을 구성하고 있으므로 안정성 및 에너지 밀도의 향상에 있어서 그 한계를 보이고 있다.Most of the existing secondary batteries constitute a cell based on an organic solvent (organic liquid electrolyte), and thus show limitations in improving stability and energy density.
한편, 무기 고체전해질을 이용하는 전고체 전지는 유기용제를 배제한 기술을 토대로 하고 있어 더욱 안전하고 간소한 형태로 셀을 제작할 수 있기 때문에 최근 큰 각광을 받고 있다. On the other hand, all-solid-state batteries using inorganic solid electrolytes have recently been in the spotlight because they can manufacture cells in a safer and simpler form based on technology excluding organic solvents.
다만, 전고체 전지는 에너지 밀도 및 출력 성능이 종래의 액체전해질을 사용하는 리튬 이온 전지에 미치지 못하는 한계가 있어, 이를 해결하고자 전고체 전지의 전극을 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.However, the all-solid-state battery has a limitation that the energy density and output performance are less than that of a lithium-ion battery using a conventional liquid electrolyte, and studies have been actively conducted to improve the electrode of the all-solid-state battery to solve this.
특히 전고체 전지의 음극으로 주로 흑연을 사용하는데, 이와 같은 경우 흑연과 함께 비중이 큰 고체전해질을 과량으로 투입해야 이온 전도도를 확보할 수 있기 때문에 리튬 이온 전지에 비해 중량당 에너지 밀도가 굉장히 떨어진다. 또한 음극으로 리튬 금속을 사용하는 경우에는 가격 경쟁력 및 대면적화 등의 기술적 한계가 있다.Particularly, graphite is mainly used as a negative electrode of an all-solid-state battery. In this case, energy density per weight is significantly lower than that of a lithium-ion battery because ionic conductivity can be ensured only when a large amount of solid electrolyte with graphite is added in excess. In addition, when using lithium metal as the negative electrode, there are technical limitations such as price competitiveness and large area.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 아래와 같다.The present invention is to solve the above problems, the specific purpose is as follows.
본 발명은 충방전이 가능한 이차 전지의 본연의 기능을 발휘할 수 있으면서도 부피와 중량이 최소화된 전고체 전지용 복합 음극 및 이를 포함하는 전고체 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a composite negative electrode for an all-solid-state battery and an all-solid-state battery including the same while minimizing the volume and weight while being able to exert the original function of a rechargeable battery capable of charging and discharging.
본 발명은 중량당 에너지 밀도 및 부피당 에너지 밀도가 획기적으로 개선된 전고체 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an all-solid-state battery having a significantly improved energy density per weight and energy density per volume.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The object of the present invention will be more apparent from the following description, and will be realized by means described in the claims and combinations thereof.
본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지용 복합 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 포함하고, 상기 음극 활물질층은 카본 소재 및 고체전해질을 포함한다.The composite negative electrode for an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer includes a carbon material and a solid electrolyte.
상기 음극 활물질층은 바인더를 더 포함할 수 있다.The negative active material layer may further include a binder.
상기 음극 활물질층은 흑연 및 실리콘계 화합물을 포함하지 않는 것일 수 있다.The negative active material layer may not include graphite and silicon-based compounds.
상기 카본 소재는 카본나노튜브(CNT), 카본나노섬유(CNF), 기상성장탄소섬유(VGCF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. The carbon material may be selected from the group consisting of carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), vapor-grown carbon fibers (VGCF), and combinations thereof.
상기 카본 소재는 평균 길이가 1 내지 300㎛, 평균 직경이 1 내지 100nm인 것일 수 있다.The carbon material may have an average length of 1 to 300 μm and an average diameter of 1 to 100 nm.
상기 고체전해질은 황화물계 고체전해질일 수 있다.The solid electrolyte may be a sulfide-based solid electrolyte.
상기 음극 활물질층은 카본 소재 및 고체전해질을 2 : 8 내지 8 : 2의 질량비로 포함하는 것일 수 있다.The negative active material layer may include a carbon material and a solid electrolyte in a mass ratio of 2: 8 to 8: 2.
상기 음극 활물질층은 카본 소재 및 고체전해질의 혼합물 80 내지 99.9중량%; 및 바인더 0.1 내지 20중량%를 포함하는 것일 수 있다.The negative active material layer is 80 to 99.9% by weight of a mixture of a carbon material and a solid electrolyte; And 0.1 to 20% by weight of the binder.
상기 음극 활물질층은 공극률이 0.1 내지 70%인 것일 수 있다.The anode active material layer may have a porosity of 0.1 to 70%.
상기 음극 활물질층은 두께가 1 내지 300㎛인 것일 수 있다.The negative active material layer may have a thickness of 1 to 300 μm.
상기 음극 집전체는 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 금속 기재일 수 있다.The negative electrode current collector may be a metal substrate including one selected from the group consisting of nickel (Ni), copper (Cu), and combinations thereof.
상기 음극 집전체는 시트 형상이고, 양면에 형성된 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 소프트 카본, 하드 카본, 카본나노튜브(CNT), 카본나노섬유(CNF), 기상성장탄소섬유(VGCF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.The negative electrode current collector has a sheet shape, and includes coating layers formed on both sides, and the coating layers are soft carbon, hard carbon, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), vapor-grown carbon fibers (VGCF) and their It may include those selected from the group consisting of combinations.
상기 코팅층은 두께가 1 내지 15㎛일 수 있다.The coating layer may have a thickness of 1 to 15㎛.
본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지는 상기 복합 음극, 복합 양극 및 상기 복합 음극과 상기 복합 양극 사이에 위치하는 고체전해질층을 포함한다.An all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention includes the composite anode, the composite anode, and a solid electrolyte layer positioned between the composite anode and the composite anode.
본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지용 복합 음극의 제조방법은 카본 소재, 고체전해질, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 준비하는 단계, 상기 슬러리를 음극 집전체 상에 도포하여 소정 두께의 층을 형성하는 단계 및 상기 층을 가압하여 두께가 1 내지 300㎛이고, 공극률이 0.1 내지 70%인 음극 활물질층을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a composite negative electrode for an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention comprises preparing a slurry comprising a carbon material, a solid electrolyte, a binder, and a solvent, and applying the slurry on the negative electrode current collector to form a layer of a predetermined thickness. And forming a negative electrode active material layer having a thickness of 1 to 300 μm and a porosity of 0.1 to 70% by pressing the layer.
본 발명에 따르면 전고체 전지용 복합 음극으로 카본 소재 및 고체전해질을 사용하고, 상기 복합 음극이 일정 비율의 공극률을 갖도록 함으로써 음극 활물질의 부재 하에서도 종전과 같은 음극의 기능을 구현할 수 있는바, 음극의 부피와 중량을 최소화할 수 있다.According to the present invention, by using a carbon material and a solid electrolyte as a composite negative electrode for an all-solid-state battery, and by having the composite negative electrode having a porosity of a certain ratio, it is possible to implement the function of the negative electrode as before, even in the absence of the negative electrode active material. Volume and weight can be minimized.
본 발명에 따르면 전고체 전지의 중량당 에너지 밀도 및 부피당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the energy density per weight and the energy density per volume of the all-solid-state battery can be greatly improved.
본 발명에 따르면 상기 복합 음극이 흑연을 포함하지 않기 때문에 충전 및 방전에 따른 음극의 부피팽창이 없으므로 전고체 전지의 수명을 크게 늘릴 수 있다.According to the present invention, since the composite negative electrode does not contain graphite, there is no volume expansion of the negative electrode due to charging and discharging, so that the life of the all-solid-state battery can be greatly increased.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be deduced from the following description.
도 1은 종래의 전고체 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전고체 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전고체 전지용 복합 음극을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 부분을 확대 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 전고체 전지용 복합 음극의 제조방법을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실험예의 결과를 나타내는 그래프이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional all-solid-state battery.
2 is a cross-sectional view schematically showing an all-solid-state battery according to the present invention.
3 is a cross-sectional view schematically showing a composite negative electrode for an all-solid-state battery according to the present invention.
FIG. 4 is an enlarged view of part A of FIG. 3.
5 shows a method of manufacturing a composite negative electrode for an all-solid-state battery according to the present invention.
6 is a graph showing the results of an experimental example of the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following preferred embodiments associated with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed contents are thorough and complete and that the spirit of the present invention is sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance. In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case of being "directly above" the other part but also another part in the middle. Conversely, when a portion of a layer, film, region, plate, or the like is said to be “under” another portion, this includes not only the case “underneath” another portion, but also another portion in the middle.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
Unless otherwise specified, all numbers, values, and / or expressions expressing the amounts of ingredients, reaction conditions, polymer compositions, and blends used herein are those numbers that occur in obtaining these values, among other things. As these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, it should be understood that in all cases they are modified by the term "about". It will also be understood that when a range is described for a variable, the variable includes all values within the stated range, including the described endpoints of the range. For example, a range of “5 to 10” includes values of 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as well as any subrange of 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, and the like. It will be understood to include, and include any value between integers pertinent to the stated range of ranges such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5 and 6.5 to 9, and the like. Also, for example, the range of “10% to 30%” is 10% to 15%, 12% to 10%, 11%, 12%, 13%, etc., and all integers including up to 30%. It will be understood that it includes any subranges such as 18%, 20% to 30%, etc., and also includes any value between valid integers within the scope of the stated range, such as 10.5%, 15.5%, 25.5%, and the like.
도 1은 종래의 전고체 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 전고체 전지는 음극(70), 양극(80) 및 상기 음극(70)과 양극(80) 사이에 개재된 고체전해질층(90)을 포함한다. 상기 음극(70)은 음극 집전체(71)와 음극 활물질층(73)을 포함하고, 상기 양극(80)은 양극 집전체(81)와 양극 활물질층(83)을 포함한다.1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional all-solid-state battery. Referring to this, the all-solid-state battery includes a
종래의 전고체 전지는 상기 음극 활물질층(73)이 음극 활물질인 흑연을 포함한다. 또한 음극 활물질층(73) 내부의 이온 전도도를 확보하기 위해서 과량의 고체전해질을 함께 투입한다. 결과적으로 음극(70)의 부피 및 중량이 늘어나 에너지 밀도가 낮아지는 단점이 있었다.In a conventional all-solid-state battery, the negative
또한 음극 활물질인 흑연은 전지의 충전 및 방전에 따른 부피 팽창 및 수축의 정도가 크기 때문에 음극 활물질층(73)의 내부에서 단락이 일어나 저항이 커져서 전지의 수명이 단축되는 문제도 있었다.In addition, since the negative electrode active material graphite has a large degree of volume expansion and contraction due to charging and discharging of the battery, a short circuit occurs inside the negative electrode
전고체 전지의 음극(70)으로 리튬 금속을 사용하기도 하는데, 리튬 금속은 가격이 비싸고 반응 속도가 느리다. 또한 덴드라이트(Dendrite) 성장에 따른 단락 및 대면적화에 불리하다는 등의 문제점이 있다.
Lithium metal is also used as the
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이하 본 발명에 따른 전고체 전지용 복합 음극, 이의 제조방법을 구체적으로 설명한다.The present invention has been devised to solve the above-described conventional problems, and the composite anode for an all-solid-state battery according to the present invention will be described in detail below.
도 2는 본 발명에 따른 전고체 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 전고체 전지는 복합 음극(10), 복합 양극(20) 및 상기 복합 음극(10)과 복합 양극(20)의 사이에 위치하는 고체전해질층(30)을 포함한다.2 is a cross-sectional view schematically showing an all-solid-state battery according to the present invention. Referring to this, the all-solid-state battery includes a
복합 음극Composite cathode
도 3은 상기 복합 음극(10)을 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 복합 음극(10)은 음극 집전체(11) 및 상기 음극 집전체(11) 상에 형성되는 음극 활물질층(13)을 포함한다.3 is a cross-sectional view schematically showing the
상기 음극 집전체(11)는 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 금속 기재(111)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 니켈 메쉬(Nickel mesh), 구리 박판(Copper foil) 등일 수 있다.The negative electrode
상기 음극 집전체(11)는 시트 형상이고, 그 양면에 코팅층(113)을 포함할 수 있다.The negative electrode
상기 코팅층(113)은 소프트 카본, 하드 카본, 카본나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 카본나노섬유(Carbon nanofiber, CNF), 기상성장탄소섬유(Vapor grown carbon fiber, VGCF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.The
상기 코팅층(113)은 두께가 약 1 내지 15㎛인 것일 수 있다. 상기 코팅층(113)의 두께는 예를 들어 투과형 전자 현미경(TEM)에 의한 관찰에 의해 측정할 수 있다.The
상기 금속 기재(111) 상에 위와 같은 소재 및 두께의 코팅층(113)을 형성함으로써, 전고체 전지의 전위를 유지할 수 있다.By forming the
도 4는 도 3에 도시된 음극 활물질층(13)의 일 부분(A)을 확대 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 음극 활물질층(13)은 카본 소재(131) 및 고체전해질(133)을 포함한다.FIG. 4 is an enlarged view of a portion A of the negative electrode
상기 음극 활물질층(13)은 흑연, 실리콘계 화합물 등의 음극 활물질을 포함하지 않는다.The negative
상기 카본 소재(131)는 카본나노튜브(CNT), 카본나노섬유(CNF), 기상성장탄소섬유(VGCF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 예를 들어, 카본나노튜브(CNT)를 사용할 수 있다. 상기 카본나노튜브(CNT)는 단일벽 카본나노튜브(single-wall carbon nanotube, SWCNT), 다중벽 카본나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWCNT) 등일 수 있다.The
위와 같은 카본 소재(131)는 리튬 이온과 결합할 수 있는 사이트를 많이 보유하고 있으므로 흑연과 유사하게 전지의 충전에 의해 복합 음극(10)으로 이동한 리튬 이온을 저장할 수 있으면서도 전지의 전위를 유지할 수 있다.Since the
상기 카본 소재(131)는 평균 길이가 약 1 내지 300㎛, 평균 직경이 약 1 내지 100nm, 애스팩트비(Aspect ratio, 평균 길이/평균 입경)가 약 10,000 이상인 것일 수 있다. 상기 카본 소재(131)의 평균 길이 및 평균 직경은 시판의 측정 장치를 사용하여 측정하거나, 전자 현미경 사진에서 임의로 추출한 소정 개수의 카본 소재(131)의 길이 및 직경을 산출한 뒤 평균 값을 구하여 측정할 수 있다.The
상기 고체전해질(133)은 음극 활물질층(13) 내의 리튬 이온 전도를 담당하는 구성으로서, 산화물계 고체전해질 또는 황화물계 고체전해질일 수 있다. 다만 리튬 이온 전도도가 높은 황화물계 고체전해질을 사용하는 것이 바람직하다.The
상기 황화물계 고체전해질은 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiI, Li2S-P2S5-LiCl, Li2S-P2S5-LiBr, Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-LiI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn(단, m, n는 양의 수, Z는 Ge, Zn, Ga 중 하나), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LixMOy(단, x, y는 양의 수, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga, In 중 하나), Li10GeP2S12 등일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte is Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -LiCl, Li 2 SP 2 S 5 -LiBr, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O , Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (however, m, n Is a positive number, Z is one of Ge, Zn, Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (However, x , y is a positive number, M is one of P, Si, Ge, B, Al, Ga, In), Li 10 GeP 2 S 12 , and the like.
상기 황화물계 고체전해질은 평균 입경(D50)이 0.1 내지 10㎛인 것일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may have an average particle diameter (D50) of 0.1 to 10㎛.
상기 황화물계 고체전해질은 리튬 이온 전도도가 1x10-4S/cm 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.The sulfide-based solid electrolyte is preferably a lithium ion conductivity of 1x10 -4 S / cm or more.
상기 고체전해질(133)은 분체 상태로 상기 카본 소재(131)와 혼합되어 음극 활물질층(13)을 구성한다. 따라서 상기 고체전해질(133)의 입자 간 빈 공간이 형성될 수 있다. 본 명세서에서는 위와 같이 형성된 빈 공간을 공극(B)이라 한다. 이에 대해서는 후술한다.The
상기 음극 활물질층(13)은 카본 소재(131) 및 고체전해질(133)을 2 : 8 내지 8 : 2의 질량비로 포함할 수 있다. 카본 소재(131)의 함량이 위 수치 범위 미만이면 음극(10) 내 리튬 이온을 저장할 수 있는 공간이 부족하여 음극(10)이 제 기능을 발휘할 수 없게 되고, 위 수치 범위를 초과하면 상대적으로 고체전해질(133)의 함량이 줄어들어 음극(10) 내 리튬 이온 전도도가 저하된다.The negative
상기 음극 활물질층(13)은 바인더(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 BR(Butadiene rubber), NBR(Nitrile butadiene rubber), HNBR(Hydrogenated nitrile butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), CMC(carboxymethylcellulose) 등일 수 있다.The negative
상기 음극 활물질층(13)은 카본 소재(131) 및 고체전해질(133)의 혼합물 80 내지 99.9중량%, 및 상기 바인더 0.1 내지 20중량%를 포함할 수 있다. 바인더의 함량이 20중량%를 초과하면 상기 혼합물의 양이 너무 적어 음극(10)이 제 기능을 발휘할 수 없게 되고, 상기 바인더가 음극(10) 내에서 저항으로 작용하여 전지의 성능이 저하된다.The negative
전술한 바와 같이 상기 음극 활물질층(13)은 공극(B)을 포함한다. 상기 고체전해질(133)의 입자가 다수 집합한 상태의 분체에 상기 카본 소재(131)가 고르게 분포되어 있는 상태에서 특정 범위의 공극률을 갖도록 상기 음극 활물질층을 구현하면 음극(10) 내에 리튬 이온이 저장될 수 있는 공간을 확보할 수 있기 때문에 흑연과 같은 음극 활물질이 없더라도 음극(10)이 제 기능을 발휘할 수 있다.As described above, the negative electrode
구체적으로 상기 음극 활물질층(13)의 공극률은 0.1 내지 70%일 수 있다. 본 명세서에서 공극률은 음극 활물질층(13)의 단위체적 중에 포함되는 공극(B)의 비율이다. 이에 한정되는 것은 아니지만 상기 공극률은 아래와 같이 측정할 수 있다.Specifically, the porosity of the negative electrode
먼저 음극 활물질층(13)의 진밀도를 기상 치환법(피크노미터법) 또는 액상법(아르키메데스법)을 이용하여 측정하고 박막밀도를 하기 식으로 계산한다.First, the true density of the negative electrode
박막밀도=박막의 중량/(박막의 막 두께×면적)Thin film density = thin film weight / (thin film thickness x area)
상기 진밀도 및 박막밀도를 이용하여 공극률을 계산한다.The porosity is calculated using the true density and thin film density.
공극율=(진밀도-박막밀도)/진밀도×100Porosity = (true density-thin film density) / true density x 100
상기 음극 활물질층(13)은 두께가 1 내지 300㎛인 것일 수 있다. 그 두께가 300㎛를 초과하면 전지의 부피가 너무 커져서 부피당 에너지 밀도의 향상 정도가 크지 않을 수 있다.The negative
상기 음극 활물질층(13)의 공극률, 두께는 제조 과정에서 조절할 수 있는바, 이에 대해서는 후술한다.The porosity and thickness of the negative electrode
복합 양극Composite anode
상기 복합 양극(20)은 양극 집전체(21) 및 양극 활물질층(23)을 포함한다.The composite
상기 양극 집전체(21)는 알루미늄 박판(Aluminium foil) 등일 수 있다.The positive electrode
상기 양극 활물질층(23)은 양극 활물질, 고체전해질, 도전재, 바인더 등을 포함할 수 있다.The positive electrode
상기 양극 활물질은 산화물 활물질 또는 황화물 활물질일 수 있다.The positive electrode active material may be an oxide active material or a sulfide active material.
상기 산화물 활물질은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiVO2, Li1 + xNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2 등의 암염층형 활물질, LiMn2O4, Li(Ni0 .5Mn1 .5)O4 등의 스피넬형 활물질, LiNiVO4, LiCoVO4 등의 역스피넬형 활물질, LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4, LiNiPO4 등의 올리빈형 활물질, Li2FeSiO4, Li2MnSiO4 등의 규소 함유 활물질, LiNi0 .8Co(0.2-x)AlxO2(0<x<0.2)과 같이 천이 금속의 일부를 이종 금속으로 치환한 암염층형형 활물질, Li1+xMn2-x-yMyO4(M은 Al, Mg, Co, Fe, Ni, Zn 중 적어도 일종이며 0<x+y<2)와 같이 천이 금속의 일부를 이종 금속으로 치환한 스피넬형 활물질, Li4Ti5O12 등의 티탄산 리튬일 수 있다.The oxide active material is LiCoO 2, LiMnO 2, LiNiO 2 , LiVO 2, Li 1 + x Ni amyeomcheung type active materials such as a 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiMn 2 O 4, Li (
상기 황화물 활물질은 구리 쉐브렐, 황화철, 황화 코발트, 황화 니켈 등일 수 있다.The sulfide active material may be copper chevrel, iron sulfide, cobalt sulfide, nickel sulfide, or the like.
상기 고체전해질은 산화물 고체전해질 또는 황화물 고체전해질일 수 있고, 상기 음극 활물질층(13)에 포함되는 고체전해질과 같거나 다를 수 있다.The solid electrolyte may be an oxide solid electrolyte or a sulfide solid electrolyte, and may be the same as or different from the solid electrolyte included in the negative
상기 도전재는 카본블랙(Carbon black), 전도성 흑연(Conducting graphite), 에틸렌 블랙(Ethylene black), 그래핀(Graphene) 등일 수 있다.The conductive material may be carbon black, conductive graphite, ethylene black, graphene, or the like.
상기 바인더는 BR(Butadiene rubber), NBR(Nitrile butadiene rubber), HNBR(Hydrogenated nitrile butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), CMC(carboxymethylcellulose) 등일 수 있고, 상기 음극 활물질층(13)에 포함되는 바인더와 같거나 다를 수 있다.The binder may be BR (Butadiene rubber), NBR (Nitrile butadiene rubber), HNBR (Hydrogenated nitrile butadiene rubber), PVDF (polyvinylidene difluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), CMC (carboxymethylcellulose), etc., the negative electrode active material layer (13) It may be the same as or different from the binder included.
고체전해질층Solid electrolyte layer
상기 고체전해질층(30)은 상기 복합 음극(10)과 복합 양극(20) 사이에 개재되어 리튬 이온이 양 전극을 이동할 수 있도록 하는 구성이다.The solid electrolyte layer 30 is interposed between the
상기 고체전해질층(30)은 산화물계 고체전해질 또는 황화물계 고체전해질을 포함할 수 있다. 이 때 상기 고체전해질은 상기 복합 음극(10) 내에 포함되는 고체전해질과 같거나 다를 수 있다.
The solid electrolyte layer 30 may include an oxide-based solid electrolyte or a sulfide-based solid electrolyte. At this time, the solid electrolyte may be the same as or different from the solid electrolyte included in the
도 5는 본 발명에 따른 전고체 전지용 복합 음극의 제조방법을 도시한 것이다. 상기 제조방법은 카본 소재, 고체전해질, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 준비하는 단계(S1), 상기 슬러리를 음극 집전체 상에 도포하여 소정 두께의 층을 형성하는 단계(S2) 및 상기 층을 가압하여 두께가 1 내지 300㎛이고, 공극률이 0.1 내지 70%인 음극 활물질층을 형성하는 단계(S3)를 포함한다.5 shows a method of manufacturing a composite negative electrode for an all-solid-state battery according to the present invention. The manufacturing method comprises preparing a slurry containing a carbon material, a solid electrolyte, a binder, and a solvent (S1), applying the slurry on a negative electrode current collector to form a layer having a predetermined thickness (S2) and the layer. And pressing (S3) to form a negative electrode active material layer having a thickness of 1 to 300 μm and a porosity of 0.1 to 70% by pressing.
상기 슬러리 준비 단계(S1)의 카본 소재, 고체전해질 및 바인더는 전술한 바와 같기 때문에 이하 구체적인 설명은 생략한다.Since the carbon material, solid electrolyte, and binder of the slurry preparation step (S1) are as described above, detailed descriptions thereof will be omitted.
상기 슬러리 준비 단계(S1)의 용매는 특별히 한정되지 않으나, 황과 반응성이 없는 비극성 용매를 사용할 수 있다. 예를 들어, 자일렌(Xylene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene) 등의 방향족 탄화 수소계 또는 펜탄(Pentane), 헥산(Hexane), 헵탄(Heptane) 등의 지방족 탄화 수소계의 비극성 용매를 사용할 수 있다.The solvent of the slurry preparation step (S1) is not particularly limited, but a non-polar solvent that is not reactive with sulfur may be used. For example, aromatic hydrocarbon-based non-polar solvents such as xylene, toluene, ethylbenzene, or aliphatic hydrocarbon-based pentane, hexane, heptane, etc. Can be used.
상기 슬러리 도포 단계(S2)는 위와 같이 준비한 슬러리를 음극 집전체 상에 소정 두께로 도포하여 층을 형성하는 단계이다. 도포 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라이버 코팅법, 딥코팅법, 슬롯다이법 등의 방법으로 도포할 수 있다.The slurry application step (S2) is a step of forming a layer by applying the prepared slurry on the negative electrode current collector to a predetermined thickness. The coating method is not particularly limited. For example, it can be applied by a method such as a screen printing method, a spray coating method, a coating method using a doctor blade, a gravure coating method, a dip coating method, a slot die method, or the like.
상기 슬러리 도포 단계(S2)에서 형성하는 층은 목적하는 복합 활물질층의 두께보다 다소 두꺼운 두께로 도포하는 것이 바람직할 수 있다.The layer formed in the slurry application step (S2) may be preferably applied with a somewhat thicker thickness than the desired composite active material layer.
상기 가압 단계(S3)는 상기 층을 가압하여 특정 범위의 두께 및 공극률을 갖는 음극 활물질층을 형성하는 단계이다. 구체적으로 가압 조건을 조절하여 두께가 1 내지 300㎛이고, 공극률이 0.1 내지 70%인 음극 활물질층을 형성한다.
The pressing step (S3) is a step of pressing the layer to form a negative electrode active material layer having a specific range of thickness and porosity. Specifically, a negative electrode active material layer having a thickness of 1 to 300 μm and a porosity of 0.1 to 70% is formed by adjusting the pressurization conditions.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. The following examples are only examples for helping the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예1Example 1 내지 3 To 3
카본 소재, 고체전해질, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 준비하였다. 상기 카본 소재로는 평균 길이가 약 100㎛, 평균 직경이 약 10nm인 카본나노튜브(CNT)를 사용하였고, 상기 고체전해질로는 아지로다이트형 결정 구조를 갖고 Li6PS5Cl로 표현되는 황화물계 고체전해질을 사용하였다. 상기 바인더로는 BR(Butadiene rubber)을 사용하였다.A slurry comprising a carbon material, a solid electrolyte, a binder, and a solvent was prepared. As the carbon material, a carbon nanotube (CNT) having an average length of about 100 μm and an average diameter of about 10 nm was used. As the solid electrolyte, a sulfide represented by Li 6 PS 5 Cl having an azirodite type crystal structure was used. Based solid electrolyte was used. As the binder, BR (Butadiene rubber) was used.
상기 카본 소재와 고체전해질의 혼합물 95중량% 및 바인더 5중량%를 용매에 투입하여 슬러리를 준비하였다. 이 때, 상기 카본 소재와 고체전해질의 질량비를 8 : 2(실시예1), 5 : 5(실시예2) 및 2 : 8(실시예3)로 조절하였다.A slurry was prepared by adding 95% by weight of a mixture of the carbon material and the solid electrolyte and 5% by weight of a binder to a solvent. At this time, the mass ratio of the carbon material and the solid electrolyte was adjusted to 8: 2 (Example 1), 5: 5 (Example 2), and 2: 8 (Example 3).
상기 슬러리를 음극 집전체 상에 도포하여 소정 두께의 층을 형성하였다. 상기 음극 집전체로는 양면에 약 2㎛ 두께의 코팅층이 형성된 구리 박판을 사용하였다.The slurry was applied on a negative electrode current collector to form a layer having a predetermined thickness. As the negative electrode current collector, a copper thin plate having a coating layer having a thickness of about 2 μm on both sides was used.
상기 층을 롤프레스하여 공극률이 약 30%인 음극 활물질층 및 이를 포함하는 복합 음극을 완성하였다.
The layer was roll-pressed to complete a negative electrode active material layer having a porosity of about 30% and a composite negative electrode comprising the same.
실험예Experimental Example
상기 실시예1 내지 3에 따른 복합 음극을 포함하는 전고체 전지를 구성한 뒤, 상기 전고체 전지에 대한 충방전 평가를 실시하였다. 그 결과는 도 6과 같다. After constructing the all-solid-state battery comprising the composite anode according to Examples 1 to 3, charge and discharge evaluation of the all-solid-state battery was performed. The results are shown in FIG. 6.
이를 참조하면, 실시예1 내지 3 모두 종래의 전고체 전지와 동등 또는 그 이상의 용량을 보임을 알 수 있다. 그 중 카본 소재와 고체전해질을 5 : 5의 질량비로 혼합한 것인 실시예2의 용량이 가장 높게 측정되었다.Referring to this, it can be seen that all of Examples 1 to 3 show equivalent or higher capacity than the conventional all-solid-state battery. Among them, the capacity of Example 2, in which the carbon material and the solid electrolyte were mixed at a mass ratio of 5: 5, was measured to be the highest.
이를 통해 본 발명에서 제안하는 복합 음극을 사용하면 음극 활물질로 흑연, 실리콘계 화?물을 사용하지 않더라도 종래와 동등 또는 그 이상의 성능을 보이는 전고체 전지를 구현할 수 있음을 알 수 있고, 그에 따라 음극의 부피 및 중량을 최소화할 수 있어 부피당 에너지 밀도 및 중량당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
Through this, it can be seen that the use of the composite negative electrode proposed in the present invention enables the implementation of an all-solid-state battery having the same or higher performance than the conventional one without using graphite or silicon-based chemicals as the negative electrode active material. It can be seen that the energy density per volume and the energy density per weight can be greatly improved by minimizing the volume and weight.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can be implemented in other specific forms without changing the present invention to its technical spirit or essential features. You will understand that there is. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
10: 복합 음극
11: 음극 집전체
13: 음극 활물질층
111: 금속 기재
113: 코팅층
20: 복합 양극
21: 양극 집전체
23: 양극 활물질층
30: 고체전해질층10: composite negative electrode 11: negative electrode current collector 13: negative electrode active material layer
111: metal substrate 113: coating layer
20: composite positive electrode 21: positive electrode current collector 23: positive electrode active material layer
30: solid electrolyte layer
Claims (15)
상기 음극 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 포함하고,
상기 음극 활물질층은
카본 소재; 및
고체전해질을 포함하는 전고체 전지용 복합 음극.Cathode current collector; And
It includes a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector,
The negative active material layer
Carbon material; And
A composite negative electrode for a solid-state battery comprising a solid electrolyte.
상기 음극 활물질층은 바인더를 더 포함하는 것인 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 1,
The negative electrode active material layer is a composite negative electrode for an all-solid-state battery further comprising a binder.
상기 음극 활물질층은 흑연 및 실리콘계 화합물을 포함하지 않는 것인 전고체 전지용 복합 음극. According to claim 1,
The negative electrode active material layer is a composite negative electrode for a solid-state battery that does not contain a graphite and silicon-based compounds.
상기 카본 소재는 카본나노튜브(CNT), 카본나노섬유(CNF), 기상성장탄소섬유(VGCF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 전고체 전지용 복합 음극. According to claim 1,
The carbon material is a composite anode for an all-solid-state battery that is selected from the group consisting of carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), vapor phase growth carbon fibers (VGCF), and combinations thereof.
상기 카본 소재는 평균 길이가 1 내지 300㎛, 평균 직경이 1 내지 100nm인 것인 전고체 전지용 복합 음극. According to claim 1,
The carbon material is a composite negative electrode for an all-solid-state battery having an average length of 1 to 300 μm and an average diameter of 1 to 100 nm.
상기 고체전해질은 황화물계 고체전해질인 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 1,
The solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte composite negative electrode for an all-solid-state battery.
상기 음극 활물질층은 카본 소재 및 고체전해질을 2 : 8 내지 8 : 2의 질량비로 포함하는 것인 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 1,
The negative active material layer is a composite negative electrode for an all-solid-state battery comprising a carbon material and a solid electrolyte in a mass ratio of 2: 8 to 8: 2.
상기 음극 활물질층은 카본 소재 및 고체전해질의 혼합물 80 내지 99.9중량%; 및 바인더 0.1 내지 20중량%를 포함하는 것인 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 2,
The negative active material layer is 80 to 99.9% by weight of a mixture of a carbon material and a solid electrolyte; And 0.1 to 20% by weight of a binder.
상기 음극 활물질층은 공극률이 0.1 내지 70%인 것인 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 1,
The negative electrode active material layer is a composite negative electrode for an all-solid-state battery having a porosity of 0.1 to 70%.
상기 음극 활물질층은 두께가 1 내지 300㎛인 것인 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 1,
The negative electrode active material layer is a composite negative electrode for an all-solid-state battery having a thickness of 1 to 300㎛.
상기 음극 집전체는 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 금속 기재인 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 1,
The negative electrode current collector is a composite negative electrode for an all-solid-state battery comprising a metal selected from the group consisting of nickel (Ni), copper (Cu), and combinations thereof.
상기 음극 집전체는 시트 형상이고, 양면에 형성된 코팅층을 포함하며,
상기 코팅층은 소프트 카본, 하드 카본, 카본나노튜브(CNT), 카본나노섬유(CNF), 기상성장탄소섬유(VGCF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 전고체 전지용 복합 음극.According to claim 1,
The negative electrode current collector has a sheet shape, and includes a coating layer formed on both sides,
The coating layer is a soft carbon, hard carbon, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), vapor-grown carbon fibers (VGCF), and a composite negative electrode for a solid-state battery comprising a combination of these.
상기 코팅층은 두께가 1 내지 15㎛인 것인 전고체 전지용 복합 음극.The method of claim 12,
The coating layer is a composite negative electrode for an all-solid-state battery having a thickness of 1 to 15㎛.
복합 양극; 및
상기 복합 음극과 상기 복합 양극 사이에 위치하는 고체전해질층을 포함하는 전고체 전지. The composite anode of any one of claims 1 to 13;
Composite anodes; And
An all-solid-state battery comprising a solid electrolyte layer positioned between the composite anode and the composite anode.
카본 소재, 고체전해질, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 준비하는 단계;
상기 슬러리를 음극 집전체 상에 도포하여 소정 두께의 층을 형성하는 단계; 및
상기 층을 가압하여 두께가 1 내지 300㎛이고, 공극률이 0.1 내지 70%인 음극 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 전고체 전지용 복합 음극의 제조방법.A method for producing a composite negative electrode for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 13,
Preparing a slurry comprising a carbon material, a solid electrolyte, a binder, and a solvent;
Forming a layer having a predetermined thickness by applying the slurry on a negative electrode current collector; And
A method of manufacturing a composite negative electrode for an all-solid-state battery comprising pressing the layer to form a negative electrode active material layer having a thickness of 1 to 300 μm and a porosity of 0.1 to 70%.
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