KR20200093467A - Method for producing a cathode for a solid-state battery - Google Patents

Method for producing a cathode for a solid-state battery Download PDF

Info

Publication number
KR20200093467A
KR20200093467A KR1020200010057A KR20200010057A KR20200093467A KR 20200093467 A KR20200093467 A KR 20200093467A KR 1020200010057 A KR1020200010057 A KR 1020200010057A KR 20200010057 A KR20200010057 A KR 20200010057A KR 20200093467 A KR20200093467 A KR 20200093467A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cathode
solid electrolyte
solid
mixing
electron
Prior art date
Application number
KR1020200010057A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102444473B1 (en
Inventor
웬보 장
도미니크 알렉산더 베버
Original Assignee
폭스바겐 악티엔게젤샤프트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 폭스바겐 악티엔게젤샤프트 filed Critical 폭스바겐 악티엔게젤샤프트
Publication of KR20200093467A publication Critical patent/KR20200093467A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102444473B1 publication Critical patent/KR102444473B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562Solid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058Construction or manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0068Solid electrolytes inorganic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0068Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071Oxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1391Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method for producing a cathode for a solid-state battery to manufacture a cathode easy to handle and usable to a solid-state battery. According to the present invention, the method comprises the following steps of: (30) manufacturing a mixture (6) compressing a cathode active material (2) and at least one different component (4); (32) to manufacture a macro porous cathode material (10), mixing the mixture (6) with an electron conductive oxide (8); (34) forming a cross-linked bond (18) of the cathode active material (2) by a heating process; and (36) to manufacture a fine porous cathode material (14), mixing the macro porous cathode material (10) with a solid electrolyte material (12).

Description

고체 배터리용 캐소드를 제조하기 위한 방법 {METHOD FOR PRODUCING A CATHODE FOR A SOLID-STATE BATTERY}Method for manufacturing cathode for solid battery {METHOD FOR PRODUCING A CATHODE FOR A SOLID-STATE BATTERY}

본 발명은 고체 배터리의 캐소드를 제조하기 위한 방법 그리고 고체 배터리용 캐소드에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a cathode of a solid state battery and a cathode for a solid state battery.

고체 배터리용 캐소드를 제조하기 위한 방법은 종래 기술로부터 공지되어 있다. 그러나, 공지된 방법을 통해 제조된 오늘날의 고체 배터리의 캐소드 조성은 다양한 이유로 성능이 부족하다. 여기서 그 이유에는 특히 활물질과 고체 전해질 재료 사이의 충분하지 않은 접촉 그리고 높은 계면 저항을 유도하는 열화 현상(degradation)이 포함된다. 또한, 기존에 제조된 복합 캐소드는 종종 높은 다공성을 가지는데, 왜냐하면 효율적인 압축을 수행하기 어렵기 때문이다. 고성능 캐소드의 경우, 캐소드 내에 충분한 이온 전도 경로 그리고 충분한 전자 전도 경로 모두가 존재하는 것이 보장되어야 하는데, 이는 물질들이 서로에 대해 가능한 한 갭 없이 결합되는 것을 필요로 한다.Methods for manufacturing cathodes for solid state batteries are known from the prior art. However, the cathode composition of today's solid state batteries manufactured through known methods lacks performance for various reasons. The reasons here include, in particular, insufficient contact between the active material and the solid electrolyte material and degradation leading to high interfacial resistance. In addition, conventionally prepared composite cathodes often have high porosity because it is difficult to perform efficient compression. In the case of a high performance cathode, it must be ensured that there are both sufficient ionic conduction paths and sufficient electron conduction paths within the cathode, which require the materials to be joined as closely as possible to one another.

언급된 문제점을 해결하기 위해 종래 기술로부터 공지된 접근법은 특히 캐소드 조성의 용액 기반의 제조를 제안하고, 여기서 활물질, 고체 전해질 및 전도성 첨가제는 폴리머 바인더와 함께 용해되고, 기판 상에 놓인 후 이어서 건조된다. 마찬가지로, 가압에 의한 전극의 건식 제조가 공지되어 있고, 여기서 성분들은 기계적으로 혼합되고, 이어서 바인더를 사용하지 않고 복합체를 형성하도록 압축된다. 또한 바인더 대신, 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 같은 전도성 폴리머가 전도염과 함께 사용되는 것도 공지되어 있다.Approaches known from the prior art to solve the problems mentioned propose a solution-based preparation of a cathode composition in particular, wherein the active material, solid electrolyte and conductive additive are dissolved with a polymer binder, placed on a substrate and then dried. . Likewise, dry production of electrodes by pressing is known, where the components are mechanically mixed and then compressed to form a complex without the use of a binder. It is also known that instead of a binder, a conductive polymer such as polyethylene oxide (PEO) is used with the conductive salt.

공개 공보 US 9,325,001 B2호는 복합 활물질에 관한 것으로서, 복합 활물질을 코팅하기 위한 코팅 층을 포함하고, 여기서 코팅은 복합 활물질이 니딩(kneading)될 때 코팅이 파괴되거나 또는 분리되지 않는 방식으로 형성되고, 복합 활물질 상에 도포된다.Publication No. US 9,325,001 B2 relates to a composite active material, comprising a coating layer for coating the composite active material, wherein the coating is formed in such a way that the coating does not break or separate when the composite active material is kneaded (kneading), It is applied on the composite active material.

공개 공보 EP 1 347 524 B1호는 리튬이 가역적으로 삽입될 수 있고 그리고 삽입 제거될 수 있는 활물질 그리고 이러한 활물질을 포함하는 이차 배터리에 관한 것이다. 여기서 상기 언급된 공개 공보의 과제는 리튬과 전이 금속의 복합 산화물을 혼합하는 단계를 통해 형성되고, 비-수성 전해질과 함께 새로운 배터리 요소 구조를 제공하는 새로운 활물질을 제안하는 것이다.Publication EP 1 347 524 B1 relates to an active material in which lithium can be reversibly inserted and removed, and a secondary battery comprising such an active material. The task of the public publication mentioned above here is to propose a new active material which is formed through the step of mixing a complex oxide of lithium and a transition metal and provides a new battery element structure with a non-aqueous electrolyte.

상기 설명된 공개되어 알려진 해결 방안들은, 여러 측면에서 마찬가지로 불리한 것으로 입증되었다. 한편으로는, 예를 들어 용액 기반의 제조는 기판 상의 제조되는 전극의 다공성을 후속적으로 조정할 수 있는 유용한 가능성을 제공하지 않는다. 또한, 지금까지 제시된 전극은 단지 매우 적은 양의 활물질만이 로딩될 수 있고, 이에 따라 단지 낮은 에너지 밀도를 제공한다. 또한, 가압된 형태로 유지되지 않는 한, 일 형태로 압축된 건식 전극은 프레스 공정 후에는 취급하기가 어렵다. 전도성 폴리머를 포함하는 접근법은 또한 실온에서 폴리머의 낮은 이온 전도도로 인해 유망한 접근법이 아닌데, 왜냐하면 전극의 레이트 성능(rate capability)이 항상 폴리머에 의해 제한되기 때문이다. 또한, - 종래 기술로부터 공지된 모든 지금까지의 접근법에서 사용되는 바와 같이 - 탄소 기반의 전도성 첨가제와 접촉하는 무기 고체 전해질은 충전 단계 중에 반응하고, 이러한 방식으로 해당 복합 캐소드의 성능이 강하게 제한되는 것이 공지되어 있다. 마지막으로, 바인더의 사용은 또한 임계적으로 평가되어야 하는데, 왜냐하면 이는 전도 경로를 블로킹함으로써 캐소드의 성능을 마찬가지로 감소시키기 때문이다.The publicly known solutions described above have proven to be disadvantageous as well in many respects. On the one hand, for example, solution-based fabrication does not provide a useful possibility to subsequently adjust the porosity of the electrode produced on the substrate. In addition, the electrodes presented so far can only be loaded with a very small amount of active material, thus providing only a low energy density. Further, unless it is maintained in a pressurized form, the dry electrode compressed in one form is difficult to handle after the pressing process. The approach comprising a conductive polymer is also not a promising approach due to the low ionic conductivity of the polymer at room temperature, because the rate capability of the electrode is always limited by the polymer. In addition,-as used in all conventional approaches known from the prior art-the inorganic solid electrolyte in contact with the carbon-based conductive additive reacts during the filling step, and in this way the performance of the corresponding composite cathode is strongly limited. Is known. Finally, the use of the binder should also be evaluated critically, as it will likewise reduce the performance of the cathode by blocking the conduction path.

따라서, 본 발명의 과제는 상기 설명된 단점들을 적어도 부분적으로 제거하는 것이며, 특히 본 발명의 과제는 간단하고 가능한 한 비용 효율적인 방식으로, 취급이 용이하고 고체 배터리에 사용하기에 가능한 한 효율적인 캐소드의 제조를 가능하게 하는, 고체 배터리용 캐소드를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the object of the present invention is to at least partially eliminate the disadvantages described above, and in particular the object of the present invention is to manufacture a cathode that is easy to handle and as efficient as possible for use in a solid-state battery in a simple and possibly cost-effective manner. It is to provide a method for manufacturing a cathode for a solid-state battery, which makes it possible.

상기 과제는 청구항 제1항의 특징을 갖는 방법에 의해, 그리고 청구항 제11항에 따른 캐소드에 의해 달성된다. 본 발명의 추가적인 특징들 및 세부 사항들은 종속항, 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.The object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a cathode according to claim 11. Additional features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, description and drawings.

본 발명에 따른 방법에 대해 개시된 기술적인 특징들은, 여기서 본 발명에 따른 캐소드와 관련하여 또한 적용되고, 그 반대도 또한 마찬가지이므로, 본 발명의 개별 양태에 대한 개시와 관련하여 항상 상호 교환적으로 참조되거나 또는 참조될 수 있다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항에서 설명된다.The technical features disclosed for the method according to the invention, here also apply in relation to the cathode according to the invention, and vice versa, are always interchangeably referred to in connection with the disclosure of the individual aspects of the invention. Or can be referred to. Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.

고체 배터리의 캐소드를 제조하기 위한 본 방법은 바람직하게는 독립형 캐소드를 제조하는 역할을 할 수 있고, 여기서 독립형 캐소드라 함은, 특히 자체 지지되는, 즉 기계적 강도 및 높은 가요성으로 인해 배터리에 직접 사용될 수 있고, 전도성 기판 상에 추가적으로 부착될 필요는 없는 캐소드인 것으로 이해된다.The method for manufacturing the cathode of a solid-state battery can preferably serve to produce a stand-alone cathode, where the stand-alone cathode is used directly in the battery, especially due to its self-supporting, ie mechanical strength and high flexibility. It is understood to be a cathode, which may and may not need to be additionally attached to the conductive substrate.

본 방법에 의해 제조될 수 있는 캐소드는 여기서 바람직하게는, 특히 전기 또는 하이브리드 차량에 사용하기 위해 사용될 수 있는 고체 배터리에서 사용될 수 있다.Cathodes that can be produced by the method can be used here, preferably in solid batteries, which can be used in particular for use in electric or hybrid vehicles.

여기서 고체 배터리의 캐소드를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 캐소드 활물질 및 적어도 하나의 다른 성분으로 이루어진 혼합물을 제조하는 단계, 매크로 다공성(macro porous) 캐소드 물질을 제조하기 위해, 혼합물을 전자 전도성 산화물과 혼합하는 단계, 가열 공정에 의해 캐소드 활물질의 가교 결합을 형성하는 단계, 그리고 미세 다공성 캐소드 물질을 제조하기 위해, 매크로 다공성 캐소드 물질을 고체 전해질 재료와 혼합하는 단계를 포함한다.Here, the method according to the present invention for manufacturing a cathode of a solid state battery comprises the steps of preparing a mixture consisting of a cathode active material and at least one other component, in order to prepare a macro porous cathode material, the mixture with an electron conductive oxide Mixing, forming a crosslink of the cathode active material by a heating process, and mixing the macroporous cathode material with a solid electrolyte material to produce a microporous cathode material.

이 경우, 본 방법의 제1 단계에 따라 제조된 혼합물은 캐소드 활물질 외에 바람직하게는 다른 성분으로서 유기 산화물의 형태로 형성된 첨가제를 포함할 수 있고, 특히 다른 성분으로서 폴리에틸렌옥사이드를 포함할 수 있다. 혼합물은 여기서 예를 들어 적어도 부분적으로 유동성 용액의 형태, 특히 점성 슬러리 형태로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법의 제2 단계에 따라 제공되는, 혼합물을 전자 전도성 산화물과 혼합하는 단계는 예를 들어 혼합물이 전자 전도성 산화물을 갖는 용액에 제공되는 방식으로 수행될 수 있다. 전자 전도성 산화물은 여기서 유리하게는, 바람직하게는 용액에 분산되고 그리고/또는 현탁되는 나노 입자의 형태로 존재할 수 있다. 그러나, 대안적으로 졸-겔 접근법도 또한 고려될 수 있으며, 이는 오직 후속 가열 공정에서만 대응하는 산화물로 형성될 수 있다. 혼합물을 전자 전도성 산화물과 혼합하는 단계를 통해 제조된 매크로 다공성 캐소드 물질은 이미 전자 전도도를 갖지만, 그러나 아직 이온 전도도를 갖지 않는다. 가열 공정의 형태로 제공되는, 캐소드 활물질의 가교 결합을 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 구체적인 제3 단계는 바람직하게는 산소가 존재할 때, 특히 순수한 산소 대기 하에서, 그러나 또한 정의된 산소 분압에서, 예를 들어 CO/CO2 또는 수증기 포화 형성 가스에서, 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 제4 단계에 따라 제공되는, 매크로 다공성 캐소드 물질을 고체 전해질 재료와 혼합하는 단계는, 또한 마찬가지로 매크로 다공성 캐소드 물질이 고체 전해질 재료를 갖는 용액에 제공되는 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우, 고체 전해질 재료는 예를 들어 나노 미립자 형태로 존재할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 추가의 후속 가열 단계에서 고체 전해질에 반응하는 용해된 추출물이 사용되는 것도 또한 고려될 수 있다. 매크로 다공성 캐소드 물질을 고체 전해질 재료와 혼합하는 단계를 통해 제조된 미세 다공성 캐소드 물질은 이제 전자 전도도 그리고 이온 전도도 모두를 갖는다.In this case, the mixture prepared according to the first step of the present method may include, in addition to the cathode active material, preferably an additive formed in the form of an organic oxide as another component, particularly polyethylene oxide as another component. The mixture can here be formed, for example, at least partially in the form of a flowable solution, in particular in the form of a viscous slurry. Further, the step of mixing the mixture with the electron-conducting oxide, provided according to the second step of the method according to the invention, can be carried out, for example, in such a way that the mixture is provided in a solution with the electron-conducting oxide. The electron-conducting oxide can advantageously be present here, preferably in the form of nanoparticles dispersed and/or suspended in solution. However, an alternative sol-gel approach can also be considered, which can only be formed of the corresponding oxides in subsequent heating processes. The macroporous cathode material prepared through the step of mixing the mixture with the electron conductive oxide already has electronic conductivity, but not yet ionic conductivity. A specific third step of the process according to the invention for forming the crosslinking of the cathode active material, provided in the form of a heating process, is preferably in the presence of oxygen, especially under pure oxygen atmosphere, but also at defined oxygen partial pressures, It can be carried out, for example, in CO/CO 2 or a saturated gas of water vapor. The step of mixing the macroporous cathode material with the solid electrolyte material, provided according to the fourth step of the method according to the invention, can likewise be carried out in such a way that the macroporous cathode material is provided in a solution with a solid electrolyte material. . In this case, the solid electrolyte material may be present, for example, in the form of nanoparticles. Alternatively, it is also conceivable that dissolved extracts are used which react to the solid electrolyte, for example in a further subsequent heating step. The microporous cathode material produced through the step of mixing the macroporous cathode material with the solid electrolyte material now has both electronic conductivity and ionic conductivity.

이 경우, 본 발명의 맥락에서 매크로 다공성 캐소드 물질이라 함은, 특히 전자 전도도가 제공되지만, 그러나 이온 전도도는 존재하지 않는 방식으로, 개별 성분들의 밀접하고 친밀한 연결을 포함하는 캐소드 물질인 것으로 이해된다. 반면, 미세 다공성 캐소드 물질이라 함은, 본 발명에 따르면 특히 전자 전도도 그리고 이온 전도도 모두가 보장되는 방식으로, 개별 성분들의 밀접하고 친밀한 연결을 포함하는 캐소드 물질인 것으로 이해된다. 본 발명의 맥락에서 전자 전도도라 함은, 전극을 통한 전하 수송을 의미하는 것으로 이해된다. 반면, 이온 전도도라 함은, 본 발명에 따르면 물질 수송, 특히 대전된 이온의 이동과 관련된 전하 수송을 의미하는 것으로 이해된다.In this case, the term macroporous cathode material in the context of the present invention is understood to be a cathode material that contains intimate and intimate linkage of individual components, in particular in the way that electronic conductivity is provided, but ionic conductivity is not present. On the other hand, the term microporous cathode material is understood to be a cathode material comprising intimate and intimate connections of the individual components, in particular in a manner that ensures both electronic conductivity and ionic conductivity according to the invention. Electronic conductivity in the context of the present invention is understood to mean the transport of charge through an electrode. On the other hand, ionic conductivity is understood according to the invention to mean material transport, in particular charge transport associated with the movement of charged ions.

매크로 다공성 캐소드 물질이라 함은, 예를 들어 공극이 입자 비율에 비해 평균적으로 적어도 5%, 바람직하게는 적어도 10%, 특히 적어도 20%의 체적을 포함하고 그리고/또는 평균 공극 크기가 나노미터 범위 초과인 물질인 것으로 이해될 수 있다. 미세 다공성 캐소드 물질이라 함은, 또한 공극이 입자 비율에 비해 평균적으로 적어도 20% 미만, 바람직하게는 적어도 10% 미만, 특히 적어도 5% 미만의 체적을 포함하고 그리고/또는 평균 공극 크기가 마이크로미터 범위 미만인 물질인 것으로 이해될 수 있다.By macroporous cathode material, for example, the pores contain a volume of at least 5% on average, preferably at least 10%, especially at least 20%, relative to the particle ratio, and/or the average pore size exceeds the nanometer range It can be understood to be a phosphorus substance. Microporous cathode material also means that the pores contain, on average, a volume of at least less than 20%, preferably less than 10%, especially less than 5%, relative to the particle ratio, and/or have an average pore size in the micrometer range. It can be understood to be less than a substance.

본 발명에 따른 방법에 의해, 특히 전자 전도성 산화물을 사용함으로써, 바인더 물질 또는 탄소 기반 전도성 첨가제의 첨가 없이도, 매우 낮은 다공성 및 특히 고성능의 캐소드를 제공하는 것이 가능하다. 이 경우, 본 발명에 따라 제공되는 전자 전도성 산화물은 바인더의 기능 그리고 전도성 첨가제의 기능 모두를 담당할 수 있고, 가교 결합 특성에 대해 추가적으로 전자 전도도를 갖는다. 탄소 기반 전도성 첨가제를 대체함으로써, 또한 고체 전해질 재료의 열화가 방지될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 캐소드의 취급은 표준에 따라 제조된 캐소드에 비해 단순화되고, 이는 보다 높은 성능을 갖는 고체 배터리의 확장 가능한 생산을 가능하게 한다.By means of the method according to the invention, it is possible to provide very low porosity and particularly high performance cathodes, without the addition of a binder material or a carbon-based conductive additive, in particular by using an electron conductive oxide. In this case, the electron-conducting oxide provided according to the present invention can be responsible for both the function of the binder and the function of the conductive additive, and additionally has electron conductivity for crosslinking properties. By replacing the carbon-based conductive additive, deterioration of the solid electrolyte material can also be prevented. In addition, the handling of cathodes produced by the method according to the invention is simplified compared to cathodes manufactured according to the standard, which enables scalable production of solid batteries with higher performance.

특히 간단하고 정확하게 계량 가능한 혼합과 관련하여, 특히 혼합물이 전자 전도성 산화물과 혼합하는 단계 전에, 건조를 위해 기판 상에 제공되는 것이 본 발명에 따라 제공될 수 있다. 이 경우, 혼합물은 바람직하게는 기판 상에 캐스팅될 수 있고, 여기서 기판은 예를 들어 유기 기판, 특히 폴리에스테르 기판의 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 캐소드 활물질과 적어도 하나의 다른 성분 사이의 질량 비율은 특히 기판 상에 정의된 표면 하중이 생성되도록 설정될 수 있다. 여기서 혼합물은 바람직하게는 분리 가능한 고체 구조가 형성되는 방식으로 건조된다. 혼합물이 본 기판 상에서 건조된 후, 혼합물은 예를 들어 바람직한 형태로 전환될 수 있고, 바람직하게는 바람직한 형태로 스탬핑될 수 있다. 여기서 기판은 CO2 등과 같은 대응하는 가스를 방출함으로써, 캐소드 활물질의 가교 결합을 위해 본 발명에 다른 가열 단계에서 특히 제거될 수 있다.It can be provided according to the invention that the mixture is provided on the substrate for drying, especially before the step of mixing the mixture with the electron-conducting oxide, particularly with regard to simple and accurately meterable mixing. In this case, the mixture can preferably be cast on a substrate, where the substrate can be formed, for example, in the form of an organic substrate, in particular a polyester substrate. In this case, the mass ratio between the cathode active material and at least one other component can be set in particular to create a defined surface load on the substrate. The mixture here is preferably dried in such a way that a separable solid structure is formed. After the mixture is dried on the substrate, the mixture can be converted, for example, into a preferred form, and preferably stamped into a preferred form. Here, the substrate can be specifically removed in a heating step other than the present invention for crosslinking the cathode active material by releasing a corresponding gas such as CO 2 and the like.

또한 활물질의 유리한 선택과 관련하여, 본 발명에 따르면 활물질이 리튬 코발트 산화물(LCO) 및/또는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NMC)의 형태로 형성되는 것이 제공될 수 있다. 여기서 LCO는 열에 대한 높은 저항으로 인해 특히 적합하다. 반면, NMC는 특히 고성능, 전류 및 용량으로 인해 또한 적합하다. 대안적으로, 활물질이 다양한 캐소드 물질, 특히 LFP 또는 HV-스피넬 형태의 첨가제와의 혼합물 형태로 형성되는 설계가 또한 고려될 수 있다. 여기서 활물질에는 유리하게는 보호 코팅, 예를 들어 LiNbO3 형태로 형성된 코팅이 제공될 수 있으며, 이는 NCM이 활물질로서 사용될 때 특히 적합하다.In addition, with regard to the advantageous selection of the active material, it can be provided according to the invention that the active material is formed in the form of lithium cobalt oxide (LCO) and/or lithium nickel cobalt manganese oxide (NMC). Here, LCO is particularly suitable due to its high resistance to heat. On the other hand, NMC is also particularly suitable due to its high performance, current and capacity. Alternatively, designs in which the active material is formed in the form of a mixture with various cathode materials, in particular additives in the form of LFP or HV-spinel, can also be considered. Here, the active material may advantageously be provided with a protective coating, for example a coating formed in the form of LiNbO 3 , which is particularly suitable when NCM is used as the active material.

다양한 적용 가능성에서 또한 본 캐소드의 항상 충분히 높은 전도성을 보장하기 위해, 본 발명에 따르면 또한 전자 전도성 산화물이 표준 조건 하에서 적어도 102 S/m의 전자 전도도를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 전자 전도성 산화물은 여기서 바람직하게는 금속의 전기 전도도의 범위로 전기 전도도를 갖는 재료로 형성된다. 이 경우, 전자 전도성 산화물은 표준 조건 하에서 적어도 102 S/m, 바람직하게는 적어도 104 S/m, 특히 적어도 106 S/m의 전도도를 포함한다. 전자 전도성 산화물은 예를 들어 ReO3 및/또는 TiO 및/또는 CrO2 및/또는 Ti2O3 및/또는 VO 및/또는 V2O3 및/또는 ReO 및/또는 Fe3O4 및/또는 NbO 및/또는 MnO2의 형태로 형성될 수 있다.According to the invention, it can also be provided that the electron-conducting oxide comprises an electron conductivity of at least 10 2 S/m under standard conditions in order to ensure always high enough conductivity of the present cathode in various applicability. The electron-conducting oxide is preferably formed of a material having electrical conductivity in the range of the electrical conductivity of the metal. In this case, the electron conductive oxide comprises a conductivity of at least 10 2 S/m, preferably at least 10 4 S/m, especially at least 10 6 S/m under standard conditions. The electron-conducting oxide is, for example, ReO 3 and/or TiO and/or CrO 2 and/or Ti 2 O 3 and/or VO and/or V 2 O 3 and/or ReO and/or Fe 3 O 4 and/or NbO and/or MnO 2 .

독립형 캐소드를 제조하는 구조적으로 간단한 가능성과 관련하여, 본 발명에 따르면, 미세 다공성 캐소드 물질을 제조하기 위해 매크로 다공성 캐소드 물질을 고체 전해질과 혼합하는 단계 후에, 미세 다공성 캐소드 물질을 고체 전해질 막 상에 도포하는 단계가 수행되는 것이 제공될 수 있다. 여기서, 미세 다공성 캐소드 물질은 건조되거나 또는 여전히 습한 형태로 바람직하게는 이미 사전 제조된 고체 전해질 막 상에 도포될 수 있다. 고체 전해질 막은 여기서 캐소드 물질로부터의 고체 전해질과 동일하거나 또는 다른 고체 전해질로 형성될 수 있다. 여기서, 미세 다공성 캐소드 물질 및 고체 전해질 막 사이의 견고한 접착성 결합이 특히 기계적 압력 및/또는 가열을 통해 형성될 수 있으며, 여기서 한편으로는 온도가 캐소드를 최종적으로 건조시키고, 다른 한편으로는 고체 전해질의 유동성을 증가시켜, 다른 구성 요소와의 더욱 강한 연결을 수반한다.With regard to the structurally simple possibility of making a stand-alone cathode, according to the present invention, after the step of mixing the macroporous cathode material with a solid electrolyte to produce a microporous cathode material, the microporous cathode material is applied on a solid electrolyte membrane. It may be provided that the steps are performed. Here, the microporous cathode material can be dried or still wet, preferably applied onto a solid electrolyte membrane which has already been prepared. The solid electrolyte membrane can be formed of the same or different solid electrolyte from the cathode material here. Here, a solid adhesive bond between the microporous cathode material and the solid electrolyte membrane can be formed, in particular, through mechanical pressure and/or heating, where temperature on the one hand ultimately dries the cathode, and on the other hand the solid electrolyte By increasing its fluidity, it involves a stronger connection with other components.

고체 배터리용 본 발명에 따른 캐소드를 포함하는 셀 스택의 이해와 관련하여, 특히 고체 배터리의 특히 컴팩트한 배치의 맥락에서, 애노드 층을 도포하는 단계가 제공되는 것이 본 발명에 따라 제공될 수 있다. 여기서 애노드 층은 바람직하게는 금속 포일의 형태, 특히 리튬 포일의 형태로 형성될 수 있으며, 이는 예를 들어 셀 구성의 폐쇄를 위해 캐소드에 대향하여 위치되는 고체 전해질 막의 측면 상에 가압될 수 있다.With regard to the understanding of a cell stack comprising a cathode according to the invention for a solid-state battery, it can be provided according to the invention that the step of applying the anode layer is provided, especially in the context of a particularly compact arrangement of the solid-state battery. The anode layer here can preferably be formed in the form of a metal foil, in particular in the form of a lithium foil, which can be pressed on the side of the solid electrolyte membrane which is positioned opposite the cathode, for example for closing the cell configuration.

본 발명에 따른 방법을 수행하는 과정에서, 가능한 한 유연하고 미세하게 계량 가능한 혼합을 보장하기 위해, 전자 전도성 산화물은 혼합물과 혼합하는 단계 전에 그리고/또는 고체 전해질 재료는 매크로 다공성 캐소드 물질과 혼합하는 단계 전에 각각 용매에 현탁된 상태로 존재하는 것이 특히 구체적으로 제공될 수 있다. 전자 전도성 산화물 및/또는 고체 전해질 재료의 현탁을 위해, 여기서 특히 예를 들어 THF, 시클로헥산, 메틸아세테이트, 클로로포름, 디클로로메탄, 디에틸에테르, 아세토니트릴 등과 같은 고 휘발성의 비 양성자성 용매가 적합하고, 여기서 전자 전도성 산화물 및/또는 고체 전해질 재료는 특히 나노 미립자 형태로 용매에 용해되고, 현탁되거나 또는 분산된 상태로 존재할 수 있다.In the course of carrying out the method according to the invention, in order to ensure as flexible and finely measurable mixing as possible, the electron conductive oxide is mixed with the mixture and/or the solid electrolyte material is mixed with the macroporous cathode material. It may be particularly specifically provided that they are each previously suspended in a solvent. For the suspension of electron-conducting oxides and/or solid electrolyte materials, high volatility non-protonic solvents such as, for example, THF, cyclohexane, methyl acetate, chloroform, dichloromethane, diethyl ether, acetonitrile, etc. are suitable. , Where the electron-conducting oxide and/or solid electrolyte material is particularly soluble in a solvent in the form of nanoparticles, and may be present in a suspended or dispersed state.

가능한 한 정의 가능하고 제어 가능한 반응성 및 변환과 관련하여, 본 발명에 따른 방법을 수행하는 과정에서 불활성 가스의 공급이 제공되는 것도 또한 고려될 수 있다. 불활성 가스는 여기서 예를 들어 아르곤, 헬륨 등과 같은 비활성 가스의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 질소 또는 다른 가스 또는 특정 가스 혼합물도 또한 사용될 수 있다.With regard to definable and controllable reactivity and conversion as far as possible, it is also conceivable that a supply of inert gas is provided in the course of carrying out the method according to the invention. The inert gas can be formed here in the form of an inert gas, for example argon, helium, and the like. In addition, nitrogen or other gases or certain gas mixtures can also be used.

캐소드 물질의 가능한 한 넓은 전기 화학적 안정성 윈도우를 제공할 수 있도록, 고체 전해질 재료로서 LLZO(가넷) 및/또는 NASICON이 사용되는 것이 또한 본 발명에 따라 제공될 수 있다. 마찬가지로, 언급된 이러한 2개의 고체 전해질 재료 외에, 특히 유사한 전기 화학적 안정성 윈도우를 갖는 다른 재료가 또한 사용될 수도 있다.It can also be provided in accordance with the invention that LLZO (garnet) and/or NASICON are used as solid electrolyte materials to provide the widest possible electrochemical stability window of the cathode material. Likewise, in addition to these two solid electrolyte materials mentioned, other materials with particularly similar electrochemical stability windows may also be used.

전자 전도성 산화물과 혼합물 사이, 그리고 고체 전해질 재료와 매크로 다공성 캐소드 물질 사이의 높은 결합 가능성을 고려하여, 전자 전도성 산화물 및/또는 고체 전해질 재료는 혼합하는 단계 전에, 2 내지 5 nm의 크기로 존재하는 것이 또한 본 발명에 따른 방법에 따라 제공될 수 있다. 이 경우, 전자 전도성 산화물 및 고체 전해질 재료는 바람직하게는 용매에 첨가되기 전에, 특히 밀링 공정 등과 같은 기계적-물리적 제조 공정을 통해 분쇄되거나 또는 다른 방식으로 가공될 수 있다. 여기서, 고체 전해질 재료 및/또는 전자 전도성 산화물의 크기와 관련하여, 이들은 바람직하게는 10 nm 미만의 크기로, 바람직하게는 5 nm 미만의 크기로, 특히 3 nm 미만의 크기로 분쇄되거나 또는 제조될 수 있다.Considering the high bonding potential between the electron conductive oxide and the mixture and between the solid electrolyte material and the macroporous cathode material, the electron conductive oxide and/or solid electrolyte material is present in a size of 2 to 5 nm before the mixing step. It can also be provided according to the method according to the invention. In this case, the electron-conducting oxide and solid electrolyte material can preferably be pulverized or otherwise processed before being added to the solvent, particularly through a mechanical-physical manufacturing process such as a milling process or the like. Here, with respect to the size of the solid electrolyte material and/or electron-conducting oxide, they are preferably pulverized or prepared to a size of less than 10 nm, preferably of less than 5 nm, in particular of less than 3 nm. Can.

마찬가지로, 본 발명의 대상은 또한 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 통해 제조될 수 있는 고체 배터리용 캐소드이다. 여기서 본 캐소드는 활물질, 전자 전도성 산화물 및 고체 전해질을 포함하고, 여기서 캐소드는 독립형 캐소드의 형태로 형성되고, 전자 전도도 및 이온 전도도를 포함한다. 따라서, 고체 배터리용 본 발명에 따른 캐소드는 본 발명에 따른 방법과 관련하여 이미 상세히 설명된 바와 같은 동일한 이점을 포함한다. 고체 배터리용 본 캐소드는 여기서 특히 고성능 복합 캐소드의 형태로 형성될 수 있다. 독립형 캐소드라 함은, 여기서 특히 자체 지지되는, 즉 기계적 강도 및 높은 유연성으로 인해 배터리에 직접 사용될 수 있고, 전도성 기판 상에 추가적으로 부착될 필요가 없는 캐소드인 것으로 이해될 수 있다. 독립형 캐소드가 대안적으로 또한 전자 전도성 기판 상에 배치될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.Likewise, the subject of the invention is also a cathode for a solid-state battery, which can be produced through the method according to claim 1. Here, the cathode comprises an active material, an electron-conducting oxide and a solid electrolyte, wherein the cathode is formed in the form of a stand-alone cathode and includes electron conductivity and ion conductivity. Thus, the cathode according to the invention for a solid-state battery comprises the same advantages as already described in detail in connection with the method according to the invention. The present cathode for a solid state battery can be formed here particularly in the form of a high performance composite cathode. The stand-alone cathode compartment can be understood here to be a cathode which can be used directly in batteries, in particular because of its self-supporting, ie mechanical strength and high flexibility, and which need not be additionally attached on a conductive substrate. It should be understood that a standalone cathode may alternatively also be disposed on an electronically conductive substrate.

본 발명의 다른 이점, 특징 및 세부 사항은, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 상세히 설명되는 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다. 여기서 청구범위 및 상세한 설명에서 언급된 특징들은 각각 그 자체로 개별적으로 또는 임의의 조합으로 발명에 필수적인 것일 수 있다.Other advantages, features and details of the present invention will become apparent from the following description in which embodiments of the present invention are described in detail with reference to the drawings. The features recited in the claims and detailed description herein may each be essential to the invention, either individually or in any combination.

도 1은 고체 배터리의 캐소드를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 개별 단계들의 개략도를 도시한다.1 shows a schematic view of the individual steps of a method according to the invention for manufacturing a cathode of a solid-state battery.

도면에서 동일한 기술적 특징에 대해 동일한 참조 번호가 사용된다.The same reference numbers are used for the same technical features in the drawings.

도 1은 고체 배터리의 캐소드를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 개별 단계들의 개략도를 도시한다. 여기서 본 명세서에 제시된 본 발명에 따른 방법에 따르면, 우선 본 발명에 따른 방법의 선행하는 제1 단계에서, 캐소드 활물질(2) 및 적어도 하나의 다른 성분(4)으로 이루어진 혼합물(6)을 제조하는 단계(30)가 수행된다.1 shows a schematic view of the individual steps of a method according to the invention for manufacturing a cathode of a solid-state battery. Here, according to the method according to the invention presented herein, first in the preceding first step of the method according to the invention, to prepare a mixture 6 consisting of the cathode active material 2 and at least one other component 4 Step 30 is performed.

이 경우, 다른 성분은 바람직하게는 유기 산화물 형태로, 특히 폴리에틸렌 산화물 형태로 형성될 수 있다. 혼합물(6)은 또한 예를 들어 적어도 부분적으로 유동성인 용액의 형태로, 특히 점성 슬러리 등의 형태로 형성될 수 있다. 혼합물(6)은 그 제조 후, 본 경우에 건조를 위해 기판(16) 상에 캐스팅되고, 여기서 기판(16)은 본 경우에 폴리에스테르 기판의 형태로 형성된다. 캐소드 활물질(2) 및 적어도 하나의 다른 성분(4) 사이의 질량 비율은 여기서 특히 기판(16) 상에 정의된 표면 하중이 발생하도록 설정될 수 있다. 본 발명에 따르면, 혼합물(6)은 여기서 바람직하게는 분리 가능한 고체 구조가 형성되는 방식으로 건조된다. 혼합물(6)이 본 기판(16) 상에서 건조된 후, 혼합물(6)은 예를 들어 바람직한 형태로 스탬핑될 수 있다. 기판(16)은 여기서 예를 들어 후속 가열 단계 등에서 혼합물로부터 다시 제거될 수 있다. 본 경우에, 본 활물질은 특히 LCO 및/또는 NMC의 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 대안적으로 활물질이 다양한 캐소드 물질, 특히 LFP 또는 HV-스피넬 형태의 첨가제와의 혼합물 형태로 형성되는 설계도 또한 고려될 수 있다. 여기서 활물질에는 유리하게는 보호 코팅, 예를 들어 LiNbO3의 형태로 형성된 코팅이 또한 이미 제공될 수 있다.In this case, the other components may preferably be formed in the form of an organic oxide, in particular in the form of a polyethylene oxide. The mixture 6 can also be formed, for example, in the form of at least partially flowable solutions, in particular in the form of viscous slurries or the like. The mixture 6 is, after its manufacture, cast on the substrate 16 for drying in this case, where the substrate 16 is formed in the form of a polyester substrate in this case. The mass ratio between the cathode active material 2 and the at least one other component 4 can be set here in particular to generate a defined surface load on the substrate 16. According to the invention, the mixture 6 is dried here preferably in such a way that a separable solid structure is formed. After the mixture 6 is dried on the present substrate 16, the mixture 6 can be stamped, for example, into a desired shape. The substrate 16 can be removed here again from the mixture, for example in a subsequent heating step or the like. In this case, the active material can be formed in the form of LCO and/or NMC. However, alternatively, designs in which the active material is formed in the form of a mixture with various cathode materials, in particular additives in the form of LFP or HV-spinel, can also be considered. Here the active material may advantageously also be provided with a protective coating, for example a coating formed in the form of LiNbO 3 .

본 발명에 따른 방법의 제2 단계에서, 본 경우에 매크로 다공성 캐소드 물질(10)을 제조하기 위해, 혼합물(6)을 전자 전도성 산화물(8)과 혼합하는 단계(32)가 수행될 수 있다. 혼합물(6)을 전자 전도성 산화물(8)과 본 발명에 따라 혼합하는 단계(32)는, 본 경우에 전자 전도성 산화물(8)을 갖는 용액에 혼합물(6)이 제공됨으로써 수행된다. 여기서 전자 전도성 산화물(8)은 본 경우에 나노 입자의 형태로 현탁된 상태로 용매에 존재한다. 여기서 적합한 용매로서는, 특히 휘발성의 비 양성자성 용매가 적합하다. 혼합물(6)을 전자 전도성 산화물(8)과 혼합하는 단계(32)를 통해 제조된 매크로 다공성 캐소드 물질(10)은 이미 전자 전도도를 갖지만, 그러나 아직 이온 전도도를 갖지 않는다. 전자 전도성 산화물(8)은 여기서 바람직하게는 금속의 전기 전도도의 범위로 전기 전도도를 갖고, 예를 들어 적어도 102 S/m, 바람직하게는 적어도 104 S/m, 특히 적어도 106 S/m의 전도도를 포함하는 재료로 형성된다. 전자 전도성 산화물(8)은 여기서 특히 ReO3 및/또는 TiO 및/또는 CrO2 및/또는 Ti2O3 및/또는 VO 및/또는 V2O3 및/또는 ReO 및/또는 Fe3O4 및/또는 NbO 및/또는 MnO2의 형태로 형성될 수 있다.In the second step of the method according to the invention, in order to produce the macroporous cathode material 10 in this case, the step 32 of mixing the mixture 6 with the electron-conducting oxide 8 can be performed. The step 32 of mixing the mixture 6 according to the invention with the electron-conducting oxide 8 is performed in this case by providing the mixture 6 with a solution having the electron-conducting oxide 8. Here, the electron-conducting oxide 8 is present in the solvent in a suspended state in the form of nanoparticles in this case. As a suitable solvent here, a volatile non-protonic solvent is particularly suitable. The macroporous cathode material 10 prepared through the step 32 of mixing the mixture 6 with the electron-conducting oxide 8 already has an electron conductivity, but not yet an ionic conductivity. The electron-conducting oxide 8 here preferably has an electrical conductivity in the range of the electrical conductivity of the metal, for example at least 10 2 S/m, preferably at least 10 4 S/m, in particular at least 10 6 S/m It is formed of a material containing the conductivity of. The electron-conducting oxide 8 is here specifically ReO 3 and/or TiO and/or CrO 2 and/or Ti 2 O 3 and/or VO and/or V 2 O 3 and/or ReO and/or Fe 3 O 4 and And/or in the form of NbO and/or MnO 2 .

본 발명에 따른 방법의 후속 제3 단계에서, 가열 공정에 의해 캐소드 활물질(2)의 가교 결합(18)을 형성하는 단계(34)가 이어서 수행된다. 본 발명에 따른 방법의 구체적인 제3 단계는 여기서 바람직하게는 산소가 존재할 때, 특히 순수한 산소 대기 하에, 그러나 또한 정의된 산소 분압에서, 예를 들어 CO/CO2 또는 수증기 포화 형성 가스에서 수행될 수 있다. 산소 가스의 사용 외에도, 반응성 및 변환을 제어하기 위해 상기 방법 단계에서 또는 다른 방법 단계에서 대안적으로 또는 추가적으로 또한 불활성 가스가 제공될 수 있다.In a subsequent third step of the method according to the invention, the step 34 of subsequently forming the crosslinking 18 of the cathode active material 2 by a heating process is carried out. A specific third step of the process according to the invention can be carried out here preferably in the presence of oxygen, especially under a pure oxygen atmosphere, but also at defined oxygen partial pressures, for example in CO/CO 2 or a saturated vapor of water vapor. have. In addition to the use of oxygen gas, an inert gas may alternatively or additionally also be provided in the above method step or in another method step to control reactivity and conversion.

본 발명에 따른 방법의 제4 단계에 따르면, 미세 다공성 캐소드 물질(14)을 제조하기 위해, 매크로 다공성 캐소드 물질(10)을 고체 전해질 재료(12)와 혼합하는 단계(36)가 최종적으로 수행된다. 매크로 다공성 캐소드 물질(10)을 고체 전해질 재료(12)와 혼합하는 단계(36)는 본 경우에 마찬가지로, 매크로 다공성 캐소드 물질(10)이 고체 전해질 재료(12)를 갖는 용액에 제공됨으로써 수행된다. 고체 전해질 재료(12)는 여기서 마찬가지로, 나노 미립자 형태로 용매에 현탁된 상태로 존재할 수 있다. 여기서 고체 전해질 재료로서 특히 LLZO(가넷) 및/또는 NASICON이 사용될 수 있다. 마찬가지로 언급된 고체 전해질 재료 외에도, 특히 유사한 전기 화학적 안정성 윈도우를 갖는 다른 재료도 또한 사용될 수 있다. 매크로 다공성 캐소드 물질(10)을 고체 전해질 재료(12)와 혼합하는 단계를 통해 제조된 미세 다공성 캐소드 물질(14)은 이제 전자 전도도 그리고 이온 전도도 모두를 갖는다. 여기서 매크로 다공성 캐소드 물질(10)이라 함은, 본 발명의 맥락에서 특히 전자 전도도는 보장되지만, 그러나 이온 전도도는 허용되지 않는 방식으로, 개별 성분들의 밀접하고 친밀한 연결을 포함하는 캐소드 물질인 것으로 이해된다. 여기서 미세 다공성 캐소드 물질이라 함은, 본 발명의 맥락에서 특히 전자 전도도 및 이온 전도도 모두가 보장되는 방식으로, 개별 성분들의 밀접하고 친밀한 연결을 포함하는 캐소드 물질인 것으로 이해된다.According to the fourth step of the method according to the invention, the step 36 of mixing the macroporous cathode material 10 with the solid electrolyte material 12 is finally performed to produce the microporous cathode material 14. . The step 36 of mixing the macroporous cathode material 10 with the solid electrolyte material 12 is performed by providing the macroporous cathode material 10 in a solution with the solid electrolyte material 12, as in the present case. The solid electrolyte material 12 can likewise be present in the form of nanoparticles suspended in a solvent. Here, LLZO (garnet) and/or NASICON can be used as a solid electrolyte material. In addition to the solid electrolyte materials mentioned as well, other materials with similar similar electrochemical stability windows can also be used. The microporous cathode material 14 produced through the step of mixing the macroporous cathode material 10 with the solid electrolyte material 12 now has both electron conductivity and ionic conductivity. The term macroporous cathode material 10 here is understood to be a cathode material comprising intimate and intimate connections of the individual components in a manner in which in the context of the present invention, in particular, electron conductivity is guaranteed, but ionic conductivity is not permitted. . Microporous cathode material here is understood in the context of the present invention to be a cathode material comprising a close and intimate connection of the individual components, in a way in which both electronic conductivity and ionic conductivity are guaranteed.

본 발명에 따른 방법의 선택적인 추가의 단계에서, 미세 다공성 캐소드 물질(14)을 제조하기 위해 매크로 다공성 물질(10)을 고체 전해질(12)과 혼합하는 단계(36) 후에, 미세 다공성 캐소드 물질(14)을 고체 전해질 막(20) 상에 도포하는 단계(38)가 수행될 수 있다. 여기서 미세 다공성 캐소드 물질(14)은 건조되거나 또는 여전히 습한 형태로 바람직하게는 이미 사전 제조된 고체 전해질 막(20) 상에 도포될 수 있다. 고체 전해질 막(20)은 여기서 캐소드 물질로부터의 고체 전해질(12)과 동일하거나 또는 다른 고체 전해질로 형성될 수 있다. 여기서, 미세 다공성 캐소드 물질(14) 및 고체 전해질 막(20) 사이의 견고한 접착성 결합이 특히 기계적 압력 및/또는 열을 통해 형성될 수 있다.In a further optional step of the method according to the invention, after the step 36 of mixing the macroporous material 10 with the solid electrolyte 12 to produce the microporous cathode material 14, the microporous cathode material ( Step 38 of applying 14) onto the solid electrolyte membrane 20 may be performed. Here, the microporous cathode material 14 may be dried or still wet, preferably applied on a solid electrolyte membrane 20 which has already been prepared. The solid electrolyte membrane 20 can be formed of the same or different solid electrolyte from the solid electrolyte 12 from the cathode material here. Here, a solid adhesive bond between the microporous cathode material 14 and the solid electrolyte membrane 20 can be formed, particularly through mechanical pressure and/or heat.

본 발명에 따른 방법의 다른 선택적인 단계에서, 애노드 층(22)을 도포하는 단계(40)가 또한 제공될 수 있고, 상기 애노드 층은 특히 컴팩트한 배치와 관련하여 특히 금속 포일의 형태, 특히 리튬 포일의 형태로 형성될 수 있고, 예를 들어 셀 구성의 폐쇄를 위해 캐소드에 대향하여 위치되는 고체 전해질 막(20)의 측면 상에 가압될 수 있다.In another optional step of the method according to the invention, the step 40 of applying the anode layer 22 may also be provided, which anode layer is in particular in the form of a metal foil, in particular lithium, especially with regard to a compact arrangement. It can be formed in the form of a foil and can be pressed on the side of the solid electrolyte membrane 20 which is positioned opposite the cathode, for example to close the cell configuration.

본 발명에 따른 방법에 의해, 특히 전자 전도성 산화물을 사용함으로써, 바인더 물질 또는 탄소 기반 전도성 첨가제의 첨가 없이도, 매우 낮은 다공성 및 특히 고성능의 캐소드를 제공하는 것이 가능하다. 탄소 기반 전도성 첨가제를 대체함으로써, 또한 고체 전해질 재료의 열화가 방지될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 복합 캐소드의 취급은 또한 표준에 따라 제조된 캐소드에 비해 단순화되고, 이는 보다 높은 성능을 갖는 고체 배터리의 확장 가능한 생산을 가능하게 한다.By means of the method according to the invention, it is possible to provide very low porosity and particularly high performance cathodes, without the addition of a binder material or a carbon-based conductive additive, in particular by using an electron conductive oxide. By replacing the carbon-based conductive additive, deterioration of the solid electrolyte material can also be prevented. In addition, the handling of composite cathodes produced by the method according to the invention is also simplified compared to cathodes manufactured according to the standard, which enables scalable production of solid batteries with higher performance.

2 캐소드 활물질
4 다른 성분
6 혼합물
8 전자 전도성 산화물
10 매크로 다공성 캐소드 물질
12 고체 전해질 재료
14 미세 다공성 캐소드 물질
16 기판
18 가교 결합
20 고체 전해질 막
22 애노드 층
30 혼합물을 제조하는 단계
32 혼합물을 혼합하는 단계
34 가교 결합을 형성하는 단계
36 매크로 다공성 캐소드 물질을 혼합하는 단계
38 미세 다공성 캐소드 물질을 도포하는 단계
40 애노드 층을 도포하는 단계
2 cathode active material
4 different ingredients
6 mixture
8 electron conductive oxide
10 Macro Porous Cathode Material
12 solid electrolyte material
14 microporous cathode material
16 substrates
18 crosslinking
20 solid electrolyte membrane
22 anode layer
30 steps to prepare a mixture
32 Mixing the mixture
34 forming a crosslink
36 Mixing macroporous cathode material
38 Applying the microporous cathode material
40 Applying Anode Layer

Claims (11)

고체 배터리의 캐소드를 제조하기 위한 방법에 있어서,
- 캐소드 활물질(2) 및 적어도 하나의 다른 성분(4)으로 이루어진 혼합물(6)을 제조하는 단계(30),
- 매크로 다공성(macro porous) 캐소드 물질(10)을 제조하기 위해, 상기 혼합물(6)을 전자 전도성 산화물(8)과 혼합하는 단계(32),
- 가열 공정에 의해 상기 캐소드 활물질(2)의 가교 결합(18)을 형성하는 단계(34),
- 미세 다공성 캐소드 물질(14)을 제조하기 위해, 상기 매크로 다공성 캐소드 물질(10)을 고체 전해질 재료(12)와 혼합하는 단계(36)
를 포함하는 고체 배터리의 캐소드를 제조하기 위한 방법.
A method for manufacturing a cathode of a solid state battery,
-Preparing a mixture (6) consisting of a cathode active material (2) and at least one other component (4) (30),
-Mixing (32) the mixture (6) with an electron-conducting oxide (8) to produce a macro-porous (macro porous) cathode material (10),
-Forming (34) the crosslinking (18) of the cathode active material (2) by a heating process,
Mixing the macroporous cathode material 10 with the solid electrolyte material 12 to produce a microporous cathode material 14 (36)
Method for manufacturing a cathode of a solid-state battery comprising a.
제1항에 있어서,
상기 혼합물(6)은, 상기 전자 전도성 산화물(8)과 혼합하는 단계(32) 전에, 건조를 위해 기판 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
The mixture (6) is provided on the substrate for drying, prior to the step (32) of mixing with the electron conductive oxide (8).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 캐소드 활물질(2)은 리튬 코발트 산화물(LCO) 및 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NMC) 중 적어도 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
The cathode active material (2) is characterized in that it is formed in at least one form of lithium cobalt oxide (LCO) and lithium nickel cobalt manganese oxide (NMC).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전자 전도성 산화물(8)은 표준 조건 하에서 적어도 102 S/m의 전도도를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
The method according to claim 1, wherein the electron conductive oxide (8) comprises a conductivity of at least 10 2 S/m under standard conditions.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 미세 다공성 캐소드 물질(14)을 제조하기 위해, 상기 매크로 다공성 캐소드 물질(10)을 고체 전해질(12)과 혼합하는 단계(36) 후에, 상기 미세 다공성 캐소드 물질(14)을 고체 전해질 막(20) 상에 도포하는 단계(38)가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
To prepare the microporous cathode material 14, after the step 36 of mixing the macroporous cathode material 10 with the solid electrolyte 12, the microporous cathode material 14 is replaced with a solid electrolyte membrane 20 ) Applying onto (38) is performed.
제1항 또는 제2항에 있어서,
애노드 층(22)을 도포하는 단계(40)가 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
A method characterized in that a step 40 of applying the anode layer 22 is provided.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 혼합물(6)과 혼합하는 단계(32) 전의 상기 전자 전도성 산화물(8) 및 상기 매크로 다공성 캐소드 물질(10)과 혼합하는 단계(36) 전의 상기 고체 전해질 재료(12) 중 적어도 하나는 각각 용매에 현탁된 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
At least one of the solid electrolyte material 12 prior to mixing 36 with the electron conductive oxide 8 and the macroporous cathode material 10 prior to mixing 32 with the mixture 6 is a solvent, respectively. Method characterized in that it is present in a suspended state.
제1항 또는 제2항에 있어서,
불활성 가스의 공급이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
A method characterized in that a supply of inert gas is provided.
제1항 또는 제2항에 있어서,
고체 전해질 재료(12)로서 LLZO(가넷) 및 NASICON 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
A method characterized in that at least one of LLZO (garnet) and NASICON is used as the solid electrolyte material 12.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전자 전도성 산화물(8) 및 상기 고체 전해질 재료(12) 중 적어도 하나는 혼합하는 단계(32, 36) 전에, 2 내지 5 nm의 크기로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1 or 2,
A method characterized in that at least one of the electron conductive oxide (8) and the solid electrolyte material (12) is present in a size of 2 to 5 nm before mixing (32, 36).
고체 배터리용 캐소드로서,
제1항 또는 제2항에 따른 방법을 통해 제조될 수 있고, 활물질, 전자 전도성 산화물 및 고체 전해질을 포함하고, 상기 캐소드는 독립형 캐소드의 형태로 형성되고, 전자 전도도 및 이온 전도도를 포함하는, 고체 배터리용 캐소드.
As a cathode for a solid battery,
A solid, which may be prepared through the method according to claim 1 or 2, comprising an active material, an electron-conducting oxide and a solid electrolyte, the cathode being formed in the form of a stand-alone cathode, comprising electron conductivity and ion conductivity. Battery cathode.
KR1020200010057A 2019-01-28 2020-01-28 Method for producing a cathode for a solid-state battery KR102444473B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019102021.2A DE102019102021A1 (en) 2019-01-28 2019-01-28 Method of manufacturing a cathode for a solid fuel battery
DE102019102021.2 2019-01-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200093467A true KR20200093467A (en) 2020-08-05
KR102444473B1 KR102444473B1 (en) 2022-09-16

Family

ID=71524541

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200010057A KR102444473B1 (en) 2019-01-28 2020-01-28 Method for producing a cathode for a solid-state battery

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR102444473B1 (en)
CN (1) CN111509194B (en)
DE (1) DE102019102021A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3131450A1 (en) * 2021-12-23 2023-06-30 Hfg METHOD FOR MANUFACTURING A POROUS ELECTRODE, AND BATTERY CONTAINING SUCH ELECTRODE

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013051171A (en) * 2011-08-31 2013-03-14 Toyota Motor Corp Electrode body for all solid-state battery and all solid-state battery
JP2016072077A (en) * 2014-09-30 2016-05-09 セイコーエプソン株式会社 Electrode complex, method for manufacturing electrode complex, and lithium battery
KR20160083485A (en) * 2014-12-31 2016-07-12 현대자동차주식회사 A cathode of wholly solid lithium battery and a secondary battery comprising thereof

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100882144B1 (en) 2000-12-28 2009-02-06 소니 가부시끼 가이샤 Positive electrode active material and nonaqueous electrolyte secondary cell
US20090092903A1 (en) * 2007-08-29 2009-04-09 Johnson Lonnie G Low Cost Solid State Rechargeable Battery and Method of Manufacturing Same
JP5821857B2 (en) 2011-02-02 2015-11-24 トヨタ自動車株式会社 Composite active material, method for producing composite active material, and battery
WO2015159331A1 (en) * 2014-04-14 2015-10-22 株式会社日立製作所 Solid-state battery, electrode for solid-state battery, and production processes therefor
JP6507778B2 (en) * 2015-03-26 2019-05-08 セイコーエプソン株式会社 Electrode complex and battery

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013051171A (en) * 2011-08-31 2013-03-14 Toyota Motor Corp Electrode body for all solid-state battery and all solid-state battery
JP2016072077A (en) * 2014-09-30 2016-05-09 セイコーエプソン株式会社 Electrode complex, method for manufacturing electrode complex, and lithium battery
KR20160083485A (en) * 2014-12-31 2016-07-12 현대자동차주식회사 A cathode of wholly solid lithium battery and a secondary battery comprising thereof

Also Published As

Publication number Publication date
CN111509194A (en) 2020-08-07
DE102019102021A1 (en) 2020-07-30
CN111509194B (en) 2023-09-15
KR102444473B1 (en) 2022-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Prosini et al. A novel intrinsically porous separator for self-standing lithium-ion batteries
Qu et al. Inorganic separators enable significantly suppressed polysulfide shuttling in high-performance lithium–sulfur batteries
US20150056520A1 (en) Impregnated sintered solid state composite electrode, solid state battery, and methods of preparation
JP4126715B2 (en) Method for producing negative electrode material and method for producing secondary battery
Kaiser et al. A methodical approach for fabrication of binder-free Li2S-C composite cathode with high loading of active material for Li-S battery
WO2015045921A1 (en) Positive electrode active substance layer
JP2012517660A (en) Flat electrodes for electrochemical energy storage elements with optimized power and energy density
JP2022514855A (en) Manufacturing method of cathode unit and cathode unit
JP7181866B2 (en) All-solid-state lithium-ion storage battery and manufacturing method thereof
CN109904523B (en) Method for manufacturing sulfide solid-state battery
Shafique et al. The impact of polymeric binder on the morphology and performances of sulfur electrodes in lithium–sulfur batteries
CN112310465A (en) Method for manufacturing sulfide-impregnated solid-state battery
WO2019009072A1 (en) Negative electrode for all-solid-state batteries and all-solid-state battery provided with same
JP7265023B2 (en) Method for manufacturing positive electrode for all-solid-state battery and positive electrode for all-solid-state battery manufactured by the method
KR20210074811A (en) Composite Electrode for All-Solid-State Battery and Method Of Manufacturing The Same
KR102444473B1 (en) Method for producing a cathode for a solid-state battery
CN115799443A (en) Sodium ion battery microporous aluminum foil electrode and preparation method thereof
US20190229336A1 (en) Battery electrode binder
EP3809491B1 (en) Electrode for lithium ion secondary batteries and lithium ion secondary battery
CN114512710A (en) Coated sulfide solid electrolyte material and preparation method and application thereof
KR20220009280A (en) Electrode for secondary battery and method for preparing the same
KR101631231B1 (en) METHOD OF MANUFACTURING LTO/Graphens ANODE AND HYBRID CAPACITOR USING THE LTO/Graphens ANODE
KR102573137B1 (en) Cathode active material for lithium-sulfur secondary battery, method for manufacturing the same, cathode for lithium-sulfur secondary battery and lithium-sulfur secondary battery having the same
CN110875493B (en) Composite solid electrolyte layer, method for producing same, and method for producing all-solid battery
Kang et al. Three-Layer Sulfur Cathode with a Conductive Material-Free Middle Layer

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant