KR20200135210A - Solid conductor, Preparation method thereof, solid electrolyte including the solid conductor, and electrochemical device including the same - Google Patents

Solid conductor, Preparation method thereof, solid electrolyte including the solid conductor, and electrochemical device including the same Download PDF

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Abstract

A solid conductor including a compound represented by the following Formula 1: Li_(1+x+y-z)Ta_(2-x)M_XP_(1-y)N_yO_(8-z)X_z, a compound represented by the following Formula 2: Li_(1+x+y-z)Ta_(2-x)M_xP_(1-y)N_yO_8·zLiX, or a combination thereof, a method for preparing the same, a solid electrolyte and an electrochemical device including the same are provided. In Formulas 1 and 2, M, N, x, y, z, and X are as defined in the detailed description. The solid conductor has improved ion conductivity and excellent lithium stability.

Description

고체 전도체, 그 제조방법, 이를 포함하는 고체 전해질 및 전기화학소자 {Solid conductor, Preparation method thereof, solid electrolyte including the solid conductor, and electrochemical device including the same} Solid conductor, preparation method thereof, solid electrolyte including the solid conductor, and electrochemical device including the same}

고체 전도체, 그 제조방법, 이를 포함하는 고체 전해질 및 전기화학소자에 관한 것이다.It relates to a solid conductor, a method of manufacturing the same, a solid electrolyte and an electrochemical device including the same.

리튬이차전지는 큰 전기화학용량,높은 작동전위 및 우수한 충방전 사이클 특성을 갖기 때문에 휴대정보 단말기,휴대전자기기, 가정용소형 전력 저장 장치,모터사이클,전기자동차,하이브리드 전기 자동차 등의 용도로 수요가 증가하고 있다. 이와 같은 용도의 확산에 따라 리튬이차전지의 안전성 향상 및 고성능화가 요구되고 있다.Lithium secondary batteries have a large electrochemical capacity, high operating potential, and excellent charge/discharge cycle characteristics, so they are in demand for applications such as portable information terminals, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles. Is increasing. With the proliferation of such uses, there is a demand for improved safety and high performance of lithium secondary batteries.

리튬이차전지는 액체 전해질을 사용함에 따라 공기 중의 물에 노출될 경우 쉽게 발화되어 안정성 문제가 항상 제기되어 왔다. 이러한 안정성 문제는 전기 자동차가 가시화되면서 더욱 이슈화되고 있다. 이에 따라,최근 안전성 향상을 목적으로 무기 재료로 이루어진 고체 전해질을 이용한 전고체이차전지 (All-Solid-State Secondary Battery)의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 전고체이차전지는 안정성,고에너지 밀도,고출력, 장수명,제조공정의 단순화,전지의 대형화, 콤팩트화 및 저가화 등의 관점에서 차세대 이차전지로 주목되고 있다.As lithium secondary batteries use liquid electrolytes, they are easily ignited when exposed to water in the air, and stability problems have always been raised. This stability problem is becoming more and more an issue as electric vehicles become visible. Accordingly, in recent years, for the purpose of improving safety, research on an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte made of an inorganic material has been actively conducted. The all-solid secondary battery is attracting attention as a next-generation secondary battery from the viewpoint of stability, high energy density, high output, long life, simplification of manufacturing processes, large-sized, compact, and low-cost batteries.

전고체 이차전지는 양극, 고체 전해질 및 음극으로 구성되며,이중 고체 전해질은 높은 이온전도도 및 낮은 전자전도도가 요구된다. 전고체 이차전지의 고체 전해질로는 황화물계 고체 전해질,산화물계 고체 전해질 등이 있다. 이중 산화물계 고체 전해질은 제조 과정에서 독성 물질이 발생하지 않고, 소재 자체의 안정성이 우수하지만, 황화물계 산화물과 비교해서 상온 이온전도도가 낮은 한계점이 있다. 이에 상온에서 높은 이온전도도를 나타내고 안정성이 우수한 고체 전도체의 를 개발하는데 많은 연구가 집중되고 있다. An all-solid secondary battery consists of a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode, and the double solid electrolyte requires high ionic conductivity and low electronic conductivity. Solid electrolytes for all-solid secondary batteries include sulfide-based solid electrolytes and oxide-based solid electrolytes. Among them, the oxide-based solid electrolyte does not generate toxic substances during the manufacturing process and has excellent stability of the material itself, but has a limitation in low room temperature ion conductivity compared to the sulfide-based oxide. Accordingly, a lot of research is being focused on developing solid conductors with high ionic conductivity and excellent stability at room temperature.

한 측면은 개선된 이온 전도도를 갖고 리튬 안정성이 개선된 고체 전도체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.One aspect is to provide a solid conductor having improved ionic conductivity and improved lithium stability, and a method of manufacturing the same.

다른 측면은 상기 고체 전도체를 포함하는 고체 전해질을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a solid electrolyte including the solid conductor.

또 다른 측면은 상술한 고체 전도체를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것이다. Another aspect is to provide an electrochemical device including the above-described solid conductor.

한 측면에 따라,According to one aspect,

하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합물을 포함하는 고체 전도체가 제공된다.A solid conductor including a compound represented by the following formula (1), a compound represented by formula (2), or a combination thereof is provided.

<화학식 1><Formula 1>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8-zXz Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8-z X z

화학식 1 중, M은 산화수 4+를 갖는 원소이며,In Formula 1, M is an element having an oxidation number 4+,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며, 0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,

<화학식 2><Formula 2>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8·zLiXLi 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8 zLiX

화학식 2 중, M은 산화수 +4를 갖는 원소이며,In Formula 2, M is an element having oxidation number +4,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, i) When x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O, z If =1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z=2 Except for

다른 측면에 따라 According to the other side

또 다른 측면에 따라 상술한 고체 전도체 형성용 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 단계;Obtaining a precursor mixture by mixing the precursor for forming a solid conductor according to another aspect;

상기 전구체 혼합물을 산화성 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하여 하기 화학식 1로 표시되는 고체 전도체, 화학식 2로 표시되는 고체 전도체 또는 그 조합물을 얻는 상술한 고체 전도체의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing the above-described solid conductor for obtaining a solid conductor represented by Formula 1, a solid conductor represented by Formula 2, or a combination thereof, including the step of heat-treating the precursor mixture in an oxidizing gas atmosphere.

<화학식 1><Formula 1>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8-zXz Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8-z X z

화학식 1 중, M은 산화수 4+를 갖는 원소이며,In Formula 1, M is an element having an oxidation number 4+,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며, 0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,

<화학식 2><Formula 2>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8·zLiXLi 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8 zLiX

화학식 2 중, M은 산화수 +4를 갖는 원소이며,In Formula 2, M is an element having oxidation number +4,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.

상기 열처리는 500 내지 1200℃에서 실시될 수 있다.The heat treatment may be performed at 500 to 1200°C.

상기 열처리는 제1열처리 및 상기 제1열처리보다 높은 온도에서 실시되는 제2열처리를 포함하며, 상기 제1열처리는 500 내지 1000℃에서 실시되며, 상기 제2열처리는 600 내지 1200℃에서 실시될 수 있다.The heat treatment includes a first heat treatment and a second heat treatment performed at a temperature higher than the first heat treatment, the first heat treatment is performed at 500 to 1000°C, and the second heat treatment may be performed at 600 to 1200°C. have.

또 다른 측면에 따라 상술한 고체 전도체를 포함하는 고체 전해질이 제공된다.According to another aspect, a solid electrolyte including the above-described solid conductor is provided.

또 다른 측면에 따라 상술한 고체 전도체를 포함하는 전기화학소자가 제공된다.According to another aspect, an electrochemical device including the above-described solid conductor is provided.

상기 전기화학소자는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 상술한 고체 전도체를 함유한 고체 전해질을 포함하는 전기화학전지가 제공된다.The electrochemical device is provided with an electrochemical cell including a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte containing the above-described solid conductor interposed therebetween.

일구현예에 따른 고체 전도체는 상온에서 개선된 이온 전도도를 나타내어 우수한 리튬이온 전도체로 사용될 수 있다. 이러한 리튬이온 전도체는 리튬 안정성이 향상되고 산화 전위가 높아 양극용 전해질로 활용될 수 있다. 이러한 리튬이온 전도체를 이용하면 성능이 개선된 전기화학소자를 제조할 수 있다.The solid conductor according to an embodiment can be used as an excellent lithium ion conductor by showing improved ionic conductivity at room temperature. Such a lithium ion conductor can be used as an electrolyte for a positive electrode due to improved lithium stability and high oxidation potential. By using such a lithium ion conductor, it is possible to manufacture an electrochemical device with improved performance.

도 1a는 실시예 2-6, 실시예 11 및 비교예 1-2 따른 고체 전도체에 대한 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1b는 도 1a의 일부 영역을 확대하여 나타낸 것이다.
도 1c는 LiTa2PO8 및 하프늄 도핑된 고체 전도체의 XRD 분석 스펙트럼이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 실시예 4, 실시예 8, 비교예 1 및 비교예 4의 고체 전도체에 있어서, 도펀트 도입 전과 후, Li 이온 확산(diffusion)에 의한 확산계수(diffusivity)(D(단위: cm2/S)를 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 실시예 4 및 비교예 1의 고체 전도체에 있어서 도펀트(Dopant) 도입 전과 후, Li이온 확산(diffusion에 의한 평균제곱변위 MSD(mean-square displacements)를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 실시예 1, 2, 5, 6 및 비교예 1의 고체 전도체의 이온 전도도를 나타낸 것이다.
도 4b는 실시예 1, 2, 5, 6 및 비교예 1의 고체 전도체의 활성화에너지를 나타낸 그래프이다.
도 4c는 불소 및 하프늄이 도핑된 고체 전도체의 임피던스 특성을 나타낸 것이다.
도 4d는 불소 및 하프늄이 도핑된 고체 전도체의 전도도를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 5 및 비교예 1의 고체 전도체를 이용한 구조체의 사이클로볼타메트리 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 실시예 9 및 비교예 1의 고체 전도체를 함유한 리튬대칭셀의 리튬 안정성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 7a는 실시예 1-3, 실시예 8 및 비교예 1의 고체 전도체의 31P-NMR 분석 스펙트럼이다.
도 7b는 도 7a의 일부 영역을 확대하여 나타낸 것이다.
도 7c는 실시예 2 의 고체 전도체 및 실시예 5의 고체 전도체에 대한 31P-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8a는 LiTa2PO8에 대한 임피던스 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8b는 LiTa2PO8에 대한 벌크 이온전도도 및 총이온전도도의 활성화에너지 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 8c는 탄탈륨을 하프늄으로 일부 치환한 고체 전도체의 임피던스 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8d를 LiTa2PO8 및 하프늄 도핑된 고체 전도체의 활성화 에너지를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 11은 일구현예에 따른 전고체전지의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.
1A shows X-ray diffraction spectra of solid conductors according to Examples 2-6, 11, and 1-2.
FIG. 1B is an enlarged view of a partial area of FIG. 1A.
1C is an XRD spectrum of LiTa 2 PO 8 and hafnium-doped solid conductors.
2A to 2D show, in the solid conductors of Example 4, Example 8, Comparative Example 1, and Comparative Example 4, respectively, before and after introduction of a dopant, the diffusion coefficient (diffusivity) by Li ion diffusion (D (unit : cm 2 /S).
3A and 3B are graphs showing mean-square displacements (MSDs) of Li ions before and after introduction of a dopant in the solid conductors of Example 4 and Comparative Example 1, respectively, by diffusion of Li ions.
Figure 4a shows the ionic conductivity of the solid conductors of Examples 1, 2, 5, 6 and Comparative Example 1.
4B is a graph showing the activation energy of the solid conductors of Examples 1, 2, 5, and 6 and Comparative Example 1.
4C shows the impedance characteristics of a solid conductor doped with fluorine and hafnium.
4D shows the conductivity of a solid conductor doped with fluorine and hafnium.
5 shows the results of cyclovoltametry analysis of structures using solid conductors of Example 5 and Comparative Example 1.
6A and 6B show lithium stability evaluation results of lithium symmetric cells containing solid conductors of Example 9 and Comparative Example 1, respectively.
7A is a 31 P-NMR spectrum of solid conductors of Examples 1-3, 8 and Comparative Example 1. FIG.
7B is an enlarged view of a partial area of FIG. 7A.
7C shows 31 P-NMR spectra of the solid conductor of Example 2 and the solid conductor of Example 5. FIG.
8A shows an impedance spectrum for LiTa 2 PO 8 .
Figure 8b is for LiTa 2 PO 8 It shows the results of evaluating the activation energy of bulk ion conductivity and total ion conductivity.
8C shows an impedance spectrum of a solid conductor in which tantalum is partially substituted with hafnium.
Figure 8d shows the activation energy of LiTa 2 PO 8 and hafnium-doped solid conductor.
9 to 11 are cross-sectional views showing a schematic configuration of an all-solid-state battery according to an embodiment.

이하에서 일구현예들에 따른 고체 전도체, 그 제조방법, 상기 고체 전도체를 포함하는 고체 전해질 및 전기화학소자에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a solid conductor according to exemplary embodiments, a method of manufacturing the same, a solid electrolyte including the solid conductor, and an electrochemical device will be described in more detail.

하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합물을 포함하는 고체 전도체가 제공된다.A solid conductor including a compound represented by the following formula (1), a compound represented by formula (2), or a combination thereof is provided.

<화학식 1><Formula 1>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8-zXz Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8-z X z

화학식 1 중, M은 산화수 4+를 갖는 원소이며,In Formula 1, M is an element having an oxidation number 4+,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며, 0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,

<화학식 2><Formula 2>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8·zLiXLi 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8 zLiX

화학식 2 중, M은 산화수 +4를 갖는 원소이며,In Formula 2, M is an element having oxidation number +4,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.

상기 화학식 1 및 2에서 0≤x<0.6, 0≤z<1이다. In Formulas 1 and 2, 0≦x<0.6 and 0≦z<1.

상기 화학식 1의 화합물에서 LiHfTaPO7F(M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우), LiHf2PO6Cl2M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 , 및 LiHf2PO6F2인 경우(M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우)는 제외된다.In the compound of Formula 1, LiHfTaPO 7 F (when M is Hf, X is F, x=1, y=O, z=1), LiHf 2 PO 6 Cl 2 M is Hf, X is Cl, x=2 , y=O, z=2, and LiHf 2 PO 6 F 2 (where M is Hf, X is F, x=2, y=O, z=2) is excluded.

상기 화학식 1 및 2에서 M은 산화수가 4+인 탄탈륨을 치환하는 원소로서 M의 배위수(coordination number)는 6이다.In Formulas 1 and 2, M is an element that replaces tantalum having an oxidation number of 4+, and the coordination number of M is 6.

상기 화학식 1 및 2에서 N은 배위수가 예를 들어 4일 수 있다.In Formulas 1 and 2, N may have a coordination number of 4, for example.

상기 화학식 1의 화합물은 화학식 1에서 X가 산소의 일부 자리를 치환한 타입을 갖고 화학식 2의 화합물은 LiX(예를 들어 LiCl 또는 LiF)이 Li1+x+yTa2-xMxP1-yNyO8에 첨가제 형태로 부가된 복합체 형태를 갖는다.The compound of Formula 1 has a type in which X in Formula 1 replaces some sites of oxygen, and in the compound of Formula 2, LiX (eg LiCl or LiF) is Li 1+x+y Ta 2-x M x P 1 -y N y O 8 has the form of a complex added as an additive.

본 명세서에서 "화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합물" 은 화학식 1로 표시되는 화합물 단독, 화학식 2로 표시되는 화합물 단독, 화학식 1로 표시되는 화합물과 화학식 2로 표시되는 화합물의 혼합물, 화학식 1로 표시되는 화합물과 화학식 2로 표시되는 화합물의 복합체 등을 나타낸다.In the present specification, "a compound represented by Formula 1, a compound represented by Formula 2, or a combination thereof" refers to a compound represented by Formula 1 alone, a compound represented by Formula 2 alone, a compound represented by Formula 1 and a compound represented by Formula 2 A mixture of a compound represented by Formula 1 and a compound represented by Formula 2 are represented.

본 명세서에서 "슈도할로겐(pseudohalogen)"은 자유 상태(free state)에서 할로겐(halogens)과 닮은 2개 이상의 전기음성도를 갖는 원자(electronegative atoms)들로 구성된 분자로서, 할라이드 이온(halide ions)과 유사한 음이온(anions)을 발생시킨다. 슈도할로겐의 예로는 시안화물(cyanide)(CN), 시아네이트(cyanate)(OCN), 티오시아네이트(thiocyanate)(SCN), 아자이드 (azide)(N3) 또는 그 조합물이다.In the present specification, "pseudohalogen" is a molecule composed of two or more electronegative atoms resembling halogens in a free state, and halide ions and It generates similar anions. Examples of pseudohalogens are cyanide (CN), cyanate (OCN), thiocyanate (SCN), azide (N 3 ), or combinations thereof.

상기 화학식 1 및 2에서 M은 예를 들어 M은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 망간(Mn), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 또는 그 조합물이다.In Formulas 1 and 2, M is, for example, hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti), germanium (Ge), tin (Sn), iridium (Ir), rhodium (Rh), manganese ( Mn), osmium (Os), ruthenium (Ru), platinum (Pt), or combinations thereof.

그리고 화학식 1 및 2에서 x는 예를 들어 0보다 크고 0.5 이하, 예를 들어 0보다 크고 0.5 미만, 예를 들어 0.025 이상, 0.1 미만, 예를 들어 0.05 내지 0.1이다. And in Formulas 1 and 2, x is, for example, greater than 0 and less than 0.5, for example greater than 0 and less than 0.5, such as greater than or equal to 0.025, less than 0.1, such as from 0.05 to 0.1.

상기 화학식 1에서 N은 산화수가 4+인 인(P)을 치환하는 원소로서 예를 들어 실리콘(Si), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 망간(Mn), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 그 조합물이다. 여기에서 실리콘(Si), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 및 니오븀(Nb)은 산화수 5+이며, 셀레늄(Se)은 산화수 6+ 일 수 있다. 그리고 화학식 1에서 y는 0이거나 또는 0보다 크고 0.5 이하, 예를 들어 0.1 내지 0.5, 예를 들어 0.1 내지 0.2일 수 있다.In Formula 1, N is an element that replaces phosphorus (P) having an oxidation number of 4+, for example, silicon (Si), tin (Sn), titanium (Ti), germanium (Ge), selenium (Se), palladium ( Pd), rhodium (Rh), cobalt (Co), molybdenum (Mo), chromium (Cr), ruthenium (Ru), nickel (Ni), manganese (Mn), vanadium (V), niobium (Nb), or a combination thereof It's water. Here, silicon (Si), tin (Sn), titanium (Ti), germanium (Ge), and niobium (Nb) may have an oxide number of 5+, and selenium (Se) may have an oxide number of 6+. And in Formula 1, y may be 0 or greater than 0 and 0.5 or less, for example 0.1 to 0.5, for example 0.1 to 0.2.

상기 화학식 1 및 2에서 X는 산소의 자리를 일부 치환하며, 예를 들어 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 시안화물(cyanide)(CN), 시아네이트(cyanate)(OCN), 티오시아네이트(thiocyanate)(SCN), 아자이드 (azide)(N3) 또는 그 조합물이다. 화학식 1 및 2에서 z은 0이거나 또는 0보다 크고 0.9 이하, 예를 들어 0.01 내지 0.5, 예를 들어 0.01 내지 0.25, 예를 들어 0.05 내지 0.15이다. In Formulas 1 and 2, X partially replaces the position of oxygen. For example, chlorine (Cl), bromine (Br), fluorine (F), cyanide (CN), cyanate (OCN) ), thiocyanate (SCN), azide (N 3 ), or a combination thereof. In Formulas 1 and 2, z is 0 or greater than 0 and 0.9 or less, for example 0.01 to 0.5, for example 0.01 to 0.25, for example 0.05 to 0.15.

본 명세서에서 “산화수”는 평균 산화수를 의미할 수 있다.In the present specification, "oxidation number" may mean an average oxidation number.

리튬 포스페이트계 리튬이온 전도체로서 LiTa2PO8이 제안되었다. 그런데 이러한 리튬이온 전도체는 상온 이온 전도도 및 리튬 안정성이 만족할만한 수준에 이르지 못하여 이온 전도도 및 리튬 안정성이 개선된 화합물이 필요하다. LiTa 2 PO 8 has been proposed as a lithium phosphate-based lithium ion conductor. However, such lithium ion conductors do not have satisfactory levels of room temperature ionic conductivity and lithium stability, and thus a compound having improved ionic conductivity and lithium stability is required.

이에 본 발명자들은 LiTa2PO8의 탄탈륨(Ta) 팔면체 사이트(octahedral site)에 산화수 +4를 갖는 원소(M)를 도입하거나 인(P) 사면체 사이트(tetrahedral site)에 4+ 산화수를 갖고 배위수가 4인 원소를 도입하거나 또는 상기 +4의 산화수를 갖는 원소(M)와 4+의 산화수를 갖고 배위수가 4인 원소를 동시에 도입하여 상온에서 이온 전도도가 개선된 리튬 안정성이 개선된 고체 전도체를 제공한다. Accordingly, the present inventors introduced an element (M) having an oxidation number of +4 to the tantalum (Ta) octahedral site of LiTa 2 PO 8 or have a 4+ oxidation number to the tetrahedral site of phosphorus (P) and the coordination number Provides a solid conductor with improved lithium stability with improved ionic conductivity at room temperature by introducing an element of 4 or an element (M) having an oxidation number of +4 and an element having an oxidation number of 4+ and a coordination number of 4 at the same time. do.

상기 고체 전도체는 리튬이온 전도체일 수 있다.The solid conductor may be a lithium ion conductor.

또한, 상기 고체 전도체의 산소(0) 자리에 염소, 불소와 같은 할로겐 원자 또는 슈도할로겐(pseudohalogen)를 도입할 수 있다. 이와 같이 할로겐 원자 또는 슈도할로겐(pseudohalogen)이 도입된 고체 전도체를 고체 전해질 제조시 이용하면 리튬 금속 전극과 일구현예에 따른 고체 전도체를 함유한 고체 전해질 사이에 불소 등이 포함한 패씨브층(passive layer)이 형성되어 고체 전해질의 리튬 안정성이 개선되고 고체 전해질의 그레인 바운더리 영역에 LiF 또는 LiCl 존재하여 그레인 바운더리(grain boundary)에서의 Li 이온 전도도를 증가시킬 수 있다.In addition, a halogen atom such as chlorine or fluorine or a pseudohalogen may be introduced into the oxygen (0) site of the solid conductor. In this way, when a solid conductor into which a halogen atom or pseudohalogen is introduced is used in the manufacture of a solid electrolyte, a passive layer containing fluorine, etc., between the lithium metal electrode and the solid electrolyte containing the solid conductor according to an embodiment As a result, lithium stability of the solid electrolyte is improved, and LiF or LiCl is present in the grain boundary region of the solid electrolyte, thereby increasing the Li ion conductivity at the grain boundary.

일구현예에 따른 고체 전도체는 리튬이온 전도체이며, LiTa2PO8계로서 c2/c의 스페이스 그룹(space group)을 갖는 단사결정계(monoclinic) 또는 단사결정계 유사 구조를 갖고, 2개의 [MO6] 팔면체(octahedral)와 1개의 [PO4] 사면체(tetrahedral)가 코너 공유(corner sharing)을 하는 구조를 갖는다.The solid conductor according to an embodiment is a lithium ion conductor, and has a monoclinic or monoclinic-like structure having a space group of c2/c as LiTa 2 PO 8 system, and has two [MO6] octahedrons (octahedral) and one [PO4] tetrahedral have a structure in which corner sharing is performed.

일구현예에 따른 고체 전도체는 벌크 이온 전도도 및 총 이온 전도도 특성이 LiTa2PO8에 비하여 개선된다.The solid conductor according to an embodiment has improved bulk ionic conductivity and total ionic conductivity characteristics compared to LiTa 2 PO 8 .

상기 고체 전도체는 전기적으로 중성을 나타낼 수 있다. 고체 전도체의 전기 중성도를 맞추기 위하여 Li+ 빈자리(vacancy)가 도입될 수 있다. 이때 도입된 빈자리(vacancy)가 Li+이 호핑(hoping)가능한 사이트(site)가 되어 Li 이동에 필요한 활성화에너지를 감소시킬 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 예를 들어 하기 화학식 3 또는 4로 표시되는 화합물일 수 있다.The solid conductor may be electrically neutral. To match the electrical neutrality of a solid conductor, Li + vacancy is Can be introduced. At this time, the introduced vacancy becomes a site in which Li + is capable of hopping, so that activation energy required for Li migration can be reduced. The compound represented by Formula 1 may be, for example, a compound represented by Formula 3 or 4 below.

<화학식 3><Formula 3>

Li1+x+y-zTa2-xHfxP1-ySiyO8-zXz Li 1+x+yz Ta 2-x Hf x P 1-y Si y O 8-z X z

화학식 3 중, X는 할로겐 원자 또는 슈도할로겐이며,In Formula 3, X is a halogen atom or a pseudohalogen,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며, 0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,

<화학식 4><Formula 4>

Li1+x+y-zTa2-xZrxP1-ySiyO8-zXz Li 1+x+yz Ta 2-x Zr x P 1-y Si y O 8-z X z

화학식 4 중, X는 할로겐 원자 또는 슈도할로겐이며,In Formula 4, X is a halogen atom or a pseudohalogen,

0≤x≤2, 0≤y<1,0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.0≤x≤2, 0≤y<1,0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.

화학식 3 및 화학식 4에서 0≤x<0.6, 0≤y<1,0≤z<1이다.In Chemical Formulas 3 and 4, 0≦x<0.6 and 0≦y<1,0≦z<1.

상기 화학식 3 및 4에서 x는 예를 들어 0보다 크고 0.5 이하, 예를 들어 0보다 크고 0.5 미만, 예를 들어 0.1 이상, 0.5 미만, 예를 들어 0.1 내지 0.2이다. In Formulas 3 and 4, x is, for example, greater than 0 and less than 0.5, for example greater than 0 and less than 0.5, such as 0.1 or more, less than 0.5, such as 0.1 to 0.2.

y는 0이거나 또는 0보다 크고 0.5 이하, 예를 들어 0.1 내지 0.5, 예를 들어 0.1 내지 0.2일 수 있다. 그리고 z은 0보다 크고 0.9 이하, 예를 들어 0.01 내지 0.8, 예를 들어 0.01 내지 0.7, 예를 들어 0.01 내지 0.6, 예를 들어 0.01 내지 0.5, 예를 들어 0.01 내지 0.2, 예를 들어 0.05 내지 0.15이다. y may be 0 or greater than 0 and less than or equal to 0.5, such as 0.1 to 0.5, such as 0.1 to 0.2. And z is greater than 0 and not more than 0.9, for example 0.01 to 0.8, for example 0.01 to 0.7, for example 0.01 to 0.6, for example 0.01 to 0.5, for example 0.01 to 0.2, for example 0.05 to 0.15. to be.

화학식 3 및 4에서 z은 0이거나 또는 0보다 크고 0.9 이하, 예를 들어 0.01 내지 0.8, 예를 들어 0.01 내지 0.7, 예를 들어 0.01 내지 0.6, 예를 들어 0.01 내지 0.5, 예를 들어 0.01 내지 0.2, 예를 들어 0.05 내지 0.15이다. In formulas 3 and 4, z is 0 or greater than 0 and 0.9 or less, for example 0.01 to 0.8, for example 0.01 to 0.7, for example 0.01 to 0.6, for example 0.01 to 0.5, for example 0.01 to 0.2 , For example 0.05 to 0.15.

상기 화학식 3 및 4에서 하프늄 또는 지르코늄이 탄탈륨의 일부 자리를 치환하고 있다. 또한, [PO4] 사면체(tetrahedral) 내에 산화수가 5+인 P 대신에 4+인 Si를 도입하면 화합물의 전기 중성도를 맞추기 위하여 과잉(Excess) Li+이 도입되고, 이동 가능한 Li+의 양이 증가함으로써 리튬이온 전도도가 상승할 수 있다. In Formulas 3 and 4, hafnium or zirconium replaces some positions of tantalum. In addition, [PO4] When the oxidation number in a tetrahedron (tetrahedral) introducing a 4 + a Si in place of 5 + P-excess (Excess) Li + to match the electrical neutral view of the compound is introduced, the amount of movable Li + By increasing the lithium ion conductivity may increase.

산소의 일부 자리를 음이온 X가 치환하면 F 등이 포함된 패씨브층(passive layer)이 생겨서 리튬 안정성을 향상시킬 수 있고, 그레인 바운더리(grain boundary) 영역에 LiF 또는 LiCl 존재하여 그레인 바운더리(grain boundary)에서의 Li 이온 전도도를 증가시킬 수 있다. When anion X replaces some sites of oxygen, a passive layer containing F, etc., can be formed to improve lithium stability, and LiF or LiCl is present in the grain boundary region, resulting in grain boundary It is possible to increase the Li ion conductivity in

상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 예를 들어 하기 화학식 5 또는 6으로 표시되는 화합물이다. The compound represented by Formula 2 is, for example, a compound represented by Formula 5 or 6.

<화학식 5><Formula 5>

Li1+x+y-zTa2-xHfxP1-ySiyO8·zLiXLi 1+x+yz Ta 2-x Hf x P 1-y Si y O 8 zLiX

화학식 5 중, X는 할로겐 원자이며,In Formula 5, X is a halogen atom,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며, 0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,

<화학식 6><Formula 6>

Li1+x+y-zTa2-xZrxP1-ySiyO8·zLiXLi 1+x+yz Ta 2-x Zr x P 1-y Si y O 8 zLiX

화학식 5 중, X는 할로겐 원자이며,In Formula 5, X is a halogen atom,

0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.

화학식 5 및 6에서 0≤x<0.6, 0≤z<1이다.In Formulas 5 and 6, 0≦x<0.6 and 0≦z<1.

상기 화학식 5 및 6에서 x는 예를 들어 0보다 크고 0.5 이하, 예를 들어 0.1 이상, 0.5 미만, 예를 들어 0.1 내지 0.2이다. In Chemical Formulas 5 and 6, x is, for example, greater than 0 and less than or equal to 0.5, such as greater than or equal to 0.1 and less than 0.5, for example, 0.1 to 0.2.

y는 0이거나 또는 0보다 크고 0.5 이하, 예를 들어 0.1 내지 0.5, 예를 들어 0.1 내지 0.2일 수 있다. 그리고 z은 0보다 크고 0.9 이하, 예를 들어 0.01 내지 0.8, 예를 들어 0.01 내지 0.7, 예를 들어 0.01 내지 0.6, 예를 들어 0.01 내지 0.5, 예를 들어 0.01 내지 0.2, 예를 들어 0.05 내지 0.15이다. y may be 0 or greater than 0 and less than or equal to 0.5, such as 0.1 to 0.5, such as 0.1 to 0.2. And z is greater than 0 and not more than 0.9, for example 0.01 to 0.8, for example 0.01 to 0.7, for example 0.01 to 0.6, for example 0.01 to 0.5, for example 0.01 to 0.2, for example 0.05 to 0.15. to be.

화학식 5 및 6에서 z은 0이거나 또는 0보다 크고 0.9 이하, 예를 들어 0.01 내지 0.8, 예를 들어 0.01 내지 0.7, 예를 들어 0.01 내지 0.6, 예를 들어 0.01 내지 0.5, 예를 들어 0.01 내지 0.2, 예를 들어 0.05 내지 0.15이다. In formulas 5 and 6, z is 0 or greater than 0 and 0.9 or less, for example 0.01 to 0.8, for example 0.01 to 0.7, for example 0.01 to 0.6, for example 0.01 to 0.5, for example 0.01 to 0.2 , For example 0.05 to 0.15.

일구현예에 따른 고체 전도체는 예를 들어 상기 화학식 5로 표시되는 화합물, 화학식 6로 표시되는 화합물 또는 그 조합물일 수 있다. The solid conductor according to an embodiment may be, for example, a compound represented by Formula 5, a compound represented by Formula 6, or a combination thereof.

일구현예에 따른 고체 전도체는 예를 들어 Li0.9Ta2PO7.9F0.1, Li0.9Ta2PO7.9Cl0.1, Li0.85Ta2PO7.85Cl0.15, Li0.85Ta2PO7.85F0.15, Li0.8Ta2PO7.85F0.2, Li0.8Ta2PO7.8Cl0.2, Li1.025Hf0.025Ta1.975PO8, Li1.05Hf0.05Ta1.95PO8, Li1.1Hf0.1Ta1.9PO8, Li1.25Hf0.25Ta1.75PO8, Li1.125Hf0.125Ta1.875PO8, Li1.375Hf0.375Ta1.625PO8, Li1.125Zr0.125Ta1.875PO8, Li1.25Zr0.25Ta1.75PO8, Li1.375Zr0.375Ta1.625PO8, Li1.025Zr0.025Ta1.975PO8, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO8, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO8, Li0.9Hf0.05Ta1.95PO7.85F0.15, Li0.9Hf0.05Ta1.95PO7.85Cl0.15, Li0.8Hf0.05Ta1.95PO7.75F0.25, Li0.8Hf0.05Ta1.95PO7.75Cl0.25, Li0.875Hf0.025Ta1.975PO7.85F0.15, Li0.875Hf0.025Ta1.975PO7.85Cl0.15, Li0.775Hf0.025Ta1.975PO7.75F0.25,, Li0.775Hf0.025Ta1.975PO7.75Cl0.25, Li0.95Hf0.1Ta1.9PO7.85Cl0.15, Li0.85Hf0.1Ta1.9PO7.75F0.25, Li0.85Hf0.1Ta1.9PO7.75Cl0.25, Li1.1Hf0.25Ta1.75PO7.85Cl0.15, Li1Hf0.25Ta1.75PO7.75F0.25, Li1Hf0.25Ta1.75PO7.75Cl0.25, Li0.975Hf0.125Ta1.875PO7.85Cl0.15, Li0.875Hf0.125Ta1.875PO7.75F0.25, Li0.875Hf0.125Ta1.875PO7.75Cl0.25, Li1.225Hf0.375Ta1.625PO7.85Cl0.15, Li1.125Hf0.375Ta1.625PO7.75F0.25, Li1.125Hf0.375Ta1.625PO7.75Cl0.25, Li0.975Zr0.125Ta1.875PO7.85Cl0.15, Li0.875Zr0.125Ta1.875PO7.75F0.25, Li0.875Zr0.125Ta1.875PO7.75Cl0.25, Li1.1Zr0.25Ta1.75PO7.85Cl0.15, Li1Zr0.25Ta1.75PO7.75F0.25, Li1Zr0.25Ta1.75PO7.75Cl0.25, Li1.225Zr0.375Ta1.625PO7.85Cl0.15, Li1.125Zr0.375Ta1.625PO7.75F0.25, Li1.125Zr0.375Ta1.625PO7.75Cl0.25, Li0.875Zr0.025Ta1.975PO7.85Cl0.15, Li0.775Zr0.025Ta1.975PO7.75F0.25, Li0.775Zr0.025Ta1.975PO7.75Cl0.25, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO8, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO7.85Cl0.15, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO7.75F0.25, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO7.75Cl0.25, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO8, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO7.85Cl0.15, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO7.75F0.25, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO7.75Cl0.25; Li0.975Ta2PO7.975F0.025, Li0.95Ta2PO7.95Cl0.05, Li0.975Ta2PO7.975Cl0.025, Li0.95Ta2PO7.95Cl0.05, Li1.05Ta1.975Hf0.025P0.975Si0.025O8, Li1.2Ta1.9Hf0.1P0.9Si0.1O8, Li1.5Hf0.5Ta1.5PO8, Li0.875Ta2PO7.875F0.125, Li0.75Ta2PO7.75F0.25, Li0.625Ta2PO7.625F0.375, Li0.5Ta2PO7.5F0.5, Li0.375Ta2PO7.375F0.625, Li0.25Ta2PO7.25F0.75, 또는 그 조합물을 들 수 있다.The solid conductor according to an embodiment is, for example, Li 0.9 Ta 2 PO 7.9 F 0.1 , Li 0.9 Ta 2 PO 7.9 Cl 0.1 , Li 0.85 Ta 2 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.85 Ta 2 PO 7.85 F 0.15 , Li 0.8 Ta 2 PO 7.85 F 0.2 , Li 0.8 Ta 2 PO 7.8 Cl 0.2 , Li 1.025 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 8 , Li 1.05 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 8 , Li 1.1 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 8 , Li 1.25 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 8 , Li 1.125 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 8 , Li 1.375 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 8 , Li 1.125 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 8 , Li 1.25 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 8 , Li 1.375 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 8 , Li 1.025 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 8 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 8 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 8 , Li 0.9 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.85 F 0.15 , Li 0.9 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.8 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 F 0.25, Li 0.8 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.875 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.85 F 0.15 , Li 0.875 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.775 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 F 0.25 ,, Li 0.775 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.95 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.85 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.85 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.1 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 F 0.25 , Li 1 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.975 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.875 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.875 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.225 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.125 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 F 0.25, Li 1.125 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.975 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.875 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.875 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.1 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 F 0.25 , Li 1 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.225 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.125 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 F 0.25 , Li 1.125 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.875 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.775 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.775 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 8 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 F 0.25 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 8 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 F 0.25 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 Cl 0.25 ; Li 0.975 Ta 2 PO 7.975 F 0.025 , Li 0.95 Ta 2 PO 7.95 Cl 0.05 , Li 0.975 Ta 2 PO 7.975 Cl 0.025 , Li 0.95 Ta 2 PO 7.95 Cl 0.05 , Li 1.05 Ta 1.975 Hf 0.025 P 0.975 Si 0.025 O 8 , Li 1.2 Ta 1.9 Hf 0.1 P 0.9 Si 0.1 O 8 , Li 1.5 Hf 0.5 Ta 1.5 PO 8 , Li 0.875 Ta 2 PO 7.875 F 0.125 , Li 0.75 Ta 2 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.625 Ta 2 PO 7.625 F 0.375 , Li 0.5 Ta 2 PO 7.5 F 0.5 , Li 0.375 Ta 2 PO 7.375 F 0.625 , Li 0.25 Ta 2 PO 7.25 F 0.75 , or a combination thereof.

일구현예에 따른 고체 전도체는 이온전도도의 등방성이 개선된다. The solid conductor according to an embodiment improves the isotropy of ionic conductivity.

일반적인 리튬이온 전도체는 z축 방향이 x축 및 y축 방향에 비하여 이온 전도가 매우 빠르게 일어난다(c(z축)>>b(y축) & a(x축)). In general lithium ion conductors, ion conduction occurs very quickly in the z-axis direction compared to the x-axis and y-axis directions (c (z-axis) >> b (y-axis) & a (x-axis)).

그러나 일구현예에 따른 고체 전도체에서는 일반적인 리튬이온 전도체에서 c(z축)으로만 빠르던 이온전도 경로 및 이온 전도도가 c(z축)>b(y축)>a(x축) 수준으로 이방성이 완화되어 즉 이방성이 감소 또는 완화되어 이온전도도의 등방성이 개선될 수 있다. However, in the solid conductor according to an embodiment, the ion conduction path and ion conductivity that was fast only in c (z-axis) in general lithium ion conductors are anisotropic at the level of c (z-axis)> b (y-axis)> a (x-axis). This is alleviated, that is, the anisotropy is reduced or alleviated, so that the isotropy of the ion conductivity can be improved.

본 명세서에서 “이온전도도의 등방성”은 리튬이온의 확산 경로가 c(z축) 방향, b(y축) 방향 및 a(x축) 방향 순으로 감소되어 이들 차이가 감소되어 이온 전도도의 이방성이 감소된다. 즉 이온전도도의 등방성이 개선되는 것을 의미한다.In the present specification, "isotropy of ion conductivity" means that the diffusion path of lithium ions is reduced in the order of c (z-axis), b (y-axis), and a (x-axis), so that these differences are reduced, so that the anisotropy of ionic conductivity is reduced. Is reduced. That is, it means that the isotropy of ionic conductivity is improved.

일구현예에 따른 고체 전도체가 이온전도도의 등방성이 개선되는 것은 고체 전도체에 도펀트 도입 전과 후, Li 이온 확산에 의한 확산계수(diffusivity)(D, 단위: cm2/S)와 평균제곱변위 MSD(mean-square displacements)를 양자계산 (Nudged Elastic Band (NEB) calculating) 방법에 의하여 각각 계산한 결과로부터 뒷받침될 수 있다. 이 계산결과에 의하면, 일구현예에 따른 고체 전도체는 확산경로(diffusion path)의 이방성이 감소(a, b 축으로 리튬 이동도 증가)하여 전체적으로 이온전도도 값이 증가하는 결과를 보여주며, 이로부터 일구현예에 따른 고체 전도체가 등방성의 이온전도도 특성을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.The isotropy of the ionic conductivity of the solid conductor according to an embodiment is improved before and after the introduction of the dopant into the solid conductor, the diffusion coefficient (D, unit: cm 2 /S) and the mean square displacement MSD ( Mean-square displacements) can be supported from the results of each calculation by means of a Nudged Elastic Band (NEB) calculating method. According to this calculation result, the solid conductor according to an embodiment shows the result that the anisotropy of the diffusion path decreases (the lithium mobility increases in the a and b axis) and the ionic conductivity value increases as a whole. It can be seen that the solid conductor according to an embodiment exhibits isotropic ionic conductivity characteristics.

일구현예에 따른 고체 전도체는 상술한 바와 같이 c2/c의 스페이스 그룹(space group)을 갖는 단사결정계(monoclinic) 또는 단사결정계 유사 구조를 갖는다. X선 회절 분광법에 의하면 일구현예에 따른 고체 전도체는 X선 회절 분석에서 정해지는 회절각 2θ가 17.5°±0.5°, 24.8°±0.5°, 24.9°±0.5°, 25.4°±0.5°, 및 27.8°±0.5°, 예를 들어 17.5°±0.2°, 24.8°±0.2°, 24.9°±0.2°, 25.4°±0.2°, 및/또는 27.8°±0.2°에서 피크가 나타난다.The solid conductor according to an embodiment has a monoclinic or monoclinic-like structure having a space group of c2/c as described above. According to X-ray diffraction spectroscopy, the solid conductor according to an embodiment has a diffraction angle 2θ of 17.5°±0.5°, 24.8°±0.5°, 24.9°±0.5°, 25.4°±0.5°, and Peaks appear at 27.8°±0.5°, for example 17.5°±0.2°, 24.8°±0.2°, 24.9°±0.2°, 25.4°±0.2°, and/or 27.8°±0.2°.

화학식 2에서 LiCl와 같이 LiX를 함유한 고체 전도체는 LiCl와 같은 LiX를 함유하지 않은 고체 전도체(화학식 1에서 z=0)의 X선 회절 피크 대비 시프트(shift)된 X선 회절 피크 특성을 나타낼 수 있다. 이와 같이 X선 회절 피크 특성이 시프트된 것으로부터 LiX의 X가 산소의 일부 자리를 치환한다는 것을 알 수 있다.In Formula 2, a solid conductor containing LiX such as LiCl may exhibit a shifted X-ray diffraction peak characteristic compared to the X-ray diffraction peak of a solid conductor (z=0 in Formula 1) that does not contain LiX such as LiCl. have. From the shift in the X-ray diffraction peak characteristic as described above, it can be seen that X in LiX replaces some sites of oxygen.

하기 31P-핵자기공명(NMR) 스펙트럼으로부터 하프늄과 같은 산화수 +4 원소가 결정구조내에 도입된 것을 확인할 수 있다.From the following 31 P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum, it can be confirmed that an oxide number +4 element such as hafnium was introduced into the crystal structure.

일구현예에 따른 화학식 1의 고체 전도체에 대한 31P-핵자기공명(NMR) 스펙트럼에서 주피크(main peak)가 화학적 이동이 -6 내지 -14ppm 범위에서 나타나고 상기 주피크(main peak)의 반가폭(Full Width at Half-Maximum; FWHM)이 2 내지 6ppm, 또는 2 내지 3ppm이다. 여기에서 주피크는 세기가 최대인 피크를 의미하며 반가폭은 상기 주피크의 최대 피크 세기의 1/2 위치에서의 피크 폭을 수치화한 것이다. In the 31 P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum of the solid conductor of Formula 1 according to an embodiment, the chemical shift of the main peak appears in the range of -6 to -14 ppm, and the half value of the main peak The width (Full Width at Half-Maximum; FWHM) is 2 to 6 ppm, or 2 to 3 ppm. Here, the main peak means a peak having the largest intensity, and the half width is a numerical value of the peak width at a position of 1/2 of the maximum peak intensity of the main peak.

상기 고체 전도체에 대한 31P-핵자기 공명(NMR) 스펙트럼에서 부피크가 화학적 이동이 -15 내지 -22ppm에서 나타난다. 부피크는 상기 주피크에 비하여 세기가 작은 피크를 말한다.In the 31 P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum for the solid conductor, the bulk chemical shift appears at -15 to -22 ppm. Bulk refers to a peak having a smaller intensity than the main peak.

일구현예에 따른 고체 전도체는 상온(25℃)에서의 이온전도도(ionic conductivity)가 1ⅹ10-2 mS/cm 이상, 예를 들어 1.8×10-1 S/cm 이상, 예를 들어 2.8×10-1 S/cm 이상, 예를 들어 5.4×10-1 S/cm 이상, 예를 들어 6.6×10-1 S/cm 이상, 이상이다. 고체 전도체가 이러한 상온 높은 이온전도도를 가짐에 의하여 이러한 고체 전도체를 포함하는 전기화학전지의 내부 저항이 더욱 감소한다.A solid conductor according to the embodiment is, for ionic conductivity (ionic conductivity) is 1ⅹ10 -2 mS / cm or more, for example, 1.8 × 10 -1 S / cm or more, for example at room temperature (25 ℃) 2.8 × 10 - It is 1 S/cm or more, for example, 5.4×10 -1 S/cm or more, for example, 6.6×10 -1 S/cm or more, or more. Since the solid conductor has such a high ionic conductivity at room temperature, the internal resistance of the electrochemical cell including the solid conductor is further reduced.

상기 고체 전도체의 전자전도도는 1ⅹ10-5 mS/cm 이하, 예를 들어 1ⅹ10-6 mS/cm 이하를 갖는다. The electron conductivity of the solid conductor is 1x10 -5 mS/cm or less, for example, 1x10 -6 mS/cm or less.

일구현예에 의한 고체 전도체는 상술한 바와 같은 상온에서 높은 이온전도도 및 낮은 전자전도도를 갖기 때문에 고체 전해질로 매우 유용하다.The solid conductor according to an embodiment is very useful as a solid electrolyte because it has high ionic conductivity and low electronic conductivity at room temperature as described above.

일구현예에 따른 고체 전도체가 전극 첨가제로 이용되는 경우에는 고체 전해질로 이용되는 경우와 비교하여 전자전도도가 1ⅹ10-5 mS/cm보다 높은 값을 가질 수 있다. 상기 전극은 고전압 양극일 수 있다. 이와 같이 고체 전도체가 전극 첨가제로 이용되는 높은 전력밀도를 갖는 전지를 제조할 수 있다.When the solid conductor according to an embodiment is used as an electrode additive, the electronic conductivity may have a value higher than 1×10 -5 mS/cm compared to the case where the solid electrolyte is used. The electrode may be a high voltage anode. In this way, a battery having a high power density in which a solid conductor is used as an electrode additive can be manufactured.

일구현예에 따른 고체 전도체는 예를 들어 리튬 금속에 대하여 2.0 내지 4.6V에서 전기화학적으로 안정하다.The solid conductor according to an embodiment is electrochemically stable at 2.0 to 4.6 V for lithium metal, for example.

상기 고체 전도체의 활성화에너지는 0.42 eV/atom 미만, 예를 들어 0.37 eV/atom 미만, 예를 들어 0.29 내지 0.35 eV/atom이다.The activation energy of the solid conductor is less than 0.42 eV/atom, for example less than 0.37 eV/atom, for example 0.29 to 0.35 eV/atom.

상기 고체 전도체의 그레인 사이즈(grain size)는 5nm 내지 500㎛ 범위이다. 고체 전도체는 화학식 1에서 X를 포함하는 경우 그레인 사이즈가 감소될 수 있고 그레인-그레인간의 안정성이 개선되고 그레인간의 접착력이 향상된다. The grain size of the solid conductor is in the range of 5 nm to 500 μm. When the solid conductor contains X in Chemical Formula 1, the grain size may be reduced, the grain-grain stability is improved, and the adhesion between grains is improved.

일구현예에 따른 고체 전도체는 입자 상태로 존재할 수 있다. 입자의 평균 입경은 5nm 내지 500㎛, 예를 들어 100nm 내지 100㎛, 예를 들어 1㎛ 내지 50㎛이고, 비표면적은 0.01 내지 1000 m2/g, 예를 들어 0.5 내지 100m2/g이다.The solid conductor according to an embodiment may exist in a particle state. The average particle diameter of the particles is 5 nm to 500 μm, for example 100 nm to 100 μm, for example 1 μm to 50 μm, and the specific surface area is 0.01 to 1000 m 2 /g, for example 0.5 to 100 m 2 /g.

일구현예에 따른 고체 전도체의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.A method of manufacturing a solid conductor according to an embodiment will be described as follows.

일구현예에 따른 고체 전도체 형성용 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻고, 상기 전구체 혼합물에 대한 열처리를 실시한다. 상기 고체 전도체는 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합물이다.A precursor mixture is obtained by mixing the precursor for forming a solid conductor according to an embodiment, and heat treatment is performed on the precursor mixture. The solid conductor is a compound represented by Formula 1, a compound represented by Formula 2, or a combination thereof.

<화학식 1><Formula 1>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8-zXz Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8-z X z

화학식 1 중, M은 산화수 4+를 갖는 원소이며,In Formula 1, M is an element having an oxidation number 4+,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1,0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며, 0≤x≤2, 0≤y<1,0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,

<화학식 2><Formula 2>

Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8·zLiXLi 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8 zLiX

화학식 2 중, M은 산화수 +4를 갖는 원소이며,In Formula 2, M is an element having oxidation number +4,

N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,N is an element with oxidation number +4,

X는 할로겐 원자 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,X is a halogen atom pseudohalogen or a combination thereof,

0≤x≤2, 0≤y<1,0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.0≤x≤2, 0≤y<1,0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.

상기 화학식 1 및 화학식 2에서 x와 y가 모두 0인 경우, 상기 고체 전도체 형성용 전구체는 리튬 전구체, 인 전구체 및 X를 함유한 리튬전구체의 혼합물이다.When both x and y in Formulas 1 and 2 are 0, the precursor for forming a solid conductor is a mixture of a lithium precursor, a phosphorus precursor, and a lithium precursor containing X.

상기 화학식 1 및 화학식 2에서 x와 y가 모두 0이 아닌 경우, 상기 고체 전도체 형성용 전구체는 리튬 전구체, 탄탄륨 전구체, M 전구체, N 전구체, 인 전구체 및/또는 및 X를 함유한 리튬 전구체의 혼합물이다. When both x and y in Formula 1 and Formula 2 are not 0, the precursor for forming a solid conductor is a lithium precursor, a tantalum precursor, an M precursor, an N precursor, a phosphorus precursor, and/or a lithium precursor containing X. It is a mixture.

상기 화학식 1 및 2에서 x가 0인 경우, 상기 전구체에서 M 전구체는 사용되지 않고, y가 0인 경우에는 N 전구체가 사용되지 않고, z이 0인 경우에는 X를 함유한 리튬 전구체가 사용되지 않는다.In Formulas 1 and 2, when x is 0, the M precursor is not used in the precursor, when y is 0, the N precursor is not used, and when z is 0, the lithium precursor containing X is not used. Does not.

상기 전구체 혼합물에는 용매를 부가할 수 있다. 용매는 상기 리튬 전구체, 탄탄륨 전구체, M 전구체, N 전구체, P 전구체 및 X를 함유한 리튬 전구체를 용해 또는 분산할 수 있는 것이라면 모두 다 사용 가능하다. 용매는 예를 들어 아세톤, 에탄올, 물, 에틸렌글리콜, 이소프로판올, 또는 그 조합을 들 수 있다. 용매의 함량은 전구체 화합물의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 1,000 중량부, 예를 들어 100 내지 300 중량부 범위이다.A solvent may be added to the precursor mixture. Any solvent that can dissolve or disperse the lithium precursor, tantalum precursor, M precursor, N precursor, P precursor, and lithium precursor containing X may be used. Examples of the solvent include acetone, ethanol, water, ethylene glycol, isopropanol, or a combination thereof. The content of the solvent is in the range of 50 to 1,000 parts by weight, for example 100 to 300 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the precursor compound.

상기 혼합은 밀링, 블렌딩 및 스터링(stirring)과 같이 당해기술분야에 알려진 방법에 따라 실시할 수 있다. 밀링은 예를 들어 볼밀, 에어제트밀, 비드밀, 롤밀, 플래너터리밀 등을 이용할 수 있다.The mixing may be carried out according to methods known in the art, such as milling, blending and stirring. For milling, for example, a ball mill, air jet mill, bead mill, roll mill, planetary mill, or the like can be used.

상기 혼합물에 대한 열처리시 승온속도는 1℃/min 내지 10℃/min이며, 열처리 온도(T1)는 500℃ 내지 1200℃, 예를 들어 600℃ 내지 1000℃ 범위에서 실시한다. 상기 열처리 단계에서 승온속도가 상기 범위일 때 열처리가 충분하게 이루어질 수 있다.During heat treatment for the mixture, the heating rate is 1°C/min to 10°C/min, and the heat treatment temperature (T 1 ) is in the range of 500°C to 1200°C, for example 600°C to 1000°C. When the heating rate in the heat treatment step is within the above range, the heat treatment may be sufficiently performed.

상기 열처리는 산화성 가스 분위기하에서 실시할 수 있다. 산화성 가스 분위기는 예를 들어 공기 또는 산소를 이용하여 만든다. 그리고 열처리시간은 열처리온도 등에 따라 달라지며, 예를 들어 1 내지 20시간, 예를 들어 1 내지 10시간, 예를 들어 2 내지 8시간 범위이다.The heat treatment may be performed in an oxidizing gas atmosphere. An oxidizing gas atmosphere is created using, for example, air or oxygen. And the heat treatment time varies depending on the heat treatment temperature and the like, and ranges from 1 to 20 hours, for example 1 to 10 hours, for example 2 to 8 hours.

상기 열처리는 제1단계 열처리 및 상기 제1열처리보다 높은 온도에서 실시되는 제2단계 열처리를 포함하는 2단계로 실시될 수 있다. 상기 제1열처리는 500 내지 1000℃, 또는 600 내지 1000℃에서 실시되며, 상기 제2열처리는 600 내지 1200℃ 또는 1100℃에서 실시된다. 열처리가 이와 같이 2단계로 실시되면 고밀도의 고체 전도체를 얻을 수 있다.The heat treatment may be performed in two stages including a first stage heat treatment and a second stage heat treatment performed at a higher temperature than the first heat treatment. The first heat treatment is performed at 500 to 1000°C, or 600 to 1000°C, and the second heat treatment is performed at 600 to 1200°C or 1100°C. If the heat treatment is carried out in two steps as described above, a high-density solid conductor can be obtained.

제1단계 열처리를 실시한 후 제2단계 열처리를 실시하기 이전에 열처리 생성물을 밀링하는 과정을 더 실시할 수 있다. 여기에서 밀링은 예를 들어 플래네터리 밀링 또는 핸드밀링을 실시할 수 있다. 이와 같이 밀링을 더 실시하여 열처리된 생성물의 입자 사이즈를 제어할 수 있다. 밀링을 실시하여 열처리된 생성물의 입자 사이즈는 예를 들어 1㎛ 이하로 제어될 수 있다. 이와 같이 입자 사이즈를 제어하면 최종적으로 얻어진 밀도가 개선된 고체 전도체를 얻을 수 있다.A process of milling the heat treatment product may be further performed after performing the first heat treatment and before performing the second heat treatment. Here, the milling may be carried out, for example, planetary milling or hand milling. In this way, further milling may be performed to control the particle size of the heat-treated product. The particle size of the heat-treated product by milling may be controlled to be 1 μm or less, for example. By controlling the particle size in this way, it is possible to obtain a solid conductor with improved density finally obtained.

본 명세서에서 “입자 사이즈”는 입자가 구형인 경우에는 평균 입자 직경을 나타내며 입자가 구형이 아닌 경우에는 입자 사이즈는 장축 길이를 나타낼 수 있다. In the present specification, “particle size” indicates the average particle diameter when the particles are spherical, and when the particles are not spherical, the particle size may indicate the major axis length.

상기 리튬 전구체는 예를 들어 산화리튬, 탄산리튬, 염화리튬, 황화리튬, 질산리튬, 인산리튬, 수산화리튬 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. The lithium precursor may be at least one selected from lithium oxide, lithium carbonate, lithium chloride, lithium sulfide, lithium nitrate, lithium phosphate, and lithium hydroxide.

상기 탄탈륨 전구체는 예를 들어 수산화탄탈륨, 탄산탄탈륨, 염화탄탈륨, 황산탄탈륨, 질산탄탈륨 및 산화탄탈륨 중에서 선택된 하나 이상이다. The tantalum precursor is, for example, at least one selected from tantalum hydroxide, tantalum carbonate, tantalum chloride, tantalum sulfate, tantalum nitrate and tantalum oxide.

상기 인 전구체는 예를 들어 (NH4)2HPO4, (NH4)H2PO4, Na2HPO4、Na3PO4 등이 있다.The phosphorus precursor is, for example, (NH 4 ) 2 HPO 4 , (NH 4 ) H 2 PO 4 , Na 2 HPO 4 , Na 3 PO 4, and the like.

상기 M 전구체는 예를 들어 M 함유 산화물, M 함유 카보네이트, M 함유 염화물, M 함유 포스페이트, M 함유 하이드록사이드, M 함유 질산염, M 함유 수산화물 또는 그 조합물이며, 예를 들어 산화하프늄, 염화하프늄, 황산하프늄, 산화지르코늄, 염화지르코늄, 황산지르코늄 등이 있다. The M precursor is, for example, an M-containing oxide, M-containing carbonate, M-containing chloride, M-containing phosphate, M-containing hydroxide, M-containing nitrate, M-containing hydroxide or a combination thereof, for example, hafnium oxide, hafnium chloride. , Hafnium sulfate, zirconium oxide, zirconium chloride, and zirconium sulfate.

N 전구체는 예를 들어 N 함유 산화물, N 함유 카보네이트, N 함유 염화물, N 함유 포스페이트, N 함유 하이드록사이드, N 함유 질산염 또는 그 조합물이며, 예를 들어 실리콘 옥사이드, 주석 옥사이드, 주석 클로라이드 등이 있다.N precursors are, for example, N-containing oxides, N-containing carbonates, N-containing chlorides, N-containing phosphates, N-containing hydroxides, N-containing nitrates or combinations thereof, for example, silicon oxide, tin oxide, tin chloride, etc. have.

상기 X 함유 전구체로는 LiCl, LiF, LiBr 등이 있다.Examples of the X-containing precursor include LiCl, LiF, and LiBr.

상술한 각 전구체의 함량은 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합물을 함유하는 고체 전도체가 얻어질 수 있도록 화학양론적으로 제어된다.The content of each precursor described above is stoichiometrically controlled so that a solid conductor containing a compound represented by Formula 1, a compound represented by Formula 2, or a combination thereof can be obtained.

이어서, 열처리된 생성물을 분쇄하여 성형체를 얻는다. 성형체는 예를 들어 분말 입자이다. 분쇄하여 얻어진 성형체(분말 입자)의 크기는 10 μm 이하이다. 분쇄된 입자 크기가 상기 범위일 때 입자 크기가 작아서 분쇄 및 혼합이 충분하게 수행될 수 있다. 본 명세서에서 "크기"는 입자가 구형인 경우에는 평균 입자 직경을 나타내고 비구형인 경우에는 장축 길이를 의미할 수 있다. 크기는 전자주사현미경이나 입자 크기 분석기를 이용하여 측정할 수 있다.Subsequently, the heat-treated product is pulverized to obtain a molded body. The shaped body is, for example, powder particles. The size of the molded article (powder particles) obtained by grinding is 10 μm or less. When the pulverized particle size is within the above range, the pulverization and mixing can be sufficiently performed because the particle size is small. In the present specification, "size" may mean the average particle diameter when the particles are spherical, and may mean the long axis length when the particles are non-spherical. The size can be measured using a scanning electron microscope or particle size analyzer.

이어서 상기 성형체에 대한 열처리를 실시한다. 열처리시 승온속도는 1℃/min 내지 10℃/min이다. 열처리는 600℃ 내지 1100℃, 600 내지 1000℃, 또는 1000℃ 내지 1100℃에서 실시할 수 있다. 성형체에 대한 열처리 온도(T2)는 상기 성형체를 얻기 이전의 열처리온도(T1)에 비하여 높은 온도에서 실시한다. Subsequently, heat treatment is performed on the molded body. During heat treatment, the rate of temperature rise is 1°C/min to 10°C/min. The heat treatment may be performed at 600°C to 1100°C, 600 to 1000°C, or 1000°C to 1100°C. The heat treatment temperature (T 2 ) for the molded body is performed at a higher temperature than the heat treatment temperature (T 1 ) before obtaining the molded body.

일구현예에 의하면 성형체를 열처리하는 단계 이전에 상술한 바와 같이 성형체를 가압하여 펠렛 형태로 만들 수 있다. 상술한 바와 같이 펠렛 형태로 열처리를 실시하면 열처리할 물질의 확산거리가 짧아져 목적하는 고체 전도체를 용이하게 제조할 수 있다. According to an embodiment, prior to the heat treatment of the molded body, the molded body may be pressed to form a pellet as described above. As described above, when heat treatment is performed in the form of pellets, the diffusion distance of the material to be heat treated is shortened, so that the desired solid conductor can be easily manufactured.

성형체의 열처리는 예를 들어 산화성 가스 분위기, 환원성 가스 분위기, 또는 불활성 가스 분위기하에서 실시할 수 있다. 산화성 가스 분위기는 예를 들어 공기 또는 산소를 이용하여 만들고 환원성 가스 분위기는 수소와 같은 환원성 기체와 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스 분위기를 이용하여 만들 수 있다. The heat treatment of the molded body can be carried out, for example, in an oxidizing gas atmosphere, a reducing gas atmosphere, or an inert gas atmosphere. The oxidizing gas atmosphere can be made using, for example, air or oxygen, and the reducing gas atmosphere can be made using a reducing gas such as hydrogen and an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, and helium.

성형체에 대한 열처리시간은 성형체에 대한 열처리온도(T2) 등에 따라 달라지며, 예를 들어 1 내지 50시간, 예를 들어 6 내지 48시간 범위이다.The heat treatment time for the molded body varies depending on the heat treatment temperature (T 2 ) for the molded body, and the like, and ranges from 1 to 50 hours, for example, 6 to 48 hours.

또한, 또 다른 측면에 따라 일구현예에 따른 고체 전도체를 포함하는 전기화학소자가 제공된다. 상기 전기화학소자는 예를 들어 전기화학전지, 축전지, 수퍼커패시터, 연료전지, 센서, 및 변색 소자 중에서 선택된 하나이다.In addition, according to another aspect, an electrochemical device including a solid conductor according to an embodiment is provided. The electrochemical device is, for example, one selected from an electrochemical cell, a storage battery, a supercapacitor, a fuel cell, a sensor, and a color change device.

또 다른 측면에 따라 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 일구현예에 따른 고체 전도체를 포함하는 고체 전해질을 함유한 전기화학전지가 제공된다. 상기 전기화학전지는 양극; 리튬을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 배치되며 일구현예에 따른 고체 전도체를 함유한 고체 전해질을 구비할 수 있다.In accordance with another aspect, there is provided an electrochemical cell containing a solid electrolyte including a positive electrode, a negative electrode, and a solid conductor according to an embodiment interposed therebetween. The electrochemical cell is a positive electrode; A negative electrode containing lithium; And a solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a solid conductor according to an embodiment.

상기 전기화학전지는 리튬이차전지, 리튬공기전지, 고체전지 등이다. 그리고 전기화학전지는 1차 전지, 2차 전지에 모두 사용 가능하며, 전기화학전지의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형, 뿔형 등이다. 일구현예에 따른 전기화학전지는 전기 자동차용 중대형 전지에도 적용 가능하다.The electrochemical battery is a lithium secondary battery, a lithium air battery, a solid battery, and the like. In addition, an electrochemical cell can be used for both a primary cell and a secondary cell, and the shape of the electrochemical cell is not particularly limited, and is, for example, a coin type, a button type, a sheet type, a stacked type, a cylinder type, a flat type, and a horn type. The electrochemical cell according to an embodiment can also be applied to medium and large-sized batteries for electric vehicles.

전기화학전지는 예를 들어 석출형 음극을 이용하는 전고체전지일 수 있다. 석출형 음극은 전기화학전지의 조립시에는 음극 활물질이 없는 무음극 코팅층을 갖지만, 전기화학전지의 충전후 리튬 금속과 같은 음극 재료가 석출되는 음극을 지칭한다.The electrochemical cell may be, for example, an all-solid cell using a precipitation-type negative electrode. The precipitation-type negative electrode refers to a negative electrode in which a negative electrode material such as lithium metal is deposited after charging of an electrochemical cell, although it has a non-anode coating layer without a negative electrode active material when assembling an electrochemical cell.

상기 고체 전해질이 전해질 보호막, 양극 보호막, 음극 보호막 또는 그 조합일 수 있다.The solid electrolyte may be an electrolyte protective film, a positive electrode protective film, a negative electrode protective film, or a combination thereof.

일구현예에 따른 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질을 적용하는 전지에서 양극 보호막으로 이용되어 황화물계 고체 전해질과 양극의 반응을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한 일구현예에 따른 고체 전해질은 양극 코팅 소재로 이용되어 양극 보호막으로 이용될 수 있다. 그리고 일구현예에 따른 고체 전해질은 산화안정전위가 3.5 V vs. Li/Li+ 이상, 예를 들어 4.6 내지 5.0 Vvs. Li/Li+로 높아 양극 전해질, 예를 들어 전고체 전지의 양극 전해질(catholyte)로 활용 가능하다.The solid electrolyte according to an embodiment may be used as a positive electrode protective film in a battery to which a sulfide-based solid electrolyte is applied, so that a reaction between the sulfide-based solid electrolyte and the positive electrode can be effectively reduced. In addition, the solid electrolyte according to an embodiment may be used as a positive electrode coating material and used as a positive electrode protective film. And the solid electrolyte according to an embodiment has an oxidation stability potential of 3.5 V vs. Li/Li+ or more, e.g. 4.6 to 5.0 V vs. It is high in Li/Li+ and can be used as a cathode electrolyte, for example, as a cathode electrolyte for all-solid-state batteries.

일구현예에 의하면, 전기화학전지는 전고체전지일 수 있다.According to one embodiment, the electrochemical cell may be an all-solid cell.

도 9를 참조하여, 제일구현예에 따른 전고체 이차 전지(1)의 구성에 대해 설명한다. 전고체전지(1)는 도 9와 같이, 양극(10), 음극(20) 및 일구현예에 따른 고체 전도체를 함유한 고체 전해질(30)을 구비할 수 있다.Referring to Fig. 9, a configuration of an all-solid secondary battery 1 according to the first embodiment will be described. The all-solid-state battery 1 may include a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a solid electrolyte 30 containing a solid conductor according to an embodiment, as shown in FIG. 9.

양극(10)은 양극 집전체(11) 및 양극 활물질층(12)을 포함할 수 있다. 양극 집전체(11)로는, 예를 들어, 인듐(In), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 리튬(Li) 또는 이들의 합금으로 이루어진 판(plate) 상체 또는 호일(foil) 상체 등을 사용할 수 있다. 양극 집전체(11)는 생략할 수도 있다.The positive electrode 10 may include a positive electrode current collector 11 and a positive electrode active material layer 12. As the positive electrode current collector 11, for example, indium (In), copper (Cu), magnesium (Mg), stainless steel, titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), A plate upper body or a foil upper body made of zinc (Zn), aluminum (Al), germanium (Ge), lithium (Li), or an alloy thereof may be used. The positive electrode current collector 11 may be omitted.

양극 활물질층(12)은 양극 활물질 및 고체 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 양극(10)에 포함된 고체 전해질은 고체 전해질(30)에 포함되는 고체 전해질과 유사한 것이거나 다를 수 있다. The positive active material layer 12 may include a positive active material and a solid electrolyte. In addition, the solid electrolyte included in the positive electrode 10 may be similar to or different from the solid electrolyte included in the solid electrolyte 30.

양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 양극 활물질이면 된다.The positive electrode active material may be any positive electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions.

예를 들어, 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(이하, LCO 라 칭함), 리튬 니켈 산화물(Lithium nickel oxide), 리튬 니켈 코발트 산화물(lithium nickel cobalt oxide), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(이하, NCA 라 칭함), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(이하, NCM이라 칭함), 리튬 망간 산화물(lithium manganate), 리튬 철 포스페이트(lithium iron phosphate), 황화니켈, 황화구리, 황화리튬, 산화철, 또는 산화 바나듐(vanadium oxide)을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 양극 활물질은 각각 단독으로 이용할 수 있으며, 또한 2종 이상을 조합하여 이용할 수도 있다.For example, the positive electrode active material is lithium cobalt oxide (hereinafter referred to as LCO), lithium nickel oxide, lithium nickel cobalt oxide, and lithium nickel cobalt aluminum oxide (hereinafter referred to as NCA). , Lithium nickel cobalt manganese oxide (hereinafter referred to as NCM), lithium manganate, lithium iron phosphate, nickel sulfide, copper sulfide, lithium sulfide, iron oxide, or vanadium oxide. It can be formed by using. Each of these positive electrode active materials may be used alone, or two or more types may be used in combination.

또한 양극 활물질은 예를 들어, LiNixCoyAlzO2 (NCA) (단, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 한편 x + y + z = 1) 또는 LiNixCoyMnzO2 (NCM) (단, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 한편 x + y + z = 1) 등의 삼원계 전이 금속 산화물의 리튬 염을 들 수 있다.In addition, the positive electrode active material is, for example, LiNi x Co y Al z O 2 (NCA) (however, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, while x + y + z = 1) or LiNi x Co y Mn z O 2 (NCM) (however, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, on the other hand x + y + z = 1) lithium of a ternary transition metal oxide such as Salt is mentioned.

양극 활물질은 피복층에 의해 덮여 있을 수도 있다. 여기서, 본 실시예의 피복층은 전고체 이차 전지의 양극 활물질의 피복층으로 공지된 것이라면 모두 다 사용될 수 있다. 피복층의 예로는, 예를 들어, Li2O-ZrO2 와 같은 리튬 이온 전도체 등을 들 수 있다.The positive electrode active material may be covered by a coating layer. Here, the coating layer of the present embodiment may be used as long as it is known as a coating layer of the positive electrode active material of an all-solid secondary battery. Examples of the coating layer include, for example, a lithium ion conductor such as Li 2 O-ZrO 2 .

또한, 양극 활물질이 NCA 또는 NCM와 같이 니켈(Ni)을 포함하는 화합물이면, 전고체 이차 전지(1)의 용량 밀도를 상승시킬 수있다. 따라서, 본 실시예에 따른 전고체 이차 전지(1)의 충전 상태에서의 장기 신뢰성 및 사이클(cycle) 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, if the positive electrode active material is a compound containing nickel (Ni) such as NCA or NCM, the capacity density of the all-solid secondary battery 1 can be increased. Accordingly, long-term reliability and cycle characteristics in a charged state of the all-solid secondary battery 1 according to the present embodiment can be improved.

여기서, 양극 활물질의 형상으로서는, 예를 들어, 타원, 구형 등의 입자 형상을 들 수 있다. 또한 양극 활물질의 입경은 특별히 제한되지 않고, 종래의 고체 이차 전지의 양극 활물질에 적용 가능한 범위이면 된다. 또한 양극(10)의 양극 활물질의 함량도 특별히 제한되지 않고, 종래의 고체 이차 전지의 양극에 적용 가능한 범위이면 된다.Here, as the shape of the positive electrode active material, for example, a particle shape such as an ellipse or a sphere may be mentioned. In addition, the particle diameter of the positive electrode active material is not particularly limited, and may be within a range applicable to the positive electrode active material of a conventional solid secondary battery. In addition, the content of the positive electrode active material of the positive electrode 10 is not particularly limited, and may be within a range applicable to the positive electrode of a conventional solid secondary battery.

또한, 양극(10)은 상술한 양극 활물질 및 고체 전해질뿐만 아니라, 예를 들면, 도전제, 바인더, 필러(filler), 분산제, 이온 전도성 보조제 등의 첨가제를 적절히 배합할 수도 있다.In addition, the positive electrode 10 may be appropriately mixed with additives such as a conductive agent, a binder, a filler, a dispersant, and an ion conductive auxiliary agent, as well as the above-described positive electrode active material and solid electrolyte.

양극(10)에 배합 가능한 도전제로서는, 예를 들면, 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 켓젠(Ketjen) 블랙, 탄소 섬유, 금속 분말 등을 들 수 있다. 또한 양극(10)에 배합 가능한 바인더로는, 예를 들면, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리 테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴, 폴리에틸렌 등을 들 수 있다. 또한 양극(10)에 배합 가능한 코팅제, 분산제, 이온 전도성 보조제 등으로는 일반적으로 고체 이차 전지의 전극에 사용되는 공지의 재료를 사용할 수 있다.Examples of the conductive agent that can be blended in the positive electrode 10 include graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, and metal powder. Further, examples of the binder that can be blended into the positive electrode 10 include styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyethylene. In addition, as a coating agent, a dispersant, an ion conductive auxiliary agent, etc. that can be blended into the positive electrode 10, a known material generally used for an electrode of a solid secondary battery may be used.

음극(20)은 음극 집전체(21) 및 무음극 코팅층(22)을 포함할 수 있다. 도 9에서는 무음극 코팅층(22)을 도시하고 있지만 일반적인 음극 활물질층일 수 있다.The negative electrode 20 may include a negative electrode current collector 21 and a non-cathode coating layer 22. 9 shows the non-cathode coating layer 22, but may be a general negative electrode active material layer.

무음극 코팅층(22)은, 예를 들어 실리콘 등과 같은 금속과 카본을 함유하고 있고 상기 금속과 카본 주위에 전도성 바인더가 배치된 구조를 가질 수 있다.The non-cathode coating layer 22 may contain, for example, a metal such as silicon and carbon, and may have a structure in which a conductive binder is disposed around the metal and carbon.

무음극 코팅층(22)의 두께는 1㎛ 내지 20㎛이다. 음극 집전체(21)은 리튬과 반응하지 않는, 즉, 합금 및 화합물을 모두 형성하지 않는 재료로 구성될 수 있다. 음극 집전체(21)를 구성하는 재료로서는, 예를 들면, 구리(Cu), 스테인리스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)을 들 수 있다. 음극 집전체(21)이 금속 중 1 종으로 구성되거나 또는 2 종 이상의 금속의 합금 또는 피복 재료로 구성될 수 있다. 음극 집전체(21)는, 예를 들면, 판상 또는 박상으로 형성할 수 있다.The thickness of the non-cathode coating layer 22 is 1 μm to 20 μm. The negative electrode current collector 21 may be made of a material that does not react with lithium, that is, does not form both an alloy and a compound. As a material constituting the negative electrode current collector 21, copper (Cu), stainless steel, titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) are exemplified. The negative electrode current collector 21 may be composed of one type of metal, or may be composed of an alloy or coating material of two or more types of metals. The negative electrode current collector 21 can be formed in a plate shape or a thin shape, for example.

여기서, 도 10에 나타난 바와 같이, 음극 집전체(21)의 표면에 박막(24)이 형성될 수 있다. 박막(24)은 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함할 수 있다. 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소로는, 예를 들면, 금, 은, 아연, 주석, 인듐, 규소, 알루미늄, 비스무스일 수 있다. 박막(24)은 이들 금속 중 1 종으로 구성되거나 또는 여러 종류의 합금으로 구성될 수 있다. 박막(24)이 존재함으로써, 도 11에 나타난 금속층(23)의 석출 형태가 더 평탄화될 수 있고, 전고체 이차 전지(1)의 특성이 더욱 향상될 수 있다.Here, as shown in FIG. 10, a thin film 24 may be formed on the surface of the negative electrode current collector 21. The thin film 24 may include an element capable of forming an alloy with lithium. An element capable of forming an alloy with lithium may be, for example, gold, silver, zinc, tin, indium, silicon, aluminum, and bismuth. The thin film 24 may be composed of one of these metals or may be composed of various types of alloys. By the presence of the thin film 24, the deposition pattern of the metal layer 23 shown in FIG. 11 can be further flattened, and the characteristics of the all-solid secondary battery 1 can be further improved.

여기서, 박막(24)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 1nm 내지 500nm 일 수 있다. 박막(24)의 두께가 상기 범위일 때 박막(24)에 의한 기능을 충분히 발휘하면서 음극에서 리튬의 석출량이 적절하여 전고체 이차 전지(1)의 특성이 우수하다. 박막(24)은, 예를 들면, 진공 증착법, 스퍼터링 법, 도금법 등에 의해 음극 집전체(21) 상에 형성될 수 있다.Here, the thickness of the thin film 24 is not particularly limited, but may be 1 nm to 500 nm. When the thickness of the thin film 24 is within the above range, the function of the thin film 24 is sufficiently exhibited and the amount of lithium precipitated from the negative electrode is appropriate, so that the characteristics of the all-solid secondary battery 1 are excellent. The thin film 24 may be formed on the negative electrode current collector 21 by, for example, a vacuum evaporation method, a sputtering method, a plating method, or the like.

무음극 코팅층(22)은 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하는 음극 활물질을 포함할 수 있다.The non-cathode coating layer 22 may include a negative active material forming an alloy or compound with lithium.

음극 활물질로는, 예를 들어, 비정질 탄소(amorphous carbon), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn) 등을 들 수 있다. 여기서, 비정질 탄소로는, 예를 들면, 카본블랙(carbon black)(CB), 아세틸렌블랙(acetylene black)(AB), 퍼니스블랙(furnace black)(FB), 케첸블랙(ketjen black)(KB), 그래핀(graphene) 등을 들 수 있다.As the negative active material, for example, amorphous carbon, gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), bismuth (Bi) , Tin (Sn), zinc (Zn), and the like. Here, as amorphous carbon, for example, carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), ketjen black (KB) , Graphene, and the like.

무음극 코팅층(22)은 이러한 음극 활물질들 중 1 종만 포함되거나 또는 2 종 이상의 음극 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무음극 코팅층(22)은 음극 활물질로 비정질 탄소만을 포함하거나 또는, 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 중 1 종 이상을 포함할 수도 있다. 또한, 무음극 코팅층(22)은 비정질 탄소와 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1 종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 비정질 탄소와 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1 종 이상의 혼합물에서 비정질 탄소와 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1 종 이상의 혼합중량비는, 예컨대, 10: 1 내지 1: 2일 수 있다. 음극 활물질을 이러한 물질로 구성함으로써, 전고체 이차 전지(1)의 특성이 더욱 향상될 수 있다.The non-cathode coating layer 22 may include only one of these negative active materials or two or more negative active materials. For example, the non-cathode coating layer 22 contains only amorphous carbon as a negative electrode active material, or contains at least one selected from the group consisting of gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, and zinc. You may. In addition, the non-cathode coating layer 22 may include a mixture of amorphous carbon and at least one selected from the group consisting of gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, and zinc. Amorphous carbon and gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin in any one or more mixtures selected from the group consisting of amorphous carbon and gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin and zinc And the mixing weight ratio of any one or more selected from the group consisting of zinc may be, for example, 10: 1 to 1: 2. By constituting the negative active material of such a material, the characteristics of the all-solid secondary battery 1 may be further improved.

여기서, 음극 활물질로 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석 및 아연 중 1 종 이상을 사용하는 경우, 이러한 음극 활물질의 입자 크기(예컨대, 평균 입경)는 약 4㎛ 이하일 수 있다. 이 경우, 전고체 이차 전지(1)의 특성이 더욱 향상될 수 있다. 여기서, 음극 활물질의 입경은, 예를 들어, 레이저식 입자 분포 분석기를 사용하여 측정한 메디안(median) 직경(소위 D50)을 사용할 수 있다. 이하의 실시예, 비교예에서는 이 방법에 의해 입경을 측정했다. 입경의 하한은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 약 10nm일 수 있다.Here, when at least one of gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, and zinc is used as the negative active material, the particle size (eg, average particle diameter) of the negative active material may be about 4 μm or less. . In this case, the characteristics of the all-solid secondary battery 1 may be further improved. Here, as the particle diameter of the negative electrode active material, for example, a median diameter (so-called D50) measured using a laser particle distribution analyzer can be used. In the following examples and comparative examples, the particle diameter was measured by this method. The lower limit of the particle diameter is not particularly limited, but may be, for example, about 10 nm.

또한, 음극 활물질은 비정질 탄소로 형성된 제1 파티클(particles) 및 금속 또는 반도체로 형성된 제2 파티클(particles)의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기, 금속 또는 반도체는, 예를 들어, 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석, 아연 등을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제2 파티클의 함량은 상기 혼합물의 총중량을 기준으로 약 8 내지 60 중량 %, 예를 들어 약 10 내지 50 중량 %이다. 이 경우, 전고체 이차 전지(1)의 특성이 더욱 향상될 수 있다.In addition, the negative active material may include a mixture of first particles formed of amorphous carbon and second particles formed of metal or semiconductor. The metal or semiconductor may include, for example, gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, zinc, and the like. Here, the content of the second particles is about 8 to 60% by weight, for example, about 10 to 50% by weight based on the total weight of the mixture. In this case, the characteristics of the all-solid secondary battery 1 may be further improved.

무음극 코팅층(22)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 1㎛ ~ 20㎛ 정도일 수 있다. 무음극 코팅층(22)의 두께가 상기 범위일 때 전고체 이차 전지(1)의 특성이 충분히 개선된다. 앞서 언급한 바인더를 사용하면, 무음극 코팅층(22)의 두께를 적정 수준으로 용이하게 확보할 수 있다.The thickness of the non-cathode coating layer 22 is not particularly limited, but may be about 1 μm to 20 μm. When the thickness of the non-cathode coating layer 22 is within the above range, the characteristics of the all-solid secondary battery 1 are sufficiently improved. When the aforementioned binder is used, the thickness of the non-cathode coating layer 22 can be easily secured to an appropriate level.

무음극 코팅층(22)에는 일반적인 고체전지에 사용되는 첨가제, 예를 들면, 필러, 분산제, 이온 도전제 등이 적절하게 배합되어 있을 수 있다.In the non-cathode coating layer 22, additives used in general solid batteries, for example, fillers, dispersants, ion conductive agents, and the like may be appropriately blended.

고체 전해질(30)은, 일반적인 고체 전해질을 사용한다.As the solid electrolyte 30, a general solid electrolyte is used.

고체 전해질은 예를 들어 황화물계 고체 전해질 재료로 구성될 수 있다. 황화물계 고체 전해질 재료로는, 예를 들면, Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiX (X는 할로겐 원소, 예를 들면 I, 또는 Cl), 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 (m, n은 양의 수, Z는 Ge, Zn 또는 Ga 중 하나), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LipMOq (p, q는 양의 수, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga In 중 하나) 등을 들 수 있다. 여기서, 황화물계 고체 전해질 재료는 출발 원료(예를 들어, Li2S, P2S5 등)을 용융 급냉법이나 기계적 밀링(mechanical milling) 법 등에 의해 처리하여 제작된다. 또한, 이러한 처리 후, 열처리를 수행할 수 있다. 고체 전해질은 비정질, 결정질, 또는 양자가 혼합된 상태일 수 있다.The solid electrolyte may be composed of, for example, a sulfide-based solid electrolyte material. As a sulfide-based solid electrolyte material, for example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiX (X is a halogen element, for example I, or Cl), 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 (m, n Is a positive number, Z is one of Ge, Zn or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li p MO q (p, q Is a positive number, M is one of P, Si, Ge, B, Al, and Ga In), and the like. Here, the sulfide-based solid electrolyte material is produced by treating a starting material (eg, Li 2 S, P 2 S 5, etc.) by a melt quenching method or a mechanical milling method. In addition, after such treatment, heat treatment may be performed. The solid electrolyte may be amorphous, crystalline, or a mixture of both.

또한, 황화물계 고체 전해질은 황(S), 인(P) 및 리튬(Li)을 포함하는 것을 이용할 수 있다. 예를 들어 Li2S-P2S5을 포함하는 재료를 이용할 수 있다. 여기서, 고체 전해질을 형성하는 황화물계 고체 전해질 재료로 Li2S-P2S5를 포함하는 것을 이용하는 경우, Li2S와 P2S5의 혼합 몰비는, 예를 들어, Li2S: P2S5 = 50:50 내지 90:10 정도의 범위로 선택될 수 있다. 또한 고체 전해질(30)은 바인더를 더 포함할 수도 있다. 고체 전해질(30)에 포함되는 바인더는, 예를 들면, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리 테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐 리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌 (polyethylene) 등을 들 수 있다. 고체 전해질(30)의 바인더는 양극 활물질층(12)과 무음극 코팅층(22)의 바인더와 동종이거나 또는 상이한 종류일 수 있다. In addition, the sulfide-based solid electrolyte may be one containing sulfur (S), phosphorus (P), and lithium (Li). For example, a material containing Li 2 SP 2 S 5 can be used. Here, in the case of using a material containing Li 2 SP 2 S 5 as a sulfide-based solid electrolyte material forming the solid electrolyte, the mixing molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is, for example, Li 2 S: P 2 S It may be selected in the range of 5 = 50:50 to 90:10. In addition, the solid electrolyte 30 may further include a binder. The binder included in the solid electrolyte 30 may include, for example, styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, and the like. The binder of the solid electrolyte 30 may be the same as or different from the binders of the positive electrode active material layer 12 and the non-cathode coating layer 22.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.It will be described in more detail through the following Examples and Comparative Examples. However, examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

리튬전구체인 LiOH, 탄탈륨 전구체인 Ta2O5, 하프늄 전구체인 HfO2 및 인 전구체인 (NH4)2HPO4을 표 1의 조성비에 맞추어 화학양론적 비율로 혼합하고 아세톤과, 지르코니아 볼을 포함하는 플래너터리밀(planenatary mill)을 사용하여 2시간 동안 분쇄 및 혼합하여 전구체 혼합물을 얻었다. 아세톤의 함량은 전구체 혼합물의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 약 100중량부이며, 전구체 혼합물 제조시 LiOH은 약 10 중량% 과잉으로 사용하여 전구체 혼합물의 후속 열처리 과정에서 리튬이 소실되는 것을 미리 보충하였다.LiOH as a lithium precursor, Ta 2 O 5 as a tantalum precursor, HfO 2 as a hafnium precursor, and (NH 4 ) 2 HPO 4 as a phosphorus precursor are mixed in a stoichiometric ratio according to the composition ratio in Table 1, and acetone and zirconia balls are included. The precursor mixture was obtained by grinding and mixing for 2 hours using a planetary mill. The content of acetone is about 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the precursor mixture, and LiOH was used in an excess of about 10% by weight when preparing the precursor mixture to compensate for the loss of lithium in the subsequent heat treatment process of the precursor mixture.

상기 전구체 혼합물을 약 5℃/min의 승온속도로 600℃로 가열하고 이 온도에서 공기 분위기하에서 8시간 동안 1차 열처리를 실시하였다.The precursor mixture was heated to 600° C. at a heating rate of about 5° C./min, and a first heat treatment was performed at this temperature in an air atmosphere for 8 hours.

상기 과정에 따라 1차 열처리된 결과물을 10분 동안 플래너터리 밀링을 실시하였다.Planetary milling was performed on the resultant first heat treated according to the above process for 10 minutes.

상기 결과물을 약 5℃/min의 승온속도로 1000℃로 가열하고 이 온도에서 공기 분위기하에서 8시간 동안 2차 열처리를 실시하여 하기 표 1의 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 얻었다. The resultant product was heated to 1000° C. at a heating rate of about 5° C./min, and secondary heat treatment was performed at this temperature in an air atmosphere for 8 hours to obtain a solid conductor powder having the composition shown in Table 1 below.

실시예 2-4 및 8Examples 2-4 and 8

하프늄 전구체인 HfO2의 함량을 표 1의 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 얻을 수 있도록 화학양론적인 비율로 제어한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 고체 전도체 분말을 제조하였다.A solid conductor powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content of the hafnium precursor HfO 2 was controlled at a stoichiometric ratio so as to obtain a solid conductor powder having the composition of Table 1.

실시예 5 및 7Examples 5 and 7

전구체 혼합물 제조시 리튬 플루오라이드(LiF)를 더 부가한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 표 1에 나타난 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 제조하였다. 실시예 5 및 7에서 리튬 플루오라이드의 함량은 표 1의 조성비에 맞추어 화학양론적 비율로 제어하였다.A solid conductor powder having the composition shown in Table 1 was prepared in the same manner as in Example 2, except that lithium fluoride (LiF) was further added when preparing the precursor mixture. In Examples 5 and 7, the content of lithium fluoride was controlled in a stoichiometric ratio according to the composition ratio in Table 1.

실시예 6Example 6

전구체 혼합물 제조시 리튬 클로라이드(LiCl)를 더 부가한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 표 1에 나타난 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 제조하였다. 실시예 6에서 리튬 클로라이드의 함량은 표 1의 조성비에 맞추어 화학양론적 비율로 제어하였다.A solid conductor powder having the composition shown in Table 1 was prepared in the same manner as in Example 2, except that lithium chloride (LiCl) was further added when preparing the precursor mixture. In Example 6, the content of lithium chloride was controlled in a stoichiometric ratio according to the composition ratio in Table 1.

실시예 9, 11, 12Examples 9, 11, 12

전구체 혼합물 제조시 하프늄 전구체를 사용하지 않고 하기 표 1에 나타난 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 얻을 수 있도록 각 전구체의 함량을 화학양론적인 비율로 제어한 것을 제외하고는, 실시예 7과 동일하게 실시하였다.When preparing the precursor mixture, it was carried out in the same manner as in Example 7, except that the content of each precursor was controlled in a stoichiometric ratio to obtain a solid conductor powder having the composition shown in Table 1 below without using a hafnium precursor.

실시예 10, 13-16Examples 10, 13-16

전구체 혼합물 제조시 하프늄 전구체를 사용하지 않고 하기 표 1에 나타난 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 얻을 수 있도록 각 전구체의 함량을 화학양론적인 비율로 제어한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일하게 실시하였다.When preparing the precursor mixture, it was carried out in the same manner as in Example 6, except that the content of each precursor was controlled in a stoichiometric ratio so as to obtain a solid conductor powder having the composition shown in Table 1 below without using a hafnium precursor.

실시예 17-18Example 17-18

전구체 혼합물 제조시 실리콘 전구체인 SiO2를 더 사용하고 하기 표 1에 나타난 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 얻을 수 있도록 각 전구체를 사용하고 그 함량을 화학양론적인 비율로 제어한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실시하였다. Example 1, except that SiO 2 as a silicon precursor was further used when preparing the precursor mixture, and each precursor was used so that a solid conductor powder having the composition shown in Table 1 was obtained, and the content was controlled in a stoichiometric ratio. It was carried out in the same way as.

실시예 8, 19-29Examples 8, 19-29

하기 표 2에 나타난 조성을 갖는 고체 전도체 분말을 얻을 수 있도록 각 전구체를 사용하고 그 함량을 화학양론적인 비율로 제어하고 하기 공정을 따라 실시하였다. Each precursor was used to obtain a solid conductor powder having a composition shown in Table 2 below, and the content was controlled in a stoichiometric ratio, and the following process was followed.

전구체로서 LiOH (Sigma Aldrich), Ta2O5 (Alfa-Aesar, 순도 98% 이상), HfO2 (Sigma Aldrich) 또는 ZrO2 (Sigma Aldrich), (NH4)H2PO4(Sigma Aldrich) 및 LiF (Alfa-Aesar)를 사용하였다.As a precursor, LiOH (Sigma Aldrich), Ta 2 O 5 (Alfa-Aesar, purity 98% or more), HfO 2 (Sigma Aldrich) or ZrO 2 (Sigma Aldrich), (NH 4 )H 2 PO 4 (Sigma Aldrich) and LiF (Alfa-Aesar) was used.

전구체 분말을 45 ml의 지르코니아 용기에서 화학양론적 비율로 혼합한 후, 무수 아세톤과 함께 SPEX8000을 사용하여 고에너지 기계적 밀링(high-energy mechanical milling)을 수행하였다. 볼 밀링된 분말을 600℃ 및 1000℃에서 8 시간 동안 예비열처리한 다음, 이를 압축하여 12mm 직경의 펠렛을 얻었다. 상기 펠렛은 마더 파우더로 덮어 리튬 손실을 방지한 다음, 1100℃에서 12 시간 동안 열처리하였다. The precursor powder was mixed in a stoichiometric ratio in a 45 ml zirconia container, and then high-energy mechanical milling was performed using SPEX8000 with anhydrous acetone. The ball milled powder was preheated at 600° C. and 1000° C. for 8 hours, and then compressed to obtain pellets having a diameter of 12 mm. The pellet was covered with mother powder to prevent lithium loss, and then heat-treated at 1100° C. for 12 hours.

비교예 1Comparative Example 1

전구체 혼합물 제조시 하프늄 전구체인 HfO2를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 표 1의 조성을 갖는 고체 전도체를 제조하였다.A solid conductor having the composition of Table 1 was prepared by following the same method as in Example 1, except that HfO 2 as a hafnium precursor was not used when preparing the precursor mixture.

비교예 2 및 4Comparative Examples 2 and 4

리튬전구체인 LiOH, 탄탈륨 전구체인 Ta2O5, 하프늄 전구체인 (HfO2) 및 인전구체인 ((NH4)2HPO4)을 표 1의 조성비에 맞추어 화학양론적 비율로 혼합하고 전구체 혼합물 제조시 리튬 플루오라이드를 더 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 표 1의 조성을 갖는 고체 전도체를 제조하였다. 리튬 플루오라이드의 함량은 표 1의 조성비에 맞추어 화학양론적 비율로 제어하였다.LiOH as a lithium precursor, Ta 2 O 5 as a tantalum precursor, (HfO 2 ) as a hafnium precursor, and ((NH 4 ) 2 HPO 4 as a phosphorus precursor) were mixed in a stoichiometric ratio according to the composition ratio in Table 1, and a precursor mixture was prepared. Except for further use of lithium fluoride, a solid conductor having the composition shown in Table 1 was prepared in the same manner as in Example 1. The content of lithium fluoride was controlled in a stoichiometric ratio according to the composition ratio in Table 1.

비교예 3Comparative Example 3

리튬전구체인 LiOH, 하프늄 전구체인 HfO2 및 인전구체인 (NH4)2HPO4을 표 1의 조성비에 맞추어 화학양론적 비율로 혼합하고 전구체 혼합물 제조시 리튬 클로라이드를 더 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 표 1의 조성을 갖는 고체 전도체를 제조하였다. 리튬 클로라이드의 함량은 표 1의 조성비에 맞추어 화학양론적 비율로 제어하였다.LiOH as a lithium precursor, HfO 2 as a hafnium precursor, and (NH 4 ) 2 HPO 4 as a phosphorus precursor were mixed in a stoichiometric ratio according to the composition ratio in Table 1, except that lithium chloride was further used when preparing the precursor mixture. A solid conductor having the composition shown in Table 1 was manufactured according to the same method as in Example 1. The content of lithium chloride was controlled in a stoichiometric ratio according to the composition ratio in Table 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

평가예 1: X선 회절 분석(X-ray diffraction: XRD)Evaluation Example 1: X-ray diffraction analysis (X-ray diffraction: XRD)

실시예 2-6, 실시예 11 및 비교예 1-2에 따른 고체 전도체에 대한 XRD 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 도 1a 및 도 1b에 나타내었다. 도 1b는 도 1a에서 일부 영역을 확대하여 나타낸 것이다. XRD 스펙트럼 측정에 Cu Kα 방사선(radiation) (λ= 1.5406Å)을 사용하였다. X선 회절 분석은 Bruker사의 D8 Advance을 이용하여 실시하였다.XRD spectra were measured for the solid conductors according to Examples 2-6, 11, and 1-2, and the results are shown in FIGS. 1A and 1B. FIG. 1B is an enlarged view of a partial area in FIG. 1A. Cu Kα radiation (λ=1.5406Å) was used for XRD spectrum measurement. X-ray diffraction analysis was performed using Bruker's D8 Advance.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 실시예 2 내지 6 및 실시예 11의 고체 전도체는 비교예 1의 고체 전도체(LiTa2PO8)과 동일한 XRD 피크 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이로부터 실시예 2 내지 6 및 실시예 11의 고체 전도체는 비교예 1의 고체 전도체와 비교하여 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는다는 것을 알 수 있었다. Referring to FIGS. 1A and 1B, it was found that the solid conductors of Examples 2 to 6 and 11 exhibit the same XRD peak characteristics as the solid conductor of Comparative Example 1 (LiTa 2 PO 8 ). From this, it was found that the solid conductors of Examples 2 to 6 and 11 had substantially the same crystal structure compared to the solid conductor of Comparative Example 1.

또한 도 1b에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 고체 전도체는 회절각 2Θ가 약 25.4°에서 피크(피크 A)가 관찰되었다. 그리고 하프늄이 치환된 고체 전도체(실시예 2-4의 고체 전도체)의 경우 비교예 1의 고체 전도체와 비교하여 피크 A가 쉬프트된 결과를 나타내며 불소 또는 염소와 하프늄이 치환된 실시예 5-6, 및 11의 고체 전도체는 피크 A가 쉬프트된 결과를 보여주었다. In addition, as shown in FIG. 1B, in the solid conductor of Comparative Example 1, a peak (peak A) was observed at a diffraction angle of about 25.4°. And in the case of the hafnium-substituted solid conductor (the solid conductor of Example 2-4), the peak A was shifted compared to the solid conductor of Comparative Example 1, and Example 5-6, in which fluorine or chlorine and hafnium were substituted, And the solid conductor of 11 showed the result of shifting the peak A.

이를 보다 상세하게 설명하면 도 1b에 나타난 바와 같이, 실시예 11의 고체 전도체는 피크 A가 25.43°에서 나타나 비교예 1의 고체 전도체의 피크 A(회절각 2Θ: 약 25.4°)와 비교하여 0.03°로 오른쪽으로 쉬프트되었다. 그리고 실시예 5의 고체 전도체는 피크 A가 25.42°에서 나타나 비교예 1의 고체 전도체의 피크 A(회절각 2Θ: 약 25.4°)와 비교하여 0.02°로 오른쪽으로 쉬프트되었다. 또한 실시예 6의 고체 전도체는 피크 A가 25.45°에서 나타나 비교예 1의 고체 전도체의 피크 A(회절각 2Θ: 약 25.4°)와 비교하여 0.05°로 오른쪽으로 쉬프트되었다. 이와 같이 하프늄과, 불소 또는 염소가 치환된 고체 전도체는 비교예 1의 고체 전도체와 비교하여 피크 A가 0.02 내지 0.05°쉬프트된 결과를 나타냈다. In more detail, as shown in FIG. 1B, in the solid conductor of Example 11, the peak A appears at 25.43°, compared to the peak A of the solid conductor of Comparative Example 1 (diffraction angle 2Θ: about 25.4°). Shifted to the right. In addition, in the solid conductor of Example 5, peak A appeared at 25.42° and was shifted to the right by 0.02° compared to the peak A of the solid conductor of Comparative Example 1 (diffraction angle 2Θ: about 25.4°). In addition, in the solid conductor of Example 6, peak A appeared at 25.45°, and compared to the peak A of the solid conductor of Comparative Example 1 (diffraction angle 2Θ: about 25.4°), it was shifted to the right by 0.05°. As described above, the solid conductor substituted with hafnium and fluorine or chlorine showed a result in which peak A was shifted by 0.02 to 0.05° compared to the solid conductor of Comparative Example 1.

또한 실시예 2의 고체 전도체의 (221) 면간거리는 비교예 1의 고체 전도체와 비교하여 약 0.007Å 만큼 감소한 결과를 나타냈다. 상기 고체 전도체의 (221) 면간거리는 2theta가 25.4°인 피크로부터 파악 가능하다.In addition, the (221) interplanar distance of the solid conductor of Example 2 was reduced by about 0.007 Å compared to the solid conductor of Comparative Example 1. The (221) interplanar distance of the solid conductor can be determined from the peak at 2theta of 25.4°.

실시예 1 내지 18 및 비교예 1-2의 고체 전도체에 대한 XRD 분석을 실시한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The results of XRD analysis on the solid conductors of Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1-2 are shown in Table 3 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 16의 고체 전도체는 비교예 1의 고체 전도체와 비교하여 실질적으로 동일한 결정구조를 갖는다는 알 수 있었다. 또한 실시예 4, 17, 18의 고체 전도체는 LiTa2PO8 이외에 패로브스카이트상인 LiTaO3을 갖는다. 이와 같이 패로브스카이트상을 가지면 고체 전도체의 리튬 안정성이 더 개선될 수 있다.As shown in Table 3, it was found that the solid conductors of Examples 1 to 16 had substantially the same crystal structure compared to the solid conductors of Comparative Example 1. In addition, the solid conductors of Examples 4, 17, and 18 have a perovskite phase of LiTaO 3 in addition to LiTa 2 PO 8 . In this way, having a parovskite phase can further improve the lithium stability of the solid conductor.

또한 실시예 2, 실시예 3, 실시예 8, 비교예 1의 고체 전도체에 대한 XRD 분석을 실시하였다. 분석 결과는 도 1c에 나타난 바와 같다. In addition, XRD analysis of the solid conductors of Examples 2, 3, 8, and 1 was performed. The analysis results are as shown in FIG. 1C.

이를 참조하여 하프늄 양이 0.1 이상 증가하면 2O가 21 내지 25°인 범위에서 불순물이 관찰되었다.Referring to this, when the amount of hafnium increased by 0.1 or more, impurities were observed in the range of 21 to 25°.

평가예 2: 이온전도도 및 활성화에너지 측정Evaluation Example 2: Measurement of ion conductivity and activation energy

실시예 1 내지 18, 비교예 1 및 비교예 2의 고체 전도체 분말을 6톤의 압력으로 5분동안 가압하여 펠렛화하여 각각의 고체 전도체 펠렛(두께: 약 500㎛)을 만들었다. 상기 과정에 따라 얻은 고체 전도체 펠렛 상부에 고체 전도체 펠렛과 동일한 조성을 갖는 마더 분말(mother powder)로 그 표면을 완전히 덮어 열처리 중에 휘발되는 리튬에 의하여 조성이 변화하는 것을 최소화하였고 이를 약 1100℃에서 12시간 동안 열처리를 실시하였다. 이어서 열처리된 펠렛의 양 면을 SiC 샌드 페이퍼(sand paper)를 이용하여 폴리싱(polishing)한 후에 펠렛 양 면에 블록킹 전극(blocking electrode으로 Au 전극을 MTI 스퍼터링 코터기(sputtering coater)를 이용하여 스퍼터링법에 의하여 증착하여 Au/고체 전도체 펠렛/Au 구조체를 제조하였다. The solid conductor powders of Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1 and 2 were pelletized by pressing for 5 minutes at a pressure of 6 tons to make each solid conductor pellet (thickness: about 500 μm). The surface of the solid conductor pellets obtained by the above process was completely covered with mother powder having the same composition as the solid conductor pellets to minimize the change in composition due to lithium volatilized during heat treatment. During the heat treatment was performed. Subsequently, after polishing both sides of the heat-treated pellet with SiC sand paper, sputtering the Au electrode as a blocking electrode on both sides of the pellet using an MTI sputtering coater. By depositing by the Au / solid conductor pellet / Au structure was prepared.

상기 Au/고체 전도체 펠렛/Au 구조체에 대하여 전자 화학적 임피던스 분광법(EIS)을 이용하여 분석을 실시하였다. EIS 분석은 진폭(amplitude)은 약 10mV, 주파수(frequency)는 0.1 Hz에서 실시하였다. 임피던스 결과로부터 전체 저항(Rtotal)값을 구하고, 이 값으로부터 전극 면적과 펠렛 두께를 보정하여 전도도 값을 계산한다. 또한, EIS 측정 시, 각 고체 전도체 시료가 로딩(loading)된 챔버(chamber) 온도를 변화시켜 측정한 결과로부터 Li 이온 전도에 대한 활성화에너지(activation energy: Ea) 값을 계산하였다. 298~378K 의 구간에서 온도 별로 측정된 전도도 값으로부터 하기 식 1의 의 Arrhenius plot(Ln (σT) vs. 1/T)으로 변환하여 기울기 값으로부터 Ea를 계산할 수 있다. The Au/solid conductor pellet/Au structure was analyzed using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). EIS analysis was performed at about 10mV for amplitude and 0.1 Hz for frequency. The total resistance (R total ) value is calculated from the impedance result, and the electrode area and pellet thickness are corrected from this value to calculate the conductivity value. In addition, during the EIS measurement, an activation energy (Ea) value for Li ion conduction was calculated from the measurement result by changing the temperature of the chamber in which each solid conductor sample was loaded. Ea can be calculated from the slope value by converting the measured conductivity value for each temperature in the range of 298~378K to the Arrhenius plot (Ln (σT) vs. 1/T) of Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

σT = A exp(Ea/RT) σT = A exp(Ea/RT)

식 1중, Ea는 활성화에너지이고 T는 절대온도(absolute temperature)를 나타내고 A는 Pre-exponential factor를 나타내고, σ는 전도도를 나타내며, R은 기체 상수(Gas constant)를 나타낸다.In Equation 1, Ea is the activation energy, T is the absolute temperature, A is the pre-exponential factor, σ is the conductivity, and R is the gas constant.

상기 과정에 따라 얻은 활성화에너지 분석 결과 중 일부를 도 4a, 4b 및 하기 표 4에 나타내었다.Some of the activation energy analysis results obtained according to the above process are shown in FIGS. 4A and 4B and Table 4 below.

Figure pat00004
Figure pat00004

표 4에서 Li+, bulk는 리튬 이온 벌크 전도도, Li+, tot는 전체 리튬 이온 전도도를 나타낸다. In Table 4, Li + , bulk represents the lithium ion bulk conductivity, and Li + , tot represents the total lithium ion conductivity.

표 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 18의 고체 전도체는 비교예 1 내지 3의 경우와 비교하여 상온(25℃) 이온 전도도가 개선된다는 것을 알 수 있었다. 그리고 실시예 4 및 실시예 15의 고체 전도체는 비교예 1의 경우 대비 Li+,tot는 다소 낮지만, 실시예 4 및 실시예 15의 고체 전도체를 함유한 고체 전해질은 개선된 리튬 안정성을 갖는다.As shown in Table 4, it was found that the ionic conductivity of the solid conductors of Examples 1 to 18 was improved at room temperature (25° C.) compared to the cases of Comparative Examples 1 to 3. In addition, the solid conductors of Examples 4 and 15 have slightly lower Li + ,tot than the case of Comparative Example 1, but the solid electrolytes containing the solid conductors of Examples 4 and 15 have improved lithium stability.

또한 실시예 1 내지 6, 8 내지 18의 고체 전도체는 비교예 1 내지 3의 고체 전도체의 활성화에너지에 비하여 작은 수치 즉 0.42eV/atom을 나타냈다. 이와 같이 고체 전도체의 활성화에너지가 감소되면 저온에서 이온 전도도가 향상된 결과를 나타낸다. 또한 실시예 8 내지 10의 고체 전도체는 실시예 7의 고체 전도체와 유사한 이온 전도도 특성을 나타냈다.In addition, the solid conductors of Examples 1 to 6 and 8 to 18 exhibited a small value, that is, 0.42 eV/atom compared to the activation energy of the solid conductors of Comparative Examples 1 to 3. When the activation energy of the solid conductor is reduced in this way, the ionic conductivity is improved at low temperatures. In addition, the solid conductors of Examples 8 to 10 exhibited ionic conductivity properties similar to those of the solid conductors of Example 7.

또한 실시예 1 내지 3, 실시예 5 내지 8 및 비교예 1의 고체 전도체의 전도도를 평가하였다. 그 평가 결과는 하기 표 5와 같다. In addition, the conductivity of the solid conductors of Examples 1 to 3, Examples 5 to 8, and Comparative Example 1 was evaluated. The evaluation results are shown in Table 5 below.

전도도는 50 mV, 5 MHz ~ 1 Hz의 주파수 범위에서 Ac 전기 화학적 임피던스 분광법 Ac Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)을 사용하여 21℃에서 측정한다.Conductivity is measured at 21°C using Ac Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) in the frequency range of 50 mV, 5 MHz to 1 Hz.

구분division 고체 전도체의 조성The composition of solid conductors 벌크전도도
(Bulk conductivity) mS/cm
Bulk conductivity
(Bulk conductivity) mS/cm
총전도도
(Total conductivity)(mS/cm)
Total conductivity
(Total conductivity)(mS/cm)
밀도
(%)
density
(%)
비교예 1Comparative Example 1 LiTa2PO8 LiTa 2 PO 8 1.991.99 0.0130.013 97.397.3 실시예 8Example 8 Li1.125Hf0.125Ta1.875PO8 Li 1.125 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 8 1.091.09 0.250.25 92.392.3 실시예 7Example 7 Li0.8Hf0.05Ta1.95PO7.75F0.25 Li 0.8 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 F 0.25 -- 0.210.21 -- 실시예 5Example 5 Li0.9Hf0.05Ta1.95PO7.85F0.15 Li 0.9 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.85 F 0.15 -- 0.790.79 -- 실시예 3Example 3 Li1.1Hf0.1Ta1.9PO8 Li 1.1 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 8 1.321.32 0.300.30 94.694.6 실시예 2Example 2 Li1.05Hf0.05Ta1.95PO8 Li 1.05 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 8 1.721.72 0.430.43 91.491.4 실시예 1Example 1 Li1.025Hf0.025Ta1.975PO8 Li 1.025 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 8 1.541.54 0.6580.658 92.692.6

상기 표 5를 참조하여, 하프늄 도핑으로 총전도도(total conductivity)가 향상됨을 알 수 있었다. 총전도도가 가장 높은 것은 x = 0.025이고 총 전도도 값은 0.658mS/cm이다. 하프늄 도핑은 또한 활성화 에너지를 0.45eV (x=0)에서 0.29eV (x = 0.05)로 감소시킨다. 또한 불소 및 하프늄이 도핑된 고체 전도체의 임피던스 특성 및 전도도 특성을 평가하였고, 그 평가 결과를 각각 도 4c 및 도 4d에 나타내었다. Referring to Table 5, it was found that the total conductivity was improved by hafnium doping. The highest total conductivity is x = 0.025 and the total conductivity value is 0.658mS/cm. Hafnium doping also reduces the activation energy from 0.45 eV (x=0) to 0.29 eV (x=0.05). In addition, impedance characteristics and conductivity characteristics of the solid conductor doped with fluorine and hafnium were evaluated, and the evaluation results are shown in FIGS. 4C and 4D, respectively.

불소가 도핑된 고체 전도체는 도 4c에 나타난 바와 같이 하나의 반원이 관찰되었고, 이로부터 총전도도가 계산되었다.In the solid conductor doped with fluorine, one semicircle was observed as shown in FIG. 4C, and the total conductivity was calculated from this.

평가예 3: 활성화에너지 및 평균제곱변위 MSD(mean-square displacements) (계산치)Evaluation Example 3: Activation energy and mean-square displacements MSD (calculated value)

실시예 8, 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 4의 고체 전도체에 있어서, 도펀트 도입 전과 후, Li 이온 확산(diffusion)에 의한 확산계수(diffusivity)(D(단위: cm2/s)를 양자계산 (Nudged Elastic Band (NEB) calculating) 의하여 각각 계산하여 도 2a 내지 2d에 나타내었다.In the solid conductors of Example 8, Example 4, Comparative Example 1, and Comparative Example 4, the diffusion coefficient (diffusivity) (D (unit: cm 2 /s) by Li ion diffusion before and after the introduction of the dopant was determined) Each calculated by quantum calculation (Nudged Elastic Band (NEB) calculating) is shown in Figs. 2a to 2d.

실시예 4 및 실시예 8의 고체 전도체는 각각 도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이 도 2c의 비교예 1의 고체 전도체 및 도 2d의 비교예 4의 고체 전도체 대비 이온 전도도가 매우 증가된 결과를 나타냈다. 이러한 결과로부터 실시예 4 및 실시예 8의 고체 전도체는 비교예 1 및 2의 경우와 달리 이온전도 경로의 등방성이 증가된 것을 알 수 있었다.As shown in FIGS. 2A and 2B, the solid conductors of Examples 4 and 8 exhibited very increased ionic conductivity compared to the solid conductor of Comparative Example 1 of FIG. 2C and the solid conductor of Comparative Example 4 of FIG. 2D, respectively. . From these results, it can be seen that the solid conductors of Examples 4 and 8 have increased isotropy of the ion conduction path, unlike the cases of Comparative Examples 1 and 2.

또한 실시예 4 및 비교예 1의 고체 전도체에 있어서 도펀트(Dopant) 도입 전과 후, Li이온 확산(diffusion)에 의한 평균제곱변위 MSD(mean-square displacements)를 양자계산(Nudged Elastic Band (NEB) calculating) 방법에 의하여 각각 계산하여 도 3a 및 도 3b에 각각 나타내었다. 도 3a 내지 도 3c에서 a는 x축으로의 MSD를 나타내고, b는 y축으로의 MSD을 나타내고, c는 z 축으로의 MSD를 나타내고 overall은 MSD의 net 값을 나타낸다.In addition, in the solid conductors of Example 4 and Comparative Example 1, before and after the introduction of the dopant, the mean-square displacements MSD (mean-square displacements) due to Li ion diffusion were calculated by quantum calculation (Nudged Elastic Band (NEB)). ) Calculated by the method and shown in Figs. 3A and 3B, respectively. In FIGS. 3A to 3C, a represents MSD along the x-axis, b represents MSD along the y-axis, c represents MSD along the z-axis, and overall represents the net value of MSD.

실시예 4의 고체 전도체는 비교예 1의 경우와 비교하여 확산 경로의 이방성이 감소(a, b 축으로 이동도 증가)하여 전체적으로 이온전도도 값이 증가하는 결과를 얻었다. 이러한 결과로부터 실시예 4의 고체 전도체는 이온 전도 경로의 등방성이 증가하는 것을 알 수 있었다.Compared to the case of Comparative Example 1, the anisotropy of the diffusion path of the solid conductor of Example 4 decreased (mobility increased in the a and b axes), resulting in an overall increase in the ionic conductivity value. From these results, it was found that the solid conductor of Example 4 increased the isotropy of the ion conduction path.

도 3b 및 도 3a에는 도핑되지 않은 LiTa2PO8 및 Hf 도핑된 Li1.25Hf0.25Ta1.75PO8에서 (a [100]), b ([010]), c ([001]) 결정 격자 방향(crystal lattice direction)을 따라 Li-이온 확산에 대한 계산된 평균 제곱변위(calculated mean-square displacements)가 각각 나타나 있다. 이를 참조하여 Li-이온 확산은 주로 c-격자를 따라 제한되며, Hf 도펀트는 b- 축을 따라 리튬 확산을 향상시킬 수 있는 것으로 결정된다.3B and 3A show the crystal lattice direction (a [100]), b ([010]), c ([001]) in undoped LiTa 2 PO 8 and Hf doped Li 1.25 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 8 The calculated mean-square displacements for Li-ion diffusion along the crystal lattice direction are shown, respectively. With reference to this, it is determined that the Li-ion diffusion is mainly limited along the c-lattice, and the Hf dopant can enhance lithium diffusion along the b-axis.

평가예 4: 사이클로볼타메트리(cyclovoltammetry)Evaluation Example 4: Cyclovoltammetry

실시예 5 및 비교예 1의 고체 전도체 분말을 6톤의 압력으로 5분동안 가압하여 펠렛화하여 각각의 고체 전도체 펠렛(두께: 약 500㎛)을 만들었다. 상기 과정에 따라 얻은 고체 전도체 펠렛 상부에 고체 전도체 펠렛과 동일한 조성을 갖는 마더 분말(mother powder)로 그 표면을 완전히 덮어 열처리 중에 휘발되는 리튬에 의하여 조성이 변화하는 것을 최소화하였고 이를 약 1100℃에서 12시간 동안 열처리를 실시하였다. 이어서 열처리된 펠렛의 양 면을 SiC 샌드 페이퍼(sand paper)를 이용하여 폴리싱(polishing)하고 펠렛의 양 면에 Au 전극을 스퍼터링법에 의하여 증착하여 Au/고체 전도체 펠렛/Au 구조체를 제조하였다. 이 구조체에 대하여 1mV/s의 스캔속도(scan rate)로 3 사이클 스캔(cycle scan)하여 사이클로볼타메트리 분석을 실시하였다. 전압 2.0 내지 4.6V 범위에서 전류밀도를 측정하여 도 5에 나타내었다.The solid conductor powders of Example 5 and Comparative Example 1 were pelletized by pressing for 5 minutes at a pressure of 6 tons to prepare respective solid conductor pellets (thickness: about 500 μm). The top of the solid conductor pellet obtained by the above process was completely covered with mother powder having the same composition as the solid conductor pellet to minimize the change in composition due to lithium volatilized during heat treatment, and this was done at about 1100°C for 12 hours. During the heat treatment was performed. Subsequently, both sides of the heat-treated pellet were polished using SiC sand paper, and Au electrodes were deposited on both sides of the pellet by sputtering to prepare an Au/solid conductor pellet/Au structure. The structure was scanned for 3 cycles at a scan rate of 1 mV/s to perform cyclovoltametry analysis. The current density was measured in a voltage range of 2.0 to 4.6V and shown in FIG. 5.

도 5를 참조하여, 실시예 5의 고체 전도체는 4.6VLi/Li+ 까지 안정하다는 것을 알 수 있었다.5, it was found that the solid conductor of Example 5 was stable up to 4.6V Li/Li+ .

평가예 5: 리튬 안정성Evaluation Example 5: Lithium stability

실시예 9 및 비교예 1의 고체 전도체 분말을 6톤의 압력으로 5분동안 가압하여 펠렛화하여 각각의 고체 전도체 펠렛(두께: 약 500㎛)을 만들었다. 상기 과정에 따라 얻은 펠렛 상부에 고체 전도체 펠렛과 동일한 조성을 갖는 마더 분말(mother powder)로 그 표면을 완전히 덮어 열처리 중에 휘발되는 리튬에 의하여 조성이 변화하는 것을 최소화하였고 이를 약 1100℃에서 12시간 동안 공기 분위기하에서 열처리를 실시하였다. 이어서 열처리된 펠렛의 양 면을 SiC 샌드페이퍼(sand paper)를 이용하여 폴리싱(polishing)한 후에 펠렛의 양 면에 리튬 금속을 배치하고 이 결과물에 냉간정수압 성형(Cold Isostatic Press: CIP)을 실시하여 Li 대칭셀(symmetric cell)을 제조하였다. The solid conductor powders of Example 9 and Comparative Example 1 were pelletized by pressing at a pressure of 6 tons for 5 minutes to prepare respective solid conductor pellets (thickness: about 500 μm). The top of the pellet obtained by the above process was completely covered with mother powder having the same composition as the solid conductor pellet to minimize the composition change due to lithium volatilized during heat treatment, and this resulted in air at about 1100°C for 12 hours. Heat treatment was performed in an atmosphere. Subsequently, after polishing both sides of the heat-treated pellets using SiC sand paper, lithium metal is placed on both sides of the pellet, and cold isostatic press (CIP) is performed on the resultant product. A symmetric cell was prepared.

실시예 9의 고체 전도체를 이용한 리튬대칭셀과 비교예 1의 고체 전도체를 이용한 리튬대칭셀을 3일 동안 방치한 후의 상태 변화를 도 6a 및 도 6b에 나타내었다. 도 6a는 실시예 9의 고체 전도체를 이용한 리튬대칭셀에 대한 것이고 도 6b는 비교예 1의 고체 전도체를 이용한 리튬대칭셀에 대한 것이다. The state changes after the lithium symmetric cell using the solid conductor of Example 9 and the lithium symmetric cell using the solid conductor of Comparative Example 1 were left for 3 days are shown in FIGS. 6A and 6B. 6A is a lithium symmetric cell using the solid conductor of Example 9, and FIG. 6B is a lithium symmetric cell using the solid conductor of Comparative Example 1.

도 6a 및 도 6b에 나타난 바와 같이 실시예 9의 고체 전도체를 이용한 리튬대칭셀은 비교예 1의 고체 전도체를 이용한 리튬대칭셀과 비교하여 리튬의 변색 정도가 감소되는 것을 알 수 있었다. 이로부터 실시예 9의 고체 전도체는 비교예 1의 경우와 비교하여 리튬 안정성이 향상되는 것을 알 수 있었다.As shown in FIGS. 6A and 6B, it was found that the degree of discoloration of lithium was reduced in the lithium symmetric cell using the solid conductor of Example 9 compared to the lithium symmetric cell using the solid conductor of Comparative Example 1. From this, it was found that the solid conductor of Example 9 has improved lithium stability compared to the case of Comparative Example 1.

평가예 6: Evaluation Example 6: 3131 P-핵자기 공명(Nuclear Magnetic Resonance: NMR) 분석P-Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analysis

실시예 1, 2, 3, 8 및 비교예 1에 따라 얻은 고체 전도체에 대한 31P-NMR 분석을 실시하였다. 31P-NMR 분석은 202.4 MHz의 Larmor 주파수에서 Bruker Avance-III 500 분광계(spectrometer)를 이용하였다. 31P NMR 스펙트럼은 0 ppm에서 85 % H3PO4로 교정된다. 31 P-NMR analysis was performed on the solid conductors obtained according to Examples 1, 2, 3 and 8 and Comparative Example 1. 31 P-NMR analysis was performed using a Bruker Avance-III 500 spectrometer at a Larmor frequency of 202.4 MHz. The 31 P NMR spectrum is calibrated to 85% H 3 PO 4 at 0 ppm.

31P-NMR 분석 결과를 도 7a, 7b 및 표 6에 나타내었다. 31 P-NMR analysis results are shown in Figs. 7a, 7b and Table 6.


구분

division
부피크(P2, P3) 존재 유무Presence of bulk (P2, P3)
실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 8Example 8 비교예 1Comparative Example 1 XX

도 7b에서 P1은 인의 제 2 배위 쉘(second coordination shell)에서 탄탈륨을 갖는 샘플(pristine sample) PO4를 나타낸다. 그리고 P2는 인의 제 2 배위 사이트(second coordination site)에서의 하프늄에서 기인된 것일 수 있다. In FIG. 7B, P1 denotes a pristine sample PO4 having tantalum in a second coordination shell of phosphorus. And P2 may be caused by hafnium at the second coordination site of phosphorus.

P3은 XRD에서도 볼 수 있는 하프늄 포스페이트이다. 하프늄 도핑이 0.1 이상인 경우 추가적인 불순물이 약 -30 ppm에서 관찰되었고, 리튬 포스페이트는 약 10 ppm에 존재하는 것으로 관찰되었다.P3 is hafnium phosphate, which is also found in XRD. When the hafnium doping was 0.1 or more, additional impurities were observed at about -30 ppm, and lithium phosphate was observed to be present at about 10 ppm.

이를 참조하면, Ta에 하프늄이 도핑되면 31P-NMR에서 화학적 이동이 -15 내지 -22ppm에서 부피크 P2 및 P3가 관찰되었다. Referring to this, when Ta was doped with hafnium, bulk P2 and P3 were observed in a chemical shift of -15 to -22 ppm in 31 P-NMR.

상술한 바와 같이, 고체 전도체의 탄탈륨에 도핑되는 하프늄의 함량이 증가할수록 주피크의 반가폭이 증가한 결과를 보여주었다. 이로부터 상술한 XRD 분석 결과로부터 하프늄이 도핑으로 고체 전도체의 결정구조는 유지되면서 31P-NMR 결과로부터 하프늄이 결정구조내로 도핑된 것을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1 내지 8의 고체 전도체는 비교예 1의 고체 전도체와 달리 부피크(P2 및 P3)가 관찰되었다.As described above, as the content of hafnium doped to tantalum in the solid conductor increased, the half width of the main peak increased. From this, it was confirmed from the above-described XRD analysis results that hafnium was doped into the crystal structure from the 31 P-NMR results while maintaining the crystal structure of the solid conductor. In addition, the solid conductors of Examples 1 to 8 were observed to be bulky (P2 and P3) unlike the solid conductor of Comparative Example 1.

또한 실시예 2 의 고체 전도체 및 실시예 5의 고체 전도체에 대한 31P-NMR 분석을 실시하였고, 그 분석 결과를 도 7c에 나타내었다. 도 7c로부터 P1 피크의 반가폭을 하기 표 7에 나타내었다.In addition, 31 P-NMR analysis was performed on the solid conductor of Example 2 and the solid conductor of Example 5, and the analysis results are shown in FIG. 7C. The half width of the P1 peak from FIG. 7C is shown in Table 7 below.

불소 도핑으로 Li3PO4 상(phase)이 제거되었다. 인(P)의 제 2 배위 환경(second coordination environment)에서 하프늄과 관련된 P2는 불소 도핑된 샘플에서 더 브로드한 피크 형태를 나타나는 것으로 관찰되었다. The Li 3 PO 4 phase was removed by fluorine doping. In the second coordination environment of phosphorus (P), it was observed that P2 related to hafnium exhibited a broader peak shape in the fluorine-doped sample.


구분

division
주피크(P1)의 반가폭(ppm)Half width of main peak (P1) (ppm)
실시예 2Example 2 44 실시예 5Example 5 33

평가예 7: 상안정성Evaluation Example 7: Phase stability

하기 표 8에 나타난 고체 전도체에 대한 훌 에너지(energy above hull)가 정해진다. 훌 에너지는 상 다이아그램(phase diagram) 분석을 통하여 계산하였다. 상기 평가 결과는 하기 표 8에 나타내었다. 훌 에너지는 소정의 화학식으로 표시되어 일정한 조성을 갖는 상 안정성(phase stability)을 나타내는 척도이다.The energy above hull for the solid conductor shown in Table 8 below is determined. The Hull energy was calculated through a phase diagram analysis. The evaluation results are shown in Table 8 below. Hull energy is a measure of the phase stability of a certain composition expressed by a given chemical formula.

구분division 도펀트
(Dopant)
Dopant
(Dopant)
조성Furtherance 훌에너지
(Energy above hull)(meV/atom)
Hull energy
(Energy above hull)(meV/atom)
합성 중 가능한 불순물상(Possible impurity phases during synthesis)Possible impurity phases during synthesis
비교예1Comparative Example 1 without dopantwithout dopant LiTa2PO8 LiTa 2 PO 8 19.519.5 Ta9PO25 Li3PO4 TaPO5 Ta 9 PO 25 Li 3 PO 4 TaPO 5 실시예8Example 8 Hf dopantHf dopant Li1.125Hf0.125Ta1.875PO8 Li 1.125 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 8 22.722.7 Ta9PO25 TaPO5 Li3PO4 HfO2 Ta 9 PO 25 TaPO 5 Li 3 PO 4 HfO 2 실시예4Example 4 Li1.25Hf0.25Ta1.75PO8 Li 1.25 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 8 27.027.0 Ta9PO25 TaPO5 Li3PO4 HfO2 Ta 9 PO 25 TaPO 5 Li 3 PO 4 HfO 2 실시예19Example 19 Li1.375Hf0.375Ta1.625PO8 Li 1.375 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 8 31.731.7 Ta9PO25 TaPO5 Li3PO4 HfO2 Ta 9 PO 25 TaPO 5 Li 3 PO 4 HfO 2 실시예20Example 20 Li1.5Hf0.5Ta1.5PO8 Li 1.5 Hf 0.5 Ta 1.5 PO 8 38.638.6 Ta9PO25 TaPO5 Li3PO4 HfO2 Ta 9 PO 25 TaPO 5 Li 3 PO 4 HfO 2 실시예21Example 21 Zr dopantZr dopant Li1.125Zr0.125Ta1.875PO8 Li 1.125 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 8 24.524.5 Ta9PO25 TaPO5 LiZr2(PO4)3 Li3PO4 Ta 9 PO 25 TaPO 5 LiZr 2 (PO 4 ) 3 Li 3 PO 4 실시예22Example 22 Li1.25Zr0.25Ta1.75PO8 Li 1.25 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 8 30.630.6 Ta9PO25 TaPO5 LiZr2(PO4)3 Li3PO4 Ta 9 PO 25 TaPO 5 LiZr 2 (PO 4 ) 3 Li 3 PO 4 실시예23Example 23 Li1.375Zr0.375Ta1.625PO8 Li 1.375 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 8 36.736.7 Ta9PO25
LiZr2(PO4)3 Li3PO4 ZrO2
Ta 9 PO 25
LiZr 2 (PO 4 ) 3 Li 3 PO 4 ZrO 2
실시예24Example 24 F dopantF dopant Li0.875Ta2PO7.875F0.125 Li 0.875 Ta 2 PO 7.875 F 0.125 19.519.5 Ta9PO25 TaPO5 Li3PO4 LiFTa 9 PO 25 TaPO 5 Li 3 PO 4 LiF 실시예25Example 25 Li0.75Ta2PO7.75F0.25 Li 0.75 Ta 2 PO 7.75 F 0.25 21.521.5 Ta9PO25 TaPO5 Li3PO4 LiFTa 9 PO 25 TaPO 5 Li 3 PO 4 LiF 실시예26Example 26 Li0.625Ta2PO7.625F0.375 Li 0.625 Ta 2 PO 7.625 F 0.375 22.122.1 Ta9PO25 TaPO5 Li3PO4 LiFTa 9 PO 25 TaPO 5 Li 3 PO 4 LiF 실시예27Example 27 Li0.5Ta2PO7.5F0.5 Li 0.5 Ta 2 PO 7.5 F 0.5 22.022.0 Ta9PO25 TaPO5 LiFTa 9 PO 25 TaPO 5 LiF 실시예28Example 28 Li0.375Ta2PO7.375F0.625 Li 0.375 Ta 2 PO 7.375 F 0.625 18.518.5 Ta9PO25 TaPO5 Li2Ta2O3F6 LiFTa 9 PO 25 TaPO 5 Li 2 Ta 2 O 3 F 6 LiF 실시예29Example 29 Li0.25Ta2PO7.25F0.75 Li 0.25 Ta 2 PO 7.25 F 0.75 17.817.8 Ta9PO25 TaPO5 Li2Ta2O3F6 Ta 9 PO 25 TaPO 5 Li 2 Ta 2 O 3 F 6 비교예2Comparative Example 2 Hf, F co-dopedHf, F co-doped LiHfTaPO7FLiHfTaPO 7 F 43.843.8 TaPO5 LiF HfO2 TaPO 5 LiF HfO 2 비교예4Comparative Example 4 LiHf2PO6F2 LiHf 2 PO 6 F 2 44.744.7 Hf2P2O9 HfF4 LiF HfO2 Hf 2 P 2 O 9 HfF 4 LiF HfO 2

평가예 8: 임피던스 및 벌크 및 총이온전도도의 활성화에너지Evaluation Example 8: Impedance and activation energy of bulk and total ionic conductivity

이온 전도도는 50 mV, 5 MHz ~ 1 Hz의 주파수 범위에서 Ac 전기 화학적 임피던스 분광법 (EIS)을 사용하여 21℃에서 측정된다. 활성화 에너지는 CSZ 소기후 챔버에서 실온에서 120 oC까지의 가변 온도 임피던스 측정을 사용하여 결정된다. 합성된 펠릿은 차단 전극 (MTI 스퍼터링 코터)으로서 금으로 스퍼터링되고 모든 측정을 위해 원통형 셀(home-built cylindrical cell)로 밀봉된다.Ionic conductivity is measured at 21° C. using Ac electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in the frequency range of 50 mV, 5 MHz to 1 Hz. The activation energy is determined using a variable temperature impedance measurement from room temperature to 120 oC in the CSZ microclimate chamber. The synthesized pellets are sputtered with gold as a blocking electrode (MTI sputtering coater) and sealed with a home-built cylindrical cell for all measurements.

1)LiTa2PO8 1)LiTa 2 PO 8

임피던스 스펙트럼은 도 8a에 나타내었고 벌크 및 총이온전도도의 활성화에너지 평가 결과는 도 8b에 나타내었다.The impedance spectrum is shown in FIG. 8A, and the results of evaluating the activation energy of the bulk and total ion conductivity are shown in FIG. 8B.

도 8a를 참조하여, 3MHz의 영역은 벌크 임피던스를 반영하고 158MHz의 영역은 입자 경계를 반영한다. 그리도 도 8b에 나타난 바와 같이 벌크 임피던스는 60℃보다 큰 온도에서 명확하게 보이지 않으므로 전체 임피던스만 고려된다.Referring to FIG. 8A, the region of 3 MHz reflects the bulk impedance and the region of 158 MHz reflects the grain boundary. Also, as shown in FIG. 8B, since the bulk impedance is clearly not seen at a temperature greater than 60°C, only the total impedance is considered.

2)탄탈륨을 하프늄으로 일부 치환한 고체 전도체2) Solid conductor partially substituted with hafnium for tantalum

탄탈륨을 하프늄으로 일부 치환한 고체 전도체의 임피던스 스펙트럼을 도 8c에 나타내었다. 도 8c를 참조하여, 고체 전도체의 벌크 및 그레인 바운더리 전도도를 알 수 있다.Fig. 8c shows the impedance spectrum of a solid conductor in which tantalum is partially substituted with hafnium. Referring to FIG. 8C, the bulk and grain boundary conductivity of the solid conductor can be seen.

고체 전도체 LiTa2PO8 및 하프늄 도핑된 LiTa2PO8의 활성화 에너지를 도 8d에 나타내었다. 하프늄 도핑된 고체 전도체는 LiTa2PO8과 비교하여 활성화 에너지가 감소된 결과를 나타냈다.The activation energy of the solid conductor LiTa 2 PO 8 and the hafnium-doped LiTa 2 PO 8 is shown in FIG. 8D. The hafnium-doped solid conductor showed a reduced activation energy compared to LiTa 2 PO 8 .

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 일구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 출원의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. In the above, one embodiment has been described with reference to the drawings and embodiments, but this is only illustrative, and those of ordinary skill in the art can understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. will be. Therefore, the scope of protection of the present application should be determined by the appended claims.

1, 1a: 전고체 이차 전지 10: 양극
11: 양극 집전체 12: 양극 활물질층
20: 음극 21: 음극 집전체
22: 무음극 코팅층 23: 금속층
30: 고체 전해질
1, 1a: all-solid secondary battery 10: positive electrode
11: positive current collector 12: positive active material layer
20: negative electrode 21: negative electrode current collector
22: non-cathode coating layer 23: metal layer
30: solid electrolyte

Claims (26)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 그 조합물을 포함하는 고체 전도체:
<화학식 1>
Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8-zXz
화학식 1 중, M은 산화수 4+를 갖는 원소이며,
N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,
X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며,
<화학식 2>
Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8·zLiX
화학식 2 중, M은 산화수 +4를 갖는 원소이며,
N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,
X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.
A solid conductor comprising a compound represented by the following Formula 1, a compound represented by Formula 2, or a combination thereof:
<Formula 1>
Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8-z X z
In Formula 1, M is an element having an oxidation number 4+,
N is an element with oxidation number +4,
X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,
<Formula 2>
Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8 zLiX
In Formula 2, M is an element having oxidation number +4,
N is an element with oxidation number +4,
X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.
제1항에 있어서,
상기 M은 배위수가 6인 고체 전도체.
The method of claim 1,
The M is a solid conductor having a coordination number of 6.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1 및 화학식 2에서 M은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),
게르마늄(Ge), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 망간(Mn), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 또는 그 조합물인 고체 전도체.
The method of claim 1,
In Formulas 1 and 2, M is hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti),
Solid conductors of germanium (Ge), tin (Sn), iridium (Ir), rhodium (Rh), manganese (Mn), osmium (Os), ruthenium (Ru), platinum (Pt), or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1 및 화학식 2에서 N은 배위수가 4이며,
상기 N은 실리콘(Si), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 망간(Mn), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 그 조합물인 고체 전도체.
The method of claim 1,
In Formulas 1 and 2, N has a coordination number of 4,
The N is silicon (Si), tin (Sn), titanium (Ti), germanium (Ge), selenium (Se), palladium (Pd), rhodium (Rh), cobalt (Co), molybdenum (Mo), chromium ( Solid conductors of Cr), ruthenium (Ru), nickel (Ni), manganese (Mn), vanadium (V), niobium (Nb), or combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1 및 화학식 2에서 X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 시안화물(cyanide), 시아네이트(cyanate), 티오시아네이트(thiocyanate), 아자이드 (azide) 또는 그 조합물인 고체 전도체.
The method of claim 1,
In Formulas 1 and 2, X is chlorine (Cl), bromine (Br), fluorine (F), cyanide, cyanate, thiocyanate, azide, or Solid conductor as a combination.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1 및 2에서 0≤x<0.6, 0≤z<1인 고체 전도체.
The method of claim 1,
In Chemical Formulas 1 and 2, 0≦x<0.6, 0≦z<1.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1 및 화학식 2에서 x는 0 보다 크고 0.5 이하, y는 0이거나 또는 0보다 크고 0.5 이하, z은 0이거나 또는 0 이상 0.3 이하인 고체 전도체.
The method of claim 1,
In Formulas 1 and 2, x is greater than 0 and less than 0.5, y is 0 or greater than 0 and less than 0.5, and z is 0 or greater than or equal to 0 and less than or equal to 0.3.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체는 c2/c의 스페이스 그룹(space group)을 갖는 단사결정계(monoclinic) 또는 단사결정계 유사(monoclinic-like) 구조를 갖는 고체 전도체.
The method of claim 1,
The solid conductor is a solid conductor having a monoclinic or monoclinic-like structure having a space group of c2/c.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체에 대한 X선 회절 분석에서 정해지는 회절각 2θ가 17.5°±0.5°, 24.8°±0.5°, 24.9°±0.5°, 25.4°±0.5°, 및 27.8°±0.5°에서 피크가 나타나는 고체 전도체.
The method of claim 1,
The diffraction angle 2θ determined in the X-ray diffraction analysis for the solid conductor is 17.5°±0.5°, 24.8°±0.5°, 24.9°±0.5°, 25.4°±0.5°, and 27.8°±0.5°. Solid conductor.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체에 대한 31P-핵자기공명(NMR) 스펙트럼에서 주피크(main peak)가 화학적 이동이 -6 내지 -14ppm 범위에서 나타나고 상기 주피크(main peak)의 반가폭 (Full Width at Half-Maximum; FWHM)이 2내지 6ppm인 고체 전도체.
The method of claim 1,
In the 31 P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum for the solid conductor, a chemical shift of the main peak appears in the range of -6 to -14 ppm, and the full width at half-width of the main peak. A solid conductor with a maximum; FWHM) of 2 to 6 ppm.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체에 대한 31P-핵자기 공명(NMR) 스펙트럼에서 부피크가 화학적 이동이 -15 내지 -22ppm에서 나타나는 고체 전도체.
The method of claim 1,
In the 31 P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum of the solid conductor, a bulk bulk chemical shift appears at -15 to -22 ppm.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체의 상온(25℃)에서 리튬 이온 전도도는 1×10-2 mS/cm 이상인 고체 전도체.
The method of claim 1,
The solid conductor has a lithium ion conductivity of 1×10 -2 mS/cm or more at room temperature (25° C.) of the solid conductor.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체의 전자전도도는 1×10-5 mS/cm 이하인 고체 전도체.
The method of claim 1,
The solid conductor has an electron conductivity of 1×10 -5 mS/cm or less.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 또는 화학식 4로 표시되는 화합물인 고체 전도체:
<화학식 3>
Li1+x+y-zTa2-xHfxP1-ySiyO8-zXz
화학식 3 중, X는 할로겐 원자 또는 슈도할로겐이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며,
<화학식 4>
Li1+x+y-zTa2-xZrxP1-ySiyO8-zXz
화학식 4 중, X는 할로겐 원자 또는 슈도할로겐이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.
The method of claim 1,
The compound represented by Formula 1 is a solid conductor that is a compound represented by Formula 3 or a compound represented by Formula 4:
<Formula 3>
Li 1+x+yz Ta 2-x Hf x P 1-y Si y O 8-z X z
In Formula 3, X is a halogen atom or pseudohalogen,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,
<Formula 4>
Li 1+x+yz Ta 2-x Zr x P 1-y Si y O 8-z X z
In Formula 4, X is a halogen atom or pseudohalogen,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.
제1항에 있어서,
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 하기 화학식 5로 표시되는 화합물 또는 하기 화학식 6으로 표시된 화합물인 고체 전도체:
<화학식 5>
Li1+x+y-zTa2-xHfxP1-ySiyO8·zLiX
화학식 5 중, X는 할로겐 원자이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며,
<화학식 6>
Li1+x+y-zTa2-xZrxP1-ySiyO8·zLiX
화학식 5 중, X는 할로겐 원자이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.
The method of claim 1,
The compound represented by Formula 2 is a solid conductor which is a compound represented by Formula 5 or a compound represented by Formula 6:
<Formula 5>
Li 1+x+yz Ta 2-x Hf x P 1-y Si y O 8 zLiX
In Formula 5, X is a halogen atom,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,
<Formula 6>
Li 1+x+yz Ta 2-x Zr x P 1-y Si y O 8 zLiX
In Formula 5, X is a halogen atom,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체는 Li0.9Ta2PO7.9F0.1, Li0.9Ta2PO7.9Cl0.1, Li0.85Ta2PO7.85Cl0.15, Li0.85Ta2PO7.85F0.15, Li0.8Ta2PO7.85F0.2, Li0.8Ta2PO7.8Cl0.2, Li1.025Hf0.025Ta1.975PO8, Li1.05Hf0.05Ta1.95PO8, Li1.1Hf0.1Ta1.9PO8, Li1.25Hf0.25Ta1.75PO8, Li1.125Hf0.125Ta1.875PO8, Li1.375Hf0.375Ta1.625PO8, Li1.125Zr0.125Ta1.875PO8, Li1.25Zr0.25Ta1.75PO8, Li1.375Zr0.375Ta1.625PO8, Li1.025Zr0.025Ta1.975PO8, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO8, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO8, Li0.9Hf0.05Ta1.95PO7.85F0.15, Li0.9Hf0.05Ta1.95PO7.85Cl0.15, Li0.8Hf0.05Ta1.95PO7.75F0.25, Li0.8Hf0.05Ta1.95PO7.75Cl0.25, Li0.875Hf0.025Ta1.975PO7.85F0.15, Li0.875Hf0.025Ta1.975PO7.85Cl0.15, Li0.775Hf0.025Ta1.975PO7.75F0.25,, Li0.775Hf0.025Ta1.975PO7.75Cl0.25, Li0.95Hf0.1Ta1.9PO7.85Cl0.15, Li0.85Hf0.1Ta1.9PO7.75F0.25, Li0.85Hf0.1Ta1.9PO7.75Cl0.25, Li1.1Hf0.25Ta1.75PO7.85Cl0.15, Li1Hf0.25Ta1.75PO7.75F0.25, Li1Hf0.25Ta1.75PO7.75Cl0.25, Li0.975Hf0.125Ta1.875PO7.85Cl0.15, Li0.875Hf0.125Ta1.875PO7.75F0.25, Li0.875Hf0.125Ta1.875PO7.75Cl0.25, Li1.225Hf0.375Ta1.625PO7.85Cl0.15, Li1.125Hf0.375Ta1.625PO7.75F0.25, Li1.125Hf0.375Ta1.625PO7.75Cl0.25, Li0.975Zr0.125Ta1.875PO7.85Cl0.15, Li0.875Zr0.125Ta1.875PO7.75F0.25, Li0.875Zr0.125Ta1.875PO7.75Cl0.25, Li1.1Zr0.25Ta1.75PO7.85Cl0.15, Li1Zr0.25Ta1.75PO7.75F0.25, Li1Zr0.25Ta1.75PO7.75Cl0.25, Li1.225Zr0.375Ta1.625PO7.85Cl0.15, Li1.125Zr0.375Ta1.625PO7.75F0.25, Li1.125Zr0.375Ta1.625PO7.75Cl0.25, Li0.875Zr0.025Ta1.975PO7.85Cl0.15, Li0.775Zr0.025Ta1.975PO7.75F0.25, Li0.775Zr0.025Ta1.975PO7.75Cl0.25, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO8, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO7.85Cl0.15, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO7.75F0.25, Li1.05Zr0.05Ta1.95PO7.75Cl0.25, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO8, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO7.85Cl0.15, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO7.75F0.25, Li1.1Zr0.1Ta1.9PO7.75Cl0.25; Li0.975Ta2PO7.975F0.025, Li0.95Ta2PO7.95Cl0.05, Li0.975Ta2PO7.975Cl0.025, Li0.95Ta2PO7.95Cl0.05, Li1.05Ta1.975Hf0.025P0.975Si0.025O8, Li1.2Ta1.9Hf0.1P0.9Si0.1O8, Li1.5Hf0.5Ta1.5PO8, Li0.875Ta2PO7.875F0.125, Li0.75Ta2PO7.75F0.25, Li0.625Ta2PO7.625F0.375, Li0.5Ta2PO7.5F0.5, Li0.375Ta2PO7.375F0.625, Li0.25Ta2PO7.25F0.75, 또는 그 조합물인 고체 전도체.
The method of claim 1,
The solid conductor is Li 0.9 Ta 2 PO 7.9 F 0.1 , Li 0.9 Ta 2 PO 7.9 Cl 0.1 , Li 0.85 Ta 2 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.85 Ta 2 PO 7.85 F 0.15 , Li 0.8 Ta 2 PO 7.85 F 0.2 , Li 0.8 Ta 2 PO 7.8 Cl 0.2 , Li 1.025 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 8 , Li 1.05 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 8 , Li 1.1 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 8 , Li 1.25 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 8 , Li 1.125 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 8 , Li 1.375 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 8 , Li 1.125 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 8 , Li 1.25 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 8 , Li 1.375 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 8 , Li 1.025 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 8 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 8 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 8 , Li 0.9 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.85 F 0.15 , Li 0.9 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.8 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 F 0.25, Li 0.8 Hf 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.875 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.85 F 0.15 , Li 0.875 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.775 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 F 0.25 ,, Li 0.775 Hf 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.95 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.85 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.85 Hf 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.1 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 F 0.25 , Li 1 Hf 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.975 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.875 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.875 Hf 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.225 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.125 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 F 0.25, Li 1.125 Hf 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.975 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.875 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.875 Zr 0.125 Ta 1.875 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.1 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 F 0.25 , Li 1 Zr 0.25 Ta 1.75 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.225 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.125 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 F 0.25 , Li 1.125 Zr 0.375 Ta 1.625 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 0.875 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 0.775 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.775 Zr 0.025 Ta 1.975 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 8 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 F 0.25 , Li 1.05 Zr 0.05 Ta 1.95 PO 7.75 Cl 0.25 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 8 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 7.85 Cl 0.15 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 F 0.25 , Li 1.1 Zr 0.1 Ta 1.9 PO 7.75 Cl 0.25 ; Li 0.975 Ta 2 PO 7.975 F 0.025 , Li 0.95 Ta 2 PO 7.95 Cl 0.05 , Li 0.975 Ta 2 PO 7.975 Cl 0.025 , Li 0.95 Ta 2 PO 7.95 Cl 0.05 , Li 1.05 Ta 1.975 Hf 0.025 P 0.975 Si 0.025 O 8 , Li 1.2 Ta 1.9 Hf 0.1 P 0.9 Si 0.1 O 8 , Li 1.5 Hf 0.5 Ta 1.5 PO 8 , Li 0.875 Ta 2 PO 7.875 F 0.125 , Li 0.75 Ta 2 PO 7.75 F 0.25 , Li 0.625 Ta 2 PO 7.625 F 0.375 , Li 0.5 Solid conductors of Ta 2 PO 7.5 F 0.5 , Li 0.375 Ta 2 PO 7.375 F 0.625 , Li 0.25 Ta 2 PO 7.25 F 0.75 , or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 고체 전도체는 이온 전도도의 등방성을 갖고 상기 고체 전도체의 활성화에너지는 0.42 eV/atom 미만인 고체 전도체.
The method of claim 1,
The solid conductor has an isotropic ionic conductivity and an activation energy of the solid conductor is less than 0.42 eV/atom.
고체 전도체 형성용 전구체를 혼합하여 전구체 혼합물을 얻는 단계; 및
상기 전구체 혼합물을 산화성 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하여 하기 화학식 1로 표시되는 고체 전도체, 화학식 2로 표시되는 고체 전도체 또는 그 조합물을 얻는 고체 전도체의 제조방법.
<화학식 1>
Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8-zXz
화학식 1 중, M은 산화수 4+를 갖는 원소이며,
N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,
X는 할로겐 원자, 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합물이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외되며,
<화학식 2>
Li1+x+y-zTa2-xMxP1-yNyO8·zLiX
화학식 2 중, M은 산화수 +4를 갖는 원소이며,
N은 산화수 +4를 갖는 원소이며,
X는 할로겐 원자 또는 슈도할로겐(pseudohalogen)이며,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, 단, i)x와 y와 z이 동시에 0인 경우, ii)M이 Hf, X가 F, x=1, y=O, z=1인 경우, iii)M이 Hf, X가 Cl, x=2, y=O, z=2인 경우 및 iv)M이 Hf, X가 F, x=2, y=O, z=2인 경우는 제외된다.
Mixing a precursor for forming a solid conductor to obtain a precursor mixture; And
A method for producing a solid conductor to obtain a solid conductor represented by Formula 1, a solid conductor represented by Formula 2, or a combination thereof, including the step of heat-treating the precursor mixture in an oxidizing gas atmosphere.
<Formula 1>
Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8-z X z
In Formula 1, M is an element having an oxidation number 4+,
N is an element with oxidation number +4,
X is a halogen atom, pseudohalogen, or a combination thereof,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z Except for =2,
<Formula 2>
Li 1+x+yz Ta 2-x M x P 1-y N y O 8 zLiX
In Formula 2, M is an element having oxidation number +4,
N is an element with oxidation number +4,
X is a halogen atom or pseudohalogen,
0≤x≤2, 0≤y<1, 0≤z≤2, provided that if i)x and y and z are 0 at the same time, ii)M is Hf, X is F, x=1, y=O , if z=1, iii) M is Hf, X is Cl, x=2, y=O, z=2 and iv) M is Hf, X is F, x=2, y=O, z The case of =2 is excluded.
제18항에 있어서,
상기 열처리가 500 내지 1200℃에서 실시되는 고체 전도체의 제조방법.
The method of claim 18,
The method of manufacturing a solid conductor in which the heat treatment is performed at 500 to 1200°C.
제18항에 있어서,
상기 열처리가 제1열처리 및 상기 제1열처리보다 높은 온도에서 실시되는 제2열처리를 포함하며,
상기 제1열처리는 500 내지 1000℃에서 실시되며,
상기 제2열처리는 600 내지 1200℃에서 실시되는 고체 전도체의 제조방법.
The method of claim 18,
The heat treatment includes a first heat treatment and a second heat treatment performed at a temperature higher than the first heat treatment,
The first heat treatment is carried out at 500 to 1000°C,
The second heat treatment is a method of manufacturing a solid conductor carried out at 600 to 1200 ℃.
제18항에 있어서,
전구체 혼합물 제조시 X를 함유한 리튬 전구체를 더 부가하는 고체 전도체의 제조방법.
X를 함유한 리튬전구체는 리튬 클로라이드, 리튬 플루오라이드 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 고체 전도체의 제조방법.
The method of claim 18,
A method for producing a solid conductor in which a lithium precursor containing X is further added when preparing a precursor mixture.
The lithium precursor containing X is a method for producing a solid conductor further comprising at least one selected from lithium chloride and lithium fluoride.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 고체 전도체를 포함하는 고체 전해질.A solid electrolyte comprising the solid conductor of any one of claims 1 to 17. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 고체 전도체를 포함하는 전기화학소자. An electrochemical device comprising the solid conductor of any one of claims 1 to 17. 제23항에 있어서,
상기 전기화학소자가 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 고체 전해질을
포함하는 전기화학전지인 전기화학소자.
The method of claim 23,
The electrochemical device comprises a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte interposed therebetween.
An electrochemical device that is an electrochemical cell containing.
제24항에 있어서,
상기 고체 전해질이 전해질 보호막, 양극 보호막, 음극 보호막 또는 그 조합인 전기화학소자.
The method of claim 24,
An electrochemical device in which the solid electrolyte is an electrolyte protective film, a positive electrode protective film, a negative electrode protective film, or a combination thereof.
제23항에 있어서,
상기 전기화학소자가 전고체전지인 전기화학소자.
The method of claim 23,
An electrochemical device in which the electrochemical device is an all-solid battery.
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