KR20210105505A - All-Solid-State Lithium Secondary Batteries Having Solid Electrolyte-infiltrated Polymeric Support and Method for Fabricating the Same - Google Patents

All-Solid-State Lithium Secondary Batteries Having Solid Electrolyte-infiltrated Polymeric Support and Method for Fabricating the Same Download PDF

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KR20210105505A
KR20210105505A KR1020200020058A KR20200020058A KR20210105505A KR 20210105505 A KR20210105505 A KR 20210105505A KR 1020200020058 A KR1020200020058 A KR 1020200020058A KR 20200020058 A KR20200020058 A KR 20200020058A KR 20210105505 A KR20210105505 A KR 20210105505A
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Abstract

In the present disclosure, disclosed are an all-solid lithium secondary battery having a solid electrolyte layer, in which a sulfide-based solid electrolyte is impregnated in a porous polymer support, interposed between a cathode and an anode; and a method for manufacturing the same. According to the present invention, all-solid lithium secondary battery can be implemented in a simple manner.

Description

고체 전해질이 함침된 고분자 지지체를 이용한 전고체 리튬 2차 전지 및 이의 제조방법{All-Solid-State Lithium Secondary Batteries Having Solid Electrolyte-infiltrated Polymeric Support and Method for Fabricating the Same}All-Solid-State Lithium Secondary Batteries Having Solid Electrolyte-infiltrated Polymeric Support and Method for Fabricating the Same

본 개시 내용은 고체 전해질이 함침된 고분자 지지체를 이용한 전고체 리튬 2차 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 캐소드와 애노드 사이에 황화물계 고체전해질이 다공성 고분자 지지체에 함침된 고체전해질 층이 개재된 전고체 리튬 2차 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to an all-solid lithium secondary battery using a polymer support impregnated with a solid electrolyte and a manufacturing method thereof. More specifically, the present disclosure relates to an all-solid lithium secondary battery having a solid electrolyte layer impregnated with a porous polymer support in which a sulfide-based solid electrolyte is impregnated between a cathode and an anode, and a method for manufacturing the same.

소형 전자기기 및 전기 자동차가 널리 보급됨에 따라 높은 에너지 밀도를 갖는 2차 전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 2차 전지로서 리튬 이온을 이용한 리튬이온 2차 전지는 소형의 모바일 기기 전원에서 중대형의 전기자동차(예를 들면, EV, HEV, 등) 및 에너지 저장 장치(ESS)의 전원으로 적용 분야가 확대되는 추세에 있다. 특히, 친환경 자동차인 전기자동차에 대한 관심은 매우 높아지고 있으며, 전 세계 주요 자동차 업체들은 친환경을 모토로 전기 자동차를 차세대 성장 기술로 인지하여 관련기술의 개발에 박차를 가하고 있다. As small electronic devices and electric vehicles are widely used, interest in secondary batteries having high energy density is increasing. Lithium ion secondary batteries using lithium ions as secondary batteries are expanding their application fields from small mobile device power sources to mid- to large-sized electric vehicles (e.g., EV, HEV, etc.) and energy storage device (ESS) power sources. is in trend In particular, interest in electric vehicles, which are eco-friendly vehicles, is very high, and major automakers around the world are accelerating the development of related technologies by recognizing electric vehicles as the next-generation growth technology under the motto of eco-friendliness.

이러한 중대형 리튬이온 2차전지의 경우, 소형과는 달리 작동 환경(예를 들면, 온도 및 충격)이 가혹할 뿐만 아니라, 다수의 전지를 포함하고 있기 때문에 안전성 확보가 필수적이다. 리튬이온 2차전지를 요구하는 산업 분야가 대형전지로 응용 범위가 확대됨에 따라, 리튬이온 2차전지의 안전성과 관련한 문제에 대한 관심 또한 크게 증가하고 있다.In the case of such a medium and large-sized lithium ion secondary battery, unlike a small one, the operating environment (eg, temperature and impact) is harsh, and since it includes a large number of batteries, it is essential to secure safety. As the industrial field requiring lithium ion secondary batteries expands the application range to large batteries, interest in the safety issues of lithium ion secondary batteries is also greatly increased.

종래의 리튬이온 2차전지의 경우, 유기 용매에 리튬염을 용해시킨 비수 전해액, 즉 유기계 액체 전해질을 사용하기 때문에 낮은 열적 안정성, 발화 현상, 액체 전해질의 누액 등과 같은 현상이 일어나는 관계로 엄격한 패키징이 요구되고 있으며, 이에 따라 일정 수준 이상으로 에너지 밀도를 높이기 어려운 기술적 한계를 갖고 있다. 실제, 리튬이온 2차전지를 적용한 제품의 폭발 사고가 지속적으로 보고되고 있는 바, 이러한 안전성과 관련한 문제점을 해소할 필요가 있다. In the case of a conventional lithium ion secondary battery, since a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, that is, an organic liquid electrolyte, is used, there are phenomena such as low thermal stability, ignition, and leakage of liquid electrolyte, so strict packaging is required. Therefore, there is a technical limit in which it is difficult to increase the energy density above a certain level. In fact, as explosion accidents of products to which lithium-ion secondary batteries are applied are continuously reported, it is necessary to solve these safety-related problems.

상술한 액체 전해질에 의한 문제점을 해결하기 위하여, 불연 재료인 무기 재료로 이루어지는 고체 전해질을 이용하는 전고체형 리튬 이온 2차 전지(all-solid-state lithium ion secondary batteries)가 그 대안으로 떠오르고 있다. 전고체형 리튬 이온 2차전지의 고체 전해질로서 황화물, 산화물 등을 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다. In order to solve the problems caused by the liquid electrolyte described above, all-solid-state lithium ion secondary batteries using a solid electrolyte made of an inorganic material, which is a non-combustible material, are emerging as an alternative. It is known that a sulfide, an oxide, or the like can be used as a solid electrolyte for an all-solid-state lithium ion secondary battery.

이러한 무기계 고체전해질 중 황화물계 고체전해질은 높은 이온전도도 및 무른(deformable) 특성으로 인하여 저온 압착(cold pressing)을 통한 양호한 계면을 형성할 수 있기 때문에 실제 상용화 가능한 유력한 재료로 고려되고 있다. 특히, 다른 고체전해질에 비하여 졍량이면서도 높은 리튬 이온전도도를 나타낼 수 있다.Among these inorganic solid electrolytes, a sulfide-based solid electrolyte is considered as a potential material that can actually be commercialized because it can form a good interface through cold pressing due to its high ionic conductivity and deformable properties. In particular, compared to other solid electrolytes, it is possible to exhibit high lithium ion conductivity while having a small amount.

이와 관련하여, 다양한 조성의 황화물계 고체 전해질이 개발되었는 바, 예를 들면 국내특허번호 제1392689호에서는 리튬(Li), M(예를 들면, Ge 및 P), 그리고 황(S)을 함유하는 황화물계 고체전해질 재료, 그리고 국내특허공개번호 제2016-0032664호는 적어도 황 및 리튬을 포함하고, 인(P), 규소(Si), 붕소(B), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 할로겐 원소로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함하는 황화물계 고체전해질을 개시하고 있다. 또한, 국내특허번호 제1506109호는 Li, A(A는, P, Si, Ge, Al 및 B의 적어도 일종임), X(X는 할로겐임) 및 S를 포함하는 황화물계 고체전해질을 개시하고 있다.In this regard, sulfide-based solid electrolytes of various compositions have been developed. For example, in Korean Patent No. 1392689, lithium (Li), M (eg, Ge and P), and sulfur (S) containing A sulfide-based solid electrolyte material, and Korean Patent Publication No. 2016-0032664 includes at least sulfur and lithium, phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), aluminum (Al), germanium (Ge), Disclosed is a sulfide-based solid electrolyte further comprising at least one selected from zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In) and a halogen element. In addition, Korean Patent No. 1506109 discloses a sulfide-based solid electrolyte containing Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), X (X is a halogen) and S, and have.

종래의 황화물계 고체전해질을 이용한 전고체 전지의 경우, 일반적으로 전극 활물질 및 고체 전해질을 건식 혼합하여 전극(캐소드 또는 애노드)을 제조하고, 그 위에 고체 전해질을 배치한 다음, 순차적으로 또 다른 전극(애노드 또는 캐소드)를 배치한 후, 압착하여 일체화시키는 건식법으로 제조되고 있다. 그러나, 건식법은 대량 생산의 측면에서 한계가 있을 뿐만 아니라, 전극 내 전극 활물질과 고체전해질 사이의 입자 간 접촉이 원활하지 못하다. 또한, 건식법을 적용할 경우, 대략 500 ㎛를 초과하는 두께로 고체전해질 층을 형성하는데, 이는 에너지 밀도 측면에서 바람직하지 않고, 따라서 고체전해질 층을 얇게 제조하는 것이 요구된다. In the case of a conventional all-solid-state battery using a sulfide-based solid electrolyte, in general, an electrode (cathode or anode) is prepared by dry mixing an electrode active material and a solid electrolyte, a solid electrolyte is disposed thereon, and then another electrode ( After arranging the anode or cathode), it is manufactured by a dry method of pressing and integrating. However, the dry method has limitations in terms of mass production, and the contact between the particles between the electrode active material and the solid electrolyte in the electrode is not smooth. In addition, when the dry method is applied, the solid electrolyte layer is formed to a thickness exceeding approximately 500 μm, which is undesirable in terms of energy density, and therefore it is required to make the solid electrolyte layer thin.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 고체전해질 슬러리를 제조하여 전극 층에 오버코팅을 형성하거나, 또는 캐스팅하는 습식법 역시 알려져 있다(예를 들면, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 938-944). 그러나, 상용화 과정에서 대면적으로 균일하게 오버캐스팅하는 것은 용이하지 않으며, 특히 고체전해질과 전극 층이 서로 혼합되는 현상이 유발될 수 있다.In order to solve the above problems, a wet method of forming an overcoat on the electrode layer by preparing a solid electrolyte slurry, or casting is also known (eg, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 938-944). However, it is not easy to overcast uniformly over a large area during the commercialization process, and in particular, a phenomenon in which the solid electrolyte and the electrode layer are mixed with each other may be induced.

따라서, 전술한 종래기술의 문제점을 해결할 필요성이 존재한다.Accordingly, there is a need to solve the problems of the prior art described above.

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하고, 양호한 특성(예를 들면, 높은 결정성)을 갖는 박막의 고체전해질 구조를 구비한 전고체 리튬 2차 전지를 제공하고자 한다.According to one embodiment of the present disclosure, an all-solid-state lithium secondary battery having a thin-film solid electrolyte structure having good properties (eg, high crystallinity) is provided by solving the problems of the prior art. .

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 대량 생산이 용이하고 전극과 고체전해질 간에 원활한 접촉 또는 계면 특성을 나타낼 수 있는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법을 제공하고자 한다. According to another embodiment of the present disclosure, an object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery that is easy to mass-produce and can exhibit smooth contact or interface characteristics between an electrode and a solid electrolyte.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to the first aspect of the present disclosure,

용액 프로세스가 가능한 황화물계 고체 전해질을 용매에 용해시켜 고체전해질 용액을 제조하는 단계;preparing a solid electrolyte solution by dissolving a sulfide-based solid electrolyte capable of a solution process in a solvent;

이와 별도로, 캐소드, 다공성 고분자 지지체 및 애노드를 포함하는 예비 적층체 또는 어셈블리를 형성하는 단계;Separately, forming a pre-laminate or assembly comprising a cathode, a porous polymer support and an anode;

상기 적층체에 고체전해질 용액을 함침시켜 상기 다공성 고분자 지지체의 기공에 고체전해질을 충진하는 단계; 및impregnating the laminate with a solid electrolyte solution to fill the pores of the porous polymer support with a solid electrolyte; and

상기 고체전해질로 충진된 적층체를 열처리하는 단계;heat-treating the laminate filled with the solid electrolyte;

를 포함하며,includes,

여기서, 상기 다공성 고분자 지지체는 적어도 60%의 기공도 및 5 내지 150 ㎛의 두께를 갖고, 그리고wherein the porous polymer support has a porosity of at least 60% and a thickness of 5 to 150 μm, and

상기 열처리 단계는 적어도 200 ℃에서 수행되어 증가된 결정성을 갖는 고체전해질을 형성하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법이 제공된다.The heat treatment step is performed at at least 200 ℃ to form a solid electrolyte having increased crystallinity is provided a method of manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery.

예시적 구체예에 따르면, 상기 고체전해질 용액을 함침시키는 단계에서 상기 적층체 중 다공성 고분자 지지체의 기공뿐만 아니라 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나에도 고체전해질 용액이 함침될 수 있다. According to an exemplary embodiment, in the step of impregnating the solid electrolyte solution, the solid electrolyte solution may be impregnated into at least one of the cathode and the anode as well as the pores of the porous polymer support in the laminate.

예시적 구체예에 따르면, 상기 다공성 고분자 지지체는 폴리이미드, 폴리비닐리덴플로우라이드(PVDF), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리아미드, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리설폰(PSF), 폴리에테르케톤(PEK) 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)으로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 재질을 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment, the porous polymer support is polyimide, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), polyamide, polytetrafluoroethylene (PTFE), polysulfone (PSF), At least one material selected from the group consisting of polyether ketone (PEK) and polyether ether ketone (PEEK) may be provided.

예시적 구체예에 따르면, 상기 황화물계 고체 전해질은 하기 일반식 1로 표시될 수 있다:According to an exemplary embodiment, the sulfide-based solid electrolyte may be represented by the following general formula 1:

[일반식 1][General formula 1]

Li6-mPS5-mX1+m Li 6-m PS 5-m X 1+m

상기 식에서 X는 Cl, Br 및 I로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 할로겐 원소이고,In the above formula, X is at least one halogen element selected from the group consisting of Cl, Br and I,

m는 0 내지 1이다.m is 0 to 1.

예시적 구체예에 따르면, 상기 다공성 고분자 지지체는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리이미드 재질일 수 있다:According to an exemplary embodiment, the porous polymer support may be a polyimide material represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 식에서, n은 중합도로서 500 내지 10000이다.In the above formula, n is a polymerization degree of 500 to 10000.

예시적 구체예에 따르면, 상기 황화물계 고체 전해질은 리튬 아지로다이트(argyrodite) 결정 구조를 갖는 것일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the sulfide-based solid electrolyte may have a lithium argyrodite crystal structure.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면, According to a second aspect of the present disclosure,

캐소드, 고체전해질 층, 및 애노드가 스태킹된 적층체를 포함하는 전고체 리튬 2차 전지로서,An all-solid-state lithium secondary battery comprising a laminate in which a cathode, a solid electrolyte layer, and an anode are stacked,

상기 고체전해질 층은 (i) 다공성 고분자 지지체 및 (ii) 상기 다공성 고분자 지지체의 기공에 충진된 황화물계 고체 전해질을 포함하고,The solid electrolyte layer includes (i) a porous polymer support and (ii) a sulfide-based solid electrolyte filled in pores of the porous polymer support,

여기서, 상기 다공성 고분자 지지체는 적어도 60%의 기공도 및 5 내지 150 ㎛의 두께를 갖고, 그리고wherein the porous polymer support has a porosity of at least 60% and a thickness of 5 to 150 μm, and

상기 충진된 황화물계 고체 전해질의 결정화도는 적어도 60%인 전고체 리튬 2차 전지가 제공된다. An all-solid-state lithium secondary battery having a crystallinity of at least 60% of the filled sulfide-based solid electrolyte is provided.

본 개시 내용의 구체예에 따른 전고체형 리튬 2차전지는 기존에 고체전해질, 구체적으로 황화물계 고체전해질 층을 형성하는 건식법에서 지적된 전극과 고체전해질 층 간의 계면 접촉 불량의 문제점, 또는 습식법으로서 전극 상에 코팅 또는 오버캐스팅하는 방식에서 지적된 대면적화 곤란성 등의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있고, 간편한 방식으로 전고체형 리튬 2차 전지를 구현할 수 있다.The all-solid-state lithium secondary battery according to an embodiment of the present disclosure has a problem of poor interfacial contact between the electrode and the solid electrolyte layer, which has been pointed out in the conventional dry method of forming a solid electrolyte, specifically, a sulfide-based solid electrolyte layer, or on the electrode as a wet method It is possible to effectively solve problems such as the difficulty of increasing the area pointed out in the coating or overcasting method, and to implement an all-solid-state lithium secondary battery in a simple manner.

더욱이, 종래의 건식법에 비하여 얇은 두께로 고체전해질을 구현할 수 있기 때문에 단위 체적 당 전지 성능을 높일 수 있어 상용화에 적합하며, 특히 양호한 열 안정성을 갖는 다공성 고분자 지지체를 사용할 경우에는 고온에서도 수축 및/또는 용융 현상을 유발함이 없이 안정적으로 고체전해질을 유지할 수 있기 때문에 내부 단락과 같은 결함을 억제할 수 있다. 따라서, 향후 전기자동차용 배터리, 에너지 저장장치 등과 같은 다양한 분야에서 광범위한 적용 가능성이 기대된다.Furthermore, since the solid electrolyte can be implemented with a thinner thickness compared to the conventional dry method, the battery performance per unit volume can be increased, which is suitable for commercialization. Since the solid electrolyte can be stably maintained without causing melting, defects such as internal short circuits can be suppressed. Therefore, a wide range of applications is expected in various fields such as batteries for electric vehicles and energy storage devices in the future.

도 1은 예시적 구체예에 따라 캐소드/다공성 고분자 지지체/애노드의 적층체에 황화물계 고체전해질의 용액을 부어 적층체를 구성하는 부재에 함침(또는 침투)시키는 과정을 도시하는 도면이고;
도 2는 실시예에서 전기방사 방식으로 다공성 지지체를 제조하고, 이에 고체전해질 용액을 침투 또는 함침시켜 황화물계 고체전해질 막(샘플)을 제조하는 일련의 과정을 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 3은 실시예에서 전기방사된 PI 멤브레인의 FTIR 스펙트럼이고;
도 4는 용액 프로세스에 의한 Li6PS5Cl1-xBrx의 특성화 결과로서, (a) 용액 프로세스를 거치고 180℃ 및 400℃에서 열처리된 Li6PS5Cl1-xBrx에 대한 30℃에서의 리튬 이온(Li+) 도전율(conductivity), 및 (b) 용액 프로세스를 거치고 400℃에서 열처리된 Li6PS5Cl1-xBrx의 파우더 XRD 결과이고;
도 5는 전기방사된 폴리이미드 부직포(PI NW) 및 400℃에서 열처리된 Li6PS5Cl1-xBrx로 함침된 PI 멤브레인의 특성 분석 결과로서, (a, b) 전기방사된 다공성 PI 부직포의 사진 및 SEM 사진(도 5a에서 시트는 10 ㅧ 10 ㎠임), (c) Ar 흐름 하에서 전기방사된 다공성 PI 부직포의 TGA 프로파일, (d, e) PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인의 사진, (f) PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인의 SEM 사진, (g) 180℃에서 열처리된 PEI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인 및 통상적인 Li6PS5Cl0.5Br0.5 펠렛과 대비한 PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인의 리튬 이온(Li+)의 전도도(conductance) 및 도전율(conductivity), 및 (h) PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인의 단면 SEM 사진, 및 이에 대응하는 황 및 염소의 EDXS 맵핑을 보여주는 도면이고;
도 6은 임피던스 분석을 통한 PI-LPSClBr 및 PEI-LPSClBr의 Nyquist 플롯(30℃)이고;
도 7은 (a) 전기방사된 PEI 멤브레인, 및 (b) Li6PS5Cl0.5Br0.5-침투된 PEI 멤브레인(PEI-LPSClBr) 각각의 사진이고(PEI-LPSClBr의 열 처리 온도는 180℃임);
도 8은 PI-LPSClBr의 DC 분극 곡선의 선형 피팅 결과를 나타내는 그래프이고;
도 9는 PI(또는 PEI)-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인을 이용한 NCM/LTO 전고체 전체 전지의 테스트 결과로서, (a) PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 층을 보여주는, NCM/PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5/LTO 전고체 전체 전지의 단면 SEM 사진 및 대응하는 원소 맵, (b) NCM/PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5/LTO 전고체 전체 전지 및 NCM/PEI-Li6PS5Cl0.5Br0.5/LTO 전고체 전체 전지 각각의 30℃에서의 제1 사이클 충-방전 전압 프로파일, 및 (c) 이에 대응하는 율속 특성(rate capability)이고;
도 10은 PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인을 이용한 전고체 전체 전지의 테스트 결과로서, (a) PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인을 구비한 NCM/그라파이트 전고체 전체 전지의 0.1 C 및 30℃에서의 첫 번째 2 사이클 충-방전 전압 프로파일 및 (b) 대응하는 사이클링 성능, (c) 1 시간 동안 180℃에 노출 전 및 후, PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인을 구비한 NCM/그라파이트 전고체 전체 전지의 0.1 C 및 30℃에서의 충-방전 전압 프로파일, (d) 기존 연구와 PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5 멤브레인을 구비한 NCM/그라파이트 전고체 전체 전지에 대한 고체전해질(SE) 멤브레인 두께 및 용량을 대비한 결과, (e) 0.05C 및 70℃에서 대응하는 첫 번째 사이클 충-방전 전압 프로파일이고;
도 11은 고온(180℃ 및 400℃) 노출 전후에 10 중량%의 알루미나를 함유하는 PEO-LiTFSI의 열 처리 온도에 따른 변화를 나타내는 사진이고;
도 12는 Dynamic Light Scattering (DLS) 장비를 이용하여 액상화된 황화물계 고체전해질의 용매에 따른 입자 사이즈를 분석한 결과를 나타내는 그래프이고;
도 13은 에탄올에 용해된 Li6PS5Cl의 라만 스펙트로스코피 분석 결과이고;
도 14는 용액 프로세스 전 및 후에서 Li6PS5Cl의 라만 스펙트로스코피 분석 결과이고; 그리고
도 15는 LCO/Li6PS5Cl-에탄올 용액의 라만 스펙트로스코피 분석 결과이다.
1 is a view showing a process of impregnating (or permeating) the members constituting the laminate by pouring a solution of a sulfide-based solid electrolyte into a laminate of a cathode/porous polymer support/anode according to an exemplary embodiment;
2 is a diagram schematically illustrating a series of processes for preparing a porous support by an electrospinning method in Example, and permeating or impregnating it with a solid electrolyte solution to prepare a sulfide-based solid electrolyte membrane (sample);
3 is an FTIR spectrum of the electrospun PI membrane in the Example;
4 is a characterization result of Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x by solution process (a) 30 for Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x subjected to solution process and heat-treated at 180° C. and 400° C. Lithium ion (Li + ) conductivity at °C, and (b) powder XRD results of Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x subjected to solution process and heat-treated at 400 °C;
Figure 5 is the result of characterization of the electrospun polyimide nonwoven fabric (PI NW) and the PI membrane impregnated with Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x heat-treated at 400 ° C. (a, b) electrospun porous PI Photograph and SEM photograph of the nonwoven fabric (the sheet is 10 × 10 cm 2 in Fig. 5a), (c) TGA profile of the porous PI nonwoven fabric electrospun under Ar flow, (d, e) PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 Photograph of the membrane, (f) SEM photograph of the PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 membrane, (g) PEI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 membrane and conventional Li 6 PS 5 Cl 0.5 heat treated at 180° C. Conductance and conductivity of lithium ions (Li + ) of PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 membranes versus Br 0.5 pellets, and (h) PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 membranes A cross-sectional SEM photograph of , and a diagram showing the corresponding EDXS mapping of sulfur and chlorine;
6 is a Nyquist plot (30° C.) of PI-LPSClBr and PEI-LPSClBr via impedance analysis;
7 is a photograph of each of (a) electrospun PEI membrane, and (b) Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 -permeated PEI membrane (PEI-LPSClBr) (heat treatment temperature of PEI-LPSClBr is 180° C.) );
8 is a graph showing the results of linear fitting of the DC polarization curve of PI-LPSC1Br;
9 is a test result of an NCM/LTO all-solid-state whole cell using a PI (or PEI)-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 membrane, (a) NCM showing a PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 layer; /PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 /LTO cross-sectional SEM photograph and corresponding elemental map of the all-solid cell, (b) NCM/PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 /LTO all-solid full cell and NCM /PEI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 /LTO first cycle charge-discharge voltage profile at 30° C. of each of the all-solid-state all-cells, and (c) the corresponding rate capability;
10 is a PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 as a test result of the all-solid whole cells using a Br 0.5 membranes, (a) PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 membrane a NCM / graphite all-solid whole cell having a PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 membrane before and after the first 2 cycle charge-discharge voltage profile at 0.1 C and 30° C. and (b) corresponding cycling performance, (c) before and after exposure to 180° C. for 1 h. a NCM / graphite around the solid charge in 0.1 C and 30 ℃ the whole cell having a - full discharge voltage profile, (d) existing research and PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 by NCM / graphite former having a Br 0.5 membrane solid As a result of comparing the solid electrolyte (SE) membrane thickness and capacity for the battery, (e) the corresponding first cycle charge-discharge voltage profile at 0.05C and 70°C;
11 is a photograph showing the change with the heat treatment temperature of PEO-LiTFSI containing 10% by weight of alumina before and after high temperature (180°C and 400°C) exposure;
12 is a graph showing the results of analyzing the particle size according to the solvent of the liquefied sulfide-based solid electrolyte using Dynamic Light Scattering (DLS) equipment;
13 is a Raman spectroscopy analysis result of Li 6 PS 5 Cl dissolved in ethanol;
14 is a Raman spectroscopy analysis result of Li 6 PS 5 Cl before and after solution process; and
15 is a Raman spectroscopy analysis result of LCO/Li 6 PS 5 Cl-ethanol solution.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. It is to be understood that the following description describes preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are provided to aid understanding, the present invention is not limited thereto, and details regarding individual configurations may be properly understood by the specific purpose of the related description to be described later.

"전고체 2차전지"는 캐소드, 애노드 및 전해질이 함께 고체로 이루어진 2차전지를 의미할 수 있는 바, 전해질은 크게 고분자(예를 들면, 폴리에틸렌옥사이드 등)를 기반으로 하는 유기(고분자)계 전고체 2차전지, 그리고 Li-P-S 등을 기반으로 하는 무기계 전고체 2차전지로 구분될 수 있다."All-solid-state secondary battery" may mean a secondary battery in which a cathode, an anode, and an electrolyte are made of a solid together, and the electrolyte is largely an organic (polymer)-based battery based on a polymer (eg, polyethylene oxide, etc.) It can be divided into a solid secondary battery and an inorganic all-solid-state secondary battery based on Li-PS.

"고체전해질"은 내부에 이온을 이동시킬 수 있는 고체상의 전해질을 의미하며, 정상 상태에서는 고체이기 때문에, 통상 양이온 및 음이온으로 해리 또는 유리되어 있지 않다. 따라서, 전해액이나 고분자 내에서 양이온 및 음이온이 해리 또는 유리되어 있는 전해질 염(LiPF6, LiBF4, LiFSI, LiCl 등)과도 구별된다. "Solid electrolyte" means a solid electrolyte capable of moving ions therein, and since it is a solid in a normal state, it is not usually dissociated or liberated into cations and anions. Therefore, it is also distinguished from electrolyte salts (LiPF 6 , LiBF 4 , LiFSI, LiCl, etc.) in which cations and anions are dissociated or liberated in an electrolyte or polymer.

"황화물계 고체전해질"은 무기계 고체전해질의 일종으로서, 황(S)을 함유하고, 또한 주기율표 제1족 또는 제2족에 속하는 금속의 이온 전도성을 갖는 것을 의미할 수 있다. “Sulphide-based solid electrolyte” is a kind of inorganic solid electrolyte, and may mean that it contains sulfur (S) and has ion conductivity of a metal belonging to Group 1 or Group 2 of the periodic table.

"아지로다이트(argyrodite)" 또는 "아지로다이트 결정(argyrodite crystal)"은 결정 구조 또는 결정 결합 배열(crystal bonding arrangement)을 의미할 수 있는 바, 이러한 결정 구조 또는 결합 배열은 화학식 Ag8GeS6을 특징으로 하는 은 게르마늄 설파이드 광물인 천연광물로서 아지로다이트의 결정 구조를 기반으로 한다."Argyrodite" or "argyrodite crystal" may refer to a crystal structure or a crystal bonding arrangement, wherein the crystal structure or bonding arrangement is of the formula Ag 8 Silver characterized by GeS 6 is a natural mineral that is a germanium sulfide mineral based on the crystal structure of azirodite.

"캐소드" 및 "애노드" 각각은 전지의 전극을 의미하는 바, 리튬 2차전지의 충전 사이클에서 Li 이온은 캐소드에서 분리되어 전해질을 통하여 애노드로 이동하는 한편, 전자는 캐소드로부터 외부 회로를 통하여 애노드로 이동한다. 반면, 방전 사이클에서는 Li 이온은 전해질을 통과허여 애노드로부터 캐소드로 이동하는 한편, 전자는 애노드에서 이탈하여 외부 회로를 거쳐 캐소드로 이동한다. "Cathode" and "anode" respectively refer to the electrode of the battery. In the charging cycle of a lithium secondary battery, Li ions are separated from the cathode and move to the anode through the electrolyte, while electrons are transferred from the cathode to the anode through an external circuit. move to On the other hand, in the discharge cycle, Li ions pass through the electrolyte and move from the anode to the cathode, while electrons leave the anode and move to the cathode via an external circuit.

"나노섬유"는 협의로는 나노스케일의 미세 굵기 또는 직경을 갖는 섬유를 의미할 수 있으나, 광의로는 수 ㎛ 이하, 구체적으로 5 ㎛ 이하의 두께를 갖는 섬유를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다."Nanofiber" may mean a fiber having a nanoscale micro-thickness or diameter in a narrow sense, but in a broad sense it can be understood as a concept including a fiber having a thickness of several μm or less, specifically 5 μm or less. .

"폴리이미드"는 광의로는 주쇄에 이미드 고리를 함유하는 고분자, 구체적으로 유기 무수화물 또는 이무수화물을 디아민과 축합 반응시켜 형성되는 고분자로서, 특정 경우에는 열적 탈수 반응(경화 반응)이 후속적으로 수행될 수 있다. 이때, "이미드화 반응"은 폴리아믹산의 탈수소화를 통하여 고리형 폴리이미드를 형성하는 단계를 수반할 수 있다."Polyimide" is broadly defined as a polymer formed by condensation reaction of a polymer containing an imide ring in its main chain, specifically an organic anhydride or dianhydride with diamine, in which case a thermal dehydration reaction (curing reaction) is followed by a subsequent thermal dehydration reaction (curing reaction). can be performed with In this case, the "imidization reaction" may involve the step of forming a cyclic polyimide through dehydrogenation of the polyamic acid.

"전기방사"는 고분자 용액 또는 용해물(melt)에 고전압을 인가하여 수 마이크로미터에서 수십 나노미터 직경의 나노섬유 또는 웹(web)을 연속적으로 제조하는 방법을 의미할 수 있다. 전기방사 공정의 원리는, 고분자 용액에 전기장을 인가할 경우에 고분자 용액의 표면에 정전기적 척력이 발생하고, 이러한 정전기 척력이 증가함에 따라 고분자 용액이 방사구(또는 노즐)의 말단으로부터 신장되면서 테일러 콘(Taylor cone)이라고 일컬어지는 원뿔형 액적 형상을 형성하는 바, 이후 전기장의 세기가 고분자 용액의 표면 장력을 극복하면 용액이 노즐로부터 섬유 형태로 방사되어 컬렉터(collector)에 수집 또는 집적되는 것으로 설명할 수 있다. "Electrospinning" may refer to a method of continuously manufacturing nanofibers or webs having a diameter of several micrometers to several tens of nanometers by applying a high voltage to a polymer solution or melt. The principle of the electrospinning process is that when an electric field is applied to the polymer solution, an electrostatic repulsive force is generated on the surface of the polymer solution. It forms a conical droplet shape called a Taylor cone. After that, when the strength of the electric field overcomes the surface tension of the polymer solution, the solution is emitted in the form of a fiber from the nozzle and collected or accumulated in a collector. can

"열 처리(heat treatment)"는 전체 대상 또는 이의 일부분을 의도적으로 열 사이클(시간에 따른 온도가 변화하는 경우도 포함할 수 있음)로 처리하고, 필요에 따라서는 원하는 특정 구조 및 물성(또는 변화)을 달성하기 위하여 화학적 또는 추가적인 물리적 처리를 수반할 수 있는 것으로 고려된다."Heat treatment" refers to intentionally subjecting an entire object or a part thereof to a heat cycle (which may also include a temperature change over time), and, if necessary, a desired specific structure and physical properties (or changes) ) may involve chemical or additional physical treatment to achieve

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소가 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 적어도 하나의 다른 구성 요소 또는 추가 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. It may be understood that the expressions “on” and “on” are used to refer to the concept of relative position. Accordingly, not only the case where other components are directly present in the mentioned layers, but also at least one other component or additional component may be interposed or present therebetween. Similarly, the expressions "under", "under" and "below" and the expressions "between" may also be understood as relative concepts with respect to the position.

임의의 구성 요소 또는 부재가 다른 구성 요소 또는 부재와 "연결된다" 또는 "연통된다"고 기재되어 있는 경우, 달리 언급되지 않는 한, 상기 다른 구성 요소 또는 부재와 직접 연결 또는 연통되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성 요소 또는 부재의 개재 하에서 연결 또는 연통되어 있는 경우도 포함되는 것으로 이해될 수 있다. When any component or member is described as being “connected” or “in communication with” another component or member, unless otherwise stated, as well as being directly connected or in communication with the other component or member. , it may be understood that the case where they are connected or communicated under the intervening of other components or members is also included.

어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다.When a component is "included", it means that other components and/or steps may be further included unless otherwise specified.

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 전고체 리튬 2차전지를 구성하는 캐소드, 고체전해질 및 애노드를 별도로 제조하여 적층하는 방식 대신에 고체전해질을 용매에 용해시켜 고체전해질 용액을 제조한 후, 이를 다공성 고분자 지지체의 기공에 함침시켜 고체전해질을 제조하는 방식을 채택한다. 구체적으로, 용액 프로세스가 가능한 황화물계 고체전해질(구체적으로, 소정 용매를 이용한 액상화 또는 용액화 가능한 황화물계 고체전해질)을 사용하고, 고체 전해질의 용액을 다공성 고분자 지지체에 함침시킨 형태를 전고체 리튬 2차전지 구조 내 고체전해질로 사용할 수 있다. 이와 같이, 다공성 지지체를 이용한 용액 프로세스를 적용함으로써, 종래 기술에 비하여 현저히 얇은 두께의 고체전해질 층을 형성함으로써 전지의 단위 체적 당 성능을 유의미한 수준으로 개선할 수 있고, 또한 오버캐스팅 또는 오버코팅 방식에서 문제시되는 고체전해질과 전극 층 간의 상호 혼합 현상을 억제할 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, a solid electrolyte solution is prepared by dissolving a solid electrolyte in a solvent instead of a method of separately preparing and stacking the cathode, the solid electrolyte and the anode constituting the all-solid lithium secondary battery, and then the porous A method of preparing a solid electrolyte by impregnating the pores of a polymer support is adopted. Specifically, all-solid lithium 2 using a sulfide-based solid electrolyte capable of a solution process (specifically, a sulfide-based solid electrolyte that can be liquefied or solutionable using a predetermined solvent) and impregnated with a porous polymer support with a solution of the solid electrolyte It can be used as a solid electrolyte in the structure of a secondary battery. In this way, by applying the solution process using the porous support, the performance per unit volume of the battery can be significantly improved by forming a solid electrolyte layer with a significantly thinner thickness than in the prior art, and also in the overcasting or overcoating method. It is possible to suppress the problem of mutual mixing between the solid electrolyte and the electrode layer.

도 1은 예시적 구체예에 따라 캐소드/다공성 고분자 지지체/애노드를 포함하는 예비 적층체 또는 어셈블리에 황화물계 고체전해질의 용액을 부어 상기 예비 적층체를 구성하는 부재에 함침(또는 침투)시키는 과정을 도시한다.1 is a process of impregnating (or permeating) a member constituting the preliminary laminate by pouring a solution of a sulfide-based solid electrolyte into a preliminary laminate or assembly including a cathode/porous polymer support/anode according to an exemplary embodiment; show

예시적 구체예에 따르면, 캐소드(101), 다공성 고분자 지지체(103) 및 애노드(102)를 포함하는 예비 적층체 또는 어셈블리(100)를 제작하고, 이후 황화물계 고체 전해질 용액(104)을 부어 다공성 고분자 지지체(103)를 적신다(함침 또는 침투). 그 결과, 다공성 고분자 지지체(102)에 형성되어 있는 포어에 고체전해질이 함침 또는 침투하여 충진된다. 이와 함께, 고체전해질 용액이 다공성 고분자 지지체(103)와 전극, 즉 캐소드 및 애노드(101, 102) 간의 계면 영역에 대하여도 침투하여 고체전해질 층과 전극 간에 원활한 접촉이 이루어질 수 있다. 즉, 고체전해질 용액이 캐소드 및/또는 애노드에 형성되어 있는 계면 또는 이의 근처에 존재하는 포어 또는 공극에도 침투함으로써 고체전해질 층과 전극 간의 접촉 불량 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.According to an exemplary embodiment, a preliminary laminate or assembly 100 including a cathode 101, a porous polymer support 103, and an anode 102 is manufactured, and then a sulfide-based solid electrolyte solution 104 is poured into the porous Wet (impregnate or impregnate) the polymeric support 103 . As a result, the solid electrolyte is impregnated or infiltrated into the pores formed in the porous polymer support 102 and filled. At the same time, the solid electrolyte solution penetrates into the interfacial region between the porous polymer support 103 and the electrode, that is, the cathode and the anode 101 and 102, so that a smooth contact between the solid electrolyte layer and the electrode can be made. That is, by penetrating the solid electrolyte solution into pores or voids existing at or near the interface formed on the cathode and/or the anode, it is possible to effectively suppress the phenomenon of poor contact between the solid electrolyte layer and the electrode.

다공성 고분자 지지체Porous Polymer Support

도시된 구체예에 따르면, 다공성 고분자 지지체(103)는, (i) 양호한 기계적 강도, (ii) 높은 기공도, (iii) 작은 포어 사이즈, 및 (iv) 후속 단계에서 리튬 이온(Li+) 도전율을 높이기 위하여 수행되는 고온 열처리를 견딜 수 있고 가혹 환경 하에서도 안전성과 관련한 위험성을 제거할 수 있도록 높은 열 안정성을 갖는 것이 요구될 수 있다. According to the illustrated embodiment, the porous polymer support 103 has (i) good mechanical strength, (ii) high porosity, (iii) small pore size, and (iv) lithium ion (Li + ) conductivity in a subsequent step. It may be required to have high thermal stability so as to be able to withstand the high-temperature heat treatment performed to increase the temperature and to eliminate safety-related risks even under harsh environments.

먼저, 충분한 량의 황화물계 고체전해질을 보유할 수 있는 공간을 제공하기 위하여 비교적 높은 수준의 기공도를 가질 필요가 있다. 예시적으로, 다공성 고분자 지지체(103)의 기공도는, 예를 들면 적어도 약 60%, 구체적으로 적어도 약 65%, 보다 구체적으로 약 70 내지 90% 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 기공도가 지나치게 낮으면 충분한 량의 고체전해질을 담지시킬 수 없는 반면, 기공도가 지나치게 높은 경우에는 기계적 강도 등이 약화될 수 있는 만큼, 전술한 범위 내에서 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 상기 수치 범위는 고분자 지지체의 재질 등에 따라 변경 가능하다.First, it is necessary to have a relatively high level of porosity in order to provide a space capable of holding a sufficient amount of a sulfide-based solid electrolyte. Illustratively, the porosity of the porous polymer support 103 may be, for example, at least about 60%, specifically at least about 65%, and more specifically about 70 to 90%. In this regard, if the porosity is too low, it is impossible to support a sufficient amount of the solid electrolyte, whereas if the porosity is too high, the mechanical strength, etc. may be weakened, so it may be advantageous to adjust it within the above-mentioned range. . However, the numerical range may be changed depending on the material of the polymer support and the like.

또한, 다공성 고분자 지지체(103)는 양호한 열 안정성을 갖는 재질로 이루어질 수 있는 바, 예시적으로 고분자 지지체(103)의 융점은, 예를 들면 적어도 약 200 ℃, 구체적으로 적어도 약 250 ℃, 보다 구체적으로 약 300 내지 500 ℃를 나타낼 수 있다. 이와 관련하여, 고분자 융점이 일정 수준 미만인 경우에는 열 안정성 저하로 인하여 후속 단계에서 수행되는 고체전해질의 결정화도 개선을 위한 열 처리 조건에서 수축 또는 변형되거나 용융되어 내부 단락 현상 등이 유발될 수 있다. 따라서, 전술한 융점 범위를 갖는 종류를 사용하는 것이 유리할 수 있다.In addition, the porous polymer support 103 may be made of a material having good thermal stability, for example, the melting point of the polymer support 103 is, for example, at least about 200 ° C., specifically at least about 250 ° C., more specifically may represent about 300 to 500 °C. In this regard, when the melting point of the polymer is less than a certain level, it may be contracted, deformed, or melted under heat treatment conditions for improving the crystallinity of the solid electrolyte performed in a subsequent step due to deterioration in thermal stability, thereby causing an internal short circuit. Accordingly, it may be advantageous to use a species having the aforementioned melting point range.

또한, 다공성 고분자 지지체(103)는 황화물계 고체전해질을 보유할 수 있는 스캐폴드(scaffold) 역할을 하는 만큼, 고체전해질 용액이 효과적으로 침투하고 고체전해질을 담지하는데 적합한 포어 사이즈를 갖는 것이 유리할 수 있다. 예시적으로, 평균 포어 사이즈는, 예를 들면 약 0.01 내지 10 ㎛, 구체적으로 약 0.05 내지 5 ㎛, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 2 ㎛ 범위일 수 있다. 포어 사이즈가 일정 수준 미만이거나 이를 초과하는 경우에는 고체전해질이 다공성 고분자 지지체 전체에 걸쳐 균일하게 침투하거나 담지되기 곤란할 수 있는 만큼, 전술한 범위 내에서 조절하는 것이 유리할 수 있다.In addition, as the porous polymer support 103 serves as a scaffold capable of holding the sulfide-based solid electrolyte, it may be advantageous to have a pore size suitable for effectively penetrating the solid electrolyte solution and supporting the solid electrolyte. Illustratively, the average pore size may range, for example, from about 0.01 to 10 μm, specifically from about 0.05 to 5 μm, and more specifically from about 0.1 to 2 μm. When the pore size is less than or exceeding a certain level, it may be advantageous to adjust the pore size within the above-described range as it may be difficult to uniformly penetrate or support the solid electrolyte throughout the porous polymer support.

예시적 구체예에 따르면, 다공성 고분자 지지체(103)는, 예를 들면 약 5 내지 150 ㎛, 구체적으로 약 10 내지 100 ㎛, 보다 구체적으로 약 20 내지 80 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 이와 관련하여, 주목할 점은 종래의 전고체 전지 내 고체전해질 층의 두께가 약 500 ㎛를 초과하는 수준이나, 본 구체예에서와 같이 얇고 유연한 다공성 지지체를 사용하고, 이에 황화물계 고체전해질을 침투 또는 담지하는 방식을 채택할 경우에는 얇은 고체전해질 층을 구현할 수 있다는 것이다. 그 결과, 리튬 이온의 확산 경로 단축 및 고체 전해질의 체적 감소를 통하여 전고체 전지의 성능을 개선할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the porous polymer support 103 may have a thickness of, for example, about 5 to 150 μm, specifically about 10 to 100 μm, and more specifically about 20 to 80 μm. In this regard, it should be noted that the thickness of the solid electrolyte layer in the conventional all-solid-state battery exceeds about 500 μm, but as in this embodiment, a thin and flexible porous support is used, and the sulfide-based solid electrolyte permeates or If the supporting method is adopted, it is possible to implement a thin solid electrolyte layer. As a result, the performance of the all-solid-state battery can be improved by shortening the diffusion path of lithium ions and reducing the volume of the solid electrolyte.

또한, 다공성 고분자 지지체는 황화물계 고체전해질 용액에 사용되는 용매로서 극성 용매가 사용될 경우, 극성 용매에 의하여 용이하게 적셔질 수 있는 극성 용매 친화성을 갖는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 특정 구체예에서는 극성 작용기를 갖는 고분자 재질로 다공성 지지체를 구성할 수 있다. 이때, 극성 작용기는, 알코올,아민. 케톤, 에테르 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.In addition, when a polar solvent is used as a solvent used in a sulfide-based solid electrolyte solution, the porous polymer support may have an affinity for a polar solvent that can be easily wetted by the polar solvent. Accordingly, in a specific embodiment, the porous support may be made of a polymer material having a polar functional group. In this case, the polar functional group is alcohol, amine. It may be at least one selected from ketones, ethers, and the like.

예시적 구체예에 따르면, 다공성 고분자 지지체(103)가 부직포 또는 웹 형태인 경우, 이를 구성하는 개별 섬유는 나노섬유일 수 있는 바, 이의 직경은, 예를 들면 약 100 내지 1000 nm, 구체적으로 약 200 내지 700 nm, 보다 구체적으로 약 300 내지 600 nm 범위일 수 있다, 상술한 직경 범위는 예시적으로 이해될 수 있으며, 기계적 강도, 기공도 등을 고려하여 변경 가능하다.According to an exemplary embodiment, when the porous polymer support 103 is in the form of a nonwoven fabric or a web, individual fibers constituting the same may be nanofibers, and the diameter thereof is, for example, about 100 to 1000 nm, specifically about 200 to 700 nm, more specifically, may be in the range of about 300 to 600 nm. The above-described diameter range may be understood as an example, and may be changed in consideration of mechanical strength, porosity, and the like.

또한, 예시적 구체예에 있어서, 다공성 고분자 지지체(103)의 밀도는, 예를 들면 약 0.7 내지 2 g/㎤, 구체적으로 약 0.9 내지 1.8 g/㎤, 보다 구체적으로 약 1.1 내지 1.5 g/㎤ 범위일 수 있다.Further, in an exemplary embodiment, the density of the porous polymer support 103 is, for example, about 0.7 to 2 g/cm 3 , specifically about 0.9 to 1.8 g/cm 3 , and more specifically about 1.1 to 1.5 g/cm 3 can be a range.

이외에도, 다공성 고분자 지지체(103)는 누설 전류 또는 자가 방전의 영향을 최소화하기 위하여, 절연성, 즉 낮은 전기전도도를 나타내는 것이 유리할 수 있는 바, 예시적으로 이의 도전율은 약 10-8 S/cm 이하, 구체적으로 약 10-9 S/cm 이하, 보다 구체적으로 약 10-12 내지 10-9 S/cm 범위일 수 있다. In addition, the porous polymer support 103 may advantageously exhibit insulation, that is, low electrical conductivity, in order to minimize the effect of leakage current or self-discharge, illustratively its conductivity is about 10 -8 S/cm or less, Specifically, it may be in the range of about 10 -9 S/cm or less, more specifically about 10 -12 to 10 -9 S/cm.

상술한 점을 고려할 때, 다공성 고분자 지지체(102)의 재질은, 예를 들면 폴리이미드, 폴리비닐리덴플로우라이드(PVDF), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리아미드, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리설폰(PSF), 폴리에테르케톤(PEK) 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 고분자 지지체는 폴리이미드(PI) 재질일 수 있고, 특히 부직포(non-woven fiber) 또는 웹(web) 형태일 수 있다. 이하에서는 폴리이미드를 중심으로 기술하기로 한다.In consideration of the above points, the material of the porous polymer support 102 is, for example, polyimide, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), polyamide, polytetrafluoroethylene (PTFE). ), polysulfone (PSF), polyether ketone (PEK) and polyether ether ketone (PEEK) may be at least one selected from the group consisting of. According to a specific embodiment, the polymer support may be a polyimide (PI) material, in particular, may be in the form of a non-woven fiber or a web. Hereinafter, polyimide will be mainly described.

예시적 구체예에 따르면, 상기 다공성 고분자 지지체는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리이미드 재질일 수 있다:According to an exemplary embodiment, the porous polymer support may be a polyimide material represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 식에서, n은 중합도로서 약 500 내지 10000(구체적으로, 약 1000 내지 5000, 보다 구체적으로 약 2000 내지 4000) 범위일 수 있다.In the above formula, n may range from about 500 to 10000 (specifically, about 1000 to 5000, more specifically about 2000 to 4000) as the degree of polymerization.

이러한 폴리이미드는 우수한 열 안정성을 나타내어 용액 프로세싱을 거친 황화물계 고체전해질이 양호한 도전율을 달성하는데 요구되는 고온(예를 들면, 약 400℃까지) 열 처리를 수행하는 것을 가능케 하는 바, 이는 PEO(융점: 약 65℃)와 같이 제한된 열 안정성을 갖는 통상의 고분자와는 대비된다.This polyimide exhibits excellent thermal stability, making it possible for the sulfide-based solid electrolyte to undergo solution processing to perform high temperature (for example, up to about 400° C.) heat treatment required to achieve good conductivity, which is PEO (melting point). : about 65°C), in contrast to conventional polymers with limited thermal stability.

일 예로서, 전술한 폴리이미드는 하기 반응식 1에 따라 합성될 수 있다.As an example, the above-described polyimide may be synthesized according to Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

예시적 구체예에 따르면, 폴리이미드 재질의 다공성 지지체(102)는 당업계에서 알려진 방식, 예를 들면 용융 방사(melt-blown spinning), 복합 방사(conjugate spinning), 전기 방사(electrospinning), 습식 방사(wet-spinning) 등을 적용하여 제조될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 다공성 지지체는 전기방사 방식으로 제조될 수 있는 바, 전기방사 방식을 채택할 경우에 기공도를 높일 수 있고, 직경이 수백 나노미터 수준인 얇은 섬유를 제조할 수 있기 때문에 유리할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the porous support 102 made of polyimide may be prepared by methods known in the art, for example, melt-blown spinning, conjugate spinning, electrospinning, wet spinning, etc. (wet-spinning), etc. may be applied. According to a specific embodiment, the porous support can be manufactured by an electrospinning method, which is advantageous because when the electrospinning method is adopted, the porosity can be increased and thin fibers having a diameter of several hundred nanometers can be manufactured. can

상술한 다공성 고분자 지지체는 시판 중인 제품을 사용할 수도 있고, 택일적으로 전기방사 방식을 이용하여 폴리이미드 부직포 또는 웹 구조물을 제조할 수도 있다. 이러한 전기방사 방식의 제조방법은 하기와 같이 기술될 수 있다.The above-mentioned porous polymer support may use a commercially available product, or alternatively, a polyimide nonwoven fabric or a web structure may be manufactured using an electrospinning method. The manufacturing method of such an electrospinning method may be described as follows.

전기방사 공정은 크게 젯트(jet)의 형성 단계, 연신 단계 및 젯트에서 나노섬유로의 고상화 단계로 구분할 수 있다. 이때, 전극의 한 극은 방사 노즐에, 다른 한 극은 컬렉터에 위치하는 서로 반대 극성을 갖는 2개의 전극 사이에, 하전된 방사 재료를 방사구(또는 방사 노즐)를 통하여 공기 중으로 토출(방사)하고, 공기 중에서 하전된 필라멘트를 연신하거나 필라멘트 분기를 거쳐 극세 섬유를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 방사구 또는 방사 노즐에 (+) 또는 (-)의 전압을 직접 인가하여 용액을 하전시킨 후, 하전된 용액을 방사구를 거쳐 공기층으로 토출하고, 이어서 공기층에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 나노섬유를 제조할 수 있다. (+) 전압의 인가를 통하여 (+)로 하전된 토출 필라멘트, 또는 (-) 전압의 인가를 통하여 (-)로 하전된 토출 필라멘트는 방사부와 컬렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 인접 필라멘트 사이의 상호반발 등과 같은 전기적 영향으로 인하여 극세화될 수 있다. 이와 같이 형성된 극세 필라멘트는 접지시킨 컬렉터 또는 하전 필라멘트의 극성과 반대 극성으로 하전된 컬렉터 상에 집적되어 부직포 또는 웹 형태로 제조될 수 있다. The electrospinning process can be largely divided into a jet forming step, a stretching step, and a solidification step from the jet to nanofibers. At this time, between two electrodes having opposite polarities, one pole of the electrode is located on the spinning nozzle and the other pole on the collector, the charged spinning material is discharged into the air through the spinneret (or spinning nozzle) (spinning) And, it is possible to manufacture a microfine fiber by drawing a charged filament in the air or by branching the filament. More specifically, after the solution is charged by directly applying a voltage of (+) or (-) to the spinnerette or the spinning nozzle, the charged solution is discharged to the air layer through the spinnerette, and then the charged filaments in the air layer Nanofibers can be produced by stretching and another filament branching. The ejection filaments charged to (+) through the application of a (+) voltage, or the ejection filaments charged to (-) through the application of a (-) voltage, are generated between adjacent filaments in the electric field formed between the radiating part and the collector. It may be made microscopic due to electrical influences such as repulsion. The microfine filaments formed as described above may be accumulated on a grounded collector or a collector charged with a polarity opposite to that of the charged filaments to be manufactured in the form of a nonwoven fabric or a web.

이와 관련하여, 전기 방사 공정에 있어서, (+) 전압 및 (-) 전압은 고분자 물질 및 용매에 따라 적절히 선택될 수 있다. 또한, 전기방사 과정에서 거리 당 인가전압, 용액 토출량, 및 방사구의 치수에 의하여 섬유의 두께 등이 정하여질 수 있는 바, 인가 전압은 컬렉터와 방사구 간 거리에 따라 조절 가능한 바, 예를 들면 약 5 내지 30 kV, 구체적으로 약 10 내지 20 kV, 보다 구체적으로 약 13 내지 17 kV 범위에서 조절 가능하다. 또한, 컬렉터와 방사구 간 거리는, 예를 들면 약 10 내지 30 ㎝, 구체적으로 약 12 내지 25 ㎝, 보다 구체적으로 약 15 내지 20 ㎝ 범위에서 조절될 수 있다. 상술한 전기방사 조건은 예시적인 취지로 이해될 수 있다.In this regard, in the electrospinning process, the (+) voltage and the (-) voltage may be appropriately selected according to the polymer material and the solvent. In addition, in the electrospinning process, the thickness of the fiber can be determined by the applied voltage per distance, the solution discharge amount, and the size of the spinneret, and the applied voltage can be adjusted according to the distance between the collector and the spinneret, for example, about It is adjustable in the range of 5 to 30 kV, specifically about 10 to 20 kV, more specifically about 13 to 17 kV. In addition, the distance between the collector and the spinneret may be adjusted, for example, in the range of about 10 to 30 cm, specifically, about 12 to 25 cm, and more specifically, about 15 to 20 cm. The above-described electrospinning conditions may be understood as illustrative.

또한, 방사 용액은 폴리이미드 전구체를 유기 용매에 용해시킨 형태로 제조될 수 있는 바, 전술한 반응식 1에서와 같이, 유기 용매에 대한 용해성을 갖는 폴리이미드 전구체를 이용하여 전기 방사함으로써 섬유 집합체를 제조하고, 이를 이미드화시킬 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 폴리이미드 전구체로는 전형적으로 폴리아믹산을 사용할 수 있는 바, 폴리아믹산은 지방족 또는 방향족 테트라카르복시산 이무수물, 그리고 지방족 또는 방향족 디아민을 원료로 하여 제조될 수 있다. 이와 관련하여, 지방족 또는 방향족 테트라카르복시산 이무수물은, 예를 들면 사이클로부탄 테트라카르복시산 이무수물, 파이로멜리트산 이무수물, 1,2,3,4-벤젠 테트라카르복시산 이무수물, 벤조페논 테트라카르복시산 이무수물, 비스(디카르복시페닐에테르) 이무수물, 비스(디카르복시페닐설폰) 이무수물, 비스(디카르복시페닐설파이드) 이무수물, 비스(디카르복시페닐)프로판 이무수물, 비스(디카르복시페닐)헥사플루오르프로판 이무수물, 비페닐 테트라카르복시산 이무수물, 나프탈렌 테트라카르복시산 이무수물 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 또한, 디아민은, 예를 들면 방향족 및 지방족 디아민, 구체적으로 p-페닐렌 디아민, m-페닐렌 디아민, 디아미노 디페닐 에테르, 디아미노 디페닐 설폰, 디아미노 디페닐 설파이드, 디아미노 벤조페논, 비스(아미노페닐)프로판, 비스(아미노페닐)헥사플루오르프로판, 디아미노 비페닐, 디아미노 피리딘, 디아미노나프탈렌 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.In addition, the spinning solution can be prepared in the form of dissolving a polyimide precursor in an organic solvent, and as in Scheme 1, a fiber assembly is prepared by electrospinning using a polyimide precursor having solubility in an organic solvent. And it can be imidized. According to an exemplary embodiment, the polyimide precursor may typically be a polyamic acid, and the polyamic acid may be prepared from an aliphatic or aromatic tetracarboxylic dianhydride and an aliphatic or aromatic diamine. In this regard, aliphatic or aromatic tetracarboxylic dianhydride is, for example, cyclobutane tetracarboxylic dianhydride, pyromellitic dianhydride, 1,2,3,4-benzene tetracarboxylic dianhydride, benzophenone tetracarboxylic dianhydride , bis(dicarboxyphenyl ether) dianhydride, bis(dicarboxyphenylsulfone) dianhydride, bis(dicarboxyphenylsulfide) dianhydride, bis(dicarboxyphenyl)propane dianhydride, bis(dicarboxyphenyl)hexafluoropropane It may be at least one selected from dianhydride, biphenyl tetracarboxylic dianhydride, naphthalene tetracarboxylic dianhydride, and the like. In addition, diamines are, for example, aromatic and aliphatic diamines, in particular p-phenylene diamine, m-phenylene diamine, diamino diphenyl ether, diamino diphenyl sulfone, diamino diphenyl sulfide, diamino benzophenone, It may be at least one selected from bis(aminophenyl)propane, bis(aminophenyl)hexafluoropropane, diaminobiphenyl, diaminopyridine, diaminonaphthalene, and the like.

방사 용액 내 용매로서 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름, 감마-부티로락톤 등으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이때, 방사 용액 내 폴리아믹산의 농도는, 예를 들면 약 1 내지 30 중량%, 구체적으로 약 2 내지 25 중량%, 보다 구체적으로 약 5 내지 20 중량% 범위 내에서 정하여질 수 있으나, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있으며, 적절한 섬유 구조물의 형성 정도, 토출 압력 증가 정도 등을 고려하여 조절 가능하다.As solvents in spinning solution: m-cresol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, diethyl acetate, tetra At least one selected from hydrofuran (THF), chloroform, gamma-butyrolactone, and the like may be used. In this case, the concentration of the polyamic acid in the spinning solution may be, for example, about 1 to 30% by weight, specifically about 2 to 25% by weight, more specifically about 5 to 20% by weight, but this is an exemplary It can be understood to the purpose, and can be adjusted in consideration of the degree of formation of an appropriate fiber structure, the degree of increase in the discharge pressure, and the like.

이후, 후속적으로 이미드화 반응을 수행할 수 있는 바, 이러한 이미드화 반응은 열 처리, 화학적 처리 등을 단독으로 또는 조합하는 방식으로 수행될 수 있다.Thereafter, an imidation reaction may be subsequently performed, and the imidization reaction may be performed in a manner such as alone or in combination with heat treatment, chemical treatment, and the like.

예시적 구체예에 따르면, 열 처리를 통하여 전구체 섬유의 부직포 또는 웹을 이미드화 반응시켜 다공성의 폴리이미드 지지체를 형성하는 과정이 수행될 수 있다. 이때, 가급적 높은 이미드화율, 예시적으로 적어도 약 80%, 구체적으로 약 85 내지 99 %, 보다 구체적으로 약 90 내지 99%의 이미드화율을 갖도록 할 수 있다. 이미드화율이 일정 수준 미만에서는 양호한 열 안정성을 확보하기 곤란하거나, 고체전해질 용액과 접촉 시 용매에 의하여 용해될 수 있으므로 전술한 범위를 갖도록 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 상기 수치 범위는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. 전술한 이미드화 반응을 위한 열 처리 온도는, 예를 들면 약 200 내지 500 ℃, 구체적으로 약 250 내지 450 ℃, 보다 구체적으로 약 300 내지 420 ℃의 범위 내에서 정하여질 수 있고, 또한 열 처리 시간은, 예를 들면 약 1 내지 10 시간, 구체적으로 약 2 내지 8 시간, 보다 구체적으로 약 3 내지 6 시간의 범위에서 조절 가능하다.According to an exemplary embodiment, a process of forming a porous polyimide support by imidizing the nonwoven fabric or web of precursor fibers through heat treatment may be performed. In this case, it is possible to have an imidization rate as high as possible, for example, at least about 80%, specifically about 85 to 99%, more specifically about 90 to 99%. If the imidization rate is less than a certain level, it may be difficult to ensure good thermal stability, or it may be dissolved by a solvent when in contact with a solid electrolyte solution, so it may be advantageous to adjust it to have the above-mentioned range. However, the numerical range may be understood as an example. The heat treatment temperature for the above-described imidization reaction may be, for example, about 200 to 500 °C, specifically about 250 to 450 °C, more specifically about 300 to 420 °C. silver, for example, can be adjusted in a range of about 1 to 10 hours, specifically about 2 to 8 hours, and more specifically about 3 to 6 hours.

황화물계 고체전해질Sulfide-based solid electrolyte

일 구체예에 따르면, 황화물계 고체전해질은 용액 프로세스가 가능한 조성을 갖는 것이 유리할 수 있는 바, 용매와 혼화성이 있어 다공성 고분자 지지체의 포어 또는 기공에 침투 또는 담지 가능한 종류일 수 있다. 이를 위하여, 황화물계 고체전해질은 액상 매질 내에서 소정 입자 사이즈 이하로 유지되는 것이 유리할 수 있다. 예시적으로, 황화물계 고체전해질은 액상 매질 내에서 약 1 ㎛ 이하, 구체적으로 약 0.1 ㎛ 이하, 보다 구체적으로 약 0.01 ㎛ 이하의 입자 사이즈를 갖는 종류를 사용할 수 있다. According to one embodiment, the sulfide-based solid electrolyte may advantageously have a composition capable of a solution process, and may be of a type capable of penetrating or supporting the pores or pores of the porous polymer support because it is miscible with a solvent. To this end, it may be advantageous for the sulfide-based solid electrolyte to be maintained below a predetermined particle size in a liquid medium. Illustratively, the sulfide-based solid electrolyte may be a type having a particle size of about 1 μm or less, specifically about 0.1 μm or less, and more specifically about 0.01 μm or less in a liquid medium.

예시적 구체예에 따르면, 황화물계 고체전해질은 아지로다이트 결정 구조를 갖는 것일 수 있고, 하기 일반식 1로 표시될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the sulfide-based solid electrolyte may have an azirodite crystal structure and may be represented by the following general formula (1).

[일반식 1][General formula 1]

Li6-mPS5-mX1+m Li 6-m PS 5-m X 1+m

상기 식에서 X는 Cl, Br 및 I로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 할로겐 원소이고,In the above formula, X is at least one halogen element selected from the group consisting of Cl, Br and I,

m는 0 내지 1(구체적으로 0 내지 0.8, 보다 구체적으로 0 내지 0.5)이다. m is 0 to 1 (specifically 0 to 0.8, more specifically 0 to 0.5).

이러한 황화물계 고체전해질은 용매(특정 용매)에 대한 용해성을 갖고 있어 용액 형태로 적용할 수 있는 장점을 갖는다. Such a sulfide-based solid electrolyte has solubility in a solvent (a specific solvent), and thus has the advantage that it can be applied in the form of a solution.

특정 구체예에 따르면, 황화물계 고체전해질은 하기 일반식 2로 표시될 수 있다.According to a specific embodiment, the sulfide-based solid electrolyte may be represented by the following general formula (2).

[일반식 2][General Formula 2]

Li6PS5Cl1-xBrx(0<x<1, 구체적으로 0.2<x<0.8, 보다 구체적으로 0.4<x<0.6)Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x (0<x<1, specifically 0.2<x<0.8, more specifically 0.4<x<0.6)

상술한 바와 같이, 복수의 할로겐 원소를 도입함으로써 보다 양호한 이온전도도를 제공할 수 있다. As described above, better ionic conductivity can be provided by introducing a plurality of halogen elements.

예시적 구체예에 따르면, 황화물계 고체전해질은 다양한 형상을 가질 수 있는 바, 예를 들면 구상, 타원 구상 등의 입자 형상을 예시할 수 있다. 또한, 황화물계 고체전해질의 평균 입경은, 예를 들면 약 0.1 내지 50 ㎛, 구체적으로 약 1 내지 30 ㎛, 보다 구체적으로 약 5 내지 20 ㎛의 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the sulfide-based solid electrolyte may have various shapes, for example, particle shapes such as spherical and elliptical spherical shapes may be exemplified. In addition, the average particle diameter of the sulfide-based solid electrolyte may be, for example, about 0.1 to 50 μm, specifically about 1 to 30 μm, and more specifically about 5 to 20 μm.

또한, 예시적으로, 황화물계 고체전해질의 리튬 이온 도전율(conductivity; 30℃)는, 예를 들면 적어도 약 0.5 mS/cm, 구체적으로 적어도 약 1 mS/cm, 보다 구체적으로 약 1.5 내지 3 mS/cm 범위일 수 있다. Also, illustratively, the lithium ion conductivity (30° C.) of the sulfide-based solid electrolyte is, for example, at least about 0.5 mS/cm, specifically at least about 1 mS/cm, more specifically about 1.5 to 3 mS/cm cm range.

또한, 황화물계 고체전해질은 XRD 분석 시, 2θ 값이 25 내지 26ㅀ 및 29.5 내지 30.5ㅀ에서 주된 피크를 갖는 입방(cubic) 결정 구조를 가질 수 있다.In addition, the sulfide-based solid electrolyte may have a cubic crystal structure having main peaks at 2θ values of 25 to 26° and 29.5 to 30.5° in XRD analysis.

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 전술한 화학식 1에 따른 황화물계 고체전해질은 하기 예시되는 절차에 의하여 제조될 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the sulfide-based solid electrolyte according to Chemical Formula 1 may be prepared by the procedure exemplified below.

포괄적으로, 먼저 하기와 같이 리튬, 인(P), 황 원소 및 X 원소(할로겐 원소)를 포함하는 원료를 준비한다. In general, a raw material containing lithium, phosphorus (P), elemental sulfur and element X (element halogen) is first prepared as follows.

- 리튬 원소 - lithium element

리튬 원소는 당업계에서 공지된 리튬 소스로부터 제공될 수 있는 바, 전형적으로는 이의 황화물(Li2S, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2, Li2S 또는 이의 조합)일 수 있으며, 구체적으로는 Li2S, 보다 구체적으로는 가급적 불순물을 함유하지 않는 고순도의 Li2S을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 전술한 리튬 황화물계 소스이외에도, 황화물계 고체전해질 화합물을 구성하는 다른 원소와 결합된 형태, 예를 들면 LiCl, LiBr, LiI 등을 사용하는 것을 배제하는 것은 아니지만, 리튬과 황이 결합되어 있는 소스(구체적으로 Li2S)가 산소를 함유하고 있지 않은 만큼, 리튬 원소의 소스로 바람직할 수 있다. Elemental lithium may be provided from lithium sources known in the art, typically sulfides thereof (Li 2 S, Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , Li 2 S or a combination thereof), specifically Li 2 S, and more specifically, it may be advantageous to use high purity Li 2 S that does not contain impurities as much as possible. In addition to the above-described lithium sulfide-based source, the use of a form combined with other elements constituting the sulfide-based solid electrolyte compound, for example, LiCl, LiBr, LiI, etc., is not excluded, but a source in which lithium and sulfur are combined (specifically As Li 2 S) does not contain oxygen, it may be preferable as a source of elemental lithium.

- 인(P)- Phosphorus (P)

일 구체예에 있어서, 인(P)의 소스로서 당업계에서 알려진 인-함유 화합물을 사용할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 인-함유 화합물로서, 예를 들면 황화 인(P2S5) 등과 같은 황화물 형태를 사용할 수 있고, 이외에도 할로겐-인 화합물(예를 들면, PI5, PCl5, PBr5 등) 등을 사용할 수 있다.In one embodiment, as a source of phosphorus (P), a phosphorus-containing compound known in the art may be used. According to an exemplary embodiment, as the phosphorus-containing compound, for example , a sulfide form such as phosphorus sulfide (P 2 S 5 ) may be used, and in addition, a halogen-phosphorus compound (eg, PI 5 , PCl 5 , PBr) 5, etc.) can be used.

- 황- sulfur

예시적 구체예에 따르면, 황 원소는 단독으로(즉, 원소 황(S8) 형태) 또는 다른 원소(예를 들면, 리튬 및/또는 인)와 결합된 형태로 제공될 수 있다. 이러한 황 소스의 구체적인 예는 앞서 기술한 만큼, 생략하기로 한다. 다만, 황 원소 단독으로(즉, 원소 황)으로 이루어지는 황 소스를 선택적으로 첨가하여 원하는 황 원소 함량을 달성할 수도 있다.According to exemplary embodiments, elemental sulfur may be provided alone (ie, in the form of elemental sulfur (S 8 )) or in combination with other elements (eg, lithium and/or phosphorus). Specific examples of such a sulfur source, as described above, will be omitted. However, a desired elemental sulfur content may be achieved by selectively adding a sulfur source comprising elemental sulfur alone (ie elemental sulfur).

- X 원소- X element

본 구체예에 있어서, 할로겐 소스로서 할로겐(즉, Cl, Br 및 I 중 적어도 하나)을 단독으로 사용할 수 있으며, 택일적으로 황화물계 고체전해질 내 다른 원소(예를 들면, 리튬 및/또는 인)와 결합된 형태로 제공될 수 있다. 이러한 형태의 할로겐 소스의 예는 앞서 기술한 만큼, 생략하기로 한다.In this embodiment, halogen (ie, at least one of Cl, Br and I) may be used alone as the halogen source, and alternatively, other elements in the sulfide-based solid electrolyte (eg, lithium and/or phosphorus) and may be provided in a combined form. Examples of the halogen source of this type, as described above, will be omitted.

일 구체예에 따르면, 전술한 원료 각각은 화학식 1로 표시된 황화물계 화합물의 화학양론 비에 대응하는 량으로 준비할 수 있다. According to one embodiment, each of the above-mentioned raw materials may be prepared in an amount corresponding to the stoichiometric ratio of the sulfide-based compound represented by Formula 1.

그 다음, 상술한 바와 같이 일반식 1에 대응하는 원소의 소스를 원하는 비율(즉, 일반식 1에서 특정된 원소 간 비율)을 고려하여 적절한 량으로 투입하고, 이를 분쇄 및 혼합하면서 원료 간 반응을 유도함으로써 파우더 형태의 반응 생성물(리튬 원소, 인 원소, 황 원소 및 X 원소를 포함함)을 형성한다. Then, as described above, the source of the element corresponding to the general formula 1 is added in an appropriate amount in consideration of the desired ratio (that is, the ratio between the elements specified in the general formula 1), and the reaction between the raw materials is carried out while grinding and mixing it. By induction, a reaction product in powder form (including element lithium, elemental phosphorus, elemental sulfur and element X) is formed.

이때, 분쇄/혼합 과정은, 전형적으로 비활성 분위기 하에서 수행될 수 있는 바, 이때 비활성 분위기를 형성하기 위하여, 예를 들면 헬륨, 네온, 아르곤, 또는 이의 혼합 가스를 이용할 수 있으며, 보다 전형적으로는 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 이와 같이 비활성 분위기 하에서 분쇄/혼합 단계를 수행하는 이유는 대기 중에서 분쇄 및 혼합할 경우에는 산소가 혼입되어 최종 생성물 내에서 산화물이 부분적으로 생성될 수 있기 때문이다.At this time, the grinding/mixing process may be typically performed under an inert atmosphere. In this case, in order to form an inert atmosphere, for example, helium, neon, argon, or a mixed gas thereof may be used, and more typically argon gas can be used. The reason for performing the grinding/mixing step under an inert atmosphere as described above is that, when grinding and mixing in the atmosphere, oxygen may be mixed and oxides may be partially generated in the final product.

예시적 구체예에 따르면, 분쇄/혼합 과정에서는 기계적 밀링(구체적으로 고에너지 기계적 밀링) 방식을 이용할 수 있는 바, 전술한 원료 소스 전부를 일거에 분쇄 장치에 투입하여 밀링할 수도 있고, 이중 단일 또는 복수의 원료 소스를 먼저 첨가하여 분쇄한 후에 나머지 원료 소스를 순차적으로 또는 추가적으로 투입하여 밀링하는 방식으로 분쇄할 수도 있다. 이때, 밀링 과정에서 온도는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 약 10 내지 50℃, 구체적으로 약 15 내지 45℃, 보다 구체적으로 약 20 내지 40℃ 범위일 수 있다. 전술한 기계적 밀링법의 경우, 실온과 같은 비교적 온화한 온도 조건 하에서 수행될 수 있기 때문에, 원료의 열분해가 일어나지 않는 장점을 갖는다.According to an exemplary embodiment, in the grinding/mixing process, a mechanical milling (specifically, high-energy mechanical milling) method may be used, and all of the above-mentioned raw material sources may be put into a grinding device at once for milling, and either A plurality of raw material sources may be first added and pulverized, and then the remaining raw material sources may be added sequentially or additionally to be milled. At this time, the temperature in the milling process is not particularly limited, but may be, for example, about 10 to 50° C., specifically about 15 to 45° C., and more specifically about 20 to 40° C. In the case of the aforementioned mechanical milling method, since it can be performed under relatively mild temperature conditions such as room temperature, there is an advantage in that thermal decomposition of the raw material does not occur.

이와 같이, 준비된 원료를 분쇄하면서 혼합하면서 반응시킴으로써 파우더 형태의 반응 생성물이 형성되는 바, 이러한 반응 생성물은 리튬 원소, 인 원소, 황 원소 및 X 원소를 포함하는 화합물로서 유리질 및 결정성을 모두 나타낼 수 있다. As such, a reaction product in powder form is formed by reacting the prepared raw material while pulverizing and mixing, and this reaction product is a compound containing lithium element, phosphorus element, sulfur element and X element, and can exhibit both glassy and crystallinity. have.

예시적 구체예에 따르면, 상기 가열(열처리) 단계 역시 비활성 분위기 하에서 수행될 수 있는 바, 열처리를 통하여 최종적으로 결정질의 황화물계 고체전해질을 수득할 수 있다. 이때, 제1 열처리 온도는, 예를 들면 약 150℃를 초과하고 800℃까지, 구체적으로 약 400 내지 700℃, 보다 구체적으로 약 50 내지 600℃ 범위일 수 있다. 또한, 가열(열처리) 시간은, 예를 들면 약 1 내지 20 시간, 구체적으로 약 3 내지 15 시간, 보다 구체적으로 약 5 내지 10 시간 범위 내에서 선정될 수 있다. According to an exemplary embodiment, since the heating (heat treatment) step may also be performed under an inert atmosphere, a crystalline sulfide-based solid electrolyte may be finally obtained through heat treatment. In this case, the first heat treatment temperature may be, for example, exceeding about 150°C and up to 800°C, specifically about 400 to 700°C, and more specifically about 50 to 600°C. In addition, the heating (heat treatment) time, for example, may be selected within the range of about 1 to 20 hours, specifically, about 3 to 15 hours, and more specifically, about 5 to 10 hours.

전술한 열처리 조건은 가급적 형성된 황화물계 화합물이 단일 결정을 갖도록 적절히 조절될 수 있는 바, 예를 들면 먼저 약 200 내지 400℃/h(구체적으로 약 250 내지 350℃/h, 보다 구체적으로 약 290 내지 310℃/h)의 승온 속도로 열처리 온도까지 승온시킨 후에 온도를 유지하고, 그 다음 일정한 냉각 속도(예를 들면, 약 200 내지 400℃/h, 구체적으로 약 250 내지 350℃/h, 보다 구체적으로 약 290 내지 310℃/h)로 상온까지 냉각시키는 방식으로 수행할 수 있다. The above-described heat treatment conditions can be suitably adjusted so that the sulfide-based compound formed has a single crystal, for example, first about 200 to 400° C./h (specifically about 250 to 350° C./h, more specifically about 290 to about 290° C./h). The temperature is maintained after raising the temperature to the heat treatment temperature at a heating rate of 310°C/h), and then a constant cooling rate (eg, about 200 to 400°C/h, specifically about 250 to 350°C/h, more specifically to about 290 to 310 °C / h) can be carried out in a manner that is cooled to room temperature.

일 구체예에 따르면, 전술한 황화물계 고체전해질 화합물이 용매(구체적으로 특정 용매)에 대하여 비교적 양호한 용해도를 나타낼 수 있는 만큼, 이를 용액 형태로 제조하기 위하여 용매에 용해시킬 수 있다.According to one embodiment, as much as the above-described sulfide-based solid electrolyte compound can exhibit relatively good solubility in a solvent (specifically, a specific solvent), it can be dissolved in a solvent to prepare it in a solution form.

예시적 구체예에 따르면, 황화물계 고체전해질 화합물을 용매와 조합하여 고체전해질 용액을 제조한다. 이때, 용액은 교반 하에서 또는 교반 부존재 하에서 제조될 수 있으나, 균일한 용액을 제조하기 위하여 교반을 수행하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 혼합 시간은, 예를 들면 약 0.5 내지 15 시간, 구체적으로 약 1 내지 10 시간, 보다 구체적으로 약 2 내지 5 시간 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 의미로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, a solid electrolyte solution is prepared by combining a sulfide-based solid electrolyte compound with a solvent. At this time, the solution may be prepared under stirring or in the absence of stirring, but it may be advantageous to perform stirring to prepare a uniform solution. In addition, the mixing time may be, for example, about 0.5 to 15 hours, specifically about 1 to 10 hours, more specifically about 2 to 5 hours, but this may be understood as an exemplary meaning.

예시적 구체예에 있어서, 고체전해질 용액을 제조하기 위하여 사용 가능한 용매는 극성 용매일 수 있는 바, 극성 지수(polarity index)가, 예를 들면 약 4 내지 6, 구체적으로 약 4.2 내지 5.7, 보다 구체적으로 약 4.8 내지 5.5인 요건을 갖는 종류로부터 선택될 수 있으며, 단독으로 또는 조합하여 사용 가능하다.In an exemplary embodiment, the solvent usable for preparing the solid electrolyte solution may be a polar solvent, and the polarity index is, for example, about 4 to 6, specifically about 4.2 to 5.7, more specifically It can be selected from the kind having a requirement of about 4.8 to 5.5, and can be used alone or in combination.

예시적 구체예에 따르면, 이러한 용매로서, 예를 들면 알코올(구체적으로는 탄소수 1 내지 4의 지방족 알코올), 아민계 용매. 케톤계 용매, 에테르계 용매 등을 사용할 수 있고, 단독으로 또는 혼합물 형태로 사용 가능하다. 특정 구체예에 따르면, 용매로서, 예를 들면 에탄올을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 무수 에탄올을 사용할 수 있다.According to an exemplary embodiment, as such a solvent, for example, an alcohol (specifically, an aliphatic alcohol having 1 to 4 carbon atoms), an amine solvent. A ketone-based solvent, an ether-based solvent, etc. may be used, and may be used alone or in the form of a mixture. According to a specific embodiment, as the solvent, for example, ethanol may be used, and more specifically, absolute ethanol may be used.

한편, 예시적 구체예에 따르면, 고체전해질 용액 내 고체전해질의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 1 M, 구체적으로 약 0.2 내지 0.5 M, 보다 구체적으로 약 0.3 내지 0.4 M 범위일 수 있다. Meanwhile, according to an exemplary embodiment, the concentration of the solid electrolyte in the solid electrolyte solution may be, for example, about 0.1 to 1 M, specifically about 0.2 to 0.5 M, more specifically about 0.3 to 0.4 M.

이러한 고체전해질의 농도는 용매의 종류 등에 따라 조절될 수 있는 바, 지나치게 높은 농도에서는 불충한 용해 또는 과도한 점도로 인하여 다공성 고분자 지지체의 포어에 용이하게 침투하기 곤란할 수 있는 반면, 지나치게 낮은 농도에서는 후속 건조 시 용매 손실 또는 과도한 에너지 투입이 요구되거나, 고체전해질의 부착 또는 담지가 불충분할 수 있는 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 전술한 농도 범위는 예시적으로 이해될 수 있다.The concentration of the solid electrolyte can be adjusted depending on the type of solvent, etc. At an excessively high concentration, it may be difficult to easily penetrate into the pores of the porous polymer support due to insufficient dissolution or excessive viscosity, whereas at an excessively low concentration, subsequent drying To the extent that solvent loss or excessive energy input may be required, or adhesion or support of the solid electrolyte may be insufficient, it may be advantageous to appropriately adjust within the above-described range. However, the above-described concentration range may be understood as an example.

전고체형 리튬 이온 2차전지의 제작Fabrication of all-solid-state lithium-ion secondary battery

일 구체예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 캐소드(101), 다공성 고분자 지지체(103) 및 애노드(102)를 포함하는 예비 적층체 또는 어셈블리(100)를 형성할 수 있고, 이를 기반으로 하여 전고체형 리튬 이온 2차전지를 제작할 수 있다. 이러한 전고체형 리튬 이온 2차전지의 구성은 당업계에서 공지되어 있는 바, 고체전해질 이외의 구성요소는 하기와 같이 간략하게 설명할 수 있다.According to one embodiment, as shown in FIG. 1 , a preliminary laminate or assembly 100 including a cathode 101 , a porous polymer support 103 and an anode 102 may be formed, and based on this Thus, an all-solid-state lithium ion secondary battery can be manufactured. The configuration of such an all-solid-state lithium ion secondary battery is known in the art, and components other than the solid electrolyte can be briefly described as follows.

먼저, 양극 활물질 층이 부착되어 있는 캐소드(101), 음극 활물질 층이 부착되어 있는 애노드(102), 및 상기 양극 활물질 층과 상기 음극 활물질 층 사이에 전술한 다공성 고분자 지지체(103)가 개재된 형태로 예비 적층체 또는 어셈블리가 형성될 수 있다.First, the cathode 101 to which the cathode active material layer is attached, the anode 102 to which the anode active material layer is attached, and the above-described porous polymer support 103 is interposed between the cathode active material layer and the anode active material layer. A pre-laminate or assembly may be formed with this method.

그 다음, 전술한 황화물계 고체 전해질 용액에 함침시키는 과정이 수행될 수 있다. 이 과정에서 고체전해질 용액은 적층체 내 다공성 고분자 지지체(103)를 전체적으로 적시면서 침투하여 지지체 내 포어에 충진될 수 있다. 이와 함께, 캐소드(101)의 양극 활물질 층 및 애노드(102)의 응극 활물질 층 각각에도 침투할 수 있는 바, 그 결과 다공성 지지체 기반의 고체전해질 층과 캐소드 및 애노드 사이의 계면에 빈 공간이나 틈의 형성되는 것을 최대한 억제할 수 있고, 황화물계 고체전해질이 양극 활물질 및 음극 활물질 각각에 원활한 접촉을 형성할 수 있다. 이러한 용액 프로세스를 통하여 전고체 리튬 2차전지를 간편하게 제조할 수 있는 바, 상용성 측면에서 유리하다.Then, the process of impregnating the above-described sulfide-based solid electrolyte solution may be performed. In this process, the solid electrolyte solution may penetrate the porous polymer support 103 in the laminate as a whole and fill the pores in the support. At the same time, it can also penetrate into each of the positive active material layer of the cathode 101 and the negative active material layer of the anode 102, as a result of which an empty space or gap is formed at the interface between the porous support-based solid electrolyte layer and the cathode and the anode. Formation can be suppressed as much as possible, and the sulfide-based solid electrolyte can form a smooth contact with each of the positive electrode active material and the negative electrode active material. Through this solution process, an all-solid-state lithium secondary battery can be easily manufactured, which is advantageous in terms of compatibility.

예시적 구체예에 따르면, 양극 활물질은, 가역적으로 리튬 이온을 삽입 및 방출할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 양극 활물질의 재질로서, 특별히 한정되는 것은 아니며, 전이 금속 산화물이나, 황 등의 Li와 복합화할 수 있는 원소 등이어도 무방하다. 그 중에서도, 전이금속 산화물을 이용할 수 있고, 이러한 전이금속 원소로서 Co, Ni, Fe, Mn, Cu 및 V로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 예시할 수 있다.According to an exemplary embodiment, it is preferable that the positive active material be capable of reversibly intercalating and releasing lithium ions. The material of such a positive electrode active material is not particularly limited, and may be a transition metal oxide or an element capable of complexing with Li such as sulfur. Among them, a transition metal oxide can be used, and one or more elements selected from Co, Ni, Fe, Mn, Cu and V can be exemplified as such a transition metal element.

전이금속 산화물의 예로서, 층상 암염형 구조를 갖는 전이금속 산화물, 스피넬형 전이금속 산화물, 리튬-함유 전이금속 인산 화합물, 리튬-함유 전이금속 할로겐화 인산 화합물, 리튬-함유 전이금속 실리콘 화합물 등을 들 수 있다.Examples of the transition metal oxide include a transition metal oxide having a layered rock salt structure, a spinel-type transition metal oxide, a lithium-containing transition metal phosphate compound, a lithium-containing transition metal halide phosphate compound, and a lithium-containing transition metal silicon compound. can

이와 관련하여, 층상 암염형 구조를 갖는 전이금속 산화물로서, LiCoO2(LCO), LiNi2O2, LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(NCA), LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(NMC), LiNi0.5Mn0.5O를 예시할 수 있다. 스피넬형 전이금속 산화물로서, LiCoMnO4, Li2FeMn3O8, Li2CuMn3O8, Li2CrMn3O8, Li2NiMn3O8을 예시할 수 있다. 또한, 리튬-함유 전이금속 인산 화합물의 예는 LiFePO4, Li3Fe2(PO4)3, LiFeP2O7, LiCoPO4, 및 Li3V2(PO4)3을 포함할 수 있고, 리튬-함유 전이금속 할로겐화 인산 화합물로서, 예를 들면 Li2FePO4F, Li2MnPO4F, Li2CoPO4F 등을 예시할 수 있다. 이외에도, 리튬-함유 전이금속 실리콘 화합물로서, 예를 들면 Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, Li2CoSiO4 등을 예시할 수 있다. 전술한 양극 활물질 각각은 단독으로 사용될 수도 있고, 2 이상 조합하여 사용될 수도 있다.In this regard, as a transition metal oxide having a layered rock salt structure, LiCoO 2 (LCO), LiNi 2 O 2 , LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0.05 O 2 (NCA), LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 (NMC), LiNi 0.5 Mn 0.5 O can be exemplified. Examples of the spinel-type transition metal oxide include LiCoMnO 4 , Li 2 FeMn 3 O 8 , Li 2 CuMn 3 O 8 , Li 2 CrMn 3 O 8 , and Li 2 NiMn 3 O 8 . Further, examples of the lithium-containing transition metal phosphate compound may include LiFePO 4 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , LiFeP 2 O 7 , LiCoPO 4 , and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , and lithium As the -containing transition metal halide phosphoric acid compound, for example, Li 2 FePO 4 F, Li 2 MnPO 4 F, Li 2 CoPO 4 F, and the like can be exemplified. In addition, as the lithium-containing transition metal silicon compound, for example, Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , Li 2 CoSiO 4 and the like can be exemplified. Each of the above-described positive active materials may be used alone or in combination of two or more.

예시적 구체예에 따르면, 양극 활물질은 입자 형태일 수 있는 바, 이때 입자 사이즈는, 예를 들면 약 1 내지 10 ㎛, 구체적으로 약 2 내지 5 ㎛, 보다 구체적으로 약 3 내지 7 ㎛ 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the positive electrode active material may be in the form of particles, wherein the particle size is, for example, about 1 to 10 μm, specifically about 2 to 5 μm, more specifically about 3 to 7 μm. have.

음극 활물질의 경우, 가역적으로 리튬 이온을 삽입 및 방출할 수 있는 것이 바람직하다. 음극 활물질의 재료는 특별히 제한되지 않고, 탄소질 재료, 산화주석이나 산화규소 등의 금속 산화물, 금속 복합 산화물, 리튬 또는 리튬 합금 등을 예시할 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소질 재료 또는 리튬 복합 산화물(예를 들면, LTO(Li4Ti5O12), TiO2, SiOx, SnOx, CuOx VOx, In2O3 등)을 사용할 수 있다. In the case of the anode active material, it is preferable that lithium ions can be inserted and released reversibly. The material of the negative electrode active material is not particularly limited, and examples thereof include a carbonaceous material, a metal oxide such as tin oxide or silicon oxide, a metal composite oxide, lithium or a lithium alloy. More specifically, a carbonaceous material or lithium composite oxide (eg, LTO (Li 4 Ti 5 O 12 ), TiO 2 , SiO x , SnO x , CuO x VO x , In 2 O 3 , etc.) may be used. .

이와 관련하여, 탄소질 재료는 실질적으로 탄소로 이루어지는 재료로서, 예를 들면 석유 피치, 아세틸렌 블랙(AB) 등의 카본 블랙, 천연 흑연(또는 그라파이트), 기상 성장 흑연 등의 인조 흑연, 및 PAN(폴리아크릴로나이트릴)계의 수지나 퍼퓨릴알코올 수지 등의 각종 합성수지를 소성한 탄소질 재료를 예시할 수 있다. 또한, PAN계 탄소섬유, 셀룰로스계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유, 기상 성장 탄소섬유, 리그닌 탄소 섬유, 유리상 탄소섬유, 활성 탄소섬유 등의 각종 탄소 섬유류, 평판의 흑연 등을 예시할 수 있다.In this regard, the carbonaceous material is a material substantially composed of carbon, for example, petroleum pitch, carbon black such as acetylene black (AB), natural graphite (or graphite), artificial graphite such as vapor-grown graphite, and PAN ( A carbonaceous material obtained by calcining various synthetic resins such as polyacrylonitrile)-based resin and furfuryl alcohol resin can be exemplified. In addition, various carbon fibers such as PAN-based carbon fibers, cellulosic carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, lignin carbon fibers, glassy carbon fibers, activated carbon fibers, and flat graphite can be exemplified.

또한, 금속 산화물 및 금속 복합 산화물로서, 특히 비정질 산화물을 사용할 수 있고, 금속 원소와 주기율표 제16족의 원소의 반응 생성물인 칼코게나이드도 사용할 수 있다. 이러한 비정질 산화물 및 칼코게나이드로 이루어지는 화합물에 있어서, 반금속원소의 비정질 산화물, 또는 칼코게나이드를 사용할 수 있고, 보다 구체적으로 Al, Ga, Si, Sn, Ge, Pb, Sb, Bi의 1종 단독 또는 이의 조합으로 이루어지는 산화물, 및 칼코게나이드를 사용할 수 있는 바, 예를 들면 Ga2O3, SiO, GeO, SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb2O4, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, Bi2O3, Bi2O4, SnSiO3, GeS, SnS, SnS2, PbS, PbS2, Sb2S3, Sb2S5, SnSiS3 등을 사용할 수 있다.In addition, as the metal oxide and the metal composite oxide, an amorphous oxide may be used, and a chalcogenide, which is a reaction product of a metal element and an element of Group 16 of the periodic table, may also be used. In the compound consisting of such an amorphous oxide and a chalcogenide, an amorphous oxide of a semimetal element or a chalcogenide may be used, and more specifically, one of Al, Ga, Si, Sn, Ge, Pb, Sb, and Bi. Oxides and chalcogenides consisting of single or a combination thereof may be used, for example, Ga 2 O 3 , SiO, GeO, SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 2 O 4 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , SnSiO 3 , GeS, SnS, SnS 2 , PbS, PbS 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 S 5 , SnSiS 3 , or the like can be used.

예시적 구체예에 있어서, 음극 활물질은 입자 형태일 수 있는 바, 이때 입자 사이즈는, 예를 들면 약 0.5 내지 20 ㎛, 구체적으로 약 1 내지 15 ㎛, 보다 구체적으로 약 3 내지 12 ㎛ 범위일 수 있다.In an exemplary embodiment, the negative active material may be in the form of particles, wherein the particle size may range, for example, from about 0.5 to 20 μm, specifically from about 1 to 15 μm, and more specifically from about 3 to 12 μm. have.

예시적 구체예에 따르면, 고체전해질 용액을 함침시킨 후, 캐소드의 양극활물질 층(예를 들면 LiCoO2) 및 애노드의 음극활물질 층(예를 들면, Li4Ti5O12) 각각에 있어서 고체전해질의 함량은, 예를 들면 약 5 내지 30 중량%, 구체적으로 약 8 내지 27 중량%, 보다 구체적으로 약 10 내지 25 중량% 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, after impregnating the solid electrolyte solution, the cathode active material layer (eg LiCoO 2 ) and the negative electrode active material layer of the anode (eg Li 4 Ti 5 O 12 ) in each of the solid electrolyte The content of may be, for example, about 5 to 30% by weight, specifically about 8 to 27% by weight, more specifically about 10 to 25% by weight.

한편, 전고체형 리튬 이온 2차전지는 집전체를 포함할 수 있는 바, 이러한 집전체의 재질로서 전자 전도체를 사용할 수 있다. 양극의 집전체의 경우, 알루미늄, 스테인리스강, 니켈, 티타늄 등을 사용할 수 있고, 이외에도 알루미늄 또는 스테인리스강의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은을 처리한 것을 사용할 수 있다. 한편, 음극의 집전체로서, 알루미늄, 구리, 스테인리스강, 니켈, 티타늄 등을 사용할 수 있다. 이러한 집전체의 형상은, 전형적으로 필름 형상일 수 있으나, 망 구조물, 펀칭 구조물, 다공질체, 발포체 등을 적용할 수도 있다. 예시적으로, 집전체의 두께는, 예를 들면 약 1 내지 300 ㎛, 구체적으로 약 10 내지 250 ㎛, 보다 구체적으로 약 50 내지 200 ㎛ 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 의미로 이해될 수 있다. Meanwhile, since the all-solid-state lithium ion secondary battery may include a current collector, an electron conductor may be used as a material of the current collector. In the case of the current collector of the positive electrode, aluminum, stainless steel, nickel, titanium, etc. may be used, and in addition, carbon, nickel, titanium, or silver treated with carbon, nickel, titanium or silver may be used on the surface of aluminum or stainless steel. On the other hand, as the current collector of the negative electrode, aluminum, copper, stainless steel, nickel, titanium, or the like can be used. The shape of the current collector may be typically a film shape, but a mesh structure, a punching structure, a porous body, a foam, and the like may be applied. Illustratively, the thickness of the current collector may be in the range of, for example, about 1 to 300 μm, specifically about 10 to 250 μm, and more specifically about 50 to 200 μm, but this may be understood as an exemplary meaning.

전술한 바와 같이, 예비 적층체 또는 어셈블리에 고체전해질 용액을 함침한 후, 열처리 또는 가열 단계가 수행될 수 있다.As described above, after impregnating the solid electrolyte solution in the preliminary laminate or assembly, a heat treatment or heating step may be performed.

상술한 바와 같이 함침 과정이 수행된 후에는 적층체 또는 어셈블리 내에 함유되어 있는 용매를 제거하여(예를 들면, 기화시켜) 건조된 구조물을 형성할 수 있다. 예시적으로, 건조 단계는 당업계에 공지된 건조 방식(예를 들면, 진공 건조, 가열 건조 등)을 적용할 수 있다. 이때, 건조 조건은, 예를 들면 약 80 내지 200℃(구체적으로 약 100 내지 150℃) 범위, 그리고 진공 또는 비활성 분위기(예를 들면, 아르곤)일 수 있다.After the impregnation process is performed as described above, the solvent contained in the laminate or assembly may be removed (eg, vaporized) to form a dried structure. Illustratively, in the drying step, a drying method known in the art (eg, vacuum drying, heat drying, etc.) may be applied. In this case, the drying conditions may be, for example, about 80 to 200° C. (specifically, about 100 to 150° C.), and a vacuum or an inert atmosphere (eg, argon).

한편, 후속 단계로서 건조된 적층체 또는 어셈블리를 후속적으로 열처리 또는 가열하는 단계가 수행될 수 있는 바, 이러한 가열 단계는 구조물 내 잔류 용매를 가급적 완전히 제거함과 동시에 구조물 내 황화물계 고체전해질의 결정성을 증가시켜 이온전도도를 추가적으로 높이기 위하여 수행된다.On the other hand, as a subsequent step, a step of subsequently heat-treating or heating the dried laminate or assembly may be performed. This heating step removes the residual solvent in the structure as completely as possible and at the same time the crystallinity of the sulfide-based solid electrolyte in the structure. It is performed to further increase the ionic conductivity by increasing the

예시적 구체예에 따르면, 열처리 온도는, 예를 들면 적어도 약 200 ℃, 구체적으로 약 250 내지 500 ℃, 보다 구체적으로 약 300 내지 400 ℃ 범위에서 선택될 수 있으며, 또한 가열 시간은, 예를 들면 약 1 내지 10 시간, 구체적으로 약 3 내지 6 시간 범위일 수 있다. 그 밖의 조건은 황화물계 고체전해질의 제조와 관련하여 언급된 열처리 단계의 조건 내에서 적절히 조절할 수 있다. 또한, 가열 시 분위기 가스는, 예를 들면 아르곤(Ar) 등과 같은 비활성 가스일 수 있고, 택일적으로 진공 하에서도 수행할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the heat treatment temperature may be selected, for example, in the range of at least about 200 °C, specifically about 250 to 500 °C, more specifically about 300 to 400 °C, and the heating time is, for example, It may range from about 1 to 10 hours, specifically from about 3 to 6 hours. Other conditions may be appropriately adjusted within the conditions of the heat treatment step mentioned in relation to the preparation of the sulfide-based solid electrolyte. In addition, the atmosphere gas during heating may be, for example, an inert gas such as argon (Ar), and may alternatively be performed under vacuum.

예시적 구체예에 따르면, 열처리 또는 가열 단계 수행 후, 고체전해질 층(즉, 황화물계 고체전해질이 다공성 고분자 지지체에 담지된 멤브레인) 내 황화물계 고체전해질의 함량은, 예를 들면 약 60 내지 95 중량%, 구체적으로 약 65 내지 90 중량%, 보다 구체적으로 약 70 내지 80 중량% 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, after performing the heat treatment or heating step, the content of the sulfide-based solid electrolyte in the solid electrolyte layer (ie, the membrane in which the sulfide-based solid electrolyte is supported on the porous polymer support) is, for example, about 60 to 95 weight. %, specifically about 65 to 90% by weight, more specifically about 70 to 80% by weight.

예시적 구체예에 따르면, 열처리 또는 가열 단계 수행 후 구조물(적층체 또는 어셈블리) 내 황화물계 고체 전해질의 결정화도는, 예를 들면 적어도 약 60%, 구체적으로 적어도 약 70%, 보다 구체적으로 적어도 약 80% 범위일 수 있는 바, 이는 열처리 또는 가열 전 적층체 또는 어셈블린 내 황화물계 고체전해질의 결정도가 대략 20 내지 60%, 구체적으로 약 30 내지 50% 범위인 점에 비하여 증가된 것이다. 다만, 상기 결정화도 범위는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the crystallinity of the sulfide-based solid electrolyte in the structure (laminate or assembly) after performing the heat treatment or heating step is, for example, at least about 60%, specifically at least about 70%, more specifically at least about 80%. %, which is increased compared to the point where the crystallinity of the sulfide-based solid electrolyte in the laminate or assembly before heat treatment or heating is in the range of about 20 to 60%, specifically about 30 to 50%. However, the crystallinity range may be understood as an example.

예시적 구체예에 따르면, 전술한 바와 같이 고체전해질 층(즉, 다공성 고분자 지지체에 황화물계 고체전해질이 침투 또는 담지된 형태)의 도전율(30℃)은, 예를 들면 적어도 약 0.001 mS/㎝, 구체적으로 약 0.005 내지 0.5 mS/㎝, 보다 구체적으로 약 0.01 내지 0.3 mS/㎝, 특히 구체적으로 약 0.05 내지 0.25 mS/㎝ 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, as described above, the conductivity (30° C.) of the solid electrolyte layer (that is, a form in which a sulfide-based solid electrolyte is permeated or supported on a porous polymer support) is, for example, at least about 0.001 mS/cm, specifically about 0.005 to 0.5 mS/cm, more specifically about 0.01 to 0.3 mS/cm, particularly specifically about 0.05 to 0.25 mS/cm.

또한, 고체전해질 층의 면적 당 질량(areal mass)은, 예를 들면 약 2 내지 15 mg/㎠, 구체적으로 약 3 내지 10 mg/㎠, 보다 구체적으로 약 5 내지 8 mg/㎠ 범위일 수 있다.In addition, the areal mass of the solid electrolyte layer may be, for example, in the range of about 2 to 15 mg/cm 2 , specifically about 3 to 10 mg/cm 2 , and more specifically about 5 to 8 mg/cm 2 . .

예시적 구체예에 따르면, 전고체 리튬 2차 전지는 전술한 바와 같이 황화물계 고체전해질이 다공성 지지체의 포어 또는 기공에 함침 또는 침투된 고체전해질 층이 캐소드와 애노드 사이에 개재되어 있고, 더 나아가 고체전해질 층과는 반대 면에는 전류 집전체와 같이 당업계에서 알려진 통상의 전고체형 리튬 2차 전지의 구성 요소를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 본 구체예에 따른 고체전해질 층을 구비한 전고체전지의 경우, 에너지 밀도는, 예를 들면 약 50 내지 200 Wh kgcell -1, 구체적으로 약 80 내지 150 Wh kgcell -1, 보다 구체적으로 약 100 내지 120 Wh kgcell -1 범위일 수 있는 바, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있으며, 전지를 구성하는 캐소드, 애노드 등과 같은 다른 요인에 따라 변경 가능하다. According to an exemplary embodiment, in the all-solid lithium secondary battery, as described above, the solid electrolyte layer in which the sulfide-based solid electrolyte is impregnated or permeated into the pores or pores of the porous support is interposed between the cathode and the anode, and furthermore, the solid On the opposite side to the electrolyte layer, components of a conventional all-solid-state lithium secondary battery known in the art, such as a current collector, may be included. In this regard, in the case of an all-solid-state battery having a solid electrolyte layer according to this embodiment, the energy density is, for example, about 50 to 200 Wh kg cell -1 , specifically about 80 to 150 Wh kg cell -1 , More specifically, it may be in the range of about 100 to 120 Wh kg cell −1 , which may be understood as an example, and may be changed according to other factors such as a cathode and an anode constituting the battery.

또한, 예시적 구체예에 따르면, 전술한 전고체 리튬 2차 전지는 안정적인 사이클링 성능을 나타내어 장기간에 걸쳐 충-방전이 수행되는 경우에도 전지 성능의 저하는 낮은 수준이다. 예를 들면, 100 사이클 수행 후에도 초기 전지 용량의 적어도 약 80%, 구체적으로 적어도 약 85%가 유지될 수 있다. In addition, according to an exemplary embodiment, the above-described all-solid-state lithium secondary battery exhibits stable cycling performance, so that even when charge-discharge is performed over a long period of time, the deterioration of the battery performance is at a low level. For example, at least about 80%, specifically, at least about 85% of the initial battery capacity may be maintained even after 100 cycles are performed.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예Example

- Li6PS5Cl1-xBrx (0 ≤ x ≤ 1)의 제조 - Preparation of Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x (0 ≤ x ≤ 1)

지르코니아 바이얼(80 mL), 그리고 유성볼밀(Planetary Ball Mill, (Pulverisette 7PL; Fritsch GmbH))을 이용한 볼(직경 10 mm)를 통하여 600 rpm에서 10 시간 동안 Li2S(99.9%, Alfa Aesar), P2S5(99%, Sigma-Aldrich), LiCl (99.9%, Alfa Aesar) 및 LiBr (99.9%, Alfa Aesar)의 화학 양론적 혼합물을 볼 밀링함으로써 Li6PS5Cl1-xBrx (0 ≤ x ≤ 1)를 제조하였다. 볼 밀링된 Li6PS5Cl1-xBrx 파우더를 무수 에탄올(99.5%, Sigma-Aldrich)에 150 mg/mL의 농도로 용해시켜 침투 프로세스에 유용한 균일한 고체전해질 용액을 형성하였다. 상온 및 진공 조건 하에서 에탄올을 증발시킨 후, 6 시간 동안 180℃ 또는 400℃에서 열처리하여 용액 프로세스 가능한 Li6PS5Cl1-xBrx 파우더를 수득하였다. Li 2 S (99.9%, Alfa Aesar) through a zirconia vial (80 mL) and a ball (10 mm in diameter) using a Planetary Ball Mill (Pulverisette 7PL; Fritsch GmbH) at 600 rpm for 10 hours , Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x by ball milling a stoichiometric mixture of , P 2 S 5 (99%, Sigma-Aldrich), LiCl (99.9%, Alfa Aesar) and LiBr (99.9%, Alfa Aesar) (0 ≤ x ≤ 1) was prepared. Ball milled Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x powder was dissolved in absolute ethanol (99.5%, Sigma-Aldrich) at a concentration of 150 mg/mL to form a uniform solid electrolyte solution useful for the permeation process. After evaporating ethanol under room temperature and vacuum conditions, heat treatment was performed at 180° C. or 400° C. for 6 hours to obtain solution processable Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x powder.

슬러리 공정을 위하여, 볼 밀링된 Li6PS5Cl1-xBrx (LPSClBr) 파우더를 550℃에서 6 시간 동안 어닐링하였다. 고체전해질 멤브레인용 스캐폴드로서, 파이로멜리트 이무수화물(PMDA, 97% Sigma Aldrich) 및 4,4'-옥시디아닐린(ODA, 97% Sigma Aldrich) 단량체를 이용하여 합성된 폴리아믹산(PAA)을 이미드화 반응시킴으로써 폴리이미드 부직포(PI NW)를 제조하였다.For the slurry process, ball milled Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x (LPSClBr) powder was annealed at 550° C. for 6 hours. As a scaffold for a solid electrolyte membrane, polyamic acid (PAA) synthesized using pyromellite dianhydride (PMDA, 97% Sigma Aldrich) and 4,4'-oxydianiline (ODA, 97% Sigma Aldrich) monomers was used. A polyimide nonwoven fabric (PI NW) was produced by imidization reaction.

PAA 전구체는 PMDA 및 ODA 단량체(동일 당량 비(equimolar ratio))를 탈수된 디메틸아세트아미드(DMAc)와 0℃에서 중합시켜 합성하였다. 4 시간의 반응 후, 투명한 PAA 용액이 얻어졌고 전기방사에 사용되었다. The PAA precursor was synthesized by polymerization of PMDA and ODA monomers (equimolar ratio) with dehydrated dimethylacetamide (DMAc) at 0°C. After 4 hours of reaction, a clear PAA solution was obtained and used for electrospinning.

폴리에테르이미드(PEI)를 제조하기 위하여, PEI(Ultem 1000)을 DMAc/NMP의 혼합 용매에 70℃에서 12 시간 동안 용해시켜 23 중량%의 PEI 용액을 제조하였다. PAA 및 PEI 멤브레인은 각각의 용액을 이용하여 전기방사법에 의하여 제조하였다. 전기방사 공정의 세부 실험 조건은 하기와 같다: 3.5 μL/min의 공급 속도 및 13 kV의 인가 전압(PAA의 경우), 4.5 μL/min의 공급 속도 및 15 kV의 인가 전압(PEI의 경우), 그리고 노즐로부터 거리: 15 ㎝. 이와 같이 제조된 PAA는 질소 가스 분위기 하에서 하기와 같은 단계 별 열 경화 프로세스를 통하여 PI로 이미드화하였다: (ⅰ) 30분 동안 60 ℃, (ⅱ) 30분 동안 120 ℃, (ⅲ) 1 시간 동안 200 ℃, (ⅴ) 1 시간 동안 300 ℃, 및 (ⅳ) 10분 동안 400 ℃. To prepare polyetherimide (PEI), PEI (Ultem 1000) was dissolved in a mixed solvent of DMAc/NMP at 70° C. for 12 hours to prepare a 23 wt% PEI solution. PAA and PEI membranes were prepared by electrospinning using the respective solutions. The detailed experimental conditions of the electrospinning process were as follows: a feed rate of 3.5 μL/min and an applied voltage of 13 kV (for PAA), a feed rate of 4.5 μL/min and an applied voltage of 15 kV (for PEI), and the distance from the nozzle: 15 cm. The thus-prepared PAA was imidized with PI through the following step-by-step thermal curing process under a nitrogen gas atmosphere: (i) 60 °C for 30 minutes, (ii) 120 °C for 30 minutes, (iii) for 1 hour 200° C., (v) 300° C. for 1 hour, and (iv) 400° C. for 10 minutes.

- 전극 및 고체전해질 멤브레인의 제조- Preparation of electrodes and solid electrolyte membranes

본 실시예에서 전기방사 방식으로 제조된 부직포를 이용하여 함침 방식에 의하여 황화물계 고체전해질 샘플을 제조하는 일련의 과정을 도 2에 나타내었다.A series of processes for preparing a sulfide-based solid electrolyte sample by an impregnation method using the nonwoven fabric prepared by the electrospinning method in this example is shown in FIG. 2 .

LPSClBr의 함침은 고체전해질 용액을 전기방사된 PI 또는 PEI 멤브레인 상에 적하하는 방식으로 수행하였다. Ar-충진된 글로브 박스 내에서 용매를 증발시킨 후, PI의 경우에는 Ar 분위기 하, 400 ℃에서, 그리고 PEI의 경우에는 진공 조건 하, 180℃에서 열처리하였다. 결과로서 얻어진 고체전해질 멤브레인을 각각 "PI-LPSClBr" 및 "PEI-LPSClBr"로 표시한다.Impregnation with LPSClBr was performed by dropping the solid electrolyte solution onto the electrospun PI or PEI membrane. After evaporating the solvent in an Ar-filled glove box, heat treatment was performed at 400° C. under Ar atmosphere for PI and at 180° C. under vacuum conditions for PEI. The resulting solid electrolyte membrane is denoted as "PI-LPSClBr" and "PEI-LPSClBr", respectively.

산화물-고분자 전해질(OPCs)을 제조하기 위하여, 모든 전구체를 진공 하에 건조시켰다(PEO의 경우에는 60℃, 그리고 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI) 및 알루미나의 경우에는 100℃). LiTFSI (99.95%, Sigma-Aldrich), PEO (Mw: 약 600,000, Sigma-Aldrich) 및 Al2O3 (< 50 nm, Sigma-Aldrich)을 아세토니트릴(99.8%, Sigma-Aldrich)에 첨가한 다음, 50℃에서 10시간 동안 기계적 교반을 수행하였다. [EO]/[Li] 비는 16:1이었고, PEO 및 LiTFSI의 전체 량 중 알루미나의 중량 분율은 10 중량%이었다. 상기 혼합물은 닥터 블레이드법을 이용하여 폴리테트라플루오로에틸렌 플레이트 상에 캐스팅한 다음, 50℃에서 건조시켰다. 용매를 완전히 제거하기 위하여 진공 하, 60℃에서 5 시간 동안 추가적인 열 처리를 수행하였다. 활 물질(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM)) 또는 그라파이트(Gr) 또는 Li4Ti5O12 (LTO)), Li6PS5Cl0.5Br0.5, 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 및 탄소 첨가제(NCM622 및 LTO 경우에만)를 무수 자일렌(또는 LTO의 경우에는 디브로모메탄) 내에서 혼합하여 슬러리를 제조하였다. LTO 전극의 경우, 소량의 용매 이온액(Li(G3)TFSI (트리에틸렌글리콜 디메틸 에테르(G3) 및 LiTFSI의 동일 몰 비 혼합물)을 첨가하였다. NCM, Gr 및 LTO 전극의 경우, 전극 조성은 각각 70:27.5:1.0:1.5, 58.6:39.1:1.5:0.0, 및 49.1:45.1:1.0:1.5:3.5 (Li(G3)TFSI)이었다. 슬러리 혼합물을 닥터 블레이드법에 의하여 전류 집전체(Al 및 Ni 포일(Gr인 경우에만)) 상에 캐스팅한 다음, 120℃(또는 LTO 전극의 경우에는 60℃)에서 열처리하였다. 활 물질의 질량 로딩량의 경우, NCM, 그라파이트 및 LTO 각각에 대하여 8.5 mg/㎠, 6.0 mg/㎠, 및 12.6 mg/㎠이었다.To prepare oxide-polymer electrolytes (OPCs), all precursors were dried under vacuum (60 °C for PEO and 100 °C for lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) and alumina). ). LiTFSI (99.95%, Sigma-Aldrich), PEO (M w : about 600,000, Sigma-Aldrich) and Al 2 O 3 (< 50 nm, Sigma-Aldrich) were added to acetonitrile (99.8%, Sigma-Aldrich). Then, mechanical stirring was performed at 50° C. for 10 hours. The [EO]/[Li] ratio was 16:1, and the weight fraction of alumina in the total amount of PEO and LiTFSI was 10% by weight. The mixture was cast on a polytetrafluoroethylene plate using a doctor blade method, and then dried at 50°C. In order to completely remove the solvent, an additional heat treatment was performed at 60° C. for 5 hours under vacuum. Active material (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 (NCM)) or graphite (Gr) or Li 4 Ti 5 O 12 (LTO)), Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 , nitrile-butadiene rubber (NBR), and A slurry was prepared by mixing the carbon additive (NCM622 and LTO only) in anhydrous xylene (or dibromomethane for LTO). For LTO electrodes, a small amount of solvent ionic liquid (Li(G3)TFSI (equimolar mixture of triethyleneglycol dimethyl ether (G3) and LiTFSI) was added. For NCM, Gr and LTO electrodes, the electrode composition was each 70:27.5:1.0:1.5, 58.6:39.1:1.5:0.0, and 49.1:45.1:1.0:1.5:3.5 (Li(G3)TFSI) The slurry mixture was transferred to a current collector (Al and Ni by a doctor blade method). Foil (only for Gr)), then heat treated at 120° C. (or 60° C. for LTO electrode) For mass loading of active material, 8.5 mg/for each of NCM, graphite and LTO cm 2 , 6.0 mg/cm 2 , and 12.6 mg/cm 2 .

고체전해질 침투 프로세스에 사용된 통상의 LIB 전극 역시 슬러리 공정에 의하여 제조하였다. 슬러리의 경우, LCO 및 LTO 각각에 대하여 활물질(LiCoO2 (LCO) 또는 LTO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 탄소 첨가제를 97:1:2 및 80:10:10의 중량 분율로 혼합하여 제조하였다. 이와 같이 제조된 전극을 전기방사된 다공성 PI NW과 조합하여 LCO/PI/LTO 어셈블리를 형성하였고, 이후 고체전해질 침투 프로세스에서 사용하였다.A conventional LIB electrode used in the solid electrolyte permeation process was also prepared by the slurry process. For the slurry, the active material (LiCoO 2 (LCO) or LTO), polyvinylidene fluoride (PVDF) and carbon additive are mixed in weight fractions of 97:1:2 and 80:10:10 for LCO and LTO respectively. prepared. The electrode thus prepared was combined with the electrospun porous PI NW to form an LCO/PI/LTO assembly, which was then used in the solid electrolyte permeation process.

특성 분석Characterization

- 물질의 특성 분석- Characterization of substances

XRD 측정을 위하여 고체전해질을 베릴륨 윈도우로 실링하여 40 kV 및 15 mA에서의 MiniFlex 600 diffractometer (Rigaku Corp.) (Cu Kα radiation: 1.5406 ㅕ) 상에 장착하였다. PI의 FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy) 스펙트럼은 4000 cm-1와 500 cm-1 사이의 감쇄된 전체 반사 모드를 갖는 Bruker Alpha FTIR 분광기를 이용하여 얻었다. PEI 및 PI의 열 안정성을 평가하기 위하여 Ar 분위기 하 및 40 내지 800℃의 온도 범위에서 TGA를 수행하였다. 고체전해질 멤브레인 미 전고체 완전 전지의 단면은 Ar 이온 빔(JEOL, IB19510CP)을 이용하여 5 kV에서 6 시간 동안 폴리싱함으로써 제조하였다. SEM 사진 및 이에 대응하는 EDXS 원소 맵핑은 JSM-7610FPlus (JEOL)을 이용하여 얻었다.For XRD measurement, the solid electrolyte was sealed with a beryllium window and mounted on a MiniFlex 600 diffractometer (Rigaku Corp.) (Cu Ka radiation: 1.5406 ㅕ) at 40 kV and 15 mA. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra of PI were obtained using a Bruker Alpha FTIR spectrometer with attenuated total reflection modes between 4000 cm -1 and 500 cm -1 . In order to evaluate the thermal stability of PEI and PI, TGA was performed under an Ar atmosphere and in a temperature range of 40 to 800 °C. A cross-section of a solid electrolyte membrane non-solid-state full cell was prepared by polishing using an Ar ion beam (JEOL, IB19510CP) at 5 kV for 6 hours. SEM images and corresponding EDXS element mapping were obtained using JSM-7610FPlus (JEOL).

- 전기화학적 특성 분석 - Analysis of electrochemical properties

리튱 이온의 도전율(conductivity)은 Li-이온 블로킹 특성을 갖는 Ti/(SE 펠렛 또는 SE 멤브레인)/Ti 대칭 전지를 이용한 AC 임피던스 방법에 의하여 측정하였다. 고체전해질 파우더 및 고체전해질 멤브레인은 550 MPa에서 저온-압착(cold-pressing)하였다. 고체전해질 멤브레인의 전자 도전율은 Ti/SE 멤브레인/Ti 대칭 구조(symmetric)의 전지를 이용한 DC 분극법에 의하여 측정하였다. 전고체 완전 전지는 고체전해질 멤브레인의 각각의 면 상에 NCM 및 Gr(또는 LTO) 전극을 배치한 후에 상온에서 550 MPa로 가압하였다.The conductivity of the lithium ions was measured by the AC impedance method using a Ti/(SE pellet or SE membrane)/Ti symmetric cell with Li-ion blocking properties. The solid electrolyte powder and the solid electrolyte membrane were cold-pressed at 550 MPa. The electronic conductivity of the solid electrolyte membrane was measured by DC polarization using a Ti/SE membrane/Ti symmetric cell. The all-solid-state cell was pressurized to 550 MPa at room temperature after placing NCM and Gr (or LTO) electrodes on each side of the solid electrolyte membrane.

정전류 충방전(galvanostatic charge-discharge) 테스트는 NCM/Gr 완전 전지 및 NCM/LTO 완전 전지 각각에 대하여는 2.0-4.2 V 및 1.3-2.7 V의 전압 범위로 30℃에서 수행하였다. 고체전해질 침투 프로세스에 의하여 제조된 LCO/LTO 완전 전지는 1.3-2.7 V의 전압 범위로 30℃에서 순환시켰다. 작동 중 70 MPa의 외부 압력이 인가되었다.The galvanostatic charge-discharge test was performed at 30° C. with a voltage range of 2.0-4.2 V and 1.3-2.7 V for the NCM/Gr full cell and the NCM/LTO full cell, respectively. The LCO/LTO full cell prepared by the solid electrolyte permeation process was cycled at 30°C with a voltage range of 1.3-2.7 V. An external pressure of 70 MPa was applied during operation.

결과 및 토의Results and discussion

도 3은 폴리이미드(PI)가 갖는 작용기를 FTIR로 확인한 결과를 나타낸다, 상기 도면을 참조하면, 1775 cm-1에서 비대칭적인 C=O 스트레칭, 1720 cm-1에서 대칭적인 C=O 스트레칭, 그리고 1375 cm-1에서 C-N 스트레칭에 대한 흡수 밴드가 확인되었다. 더욱이, 3300-3500 cm-1 범위에서의 N-H 스트레칭에 대한 흡수 밴드는 관찰되지 않았는 바, 이는 열적 이미드화 반응에 의하여 폴리아믹산이 PI로 완전히 전환되었음을 지시한다.3 shows the results of confirming the functional group of polyimide (PI) by FTIR. Referring to the figure , asymmetric C = O stretching at 1775 cm -1 , symmetric C = O stretching at 1720 cm -1 , and An absorption band for CN stretching was identified at 1375 cm −1 . Moreover, no absorption band was observed for NH stretching in the range of 3300-3500 cm -1 , indicating that the polyamic acid was completely converted to PI by the thermal imidization reaction.

한편, 전기방사 공정을 통하여 높은 다공성을 갖고 상호연결된 섬유 구조를 형성하였는 바, 충분한 량의 액상 Li6PS5[Cl,Br]을 흡수하는데 적합하였다. 에탄올과 PI 내 극성의 이미드기 간의 높은 친화성으로 인하여 균일한 Li6PS5[Cl,Br]-EtOH 용액이 간단한 드롭핑에 의하여 전기방사된 다공성 고분자 부직포 내로 침투할 수 있었다. 후속적으로 진공 하에서 용매 증발은 초기 Li6PS5[Cl,Br]의 결정화를 유도하고, 약 180℃보다 높은 온도에서의 추가 열 처리를 통하여 결정화도를 증가시켰다. 550 MPa 하에서의 저온 압착에 의하여 조밀화시킨 후, 최종 Li6PS5[Cl,Br]-침투된 PI 멤브레인을 수득하였는 바, 얻어진 PI-Li6PS5[Cl,Br] 멤브레인은 고분자 재질의 부직포의 두께 및/또는 고체전해질 용액의 량을 조정함으로써 이의 두께를 조절할 수 있었다. PI에 비하여 낮은 열 안정성을 나타내는 폴리에테르이미드(PEI) 역시 대조군으로서 전기방사된 부직포(NW)로 선택되었다. On the other hand, it was suitable for absorbing a sufficient amount of liquid Li 6 PS 5 [Cl,Br] as a high porosity and interconnected fiber structure was formed through the electrospinning process. Due to the high affinity between ethanol and the polar imide group in PI, a uniform Li 6 PS 5 [Cl,Br]-EtOH solution could penetrate into the electrospun porous polymer nonwoven fabric by simple dropping. Subsequent evaporation of the solvent under vacuum induced crystallization of the initial Li 6 PS 5 [Cl,Br] and increased the crystallinity through further heat treatment at a temperature higher than about 180°C. Then densified by cold pressed under 550 MPa, the final Li 6 PS 5 [Cl, Br ] - the resulting bar, hayeotneun obtain a penetration PI membrane PI-Li 6 PS 5 [Cl , Br] The membrane of the non-woven fabric of polymeric material Its thickness could be controlled by adjusting the thickness and/or the amount of the solid electrolyte solution. Polyetherimide (PEI), which exhibits lower thermal stability compared to PI, was also selected as an electrospun nonwoven fabric (NW) as a control.

기존의 습식법에 의한 고체전해질 코팅 및 LIB 전극의 침투 기술의 경우, 열 처리는 200℃ 이하로 제한되는 바, 이는 고체전해질과 전극 활물질 간의 반응 위험성, 그리고 PVDF 바인더의 열 분해 때문이다. 그러나, 200℃의 열 처리 온도는 높은 결정화도를 얻기에는 불충분하기 때문에 10-3 S/㎝를 초과하는 높은 리튬 이온 도전율을 달성하기 곤란하다. 분석 결과, 승온 조건 하에서 고체전해질과 PI 고분자 간의 반응성은 심각하지 않았고, PI는 적용 가능한 열 처리 온도를 400℃까지 확장시킬 수 있었다. 이는 용액-프로세스 가능한 고체전해질의 리튬 이온 도전율을 증가시킬 수 있도록 한다. 더욱이, Li6PS5X (X=Cl, Br, I) 내 할라이드가 리튬 이온의 이동에 미치는 영향에 기초하여, 400℃에서 열 처리된, 용액-프로세스 가능한 리튬 아지로다이트, 즉 Li6PS5Cl1-xBrx (0 ≤ x ≤ 1)를 최적화할 수 있다. In the case of solid electrolyte coating and LIB electrode penetration technology by the conventional wet method, heat treatment is limited to 200° C. or less, because of the risk of reaction between the solid electrolyte and the electrode active material, and thermal decomposition of the PVDF binder. However, since the heat treatment temperature of 200 DEG C is insufficient to obtain a high degree of crystallinity, it is difficult to achieve a high lithium ion conductivity exceeding 10 -3 S/cm. As a result of the analysis, the reactivity between the solid electrolyte and the PI polymer was not serious under elevated temperature conditions, and PI could extend the applicable heat treatment temperature to 400°C. This makes it possible to increase the lithium ion conductivity of the solution-processable solid electrolyte. Moreover, based on the effect of halide in Li 6 PS 5 X (X=Cl, Br, I) on the migration of lithium ions, heat treated at 400° C., solution-processable lithium azirodite, i.e. Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x (0 ≤ x ≤ 1) can be optimized.

x에 따른 180℃ 또는 400℃에서 열 처리된, 용액-프로세스 가능한 Li6PS5Cl1-xBrx의 리튬 이온 도전율을 30℃에서 Ti/SE/Ti 대칭 구조의 전지를 이용한 AC 방법에 의하여 측정하였으며, 그 결과를 도 4a에 나타내었다. 구체적으로, 도 4a는 열처리 온도 및 x에 따른 이온전도도의 변화를 보여준다. The lithium ion conductivity of solution-processable Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x heat-treated at 180° C. or 400° C. according to x was measured by AC method using a Ti/SE/Ti symmetrical cell at 30° C. was measured, and the results are shown in FIG. 4A. Specifically, FIG. 4A shows the change in ionic conductivity according to the heat treatment temperature and x.

상기 도면에 따르면, 180℃에서 열 처리 시, 단일 할로겐 원소를 함유하는 Li6PS5X (Li6PS5Cl (x=0) 또는 Li6PS5Br (x=1.0))는 0.1-0.2 mS/cm 범위의 리튬 이온 도전율(conductivity)을 나타내었다. 복수의 할로겐 원소를 사용할 경우(예를 들면, Li6PS5Cl0.5Br0.5), 리튬 이온 도전율은 0.4 mS/㎝까지 증가하였다. 그러나, 침투용 황화물계 고체전해질이 갖는 10-4 S/㎝의 리튬 이온 도전율은 고분자-고체전해질 복합체에 적용하기에는 지나치게 낮은 수준인 바, 이는 절연성의 고분자 성분이 최종 필름 구조에 대하여는 대략 한 자리수로 리튬 이온 도전율을 낮추기 때문이다(즉, ≤10-5 S/㎝). 주목할 점은 열 처리 온도를 400℃로 승온시킬 경우, 리튬 이온 도전율이 현저히 증가하였다는 것이다. 이는 결정화도의 증가 및 유기 불순물의 제거로부터 기인하는 것으로 볼 수 있다. 특히, 가장 높은 리튬 도전율(2.0 mS/㎝)은 복수의 할로겐 원소를 함유하는 조성에서 얻어졌다. Li6PS5Cl0.5Br0.5에서 최적의 리튬 이온 도전율이 달성되는 것은 음이온 골격의 분극능과 X-/S2- 사이트 무질서(disorder) 간의 상호 작용으로 설명될 수 있으며, 이는 리튬 이온 전달을 위한 전인자(pre-factor) 및 활성화 배리어를 각각 변화시킨다.According to the figure, upon heat treatment at 180° C., Li 6 PS 5 X (Li 6 PS 5 Cl (x=0) or Li 6 PS 5 Br (x=1.0)) containing a single halogen element is 0.1-0.2 The lithium ion conductivity was shown in the mS/cm range. When a plurality of halogen elements were used (eg, Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 ), the lithium ion conductivity was increased to 0.4 mS/cm. However, the lithium ion conductivity of 10 −4 S/cm of the sulfide-based solid electrolyte for penetration is too low to be applied to the polymer-solid electrolyte composite, which means that the insulating polymer component is approximately single-digit with respect to the final film structure. This is because it lowers the lithium ion conductivity (ie, ≤10 -5 S/cm). It should be noted that when the heat treatment temperature was raised to 400° C., the lithium ion conductivity was significantly increased. This can be attributed to the increase in crystallinity and the removal of organic impurities. In particular, the highest lithium conductivity (2.0 mS/cm) was obtained in a composition containing a plurality of halogen elements. The achievement of optimal lithium ion conductivity in Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 can be explained by the interaction between the polarizability of the anion backbone and the X /S 2-site disorder, which change the pre-factor and the activation barrier, respectively.

도 4b는 400℃에서 열 처리된, 용액-프로세스된 Li6PS5Cl1-xBrx (0 ≤ x ≤ 1)의 파우더 XRD 패턴을 나타내며, 구체적으로 Cl을 이온사이즈가 더 큰 Br로 치환시킴에 따라 XRD에서 2θ가 왼쪽으로 시프트된 결과를 보여준다. 4b shows a powder XRD pattern of solution-processed Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x (0 ≤ x ≤ 1) heat treated at 400 ° C. Specifically, Cl is replaced with Br having a larger ion size. It shows the result of shifting 2θ to the left in XRD.

상기 도면에 따르면, 모든 샘플이 입방 구조의 아지로다이트 상에 대응하는 주된 피크, 그리고 LiX 및 Li2S에 대한 미세한 불순물 피크를 나타내었다. Cl을 Br로 치환함에 따라, 주된 피크는 보다 낮은 각도로 시프트되었는데, 이는 Br-(CN=6인 경우에는 1.82 Å)의 이온 사이즈가 Cl-(배위수 (CN)=6인 경우에는 1.67 Å)의 이온 사이즈보다 크기 때문에 격자가 확장되었음을 지시한다.According to the figure, all samples showed a main peak corresponding to the cubic azirodite phase, and fine impurity peaks for LiX and Li 2 S. As Cl was replaced with Br, the main peak shifted to a lower angle, indicating that the ion size of Br − (1.82 Å for CN=6) is 1.67 Å for Cl − (coordination number (CN)=6). ), indicating that the lattice is expanded because it is larger than the ion size of .

전기방사된 PI 멤브레인에 대한 광학 사진 및 SEM 사진 각각을 도 5a 및 도 5b에 나타내었다. SEM 사진은 PI 멤브레인이 랜덤하게 배열된 나노섬유(직경: 약 500 nm)로 구성되고, 많은 공극(void space)을 함유하고 있음을 보여준다. 측정된 기공도 값은 80-90% 수준이었는데, 충분한 량의 고체전해질을 흡수하는데 충분히 높았다. Ar 흐름 하에서의 TGA 분석 결과, 도 5c에 나타난 바와 같이, 열 분해 개시(onset) 온도는 대략 500℃만큼 높은 수준이었다. Optical photographs and SEM photographs of the electrospun PI membrane are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively. The SEM picture shows that the PI membrane is composed of randomly arranged nanofibers (diameter: about 500 nm) and contains many void spaces. The measured porosity values were at the level of 80-90%, which was high enough to absorb a sufficient amount of solid electrolyte. As a result of TGA analysis under Ar flow, as shown in FIG. 5c , the thermal decomposition onset temperature was as high as approximately 500°C.

400℃에서 제조된 Li6PS5Cl0.5Br0.5-침투된 PI 멤브레인(이하, "PI-LPSClBr")는 도 5d 및 도 5e에 나타낸 바와 같이 연성을 나타내었다. 또한, 이의 표면 SEM 사진(도 5f)은 감지 가능한 크랙을 함유하지 않는 압축 상태를 보여준다. 이러한 특징은 PI NW의 탄성(resilience) 및 Li6PS5Cl0.5Br0.5의 변형성(deformability) 때문이다. 이와 같이 제조된 멤브레인의 우수한 기계적 물성으로 인하여 상용 LIB 제조에 사용되는 롤-투-롤(roll-to-roll) 프로세스와 같은 상업적 규모의 생산에 적합함을 알 수 있다 The Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 -permeated PI membrane (hereinafter, “PI-LPSClBr”) prepared at 400° C. exhibited ductility as shown in FIGS. 5D and 5E . In addition, its surface SEM photograph (Fig. 5f) shows a compacted state containing no detectable cracks. These characteristics are due to the resilience of PI NWs and the deformability of Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 . Due to the excellent mechanical properties of the membrane thus prepared, it can be seen that it is suitable for production on a commercial scale, such as a roll-to-roll process used for commercial LIB production.

두께에 따른 고체전해질 멤브레인의 리튬 이온 도전율(30℃) 및 전도도(30℃)를 도 5g 및 하기 표 1에 나타내었다.The lithium ion conductivity (30°C) and conductivity (30°C) of the solid electrolyte membrane according to the thickness are shown in FIG. 5G and Table 1 below.

Figure pat00004
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고체 전해질 멤브레인에 대한 Nyquist 플롯을 도 6에 각각 도시하였다. 또한, 180℃에서 열 처리된, Li6PS5Cl0.5Br0.5-침투된 PEI 멤브레인(이하, "PEI-LPSClBr")의 결과와 비교하였다. A Nyquist plot for the solid electrolyte membrane is shown in FIG. 6 , respectively. In addition, the results were compared with the results of the Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 -permeated PEI membrane (hereinafter, “PEI-LPSClBr”), which was heat treated at 180°C.

도 7에 따르면, PEI-LPSCl은 유연성을 나타내었다. PI-LPSClBr은 0.058 mS/㎝에서 0.20 mS/㎝까지의 리튬 이온 도전율(30℃)을 나타내었다(도 5g에서 삼각형 표시 참조). 이와 같이 높은 리튬 이온의 도전율은 PI가 400℃의 고온 열처리 온도(Li6PS5Cl0.5Br0.5가 2.0 mS/㎝의 도전율을 나타낼 수 있는 온도)에서도 손상 없는 상태를 유지하기 때문이다(도 4a 참조). 반면, 180℃에서 열 처리된 PEI-LPSClBr은 현저히 낮은 리튬 이온 도전율(0.0013 mS/㎝, 도 5g에서 정사각형 표시)을 나타내었다. 이와 관련하여, 전고체 전지의 전기화학적 성능에 있어서는 리튬 이온 도전율(conductivity)에 비하여 리튬 이온 전도도(conductance)가 중요한 요소라는 점을 주목할 필요가 있다. According to Figure 7, PEI-LPSCl showed flexibility. PI-LPSClBr exhibited lithium ion conductivity (30° C.) from 0.058 mS/cm to 0.20 mS/cm (refer to the triangle mark in FIG. 5g). This high conductivity of lithium ions is because PI maintains an undamaged state even at a high temperature heat treatment temperature of 400° C. (a temperature at which Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 can exhibit a conductivity of 2.0 mS/cm) (Fig. 4a). Reference). On the other hand, PEI-LPSClBr heat-treated at 180° C. exhibited a significantly lower lithium ion conductivity (0.0013 mS/cm, indicated by a square in FIG. 5G ). In this regard, it is worth noting that lithium ion conductivity is an important factor compared to lithium ion conductivity in the electrochemical performance of an all-solid-state battery.

얇은(40-70 ㎛) PI-LPSClBr은 통상의 700 ㎛-두께의 Li6PS5Cl0.5Br0.5 펠렛의 이온 전도도(29 mS, 도 5g에서 다이아몬드 표시)와 유사한 값(15-29 mS)을 나타내었다. 이는 PI-LPSClBr의 사용이 전고체 리튬 2자전지(ASLB)의 전기화학적 성능을 상쇄(offset)하지 않음을 시사한다. 더욱이, PI-LPSClBr의 낮은 질량 담지량(5.0-9.5 mg/㎠ vs. 종래의 후막 형태의 고체전해질 펠렛에서의 약 110 mg/㎠)은 전고체 리튬 2차전지의 전지-기반 에너지 밀도에 있어서 중요한 장점을 시사한다. The thin (40-70 μm) PI-LPSClBr has similar values (15-29 mS) to the ionic conductivity (29 mS, indicated by diamonds in Fig. 5g ) of conventional 700 μm-thick Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 pellets. indicated. This suggests that the use of PI-LPSClBr does not offset the electrochemical performance of all-solid-state lithium secondary batteries (ASLBs). Moreover, the low mass loading of PI-LPSClBr (5.0-9.5 mg/cm 2 vs. about 110 mg/cm 2 in conventional thick-film solid electrolyte pellets) is important for the battery-based energy density of all-solid-state lithium secondary batteries. suggest an advantage.

PI-LPSClBr의 전자 도전율(electronic conductivity) 역시 Ti/PI-LPSClBr/Ti 대칭 구조의 전지를 이용한 DC 분극법에 의하여 측정하였다. PI-LPSClBr은 약 10-9 S/㎝의 전자 도전율을 나타내었다(도 8 참조). 이러한 값은 이온 도전율(리튬 이온 이동수(transport number): 약 0.99999)보다 5 자리수 더 낮은 수준이다. 도 5h는 PI-LPSClBr의 단면 SEM 사진 및 이에 대응하는 EDXS 원소 맵(S 및 Cl)을 보여준다. Li6PS5Cl0.5Br0.5은 멤브레인의 내측 부분 전체에 걸쳐 균일하게 존재하였는 바, 이는 함침 과정에서 다공성 PI NW 내로 액상화된 고체전해질이 효과적으로 침투하였고, 저온 압착 과정에서 Li6PS5Cl0.5Br0.5의 양호한 기계적 소성(sintering) 때문이다.The electronic conductivity of PI-LPSClBr was also measured by DC polarization using a Ti/PI-LPSClBr/Ti symmetrical cell. PI-LPSClBr exhibited an electron conductivity of about 10 -9 S/cm (see FIG. 8). This value is five orders of magnitude lower than the ionic conductivity (lithium ion transport number: about 0.99999). Figure 5h shows a cross-sectional SEM photograph of PI-LPSClBr and a corresponding EDXS element map (S and Cl). Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 was uniformly present throughout the inner part of the membrane, which effectively penetrated the liquefied solid electrolyte into the porous PI NW during the impregnation process, and Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br during the low-temperature compression process Because of the good mechanical sintering of 0.5.

전기화학적 특성 분석을 위하여, 40㎛-두께의 Li6PS5Cl0.5Br0.5-침투된 PI 또는 PEI 멤브레인을 이용한 NCM/Li4Ti5O12 (LTO) 전고체 완전 전지를 제작하였다. 슬러리 공정에 의하여 제조된 시트형 NCM 및 LTO 전극을 사용하였다. 도 9a는 NCM/PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5/LTO 전고체 전체 전지의 단면 SEM 사진 및 이에 대응하는 원소 맵을 보여주는 바, 얇은 고체전해질 층이 어떠한 크랙 또는 단락 없이도 캐소드 및 애노드 층과 양호한 접촉 상태에 있음을 확인하였다.For the electrochemical characterization, an NCM/Li4Ti5O12 (LTO) all-solid-state cell using a 40 μm-thick Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 -penetrated PI or PEI membrane was fabricated. Sheet-type NCM and LTO electrodes prepared by the slurry process were used. 9a is a cross-sectional SEM photograph of a NCM/PI-Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 /LTO all-solid-state whole cell and a corresponding element map. It was confirmed that it was in a good contact state.

도 9b 및 도 9c에서는 PI-LPSClBr 및 PEI-LPSClBr을 사용한 NCM/LTO 전고체전지의 0.22 mA/㎠(약 0.1 C)에서의 제1 사이클 충-방전 전압 프로파일(30℃) 및 이에 대응하는 율속 특성(rate capability)을 비교하였다. PI-LPSClBr을 사용한 전고체전지는 PEI-LPSClBr을 사용한 전고체전지의 방전 용량(86 mA gNCM -1)에 비하여 현저히 높은 방전 용량(126 mA h gNCM -1)을 나타내었다. 율속 특성의 경향 역시 이와 부합되었다. 이러한 큰 차이는 PI-LPSClBr가 PEI-LPSClBr에 비하여 우수한 이온 도전율을 나타내기 때문이며, 그 결과 PI의 현저히 높은 열 안정성을 활용하는 설계의 근거가 될 수 있다.9b and 9c, the first cycle charge-discharge voltage profile (30° C.) and the corresponding rate rate at 0.22 mA/cm 2 (about 0.1 C) of the NCM/LTO all-solid-state battery using PI-LPSClBr and PEI-LPSClBr The rate capability was compared. The all-solid-state battery using PI-LPSClBr exhibited a significantly higher discharge capacity (126 mA hg NCM -1 ) than that of the all-solid-state battery using PEI-LPSClBr (86 mA g NCM -1 ). The trend of rate characteristics was also consistent with this. This large difference is because PI-LPSClBr exhibits superior ionic conductivity compared to PEI-LPSClBr.

한편, 40㎛-두께의 PI-LPSClBr을 사용하는 전고체 NCM/Gr 완전 전지를 조립하였다. 0.22 mA/㎠(약 0.1 C) 및 30℃에서의 제1 2-사이클 충방전 전압 프로파일을 도 10a에 나타내었다. 40㎛-두께의 PI-LPSClBr에 대한 0.058 mS/㎝의 리튬 이온 도전율에도 불구하고, NCM/Gr 전고체전지는 146 mA h gNCM -1의 높은 가역 용량을 나타내었는 바, 이는 종래의 후막 고체전해질(>1.0 mS/㎝의 높은 리튬 이온 도전율을 나타냄)을 사용하는 경우에 상응하는 수준이었다. 이러한 결과는 전고체 전지의 전기화학적 성능을 테스트하고 평가하는데 있어서 이온 도전율보다는 이온 전도도가 중요함을 지시한다. NCM/PI-LPSClBr/Gr 전고체전지의 에너지 밀도는 캐소드, 애노드, 고체전해질 멤브레인 및 전류 집전체의 중량 기준으로 110 Wh kgcell -1이다(전류 집전체의 중량을 제외하면 156 Wh kg-1). 이러한 값은 종래의 후막 고체전해질을 이용하는 경우에 비하여 현저히 높다. NCM/PI-LPSClBr/Gr 전고체전지는 안정적인 사이클링 성능을 나타내는 바, 도 10b에 도시된 바와 같이 100 사이클 후에도 초기 용량의 86%를 보유하였다. Meanwhile, an all-solid NCM/Gr full cell using 40 μm-thick PI-LPSClBr was assembled. The first two-cycle charge/discharge voltage profile at 0.22 mA/cm 2 (about 0.1 C) and 30° C. is shown in FIG. 10A . In spite of the lithium ion conductivity of 0.058 mS/cm for 40 μm-thick PI-LPSClBr, the NCM/Gr all- solid-state battery exhibited a high reversible capacity of 146 mA hg NCM- 1 , which is the conventional thick-film solid electrolyte ( >1.0 mS/cm, indicating a high lithium ion conductivity). These results indicate that ionic conductivity is more important than ionic conductivity in testing and evaluating the electrochemical performance of all-solid-state batteries. The energy density of the NCM/PI-LPSClBr/Gr all-solid-state battery is 110 Wh kg cell -1 based on the weight of the cathode, anode, solid electrolyte membrane and current collector (156 Wh kg -1 excluding the weight of the current collector) ). This value is significantly higher than that in the case of using a conventional thick film solid electrolyte. The NCM/PI-LPSClBr/Gr all-solid-state battery exhibited stable cycling performance, and as shown in FIG. 10b , retained 86% of its initial capacity even after 100 cycles.

또한, NCM/PI-LPSClBr/Gr 전고체전지를 180℃의 고온 조건에 1 시간 동안 노출시켰다. 이러한 가혹 조건 하에서, 종래의 고분자 전해질은 용융되었고, 전고체전지는 적절한 기능을 발휘할 수 없었고 안전성과 관련한 문제점을 갖고 있다. 비교를 위하여, 종래의 고분자 전해질 또는 OPC 고체전해질에 대한 모델로서 10 중량%의 알루미나 나노입자를 함유하는 PEO-Li 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)를 제조하였다. PEO-LiTFSI-Al2O3 필름은 180℃의 온도에 노출될 때 상당한 열 수축을 나타내었고, 400℃의 온도에 노출될 때에는 완전히 초기 형태가 손실되었다(도 11 참조). 반면, 180℃의 온도에 노출된 후의 NCM/PI-LPSClBr/Gr 전고체전지에 대한 충방전 전압 프로파일은 여전히 노출 전의 값과 거의 중첩되었는 바(도 10c), 우수한 열 안정성 및 안전성을 제공함을 뒷받침한다.In addition, the NCM/PI-LPSClBr/Gr all-solid-state battery was exposed to a high temperature condition of 180° C. for 1 hour. Under these harsh conditions, the conventional polymer electrolyte was melted, and the all-solid-state battery could not exhibit an appropriate function and had a problem with regard to safety. For comparison, PEO-Li bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) containing 10% by weight of alumina nanoparticles as a model for a conventional polyelectrolyte or OPC solid electrolyte was prepared. The PEO-LiTFSI-Al 2 O 3 film exhibited significant thermal shrinkage when exposed to a temperature of 180° C. and completely lost its initial morphology when exposed to a temperature of 400° C. (see FIG. 11 ). On the other hand, the charge/discharge voltage profile of the NCM/PI-LPSClBr/Gr all-solid-state battery after exposure to a temperature of 180° C. still almost overlapped with the value before exposure ( FIG. 10c ), supporting excellent thermal stability and safety. do.

멤브레인의 두께 및 면적 용량 면에서 NCM/PI-LPSClBr/Gr 전고체전지의 전기화학적 성능을 종래의 자립형 고체전해질 멤브레인을 사용하는 경우와 비교하였다(도 10d 참조). 고분자 전해질 또는 OPC 고체전해질 멤브레인을 사용하는 전고체전지를 높은 온도(55-80℃)에서 테스트하였다. PI-LPSClBr (40 ㎛)의 두께는 가장 낮은 수준이었다. 더욱이, PI-LPSClBr을 이용한 전고체전지는 유사한 리튬 이온 도전율에도 불구하고, 종래의 고분자 전해질 또는 OPC 고체전해질 멤브레인이 사용되는 경우를 능가하였다. 이러한 사실은 단일 이온 도전능때문으로 볼 수 있다. The electrochemical performance of the NCM/PI-LPSClBr/Gr all-solid-state battery in terms of membrane thickness and areal capacity was compared with that of a conventional free-standing solid electrolyte membrane (see FIG. 10d ). An all-solid-state battery using a polymer electrolyte or OPC solid electrolyte membrane was tested at a high temperature (55-80°C). The thickness of PI-LPSClBr (40 μm) was the lowest. Moreover, the all-solid-state battery using PI-LPSClBr outperformed the case in which conventional polymer electrolytes or OPC solid electrolyte membranes are used, despite similar lithium ion conductivity. This fact can be attributed to the single ion conductivity.

본 실시예에서는 예비-어셈블리된 캐소드/고분자 NW 멤브레인/애노드 내로 고체전해질 용액을 침투시킴으로써 전고체전지를 제조하였다. 슬러리를 이용하여 제조된 종래의 LiCoO2 (LCO) 및 LTO 전극(통상의 LIB에서 사용됨)을 사용하였다. 액상화된 Li6PS5Cl0.5Br0.5는 LCO/PI/LTO 어셈블리의 다공성 구조 내로 침투하였다. 용매 제거 및 후속적인 열 처리를 수행한 다음, 저온 압착을 수행함으로써 Li6PS5Cl0.5Br0.5 결정이 공극을 조밀하게 채우도록 함으로써 전체 전지 전반을 통하여 효과적인 리튬 이온 전도 경로를 형성한다. 전극 내 PVDF 바인더의 제한된 열 안정성으로 인하여, 열 처리 온도를 180℃로 설정하였다. Li6PS5Cl0.5Br0.5-침투된 LCO/PI/LTO 전고체전지에 대한 제1 사이클 충-방전 전압 프로파일(0.1 C 및 70℃)을 도 10e에 나타내었는 바, 초기 방전 용량은 101 mA h gLCO -1이었다. In this example, an all-solid-state battery was prepared by permeating the solid electrolyte solution into the pre-assembled cathode/polymer NW membrane/anode. Conventional LiCoO 2 (LCO) and LTO electrodes (used in conventional LIBs) prepared using a slurry were used. Liquefied Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 penetrated into the porous structure of the LCO/PI/LTO assembly. After solvent removal and subsequent heat treatment, cold pressing is performed to make Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 crystals densely fill the pores, thereby forming an effective lithium ion conduction path throughout the entire cell. Due to the limited thermal stability of the PVDF binder in the electrode, the heat treatment temperature was set at 180°C. The first cycle charge-discharge voltage profile (0.1 C and 70° C.) for the Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 -permeated LCO/PI/LTO all-solid-state battery is shown in FIG. 10E , and the initial discharge capacity was 101 mA hg LCO -1 .

고체전해질 용액 제조 시 용매의 영향Effect of solvent in the preparation of solid electrolyte solution

동적 광 산란(DLS) 장비를 이용하여 2가지 용매(에탄올 및 자일렌)에 황화물계 고체전해질(Li6PS5Cl)를 용해시킨 경우, 용액(농도: 5 중량%) 내 입자 사이즈를 분석하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다. When a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) was dissolved in two solvents (ethanol and xylene) using dynamic light scattering (DLS) equipment, the particle size in the solution (concentration: 5 wt%) was analyzed. , the results are shown in FIG. 12 .

상기 도면에 따르면, 황화물계 고체전해질이 에탄올에 대하여 높은 용해성을 나타내었는 바, 입자 사이즈는 0으로 측정되었다(장비 규격 상 약 0.1 nm까지 측정 가능함). 이처럼, 고체전해질 용액 제조용 용매로서 에탄올을 사용할 경우, 고체전해질의 입자 사이즈가 0.1 nm 이하인 균일한 용액을 제조할 수 있었다. 반면, 무극성 용매인 자일렌을 사용할 경우, 황화물계 고체전해질은 용해되지 않아 대략 2 내지 4 ㎛ 사이즈로 분산되었다. 폴리이미드(PI) 부직포의 포어 사이즈가 1 ㎛ 이하인 점을 고려하면, 자일렌을 용매로 사용할 경우, 함침 용액으로 사용하기 적합하지 않음을 지시한다. According to the figure, as the sulfide-based solid electrolyte showed high solubility in ethanol, the particle size was measured to be 0 (measureable to about 0.1 nm according to the equipment specification). As such, when ethanol was used as a solvent for preparing a solid electrolyte solution, a uniform solution having a particle size of the solid electrolyte of 0.1 nm or less could be prepared. On the other hand, when xylene, which is a non-polar solvent, was used, the sulfide-based solid electrolyte was not dissolved and was dispersed in a size of about 2 to 4 μm. Considering that the polyimide (PI) nonwoven fabric has a pore size of 1 μm or less, when xylene is used as a solvent, it indicates that it is not suitable for use as an impregnation solution.

또한, 황화물계 고체전해질로서 Li6PS5Cl, 그리고 이의 용매로 에탄올을 사용할 경우, 부반응이 발생되는지 여부를 확인하기 위하여 에탄올에 용해된 Li6PS5Cl에 대한 라만 스펙트로스코피 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다. 상기 도면을 참조하면, 고체전해질 용액 중 에탄올 및 PS4 3-가 확인되었다. Li6PS5Cl을 구성하는 주된 유닛은 PS4 3- 바, 이를 에탄올에 용해시킨 경우, PS5Cl의 PS4 3-가 명확히 관찰되었다. 따라서, 고체전해질이 부반응 없이 에탄올에 효과적으로 용해됨을 확인하였다. In addition, when Li 6 PS 5 Cl as a sulfide-based solid electrolyte and ethanol as its solvent are used, Raman spectroscopy analysis was performed on Li 6 PS 5 Cl dissolved in ethanol to determine whether a side reaction occurs, The results are shown in FIG. 13 . Referring to the drawings, ethanol and PS 4 3- were confirmed in the solid electrolyte solution. The main unit constituting Li 6 PS 5 Cl was PS 4 3- bar, and when it was dissolved in ethanol, PS 4 3- of PS 5 Cl was clearly observed. Therefore, it was confirmed that the solid electrolyte was effectively dissolved in ethanol without a side reaction.

황화물계 고체전해질(Li6PS5Cl)이 다공성 고분자 지지체에 함침되기 전에과 함침 후(열처리 또는 가열까지 수행됨)에 초기 특성을 유지하는지 여부를 평가하였으며, 그 결과를 도 14에 나타내었다. 상기 도면에 따르면 용액 공정 후에도 특별한 변화는 관찰되지 않았다. 따라서, 용액 프로세스 전 및 후에서 Li6PS5Cl의 라만 스펙트로스코피 분석 결과, 용액 프로세스 전후에도 Li6PS5Cl가 유지되고 있음을 확인하였다.It was evaluated whether the sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) maintains its initial properties before and after impregnation in the porous polymer support (heat treatment or heating is performed), and the results are shown in FIG. 14 . According to the figure, no special change was observed even after the solution process. Therefore, as a result of Raman spectroscopy analysis of Li 6 PS 5 Cl before and after the solution process, it was confirmed that Li 6 PS 5 Cl was maintained even before and after the solution process.

황화물계 고체전해질 용액을 다공성 고분자 지지체에 침투시키면서 캐소드의 양극활물질(LCO)과 접촉 시 양극활물질의 변성을 유발하는지 여부를 평가하였으며, 그 결과를 도 15에 나타내었다. 상기 도면에 따르면, 양극활물질인 LiCoO2가 함침 과정에서 Li6PS5Cl-에탄올 용액과 접촉하거나 노출되는 경우에도 유사한 라만 피크를 나타내었는 바, 이는 부반응 없이 원래의 결정 구조가 유지되었음을 시사한다.While penetrating the sulfide-based solid electrolyte solution into the porous polymer support, it was evaluated whether the positive electrode active material (LCO) of the cathode causes denaturation of the positive electrode active material when contacted, and the results are shown in FIG. 15 . According to the figure, a similar Raman peak was exhibited even when LiCoO 2 , which is a cathode active material, was in contact with or exposed to a Li 6 PS 5 Cl-ethanol solution during the impregnation process, suggesting that the original crystal structure was maintained without side reactions.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily used by those of ordinary skill in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (19)

용액 프로세스가 가능한 황화물계 고체 전해질을 용매에 용해시켜 고체전해질 용액을 제조하는 단계;
이와 별도로, 캐소드, 다공성 고분자 지지체 및 애노드를 포함하는 예비 적층체 또는 어셈블리를 형성하는 단계;
상기 적층체에 고체전해질 용액을 함침시켜 상기 다공성 고분자 지지체의 기공에 고체전해질을 충진하는 단계; 및
상기 고체전해질로 충진된 적층체를 열처리하는 단계;
를 포함하며,
여기서, 상기 다공성 고분자 지지체는 적어도 60%의 기공도 및 5 내지 150 ㎛의 두께를 갖고, 그리고
상기 열처리 단계는 적어도 200 ℃에서 수행되어 증가된 결정성을 갖는 고체전해질을 형성하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.
preparing a solid electrolyte solution by dissolving a sulfide-based solid electrolyte capable of a solution process in a solvent;
Separately, forming a pre-laminate or assembly comprising a cathode, a porous polymer support and an anode;
impregnating the laminate with a solid electrolyte solution to fill the pores of the porous polymer support with a solid electrolyte; and
heat-treating the laminate filled with the solid electrolyte;
includes,
wherein the porous polymer support has a porosity of at least 60% and a thickness of 5 to 150 μm, and
The heat treatment step is performed at at least 200 ℃ method of manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery to form a solid electrolyte having increased crystallinity.
제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체는 폴리이미드, 폴리비닐리덴플로우라이드(PVDF), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리아미드, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리설폰(PSF), 폴리에테르케톤(PEK) 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK)으로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 재질인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.According to claim 1, wherein the porous polymer support is polyimide, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), polyamide, polytetrafluoroethylene (PTFE), polysulfone (PSF), poly A method of manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery, characterized in that at least one material selected from the group consisting of ether ketone (PEK) and polyether ether ketone (PEEK). 제2항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리이미드 재질인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법:
[화학식 1]
Figure pat00005

상기 식에서, n은 중합도로서 500 내지 10000임.
The method of claim 2, wherein the porous polymer support is made of a polyimide material represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Figure pat00005

In the above formula, n is a polymerization degree of 500 to 10000.
제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체의 융점은 적어도 200 ℃인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the melting point of the porous polymer support is at least 200°C. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체의 평균 포어 사이즈는 0.01 내지 10 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the average pore size of the porous polymer support is in the range of 0.01 to 10 μm. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체는 부직포 또는 웹 형태로서, 이를 구성하는 개별 섬유의 직경은 100 내지 1000 nm 범위인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the porous polymer support is in the form of a nonwoven fabric or a web, and the diameter of individual fibers constituting it is in the range of 100 to 1000 nm. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체의 도전율은 10-8 S/cm 이하인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the porous polymer support has a conductivity of 10 -8 S/cm or less. 제3항에 있어서, 상기 폴리이미드 재질의 다공성 지지체는 전기방사 방식으로 제조되고,
이때, 인가 전압은 5 내지 30 kV 범위, 그리고 컬렉터와 방사구 간 거리는 .10 내지 30 ㎝ 범위 내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.
The method according to claim 3, wherein the porous support made of polyimide is manufactured by an electrospinning method,
At this time, the method of manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery, characterized in that the applied voltage is controlled within the range of 5 to 30 kV, and the distance between the collector and the spinneret is in the range of .10 to 30 cm.
제3항에 있어서, 상기 폴리이미드의 이미드화율은 적어도 80%인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method of claim 3, wherein the imidization rate of the polyimide is at least 80%. 제1항에 있어서, 상기 황화물계 고체 전해질은 하기 일반식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법:
[일반식 1]
Li6-mPS5-mX1+m
상기 식에서 X는 Cl, Br 및 I로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 할로겐 원소이고,
m는 0 내지 1임.
The method according to claim 1, wherein the sulfide-based solid electrolyte is represented by the following general formula (1):
[General formula 1]
Li 6-m PS 5-m X 1+m
In the above formula, X is at least one halogen element selected from the group consisting of Cl, Br and I,
m is 0 to 1.
제10항에 있어서, 상기 황화물계 고체 전해질은 하기 일반식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법:
[일반식 2]
Li6PS5Cl1-xBrx(0<x<1).
11. The method of claim 10, wherein the sulfide-based solid electrolyte is represented by the following general formula (2):
[General Formula 2]
Li 6 PS 5 Cl 1-x Br x (0<x<1).
제1항에 있어서, 상기 황화물계 고체 전해질은 리튬 아지로다이트(argyrodite) 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the sulfide-based solid electrolyte has a lithium argyrodite crystal structure. 제1항에 있어서, 상기 황화물계 고체전해질의 리튬 이온 도전율(30℃)은 적어도 0.5 mS/cm인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method of claim 1 , wherein the lithium ion conductivity (30° C.) of the sulfide-based solid electrolyte is at least 0.5 mS/cm. 제1항에 있어서, 상기 고체전해질 용액 내 용매는 알코올, 아민계 용매. 케톤계 용매, 및 에테르계 용매로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 상기 고체전해질 용액 내 고체전해질의 농도는 0.1 내지 1 M인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the solvent in the solid electrolyte solution is an alcohol or an amine solvent. At least one selected from the group consisting of a ketone-based solvent and an ether-based solvent, wherein the concentration of the solid electrolyte in the solid electrolyte solution is 0.1 to 1 M. A method of manufacturing an all-solid lithium secondary battery. 제1항에 있어서, 상기 고체전해질 용액을 함침시키는 단계에서 상기 적층체 중 다공성 고분자 지지체의 기공뿐만 아니라 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나에도 고체전해질 용액이 함침되는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지의 제조방법.The all-solid-state lithium secondary battery according to claim 1, wherein, in the step of impregnating the solid electrolyte solution, the solid electrolyte solution is impregnated into at least one of the cathode and the anode as well as the pores of the porous polymer support in the laminate. manufacturing method. 캐소드, 고체전해질 층, 및 음극이 스태킹된 적층체를 포함하는 전고체 리튬 2차 전지로서,
상기 고체전해질 층은 (i) 다공성 고분자 지지체 및 (ii) 상기 다공성 고분자 지지체의 기공에 충진된 황화물계 고체 전해질을 포함하고,
여기서, 상기 다공성 고분자 지지체는 적어도 60%의 기공도 및 5 내지 150 ㎛의 두께를 갖고, 그리고
상기 충진된 황화물계 고체 전해질의 결정화도는 적어도 60%인 전고체 리튬 2차 전지.
An all-solid-state lithium secondary battery comprising a laminate in which a cathode, a solid electrolyte layer, and an anode are stacked,
The solid electrolyte layer includes (i) a porous polymer support and (ii) a sulfide-based solid electrolyte filled in pores of the porous polymer support,
wherein the porous polymer support has a porosity of at least 60% and a thickness of 5 to 150 μm, and
The all-solid-state lithium secondary battery, wherein the crystallinity of the filled sulfide-based solid electrolyte is at least 60%.
제16항에 있어서, 상기 고체전해질 층 내 황화물계 고체전해질의 함량은 60 내지 95 중량% 범위이고, 그리고
상기 고체전해질 층의 면적 당 질량은 2 내지 15 mg/㎠ 범위인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지.
The method of claim 16, wherein the content of the sulfide-based solid electrolyte in the solid electrolyte layer is in the range of 60 to 95% by weight, and
An all-solid-state lithium secondary battery, characterized in that the mass per area of the solid electrolyte layer is in the range of 2 to 15 mg/cm 2 .
제16항에 있어서, 상기 고체전해질 층의 도전율(30℃)은 적어도 0.001 mS/㎝ 범위인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지.The all-solid-state lithium secondary battery according to claim 16, wherein the conductivity (30° C.) of the solid electrolyte layer is in the range of at least 0.001 mS/cm. 제16항에 있어서, 상기 캐소드에 부착되는 양극 활물질은 LiCoO2(LCO), LiNi2O2, LiNi0 .85Co0 .10Al0 .05O2(NCA), LiNi0 .33Co0 .33Mn0 .33O2(NMC), LiNi0 .5Mn0 .5O 또는 이의 조합이고, 그리고
상기 애노드에 부착되는 음극 활물질은 탄소질 재료, 또는 LTO(Li4Ti5O12), TiO2, SiOx, SnOx, CuOx, VOx, In2O3 또는 이의 조합인 리튬 복합 산화물인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 2차 전지.
The method of claim 16, wherein the positive electrode active material is attached to said cathode has LiCoO 2 (LCO), LiNi 2 O 2, LiNi 0 .85 Co 0 .10 Al 0 .05 O 2 (NCA), LiNi 0 .33 Co 0. and 33 Mn 0 .33 O 2 (NMC ), LiNi 0 .5 Mn 0 .5 O , or a combination thereof, and
The negative active material attached to the anode is a carbonaceous material, or LTO (Li 4 Ti 5 O 12 ), TiO 2 , SiO x , SnO x , CuO x , VO x , In 2 O 3 Or an all-solid-state lithium secondary battery, characterized in that the lithium composite oxide is a combination thereof.
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WO2023120978A1 (en) * 2021-12-22 2023-06-29 한국과학기술연구원 Method for manufacturing composite solid electrolyte sheet

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