KR20210122195A - A cathode active material for an all solid type battery and an all solid type battery comprising the same - Google Patents

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KR20210122195A
KR20210122195A KR1020210041677A KR20210041677A KR20210122195A KR 20210122195 A KR20210122195 A KR 20210122195A KR 1020210041677 A KR1020210041677 A KR 1020210041677A KR 20210041677 A KR20210041677 A KR 20210041677A KR 20210122195 A KR20210122195 A KR 20210122195A
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선양국
김운혁
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a positive electrode active material for an all-solid-state battery including secondary particles comprising a group of a plurality of primary particles, wherein the primary particles provided on the surface of the secondary particles among the primary particles are oriented particles provided in the form of a rod shape having a short axis and a long axis.

Description

전고체전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 전고체전지{A cathode active material for an all solid type battery and an all solid type battery comprising the same}A cathode active material for an all-solid-state battery and an all-solid-state battery comprising the same

본 발명은 전고체전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 전고체전지에 관련된 것으로, 보다 구체적으로, 고체전해질과의 계면특성이 향상되어 장기사이클에도 우수한 수명특성을 나타내는 전고체전지용 양극활물질 및 이를 포함하는 전고체전지에 관련된 것이다.The present invention relates to a cathode active material for an all-solid-state battery and an all-solid-state battery comprising the same, and more specifically, to a cathode active material for an all-solid-state battery and an all-solid-state battery comprising the same, which has improved interfacial properties with a solid electrolyte and exhibits excellent lifespan characteristics even in long-term cycles related to solid-state batteries.

스마트폰, MP3 플레이어, 태블릿 PC와 같은 휴대용 모바일 전자 기기의 발전으로, 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차 전지에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, 전기 자동차, 중대형 에너지 저장 시스템, 및 고 에너지 밀도가 요구되는 휴대 기기의 등장으로, 리튬 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다. 이러한, 리튬 이차 전지에 대한 수요의 증가와 함께 리튬 이차 전지에 사용되는 양극활물질의 특성을 향상시키기 위한 다양한 연구 개발이 진행되고 있다. With the development of portable mobile electronic devices such as smart phones, MP3 players, and tablet PCs, the demand for secondary batteries capable of storing electrical energy is increasing explosively. In particular, with the advent of electric vehicles, medium and large energy storage systems, and portable devices requiring high energy density, the demand for lithium secondary batteries is increasing. With such an increase in demand for lithium secondary batteries, various research and development for improving the characteristics of positive electrode active materials used in lithium secondary batteries are being conducted.

반면, 기존 리튬이차전지는 액체 상태의 비수계 유기 전해질을 사용하고 있으며 이는 발화와 폭발의 위험성을 가지고 있다. 실제로 이를 적용한 제품의 폭발 사고가 지속적으로 발생하고 있기 때문에 이러한 문제점을 해결하는 것이 시급한 실정이다.On the other hand, the existing lithium secondary battery uses a liquid non-aqueous organic electrolyte, which has a risk of ignition and explosion. In fact, since explosion accidents of products to which this is applied continue to occur, it is urgent to solve these problems.

전고체전지는 이러한 유기 전해질을 고체전해질로 대체한 것으로 전극 및 전해질 등 전지의 구성요소가 모두 고체로 이루어진 전지로서, 수용하고 있는 고체전해질 자체의 높은 안전성에 기인하여 발화 및 폭발의 위험성을 원천적으로 해결하는 것이 가능하다.All-solid-state batteries replace these organic electrolytes with solid electrolytes, and all of the battery's components, such as electrodes and electrolytes, are made of solid. it is possible to do

이러한 고체전해질을 적용한 전고체전지의 경우, 양극활물질과 고체전해질의 계면에서 발생하는 높은 계면 저항에 의해 용량이 제대로 발현되지 않는 문제점이 있다. 이러한 계면 저항의 주원인으로는 양극활물질과 고체전해질의 포텐셜 차이로 고체전해질 계면의 리튬 부족층이 형성되는 공간 전하층 현상, 양극 활물질과 고체전해질 계면에서의 화학적 반응에 의한 계면 불순물층 형성 등이 제안되고 있다.In the case of an all-solid-state battery to which such a solid electrolyte is applied, there is a problem in that capacity is not properly expressed due to high interfacial resistance occurring at the interface between the positive electrode active material and the solid electrolyte. The main causes of such interfacial resistance are the space charge layer phenomenon in which a lithium-deficient layer is formed at the interface of the solid electrolyte due to the potential difference between the positive electrode active material and the solid electrolyte, and the formation of an interfacial impurity layer by a chemical reaction at the interface of the positive electrode active material and the solid electrolyte. is becoming

즉, 고체전해질을 이용함으로써 안정성을 얻을 수는 있으나, 전기화학적 특성 특히 장기사이클 등의 특성이 저하되어 문제되며, 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다.That is, although stability can be obtained by using a solid electrolyte, electrochemical characteristics, particularly characteristics such as long-term cycle, are deteriorated, which is a problem, and various studies are being conducted to solve this problem.

(선행특허) 미국등록특허 5,523,179(Prior Patent) US Patent 5,523,179

본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 안정적인 미세구조를 갖는 전고체전지용 양극활물질 및 이를 이용한 전고체전지를 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present application is to provide a cathode active material for an all-solid-state battery having a stable microstructure and an all-solid-state battery using the same.

본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 고체전해질과의 계면 저항이 감소되고, 양극활물질과 고체전해질 사이의 표면에서의 부반응이 감소된 전고체전지용 양극활물질 및 이를 이용한 전고체전지를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a cathode active material for an all-solid-state battery in which the interfacial resistance with a solid electrolyte is reduced, and a side reaction on the surface between the cathode active material and the solid electrolyte is reduced, and an all-solid-state battery using the same. .

본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전술한 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present application is not limited to the above.

상기 기술적 과제를 해결하기 본 발명은 전고체용 양극활물질 및 이를 포함하는 전고체전지를 제공한다. The present invention provides an all-solid-state cathode active material and an all-solid-state battery comprising the same.

일 실시예에서, 복수개의 일차입자의 집단으로 이루어지는 이차입자를 포함하고, 상기 일차입자 중 상기 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자는 단축과 장축을 갖는 로드쉐입(rod shape) 형태로 구비되는 배향성입자를 포함하는 것인, 전고체전지용 양극활물질을 포함할 수 있다.In one embodiment, comprising secondary particles consisting of a group of a plurality of primary particles, the primary particles provided on the surface of the secondary particles among the primary particles are provided in the form of a rod shape having a short axis and a long axis It may include a positive electrode active material for an all-solid-state battery that includes oriented particles.

일 실시예에서, 상기 일차입자의 장축은 상기 이차입자의 중심부를 향하도록 구비되어 리튬이온의 확산 경로를 제공할 수 있다.In one embodiment, the long axis of the primary particles may be provided to face the central portion of the secondary particles to provide a diffusion path of lithium ions.

일 실시예에서, 상기 일차입자는 a축 및 c축을 갖는 결정구조를 포함하고, 상기 일차입자는 c축 방향의 길이에 대한 a축 방향의 길이의 비가 상기 이차입자의 중심부에서 표면부로 갈수록 증가하는 것을 포함할 수 있다.In one embodiment, the primary particles include a crystal structure having an a-axis and a c-axis, and the ratio of the length in the a-axis direction to the length in the c-axis direction increases from the center of the secondary particles toward the surface. may include

일 실시예에서, 상기 일차입자의 a축의 방향이 상기 이차입자의 중심부를 향하도록 구비되어 리튬이온의 확산 경로에 대응할 수 있다.In one embodiment, the a-axis direction of the primary particles may be provided to face the central portion of the secondary particles to correspond to the diffusion path of lithium ions.

일 실시예에서, 상기 전고체용 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 복합금속수산화물을 리튬화합물과 소성하여 제조되는 것을 포함하되, 상기 복합금속수산화물을 구성하는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상은 상기 복합금속수산화물의 적어도 어느 일부 이상에서 농도구배를 갖도록 구비될 수 있다.In one embodiment, the all-solid positive electrode active material is prepared by calcining a composite metal hydroxide containing at least one of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) with a lithium compound. Including that, at least any one or more of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) constituting the composite metal hydroxide has a concentration gradient in at least any part or more of the composite metal hydroxide It may be provided to have.

일 실시예에서, 상기 양극활물질은 층상구조(layered structure)의 NC계, NCM계, NCA계, LNO계, NCMA계, LCO계 및 NM계 중 어느 하나 이상일 수 있다.In one embodiment, the cathode active material may be any one or more of NC-based, NCM-based, NCA-based, LNO-based, NCMA-based, LCO-based and NM-based having a layered structure.

일 실시예에서, 상기 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 복합금속수산화물을 리튬화합물과 소성하여 제조되는 것을 포함하되, 상기 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상과 함께 추가되거나, 또는 상기 리튬화합물과 함께 추가되어 소성되는 이종원소를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the cathode active material is prepared by calcining a composite metal hydroxide including at least one of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) with a lithium compound. However, the nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and added together with at least any one or more of aluminum (Al), or added together with the lithium compound may further include a different element that is fired have.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 양극활물질을 포함하는 양극; 및 고체전해질을 포함하고, 상기 고체전해질은 할로겐계(Halide) 고체전해질, 황화물계(Sulfide) 고체전해질, 및 산화물계(Oxide) 고체전해질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a positive electrode comprising the above-described positive electrode active material; and a solid electrolyte, wherein the solid electrolyte may include any one or more of a halogen-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, and an oxide-based solid electrolyte.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 전고체전지용 양극활물질은, 복수의 일차입자가 응집되어 형성된 이차입자를 포함하고, 상기 이차입자는 안정적인 미세구조를 구비함으로써 우수한 사이클 특성을 나타내는 전고체전지용 양극활물질을 포함할 수 있다.According to the present invention as described above, the cathode active material for an all-solid-state battery according to the present invention includes secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles, and the secondary particles exhibit excellent cycle characteristics by having a stable microstructure. It may include a cathode active material for a solid battery.

또한, 본 발명에 따른 전고체전지용 양극활물질을 이용한 전고체전지는 종래의 양극활물질의 표면처리 등과 같은 불필요한 공정을 생략함에도 양극활물질 그 자체로 고체전해질과의 안정적인 계면을 형성할 수 있어, 전고체전지의 전기화학적 및 기계적인 특성을 향상시킬 수 있다. In addition, the all-solid-state battery using the positive electrode active material for an all-solid-state battery according to the present invention can form a stable interface with the solid electrolyte by itself even though unnecessary processes such as surface treatment of the conventional positive electrode active material are omitted. can improve the electrochemical and mechanical properties of

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차입자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양극활물질의 단면의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양극활물질에서 리튬이온의 이동을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 동일한 고체전해질에서 종래기술에 따른 양극활물질(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 양극활물질(b)의 마이크로구조와 고체전해질 사이의 계면에서의 특성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5은 비교에 1 및 실시예 1의 양극활물질의 SEM 이미지이다.
도 6는 실시예 1의 양극활물질을 구성하는 금속의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예 1 및 실시예 1에 대한 양극활물질을 이용하여 액체전해질을 이용한 이차전지(a, c)와, 고체전해질을 이용한 전고체전지(b, d)에서의 사이클 특성을 확인한 그래프이다.
도 8은 비교예 1 및 실시예 1의 양극활물질을 이용한 전고체전지에서, 0.5C로 진행한 수명특성(a), 각 사이클에서의 용량-전압 프로파일(b), 2사이클 및 100사이클에서의 나이퀴스트 플롯(c, d)를 나타낸 그래프이다.
도 9는 비교예 1 및 실시예 1의 양극활물질을 이용한 전고체전지에서, 0.1C, 30℃ 및 0.05C, 70℃에서의 용량-전압 프로파일(a), 각각 다른 SOC에서의 비교예 1 및 실시예 1에 대한 (003) 피크를 나타내는 ex situ XRD 패턴이다.
도 10은 격자상수(lattice parameters) 및 체적변형(volumetric strain)을 나타낸 그래프(a), 압력센서를 이용하여 고체전해질의 압력을 모니터링하는 모습을 개략적으로 나타낸 도면(b) 및 0.1C, 30℃로 1사이클을 수행한 비교예 1 및 실시예 1에 따른 operando electrochemical pressiometry를 나타낸 도면이다. 도 15는 비교예 1 및 실시예 1에 따른 cross-sectional SEM 이미지이다.
도 11에서는 실시예 1 및 비교예 1에 대해서 미세구조를 확인하였다. 전고체전지용 양극활물질의 SEM 이미지를 사이클 전(pristine), 4.3V 충전, 3V 방전 및 100사이클 진행 후에 대해서 각각 나타내었다.
도 12는 비교예 1 및 실시예 1을 이용한 전고체전지를 100사이클 충방전을 수행한 후의 ex situ TEM 이미지이다.
도 13은 비교예 1 및 실시에 1을 이용한 전고체전지의 ex situ XPS 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14은 제조예 1 내지 제조예 5, 비교예 1, 실시예 1에 따른 양극활물질과 액체전해질을 이용한 리튬이차전지에서, 니켈의 함량에 따른 방전용량(a)과, 사이클특성을 확인한 그래프(b), 제조예 1 내지 제조예 5, 비교예 1, 실시예 1에 따른 양극활물질과 고체전해질을 이용한 전고체전지에서, 니켈의 함량에 따른 방전용량(c)과, 사이클특성을 확인한 그래프(d)이다.
1 is a view schematically showing secondary particles according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a cross-section of a cathode active material according to an embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing the movement of lithium ions in the positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically showing the characteristics at the interface between the microstructure and the solid electrolyte of the positive electrode active material (a) according to the prior art and the positive electrode active material (b) according to the embodiment of the present invention in the same solid electrolyte.
5 is a SEM image of the positive electrode active material of Comparative Example 1 and Example 1.
6 is a graph showing the concentration of the metal constituting the positive electrode active material of Example 1. Referring to FIG.
7 is a graph confirming the cycle characteristics in the secondary batteries (a, c) using the liquid electrolyte and the all-solid batteries (b, d) using the solid electrolyte using the cathode active material for Comparative Examples 1 and 1 .
8 is an all-solid-state battery using the positive electrode active material of Comparative Example 1 and Example 1, the lifespan characteristics (a) at 0.5C, the capacity-voltage profile at each cycle (b), 2 cycles and 100 cycles It is a graph showing the Nyquist plot (c, d).
9 is an all-solid-state battery using the positive electrode active material of Comparative Examples 1 and 1, at 0.1C, 30°C, 0.05C, and 70°C, capacity-voltage profiles (a), Comparative Example 1 and Ex situ XRD pattern showing the (003) peak for Example 1.
10 is a graph showing lattice parameters and volumetric strain (a), a diagram schematically showing monitoring the pressure of a solid electrolyte using a pressure sensor (b), and 0.1C, 30°C It is a view showing the operando electrochemical pressiometry according to Comparative Example 1 and Example 1 in which 1 cycle was performed with the furnace. 15 is a cross-sectional SEM image according to Comparative Example 1 and Example 1. FIG.
In FIG. 11 , the microstructures of Example 1 and Comparative Example 1 were confirmed. SEM images of the positive electrode active material for all-solid-state batteries were shown before the cycle (pristine), 4.3V charge, 3V discharge, and after 100 cycles, respectively.
12 is an ex situ TEM image of the all-solid-state battery using Comparative Example 1 and Example 1 after 100 cycles of charging and discharging.
13 is a graph showing ex situ XPS results of all-solid-state batteries using Comparative Example 1 and Example 1. FIG.
14 is a graph confirming the discharge capacity (a) and cycle characteristics according to the nickel content in the lithium secondary battery using the positive electrode active material and the liquid electrolyte according to Preparation Examples 1 to 5, Comparative Example 1, and Example 1 ( b), a graph confirming the discharge capacity (c) and cycle characteristics according to the nickel content in the all-solid-state battery using the positive electrode active material and the solid electrolyte according to Preparation Examples 1 to 5, Comparative Example 1, and Example 1 ( d).

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when a component is referred to as being on another component, it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content.

또한, 본 명세서의 다양한 실시예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. In addition, in the present specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the elements listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. In the specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, element, or a combination thereof described in the specification is present, and one or more other features, numbers, steps, configuration It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 출원 명세서에서, 특정 부분에서 제1 결정 구조의 비율이 제2 결정 구조의 비율보다 높다는 것은, 상기 특정 부분이 상기 제1 결정 구조 및 상기 제2 결정 구조를 모두 포함하되, 상기 특정 부분에서 상기 제1 결정 구조의 비율이 상기 제2 결정 구조의 비율보다 높다는 것을 의미하는 것은 물론, 상기 특정 부분이 상기 제1 결정 구조만을 갖는다는 것을 포함하는 의미로 해석된다. In addition, in the present application, that the ratio of the first crystal structure in the specific part is higher than the ratio of the second crystal structure means that the specific part includes both the first crystal structure and the second crystal structure, but the specific part In , it is interpreted to mean that the ratio of the first crystal structure is higher than the ratio of the second crystal structure, and also means that the specific portion has only the first crystal structure.

또한, 본 출원 명세서에서, 결정계(crystal system)는 삼사정계(triclinic), 단사정계(monoclinic), 사방정계(orthorhombic), 정방정계(tetragonal), 삼방정계(trigonal 또는 rhombohedral), 육방정계(hexagonal), 및 입방정계(cubic)의 7개로 구성될 수 있다. In addition, in the present application, the crystal system (crystal system) is triclinic, monoclinic, orthorhombic, tetragonal, trigonal or rhombohedral, hexagonal. , and may be composed of 7 pieces of a cubic system.

또한, 본 출원 명세서에서 "mol%"는 양극활물질 또는 양극활물질 전구체에서 나트륨과 산소를 제외한 나머지 금속의 합을 100%로 가정했을 경우, 양극활물질 또는 양극활물질 전구체에 포함된 임의의 금속의 함량을 나타내는 의미로 해석된다.In addition, in the present application, "mol%" refers to the content of any metal included in the positive electrode active material or the positive electrode active material precursor when it is assumed that the sum of the remaining metals except sodium and oxygen is 100% in the positive electrode active material or the positive electrode active material precursor. interpreted as meaning

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차입자를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양극활물질의 단면의 모식도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양극활물질에서 리튬이온의 이동을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing secondary particles according to an embodiment of the present invention. 2 is a schematic diagram of a cross-section of a cathode active material according to an embodiment of the present invention. 3 is a view schematically showing the movement of lithium ions in the positive electrode active material according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 양극활물질은 전고체전해질을 포함하는 전고체전지에 적용될 수 있으며, 상기 양극활물질은 대략 구형을 갖는 이차입자(100)로 이루어질 수 있다. 상기 이차입자(100)는 중심부(10)와 표면부(20)로 구분되며 복수개의 일차입자(30)가 응집되어 형성될 수 있다. 상기 일차입자(30)는 층상(layered) 구조로 이루어질 수 있다. 1 to 3 , the positive electrode active material according to an embodiment of the present invention may be applied to an all-solid-state battery including an all-solid electrolyte, and the positive electrode active material may be formed of secondary particles 100 having an approximately spherical shape. . The secondary particles 100 are divided into a central portion 10 and a surface portion 20 and may be formed by aggregation of a plurality of primary particles 30 . The primary particles 30 may have a layered structure.

상기 이차입자(100)에서 상기 중심부(10)를 구성하는 일차입자(30)와 상기 표면부(20)를 구성하는 일차입자(30)는 크기가 같거나 상이할 수 있으며, 상기 표면부(20)를 구성하는 일차입자(30)은 장축 및 단축을 갖고, 상기 표면부(20)에서 중심부(10)을 향하는 방향으로 연장되어 로드쉐입(rod shape) 형태로 구비되는 배향성입자를 포함할 수 있다. 상기 배향성입자는 상기 이차입자(100)의 중심부(10)를 향하는 방향으로 배열되어, 방사(放射, radiate)형태로 구비될 수 있다.In the secondary particle 100, the primary particles 30 constituting the central portion 10 and the primary particles 30 constituting the surface portion 20 may have the same size or different sizes, and the surface portion 20 ) constituting the primary particles 30 have a long axis and a short axis, and extend in a direction from the surface portion 20 toward the central portion 10 to include oriented particles provided in the form of a rod shape. . The oriented particles may be arranged in a direction toward the central portion 10 of the secondary particles 100, and may be provided in a radiate form.

상기 양극활물질에서, 상기 배향성입자는 로드쉐입 형태로 구비되며, 상기 로드쉐입 형태는 단축과 장축을 갖고, 상기 단축의 평균길이는 1.0㎛ 이하이고, 상기 장축의 평균길이는 1.0㎛ 이상일 수 있다. 예컨대, 상기 양극활물질은 상기 일차입자의 형상이 상기 이차입자의 중심부와 표면에서 다르게 구비될 수 있는다, 구체적으로 상기 일차입자는 상기 이차입자의 중심부에서 표면부로 갈수록 상기 장축의 길이가 증가하도록 구비될 수 있다.In the positive electrode active material, the oriented particles are provided in a rod shape, and the rod shape has a short axis and a long axis, and the average length of the short axis is 1.0 μm or less, and the average length of the long axis may be 1.0 μm or more. For example, in the positive electrode active material, the shape of the primary particle may be different from the central part and the surface of the secondary particle. Specifically, the primary particle may be provided so that the length of the long axis increases from the central part of the secondary particle to the surface part. can

상기 일차입자의 장축은 상기 이차입자의 중심부를 향하도록 구비되어 리튬이온의 확산 경로를 제공할 수 있다. 또한, 상기 일차입자는 a축 및 c축을 갖는 결정구조를 포함하고, 상기 일차입자는 c축 방향의 길이에 대한 a축 방향의 길이의 비가 상기 이차입자의 중심부에서 표면부로 갈수록 증가하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 일차입자의 a축의 방향이 상기 이차입자의 중심부를 향하도록 구비되어 리튬이온의 확산 경로에 대응할 수 있다.A long axis of the primary particles may be provided to face a central portion of the secondary particles to provide a diffusion path for lithium ions. In addition, the primary particle includes a crystal structure having an a-axis and a c-axis, and the primary particle includes a ratio of a length in an a-axis direction to a length in the c-axis direction increasing from the center of the secondary particle toward the surface. can Specifically, the a-axis direction of the primary particles may be provided to face the central portion of the secondary particles to correspond to the diffusion path of lithium ions.

상기 양극활물질은 c축과 a축을 갖는 결정구조를 포함할 수 있는데, 이때 상기 c축은 상기 로드쉐입의 단축방향에 대략 대응하고, 상기 a축은 상기 로드쉐입의 장축방향에 대략 대응하도록 구비될 수 있다. 상기 일차입자의 로드쉐입 형태는 상기 이차입자의 중심부에서 표면부를 향하는 방향으로 상기 c축에 대응하는 단축방향의 길이는 거의 유사하게 구비되되, 상기 a축에 대응하는 장축방향의 길이는 상기 중심부에서 표면부로 향할수록 증가할 수 있다. The cathode active material may include a crystal structure having a c-axis and an a-axis, wherein the c-axis approximately corresponds to a minor axis direction of the rod shape, and the a-axis approximately corresponds to a major axis direction of the rod shape. . In the rod shape of the primary particles, the length of the minor axis corresponding to the c-axis in a direction from the center of the secondary particles to the surface portion is substantially similar, and the length of the major axis corresponding to the a-axis is at the center. It may increase as it goes toward the surface part.

상기 일차입자의 장축방향 또는 a축 방향은 상기 이차입자의 중심부를 향하도록 구비되고, 이는 상기 리튬이온의 확산경로와 대응하도록 구비되어, 상기 리튬이온의 확산이 보다 효과적으로 수행되도록 할 수 있다.The long-axis direction or the a-axis direction of the primary particles is provided to face the center of the secondary particles, which is provided to correspond to the diffusion path of the lithium ions, so that the diffusion of the lithium ions can be performed more effectively.

상기 전고체용 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 복합금속수산화물을 리튬화합물과 소성하여 제조되는 것을 포함하되, 상기 복합금속수산화물을 구성하는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상은 상기 복합금속수산화물의 적어도 어느 일부 이상에서 농도구배를 갖도록 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 이차입자(100)는 리튬을 포함하는 하나 이상의 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 하나 이상의 금속 중 적어도 일부는 중심부(10) 및/또는 표면부(20)에서 농도구배를 갖을 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 이차입자(100)는 니켈(Ni)을 포함하되 상기 니켈(Ni)은 상기 이차입자(100)의 표면부(20)에서의 농도가 상기 이차입자(100)의 중심부(10)에서의 농도보다 더 낮게 구비될 수 있다.The all-solid positive electrode active material is prepared by calcining a composite metal hydroxide containing at least one of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) with a lithium compound, At least any one or more of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) constituting the composite metal hydroxide may be provided to have a concentration gradient in at least any part or more of the composite metal hydroxide. . Specifically, the secondary particle 100 may be made of one or more metals including lithium, and at least some of the one or more metals may have a concentration gradient in the central portion 10 and/or the surface portion 20 . More specifically, the secondary particle 100 includes nickel (Ni), but the concentration of nickel (Ni) in the surface portion 20 of the secondary particle 100 is the central portion 10 of the secondary particle 100 . ) may be provided lower than the concentration in

상기 니켈(Ni)은 상기 이차입자(100)의 표면부(20)에서 낮게 구비되므로, 이차입자(100)의 최외면에서 상기 고체전해질과의 부반응을 감소시켜 상기 양극활물질을 포함하는 전고체전지의 장기사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 니켈(Ni)은 상기 이차입자(100)의 중심부(10)에서 높은 농도로 구비되므로, 상기 이차입자(100)의 전체 니켈(Ni) 농도를 높게 함으로써, 전고체전지의 용량을 향상시킬 수 있다. Since the nickel (Ni) is provided low in the surface portion 20 of the secondary particle 100, a side reaction with the solid electrolyte on the outermost surface of the secondary particle 100 is reduced, and the all-solid-state battery including the positive electrode active material can improve the long-term cycle characteristics of In addition, since the nickel (Ni) is provided at a high concentration in the central portion 10 of the secondary particles 100, by increasing the total nickel (Ni) concentration of the secondary particles 100, the capacity of the all-solid-state battery is improved can do it

별법으로, 상기 이차입자(100)는 중심부(10)와 표면부(20) 사이의 중공이 형성되거나, 혹은 중심부(10)와 표면부(20) 사이의 결정형태가 상이하거나, 혹은 중심부(10)를 제조한 후 상기 중심부(10)를 둘러싸도록 표면부(20)를 제조함으로써, 중심부(10)와 표면부(20) 사이의 이미지의 차이가 형성될 수 있으며, 이에 코어(core)와 쉘(shell)로 구분되는 형태로 구비될 수 있다.Alternatively, in the secondary particle 100, a hollow is formed between the central part 10 and the surface part 20, or the crystal form between the central part 10 and the surface part 20 is different, or the central part 10 ) by manufacturing the surface portion 20 so as to surround the central portion 10 after manufacturing, a difference in image between the central portion 10 and the surface portion 20 may be formed, whereby the core and the shell (shell) may be provided in the form divided.

상기 로드쉐입 형태를 갖는 상기 일차입자(30)들 사이, 다시 말하면, 상기 이차입자의 상기 중심부(10)에서 상기 표면부(20) 방향(D)으로 연장된 상기 일차입자(30)들 사이에, 금속 이온(예를 들어, 리튬 이온)의 이동통로가 제공될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전고체전지용 양극활물질을 이용한 전고체전지는 높은 충방전 효율과 함께 우수한 장기수명특성을 구비할 수 있다. Between the primary particles 30 having the rod shape, that is, between the primary particles 30 extending from the central portion 10 of the secondary particles in the surface portion 20 direction (D). , a path for movement of metal ions (eg, lithium ions) may be provided. Accordingly, the all-solid-state battery using the positive electrode active material for an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention can have high charge-discharge efficiency and excellent long-term lifespan characteristics.

전고체전지용 양극활물질은 층상구조(layered structure)의 NC계, NCM계, NCA계, 및 NCMA계 중 어느 하나 이상일 수 있다. The cathode active material for an all-solid-state battery may be any one or more of NC-based, NCM-based, NCA-based, and NCMA-based having a layered structure.

예컨대, 상기 NC계, NCM계, NCA계, 및 NCMA계는 양극활물질에서 리튬과 도펀트로 첨가되는 이종원소를 제외한 금속원소의 종류에 의하여 결정되는 타입으로, 상기 N은 니켈(Ni), C는 코발트(Co), M은 망간(Mn) 및 A는 알루미늄(Al)을 나타낸다. 상기 NC계는 리튬과 도펀트로 첨가되는 이종원소를 제외한 니켈, 코발트로 이루어진 양극활물질을 의미하고, 상기 NCM계는 니켈, 코발트 및 망간으로 이루어진 양극활물질을 의미하며, 상기 NCA계는 니켈, 코발트 및 알루미늄으로 이루어진 양극활물질을 의미하고, 상기 NCMA계는 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄으로 이루어진 양극활물질을 의미할 수 있다. For example, the NC-based, NCM-based, NCA-based, and NCMA-based types are a type determined by the type of metal element other than lithium and a hetero element added as a dopant in the positive electrode active material, wherein N is nickel (Ni), C is Cobalt (Co), M represents manganese (Mn), and A represents aluminum (Al). The NC-based means a cathode active material made of nickel and cobalt excluding lithium and a hetero element added as a dopant, the NCM-based means a cathode active material made of nickel, cobalt and manganese, and the NCA-based is nickel, cobalt and It means a cathode active material made of aluminum, and the NCMA system may mean a cathode active material made of nickel, cobalt, manganese and aluminum.

상기 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 복합금속수산화물을 리튬화합물과 소성하여 제조되는 것을 포함하되, 상기 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상과 함께 추가되거나, 또는 상기 리튬화합물과 함께 추가되어 소성되는 이종원소를 더 포함할 수 있다.The cathode active material includes one prepared by calcining a composite metal hydroxide containing at least one of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) with a lithium compound, wherein the nickel ( Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and at least one or more of aluminum (Al), or added together with the lithium compound may further include a different element that is fired.

상기 양극활물질에서 상기 이종원소의 평균농도는 0.01mol% 내지 2mol%, 구체적으로는 0.05mol% 내지 2mol%, 또는 0.1mol% 내지 2mol% 또는 0.5mol% 내지 2mol%일 수 있다. 상기 일차입자의 결정립 경계면에서의 이종원소의 평균농도는 0.5mol% 내지 12mol%, 구체적으로는 2mol% 내지 12mol%인 것을 포함할 수 있다.The average concentration of the heterogeneous element in the positive electrode active material may be 0.01 mol% to 2 mol%, specifically, 0.05 mol% to 2 mol%, or 0.1 mol% to 2 mol% or 0.5 mol% to 2 mol%. The average concentration of the heterogeneous element at the grain boundary of the primary particles may include 0.5 mol% to 12 mol%, specifically, 2 mol% to 12 mol%.

상기 양극활물질의 전체에서 상기 이종원소의 평균농도가 0.01mol% 미만이면 상기 이종원소가 이차입자를 구성하는 일차입자에 전체적으로 균일하게 분포하지 않아 문제되고, 2mol% 초과이면 용량을 저하시킬 수 있어 문제된다. 또한, 상기 일차입자의 결정립 경계면에서의 이종원소의 평균농도가 2mol% 미만이면, 고온에서 소성하는 과정에서 일차입자의 뭉침현상을 방지하지 못해 문제되고, 12mol% 초과이면 일차입자의 결정립 경계면에서 이종원소가 과도하게 축적되어 리튬 이온의 이동이 용이하지 않아 문제될 수 있다.If the average concentration of the heterogeneous element in the whole of the positive electrode active material is less than 0.01 mol%, the heterogeneous element is not uniformly distributed throughout the primary particles constituting the secondary particles. . In addition, if the average concentration of the heterogeneous element at the grain boundary of the primary particles is less than 2 mol%, it is not possible to prevent aggregation of the primary particles in the process of firing at high temperature, and if it exceeds 12 mol%, the heterogeneous element at the grain boundary of the primary particles is excessively accumulated, so the movement of lithium ions is not easy, which may cause a problem.

도 4는 동일한 고체전해질에서 종래기술에 따른 양극활물질(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 양극활물질(b)의 미세구조와 고체전해질 사이의 계면에서의 특성을 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a view schematically showing the characteristics at the interface between the microstructure and the solid electrolyte of the positive electrode active material (a) according to the prior art and the positive electrode active material (b) according to the embodiment of the present invention in the same solid electrolyte.

도 4는 동일한 고체전해질(Li6PS5Cl)을 이용한 경우에서 종래기술과 같이 배향성이 없이 무작위로 형성된 일차입자의 집단으로 이루어진 이차입자를 포함하는 양극활물질(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 배향성을 갖도록 구비된 일차입자의 집단으로 이차입자를 포함하는 양극활물질(b)에서, 초기 2번재 충방전을 수행했을 때의 일차입자와 이차입자의 각각의 상태를 나타났다.4 is a positive electrode active material (a) including secondary particles consisting of a group of randomly formed primary particles without orientation as in the prior art in the case of using the same solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl), and an embodiment of the present invention In the positive electrode active material (b) containing secondary particles as a group of primary particles provided to have an orientation according to

종래기술에 따른 양극활물질의 경우, 일차입자는 이방성 부피변화(anisotropic volume)가 발생하고, 일차입자의 그레인이 무작위로 배향되므로 리튬이온의 이동통로를 증가시킨다. 또한 일차입자 사이를 이격시켜 각 일차입자들이 서로 격리되는데, 이때 고체전해질은 액상이 아니므로 상기 이차입자 내부 공간까지 침투하기 어려워 리튬이온의 이동속도를 감소시키게 된다. 이러한 현상은 사이클을 진행할수록 점점 더 진행되고, 종래기술에 따른 양극활물질의 수명특성 및 전기화학특성이 저하되게 된다.In the case of the positive electrode active material according to the prior art, an anisotropic volume occurs in the primary particles, and the grains of the primary particles are randomly oriented, thereby increasing the movement path of lithium ions. In addition, the primary particles are separated from each other by separating the primary particles. At this time, since the solid electrolyte is not liquid, it is difficult to penetrate into the inner space of the secondary particles, thereby reducing the movement speed of lithium ions. This phenomenon progresses more and more as the cycle progresses, and the lifespan characteristics and electrochemical characteristics of the positive electrode active material according to the prior art are deteriorated.

반면, 본 실시예에 따른 양극활물질의 경우, 일차입자 중 상기 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자는 로드쉐입 형태로 구비되어 높은 배향성을 갖도록 정렬된 형태로 구비될 수 있다. 본 실시예에 따른 양극활물질의 경우 복수회 충방전을 진행하여도 일차입자의 배향성이 대략 그대로 유지되므로, 일차입자의 그레인들이 서로 접촉하도록 구비되어 리튬이온의 이동통로를 감소시켜 리튬이온의 이동속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 양극활물질은 이차입자를 구성하는 일차입자들이 상기 고체전해질과 접촉하는 표면부에서 중심부까지 서로 접촉하도록 구비되어 상기 고체전해질이 상기 이차입자의 내부에 침투할 필요없이 리튬이온이 상기 고체전해질에서 상기 이차입자의 내부까지 효율적으로 이동하도록 할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 양극활물질을 이용한 이차전지는 장기수명특성 및 전기화학특성이 우수하게 유지될 수 있다.On the other hand, in the case of the positive electrode active material according to the present embodiment, the primary particles provided on the surface of the secondary particles among the primary particles may be provided in the form of a rod shape and arranged to have high orientation. In the case of the positive electrode active material according to this embodiment, since the orientation of the primary particles is approximately maintained even after charging and discharging a plurality of times, the grains of the primary particles are provided to contact each other to reduce the passage of lithium ions, thereby reducing the movement speed of lithium ions. can improve In addition, the positive electrode active material according to this embodiment is provided so that the primary particles constituting the secondary particles are in contact with each other from the surface portion in contact with the solid electrolyte to the center, so that the solid electrolyte does not need to penetrate into the interior of the lithium ion. It is possible to efficiently move from the solid electrolyte to the inside of the secondary particles. Accordingly, the secondary battery using the positive electrode active material according to the present embodiment can maintain excellent long-term lifespan characteristics and electrochemical characteristics.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시예는 한 항에 따른 양극활물질을 포함하는 양극; 및 고체전해질을 포함하고, 상기 고체전해질은 할로겐계(Halide) 고체전해질, 황화물계(Sulfide) 고체전해질, 및 산화물계(Oxide) 고체전해질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, an embodiment of the present invention includes a positive electrode comprising the positive electrode active material according to one of the preceding claims; and a solid electrolyte, wherein the solid electrolyte may include any one or more of a halogen-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, and an oxide-based solid electrolyte.

상기 할로겐계 고체전해질은 LiaMXb일 수 있으며, 여기서 0<a<2, 0<b<5이고, M은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Mg, Pb, Sc, Y, La-Lu, 및 이들의 합금(alloy)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, X는 F, Cl, Br, I 중 어느 하나 이상일 수 있다.The halogen-based solid electrolyte may be Li a MX b , where 0<a<2, 0<b<5, M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, It may be selected from the group consisting of Mg, Pb, Sc, Y, La-Lu, and alloys thereof, and X may be any one or more of F, Cl, Br, and I.

상기 황화물계 고체전해질은 황화물계 입자를 포함한다. 상기 황화물계 입자의 표면을 코팅하거나 개질하여 사용할 수 있으며, 상기 입자를 포함하는 혼합물을 건식 또는 습식 공정을 거쳐 황화물계 고체전해질을 제조할 수 있다. 상기 황화물계 입자는 본원 발명에서 특별히 한정하지 않으며 리튬 전지 분야에서 사용하는 공지된 모든 황화물계 재질이 가능하다. 상기 황화물계 재질은 시판되는 것을 구입하여 사용하거나, 비정질 황화물계 재질을 결정화 공정을 거쳐 제조된 것을 사용할 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte includes sulfide-based particles. The sulfide-based solid electrolyte may be prepared by coating or modifying the surface of the sulfide-based particles, and a mixture including the particles may be subjected to a dry or wet process. The sulfide-based particles are not particularly limited in the present invention, and all known sulfide-based materials used in the field of lithium batteries may be used. As the sulfide-based material, a commercially available material may be purchased and used, or an amorphous sulfide-based material manufactured through a crystallization process may be used.

구체적으로, 상기 황화물계 고체전해질은 Li2-P2S5 바이너리 시스템(binary system), LGPS 패밀리, Thio-LISICON 및 아지로다이트(Argyrodite) 중 어느 하나 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 황화물계 고체전해질은 예를 들어 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiX, X는 할로겐 원소이고, Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-LiI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn이고 m과 n은 양수이고, Z은 Ge, Zn 또는 Ga, Li2S-GeS2, Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LipM1Oq이고, p 및 q는 양수이고, M1은 P, Si, Ge, B, Al, Ga, 또는 In이고, Li7-xPS6-xClx (0<x<2), Li7-xPS6-xBrx (0<x<2), 또는 Li7-xPS6-xIx (0<x<2)을 들 수 있다.Specifically, the sulfide-based solid electrolyte may be any one or more of Li 2 -P 2 S 5 binary system, LGPS family, Thio-LISICON, and Argyrodite. More specifically, the sulfide-based solid electrolyte is, for example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiX, X is a halogen element, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 - B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n where m and n are positive numbers, Z is Ge , Zn or Ga, Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li p M 1 O q , p and q are is positive, M 1 is P, Si, Ge, B, Al, Ga, or In, Li 7-x PS 6-x Cl x (0<x<2), Li 7-x PS 6-x Br x (0<x<2), or Li 7-x PS 6-x I x (0<x<2).

고체전해질을 형성하는 황화물계 고체전해질 재료로 Li2S-P2S5를 포함하는 것을 이용하는 경우, Li2S와 P2S5의 혼합 몰비는, 예를 들어, Li2S : P2S5 = 50 : 50 내지 90 : 10 정도의 범위이다. When using a sulfide-based solid electrolyte material containing Li 2 SP 2 S 5 as the sulfide-based solid electrolyte material for forming the solid electrolyte , the mixing molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is, for example, Li 2 S : P 2 S 5 = It is in the range of about 50:50 to 90:10.

황화물계 고체전해질은 예를 들어 Li7-xPS6-xClx (0≤x≤2), Li7-xPS6-xBrx (0≤x≤2), 및 Li7-xPS6-xIx (0≤x≤2) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 아르지로다이트-타입(Argyrodite-type)의 화합물일 수 있다. 특히, 황화물계 고체전해질은 Li6PS5Cl, Li6PS5Br 및 Li6PS5I 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 아르지로다이트-타입(Argyrodite-type)의 화합물일 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte is, for example, Li 7-x PS 6-x Cl x (0≤x≤2), Li 7-x PS 6-x Br x (0≤x≤2), and Li 7-x PS It may be an Argyrodite-type compound including at least one selected from 6-x I x (0≤x≤2). In particular, the sulfide-based solid electrolyte may be an Argyrodite-type compound including at least one selected from Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 Br, and Li 6 PS 5 I.

아르지로다이트-타입(Argyrodite-type)의 고체전해질의 밀도가 1.5 내지 2.0 g/cc일 수 있다. 아르지로다이트-타입(Argyrodite-type)의 고체전해질이 1.5g/cc 이상의 밀도를 가짐에 의하여 전고체전지의 내부 저항이 감소하고, Li에 의한 고체전해질층의 관통(penetration)을 효과적으로 억제할 수 있다.The density of the Argyrodite-type solid electrolyte may be 1.5 to 2.0 g/cc. As the argyrodite-type solid electrolyte has a density of 1.5 g/cc or more, the internal resistance of the all-solid-state battery is reduced, and the penetration of the solid electrolyte layer by Li is effectively suppressed. can

황화물계 고체전해질은 예를 들어 Li6PS5Cl, Li6PS5Br, 또는 Li6PS5I을 들 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte may include, for example, Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 Br, or Li 6 PS 5 I.

산화물계 고체전해질은 예를 들어 Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 (0<x<2, 0≤y<3), BaTiO3, Pb(Zr(1-x)Tix)O3 (상기 식 중, 0≤x≤1), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (상기 식 중, 0≤x<1, 0≤y<1), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, SiC, Li3PO4, LixTiy(PO4)3 (상기 식 중, 0<x<2,0<y<3), LixAlyTiz(PO4)3 (0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li1+x+y(Al(1-m)Gam)x(Ti(1-n)Gen)2-xSiyP3-yO12 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤m≤1, 0≤n≤1), LixLayTiO3 (상기 식 중, 0<x<2, 0<y<3), LixGeyPzSw (상기 식 중, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), LixNy (상기 식 중, 0<x<4, 0<y<2), SiS2, LixSiySz (상기 식 중, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4), LixPySz (상기 식 중, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7), Li2O, LiF, LiOH, Li2CO3, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2 세라믹, 화학식 Li3+xLa3M1 2O12의 가넷 세라믹계(garnet ceramics) (상기 식 중, M1은 Te, Nb 또는 Zr이고 x는 1 내지 10의 정수), 또는 그 조합물을 들 수 있다.The oxide-based solid electrolyte is, for example, Li 1+x+y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0<x<2, 0≤y<3), BaTiO 3 , Pb(Zr (1 -x) Ti x )O 3 (wherein, 0≤x≤1), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (wherein, 0≤x<1, 0≤y<1) ), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3, HfO 2, SrTiO 3, SnO 2, CeO 2, Na 2 O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO 2, Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiC, Li 3 PO 4 , Li x Ti y (PO 4 ) 3 (wherein 0<x<2,0<y<3), Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 (0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), Li 1+x+y (Al (1-m) Ga m ) x (Ti (1) -n) Ge n ) 2-x Si y P 3-y O 12 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤m≤1, 0≤n≤1), Li x La y TiO 3 ( where 0<x<2, 0<y<3), Li x Ge y P z S w (wherein, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), Li x N y (wherein, 0<x<4, 0<y<2), SiS 2 , Li x Si y S z (wherein, 0<x<3, 0<y) <2, 0<z<4), Li x P y S z (wherein, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7), Li 2 O, LiF, LiOH, Li 2 CO 3 , LiAlO 2 , Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 -P 2 O 5 -TiO 2 -GeO 2 Ceramics, garnet ceramics of the formula Li 3+x La 3 M 1 2 O 12 (wherein, M 1 is Te, Nb or Zr, and x is an integer from 1 to 10), or a combination thereof.

반면, 본 실시예에 따른 양극활물질은 배향성입자는 서로 이웃하는 입자들 사이의 간격이 대략 일정하도록 유지되고, 충방전을 수행하는 과정에서 일차입자의 수축 및 팽창의 부피변화에 의한 마이크로크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 전고체전지를 사용함에도, 상기 양극활물질을 이용하는 경우 사이클을 수행하는 과정에서 상기 양극활물질은 마이크로크랙이 거의 발생하지 않고 우수한 사이클 특성을 나타낼 수 있다.On the other hand, in the positive electrode active material according to the present embodiment, the oriented particles maintain an approximately constant distance between neighboring particles, and microcracks occur due to volume changes of contraction and expansion of primary particles during charging and discharging. can be prevented from becoming That is, even when an all-solid-state battery is used, when the positive electrode active material is used, the positive electrode active material hardly generates microcracks and exhibits excellent cycle characteristics during the cycle.

본 발명의 실시예에 따른 전고체용 양극활물질은 2사이클 내지 5사이클의 충방전을 수행한 후, 3.0V 이하로 방전 시 X-선 회절(XRD) 패턴에서 2θ값이 18° 내지 19°의 범위 내에서 단일의 피크를 갖을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 전고체용 양극활물질은 100사이클의 충방전을 수행한 후, 상기 이차입자는 층상(layered)구조와, 암염(rocksalt) 구조를 포함하되, 상기 암염구조는 상기 이차입자의 최외면에서 내측으로 두께가 0.1nm 내지 5nm의 영역에만 존재할 수 있다. 본 실시예에 따른 양극활물질은 사이클을 수행한 후에도, 상기 이차입자의 표면에 형성된 암염구조가 0.1nm 내지 5nm의 영역의 좁은 범위에만 존재함을 확인할 수 있는데, 이는 상기 양극활물질과 고체전해질 사이의 계면저항에 의하여 상기 양극활물질이 받는 미세구조 변화가 거의 없음을 의미한다.The positive electrode active material for all-solid according to an embodiment of the present invention has a 2θ value in an X-ray diffraction (XRD) pattern when charging and discharging in 2 to 5 cycles and then discharging to 3.0V or less in the range of 18° to 19° It may have a single peak in In addition, the all-solid positive electrode active material according to an embodiment of the present invention, after performing 100 cycles of charging and discharging, the secondary particles include a layered structure and a rocksalt structure, wherein the rock salt structure is the secondary It may exist only in a region of 0.1 nm to 5 nm in thickness from the outermost surface of the particle to the inside. In the cathode active material according to this embodiment, even after the cycle, it can be confirmed that the rock salt structure formed on the surface of the secondary particles exists only in a narrow range of 0.1 nm to 5 nm, which is between the cathode active material and the solid electrolyte. It means that there is little change in the microstructure of the positive electrode active material due to the interfacial resistance.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

1. 양극활물질의 제조1. Preparation of cathode active material

비교예 1(Bulk_NCA80)Comparative Example 1 (Bulk_NCA80)

반응기(용량 47L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 몰비가 84:16이 되도록 하는 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.11리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.84Co0.16(OH)2 복합금속수산화물을 제조하였다. After putting 10 liters of distilled water into the reactor (capacity 47L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. while stirring at 350 rpm. Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical) and cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical) are mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni) and cobalt (Co) is 84:16. A metal solution having a concentration of 2M was prepared. The prepared metal solution was 0.561 liter/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.11 liter/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. It was continuously introduced into the reactor for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.84 Co 0.16 (OH) 2 composite metal hydroxide.

제조된 복합금속수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 파우더형태로 제조된 복합금속수산화물 수산화알루미늄(Al(OH)3) 및 수산화리튬(LiOH)을 1.01:0.96:0.04(Li : Ni +Co : Al)의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 770℃에서 10시간 소성시켜, 양극활물질 분말을 제조하고 이를 표 1에 나타내었다.The prepared composite metal hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. The complex metal hydroxide aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ) and lithium hydroxide (LiOH) prepared in powder form were mixed in a molar ratio of 1.01:0.96:0.04 (Li: Ni + Co: Al), and then the temperature was raised to 2° C./min. Preliminary firing was performed by heating at a speed of heating at 450° C. for 5 hours, followed by firing at 770° C. for 10 hours to prepare a cathode active material powder, which is shown in Table 1.

실시예 1(RS_FCG75)Example 1 (RS_FCG75)

반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 1:0:0가 되도록 하는 양으로 혼합된 2M 농도의 제1 금속용액과 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 0.645:0.149:0.206가 되도록 하는 양으로 혼합된 2M 농도의 제2 금속용액을 제조하였다. 제조된 제1 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 14시간 동안 연속적으로 투입하여 제1 농도 유지부를 형성하여 구형의 Ni(OH)2 입자를 우선 제조하였다. 이후, 제2 금속용액을 공침반응기에 0.561 리터/시간으로 투입하여 반응기에 투입되는 금속용액의 농도를 일정하게 변화시키면서 10시간 동안 연속적으로 투입하여 제1 농도유지부(구형의 Ni(OH)2 입자)의 외곽에 다양한 조성을 갖는 니켈-코발트-망간으로 이루어진 입자를 축적시켜 제2 농도구배부를 구비시켰다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 평균 조성이 Ni0.75Co0.1Mn0.15(OH)2 인 농도구배형 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. while stirring at 350 rpm. Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) were mixed with nickel (Ni), cobalt (Co ) and manganese (Mn) in a molar ratio of 1:0:0 to the first metal solution having a concentration of 2M mixed in an amount such that the molar ratio of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) is 0.645:0.149: A second metal solution having a concentration of 2M mixed in an amount to be 0.206 was prepared. The prepared first metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour Each of the spherical Ni(OH) 2 particles was first prepared by continuously inputting the reactor for 14 hours to form a first concentration maintaining part. Thereafter, the second metal solution was added to the co-precipitation reactor at 0.561 liters/hour and continuously added for 10 hours while constantly changing the concentration of the metal solution fed into the reactor to the first concentration maintaining part (spherical Ni(OH) 2 The second concentration gradient part was provided by accumulating particles made of nickel-cobalt-manganese having various compositions on the outside of the particle). The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare a concentration gradient-type metal composite hydroxide having an average composition of Ni 0.75 Co 0.1 Mn 0.15 (OH) 2 .

제조된 농도구배형 복합금속수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 파우더형태로 제조된 복합금속수산화물과 수산화리튬(LiOH)을 1.01:1(Li : Ni + Co)의 몰비로 혼합한 후에 산소분위기 하에서 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 790℃에서 10시간 소성시켜, 농도구배형 양극활물질 분말을 제조하였다.The prepared concentration gradient composite metal hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. After mixing the composite metal hydroxide prepared in powder form and lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 1.01:1 (Li: Ni + Co), heated at a temperature increase rate of 2°C/min in an oxygen atmosphere, and then 450°C for 5 hours Pre-calcination was carried out by maintaining, followed by calcination at 790° C. for 10 hours to prepare a concentration gradient type cathode active material powder.

구분 1Category 1 구분 2Category 2 Ni(mol%)Ni (mol%) Co(mol%)Co (mol%) Mn(mol%)Mn (mol%) Al(mol%)Al (mol%) Li(mol%)Li (mol%) 소성온도 (℃)Firing temperature (℃) 비교예 1Comparative Example 1 Bulk_NCA80Bulk_NCA80 8080 1616  00 44 1One 770770 실시예 1Example 1 RS_FCG75RS_FCG75 7575 1010 1515 0 0 1One 790790

제조예 1 (NCM111)Preparation Example 1 (NCM111)

반응기(용량 40L, 회전 모터의 출력 750W 이상)에 증류수 10 리터를 넣은 뒤 N2 가스를 반응기에 6리터/분의 속도로 공급하고, 반응기의 온도를 45℃로 유지시키면서 350 rpm으로 교반하였다. 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 1:1:1의 양으로 혼합하여 2M 농도인 금속용액을 제조하였다. 제조된 금속용액을 0.561 리터/시간으로, 16M 농도의 암모니아 용액(NH4OH, JUNSEI)을 0.08리터/시간으로, 4M 농도의 수산화나트륨 용액(NaOH, 삼전화학)을 0.60리터/시간으로 각각 반응기에 24시간 동안 연속적으로 투입하였다. 반응기 내의 pH를 10 내지 12 범위 상태를 유지하며 공침반응을 수행하여 Ni0.1Co0.1Mn0.1(OH)2 금속 복합 수산화물을 제조하였다. After 10 liters of distilled water was put into the reactor (capacity 40L, output of the rotary motor 750W or more), N 2 gas was supplied to the reactor at a rate of 6 liters/minute, and the temperature of the reactor was maintained at 45° C. while stirring at 350 rpm. Nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), and manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical) were mixed with nickel (Ni), cobalt (Co ) and manganese (Mn) in a molar ratio of 1:1:1 were mixed to prepare a metal solution having a concentration of 2M. The prepared metal solution was 0.561 liters/hour, 16M ammonia solution (NH 4 OH, JUNSEI) was 0.08 liters/hour, and 4M sodium hydroxide solution (NaOH, Samjeon Chemical) was 0.60 liters/hour, respectively. was continuously added for 24 hours. The co-precipitation reaction was performed while maintaining the pH in the reactor in the range of 10 to 12 to prepare Ni 0.1 Co 0.1 Mn 0.1 (OH) 2 metal composite hydroxide.

제조된 금속 복합 수산화물을 여과하고, 증류수를 이용하여 여러번 세척한 후에 110℃ 진공 건조기에서 12시간 건조시켜 파우더형태로 제조하였다. 파우더형태로 제조된 Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 금속 복합 수산화물, 및 수산화리튬(LiOH)을 1.01:1(Li : Ni + Co + Mn)의 몰비로 혼합한 후에 2℃/min의 승온 속도로 가열한 후 450℃에서 5시간 유지시켜 예비 소성을 수행하였으며, 뒤이어 700℃에서 10시간 소성시켜, 양극활물질 분말을 제조하고, 이를 표 2에 나타내었다.The prepared metal complex hydroxide was filtered, washed several times with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 110° C. for 12 hours to prepare a powder. Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 (OH) 2 metal composite hydroxide prepared in powder form, and lithium hydroxide (LiOH) were mixed in a molar ratio of 1.01:1 (Li: Ni + Co + Mn), and then the temperature was raised to 2 ° C / min Preliminary firing was performed by heating at a speed of heating at 450° C. for 5 hours, followed by firing at 700° C. for 10 hours to prepare a cathode active material powder, which is shown in Table 2.

제조예 2 (NCM523)Preparation 2 (NCM523)

반응기로 첨가하는 2M 농도인 금속용액을 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 5:2:3의 양으로 혼합하여 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극활물질 분말을 제조하고, 이를 표 2에 나타내었다.A metal solution with a concentration of 2M added to the reactor was mixed with nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical). ) to prepare a cathode active material powder in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) was mixed in an amount of 5:2:3, and 2 is shown.

제조예 3 (NCM622)Preparation 3 (NCM622)

반응기로 첨가하는 2M 농도인 금속용액을 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 6:2:2의 양으로 혼합하여 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극활물질 분말을 제조하고, 이를 표 2에 나타내었다.A metal solution with a concentration of 2M added to the reactor was mixed with nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical). ) to prepare a cathode active material powder in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) was mixed in an amount of 6:2:2, and this 2 is shown.

제조예 4 (NCM811)Preparation 4 (NCM811)

반응기로 첨가하는 2M 농도인 금속용액을 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 8:1:1의 양으로 혼합하여 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극활물질 분말을 제조하고, 이를 표 2에 나타내었다.A metal solution with a concentration of 2M added to the reactor was mixed with nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical). ) to prepare a cathode active material powder in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) was mixed in an amount of 8:1:1, and this 2 is shown.

제조예 5 (NCM900505)Preparation 5 (NCM900505)

반응기로 첨가하는 2M 농도인 금속용액을 황산니켈 수용액(NiSO46H2O, 삼전화학), 황산코발트 수용액(CoSO47H2O, 삼전화학), 황산망간 수용액(MnSO4H2O, 삼전화학)을 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 몰비가 90:5:5의 양으로 혼합하여 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 양극활물질 분말을 제조하고, 이를 표 2에 나타내었다.A metal solution with a concentration of 2M added to the reactor was mixed with nickel sulfate aqueous solution (NiSO 4 6H 2 O, Samjeon Chemical), cobalt sulfate aqueous solution (CoSO 4 7H 2 O, Samjeon Chemical), manganese sulfate aqueous solution (MnSO 4 H 2 O, Samjeon Chemical). ) to prepare a cathode active material powder in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) was mixed in an amount of 90:5:5, and this 2 is shown.

 구분 1Category 1 구분 2Category 2 Ni(mol%)Ni (mol%) Co(mol%)Co (mol%) Mn(mol%)Mn (mol%) 제조예 1Preparation Example 1 NCM111NCM111 3333 3333 3333 제조예 2Preparation 2 NCM523NCM523 5050 2020 3030 제조예 3Preparation 3 NCM622NCM622 6060 2020 2020 제조예 4Preparation 4 NCM811NCM811 8080 1010 1010 제조예 5Preparation 5 NCM900505NCM900505 9090 0505 0505

2. 전고체전지의 제조2. Manufacture of all-solid-state battery

(1) 고체전해질의 제조(1) Preparation of solid electrolyte

고체전해질로는 Li6PS5Cl를 이용하였다. Li6PS5Cl을 합성하기 위하여, Li2S (99.9 %, Alfa Aesar), P2S5 (99 %, Sigma-Aldrich) 및 LiCl (99.99 %, Sigma-Aldrich)를 각 화학양론에 맞게 각 양을 측정하여 혼합하고, 화학 양론적 양을 Pulverisette 7 PL (Fritsch GmbH)을 사용하여 ZrO2 믹싱볼로 10시간 동안 600rpm로 볼밀링을 하였다. 볼밀링이 완료된 분말은 Ar 분위기 하에서 5 시간 동안 550 ℃에서 열처리하였다.As the solid electrolyte, Li 6 PS 5 Cl was used. To synthesize Li 6 PS 5 Cl, Li 2 S (99.9 %, Alfa Aesar), P 2 S 5 (99 %, Sigma-Aldrich), and LiCl (99.99 %, Sigma-Aldrich) were mixed for each stoichiometry. The amount was measured and mixed, and the stoichiometric amount was ball milled at 600 rpm for 10 hours with a ZrO 2 mixing ball using a Pulverisette 7 PL (Fritsch GmbH). The ball milled powder was heat-treated at 550 °C for 5 hours under Ar atmosphere.

(2) 전고체전지의 제조(2) Manufacture of all-solid-state battery

전고체전지는 양극은 실시예, 비교예, 제조예에 의하여 제조된 분말을 고체전해질(Li6PS5Cl) 및 전도성 카본 첨가제(super P)를 70:30:3의 중량비로 몰타르 분쇄기(mortar 및 pestle 이용)로 건식혼합하여 양극활물질 혼합물을 준비하였다. 상대전극(음극)은 부분적으로 리튬화된 인듐(lithiated indium, 공칭조성 Li0.5In) 또는 리튬메탈 호일(20㎛)을 이용하였다.For the all-solid battery, the positive electrode is prepared by mixing the powder prepared according to Examples, Comparative Examples, and Preparation Examples with a solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) and a conductive carbon additive (super P) in a weight ratio of 70:30:3 in a mortar grinder (mortar and pestle) to prepare a positive electrode active material mixture by dry mixing. As the counter electrode (cathode), partially lithiated indium (nominal composition Li 0.5 In) or lithium metal foil (20 μm) was used.

Li0.5In는 Li(FMC Lithium corp.)과 In (Sigma-Aldrich, 99.99%) 분말을 혼합해서 제조하였다. Li 0.5 In was prepared by mixing Li (FMC Lithium corp.) and In (Sigma-Aldrich, 99.99%) powder.

Ti 로드 집전체와, PEEK (polyaryletheretherketone) 몰드로 이루어진 직경 13mm의 전고체전지는 하기와 같이 제조되었다.An all-solid-state battery with a diameter of 13 mm made of a Ti rod current collector and a PEEK (polyaryletheretherketone) mold was prepared as follows.

먼저, 150mg의 Li6PS5Cl 분말을 펠릿으로 제조하여 SE층(고체전해질층)을 형성하였다. 이어서, 양극활물질 혼합물을 SE층의 일면에 도포하고, SE층의 다른면에는 상대전극(Li0.5In)을 도포하여 조립체를 제조하였다. 제조된 조립체는 370MPa로 압축시켰다. 이때, 실시예 및 비교예의 양극활물질으로 이루어진 경우의 로딩레벨은 11.3 mg/㎠였다.First, 150 mg of Li 6 PS 5 Cl powder was prepared into pellets to form an SE layer (solid electrolyte layer). Then, the positive electrode active material mixture was applied to one side of the SE layer, and a counter electrode (Li 0.5 In) was applied to the other side of the SE layer to prepare an assembly. The prepared assembly was compressed to 370 MPa. In this case, the loading level in the case of the positive electrode active material of Examples and Comparative Examples was 11.3 mg/cm 2 .

(3) 액체전해질 이차전지(3) Liquid electrolyte secondary battery

액체전해질을 이용한 이차전지는, 양극은 N-메틸필롤리돈(N-methylpyrrolidone)에서 실시예, 비교예, 제조예에 따른 양극활물질, 카본블랙 및 폴리비닐리덴플로라이드(poly(vinylidene fluoride))를 90:5.5:4.5의 중량비로 혼합하여 슬러리로 제조하였다. 제조된 슬러리를 로딩레벨이 4 mg/㎠가 되도록 Al 호일에 코팅하여 전극으로 제조하였다. 제조된 전극은 압축하고 120℃에서 진공건조시켰다. 액체전해질로는 1.2M LiPF6으로, 에틸렌카르보네이트(ethylene carbonate) 및 에틸메틸카르보네이트(ethyl methyl carbonate)를 부피비로 3:7로 혼합하고, 비닐렌 카르보네이트(vinylene carbonate) 2wt%로 첨가하였다. 리튬메탈을 음극으로 이용하여, 2032 코인형 하프셀을 제조하여 배터리 테스트를 수행하였다. 이차전지는 3V-4.3V에서 0.5C(100mA/g)로 충방전 및 사이클을 수행하였다. A secondary battery using a liquid electrolyte, the positive electrode is N-methylpyrrolidone (N-methylpyrrolidone), the positive electrode active material according to Examples, Comparative Examples, and Preparation Examples, carbon black and polyvinylidene fluoride (poly(vinylidene fluoride)) was mixed in a weight ratio of 90:5.5:4.5 to prepare a slurry. The prepared slurry was coated on Al foil so that the loading level was 4 mg/cm 2 to prepare an electrode. The prepared electrode was compressed and vacuum dried at 120°C. As a liquid electrolyte, 1.2M LiPF 6 was mixed with ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 3:7, and vinylene carbonate 2wt% was added with A battery test was performed by manufacturing a 2032 coin-type half cell using lithium metal as an anode. The secondary battery was charged and discharged and cycled at 0.5C (100mA/g) at 3V-4.3V.

3. 양극활물질 및 전고체전지의 평가3. Evaluation of cathode active materials and all-solid-state batteries

(1) 양극활물질(소성체)의 물질 분석(1) Material analysis of cathode active material (sintered body)

실시예, 비교예, 제조예에 따라 제조된 양극활물질의 미세조직, 비표면적 등의 평가를 수행하였다.The microstructure, specific surface area, etc. of the positive electrode active material prepared according to Examples, Comparative Examples, and Preparation Examples were evaluated.

양극활물질에 대해서 SEM (Verios G4UC, FEI)으로 미세조직을 확인하였다. 비표면적은 Brunauer-Emmett-Teller (BET, 3 Flex, Micromeritics)를 사용하여 N2 흡착/탈착 등온선에 의해 확인하였다. The microstructure of the positive electrode active material was confirmed by SEM (Verios G4UC, FEI). The specific surface area was confirmed by N2 adsorption/desorption isotherm using a Brunauer-Emmett-Teller (BET, 3 Flex, Micromeritics).

단면 SEM 관찰을 위해 서로 다른 SOC(state of charge)로 충전한 전극(샘플링 한 전극)을 Ar으로 채워진 글로브 박스 내에 수납하고, -90℃에서 냉각 단면연마기(cross-sectional polisher, CP, JEOL IB-19520CCP)를 사용하여 Ar-이온빔 밀링으로 절단하였다. 이어서, 외부 공기에 의하여 노출되는 것을 방지하기 위하여, 전극을 Air-Isolation 시스템 홀더를 사용하여 단면연마기(CP)에서 SEM 장비로 Ar 분위기를 유지하면서 이동시켰다.For cross-sectional SEM observation, electrodes (sampled electrodes) charged with different SOC (state of charge) were stored in a glove box filled with Ar, and cooled at -90°C with a cross-sectional polisher (CP, JEOL IB-). 19520CCP) was used to cut by Ar-ion beam milling. Then, in order to prevent exposure to external air, the electrode was moved from the end face polisher (CP) to the SEM equipment using the Air-Isolation system holder while maintaining the Ar atmosphere.

TEM 측정을 위해 100사이클을 수행한 전극(방전상태)에서 집속이온빔(focused ion beam, FIB, SCIOS, FEI)으로 70nm 두께의 얇은 호일로 절단하고 Mo 그리드에 안착시켜 TEM을 측정하였다.For TEM measurement, the electrode (discharged state), which was subjected to 100 cycles, was cut into a thin foil with a thickness of 70 nm with a focused ion beam (FIB, SCIOS, FEI) and seated on a Mo grid to measure TEM.

XRD 분석(ex situ XRD)을 위해 각 전고체전지를 홀더에 장착하고 Ar이 채워진 글러브 박스에 Be 윈도우로 실링하였다. ex situ XRD은 0.02 °의 스텝 사이즈로 2θ의 10 ° 내지 70 °에서 Cu Kα 방사선을 사용하는 Rigaku MiniFlex 600 회절계를 사용하여 수행하였다. ex situ XRD은 K-Alpha+ (Thermo Fisher Scientific)를 사용하여 12kV 및 6mA에서 단색 Al Kα 소스 (1486.6eV)로 수행되었. 각 샘플은 Ar이 채워진 글러브 박스의 샘플 홀더에 장착하였고, 공기에 노출되지 않도록 하여 XPS 장비로 이동시켰다.For XRD analysis (ex situ XRD), each all-solid-state battery was mounted in a holder and sealed with a Be window in a glove box filled with Ar. Ex situ XRD was performed using a Rigaku MiniFlex 600 diffractometer using Cu Kα radiation from 10° to 70° of 2θ with a step size of 0.02°. Ex situ XRD was performed with a monochromatic Al Kα source (1486.6 eV) at 12 kV and 6 mA using K-Alpha+ (Thermo Fisher Scientific). Each sample was mounted in a sample holder in a glove box filled with Ar, and moved to the XPS instrument without exposure to air.

(2) 전기화학특성 확인 (2) Confirmation of electrochemical properties

EIS 측정은 0.1C로 3.8V (vs Li / Li +)까지 방전된 전고체전지에 대해서, 10mV의 진폭으로 1.5MHz에서 10Hz까지 Bio-Logic (VMP3)을 이용하여 측정하였다. 충방전을 수행하는 과정에서 전고체전지의 외부압력은 Li0.5In(또는 Li4Ti5O12) 및 Li 메탈을 상대전극으로 이용하는 경우, 각각 대략 70MPa 이내, 및 대략 7MPa 이내로 나타났다. operando electrochemical pressiometry의 경우, 제로스트레인(zerostrain) Li4Ti5O12를 음극으로 하여 NP 비율(negative to positive (np) ratio)를 13으로 하고, 압력센서를 사용하여 충전 및 방전 중에서의 압력을 모니터링하였다.EIS was measured using Bio-Logic (VMP3) from 1.5 MHz to 10 Hz with an amplitude of 10 mV for an all-solid-state battery discharged to 3.8V (vs Li / Li +) at 0.1C. In the process of charging and discharging, the external pressure of the all-solid-state battery was within approximately 70 MPa and within approximately 7 MPa, respectively, when Li 0.5 In (or Li 4 Ti 5 O 12 ) and Li metal were used as counter electrodes. In the case of operando electrochemical pressiometry, a negative to positive (np) ratio was set to 13 with a zero strain Li 4 Ti 5 O 12 as a cathode, and a pressure sensor was used to monitor the pressure during charging and discharging. did.

하기에서는 실시예 및 비교예에 따른 양극활물질에 대한 미세구조, 표면특성 및 전기화학적 특성을 확인하였다.Hereinafter, the microstructure, surface properties and electrochemical properties of the positive electrode active materials according to Examples and Comparative Examples were confirmed.

도 5은 비교에 1 및 실시예 1의 양극활물질의 SEM 이미지이다. 도 6는 실시예 1의 양극활물질을 구성하는 금속의 농도를 나타낸 그래프이다. 도 7은 비교예 1 및 실시예 1에 대한 양극활물질을 이용하여 액체전해질을 이용한 이차전지(a, c)와, 고체전해질을 이용한 전고체전지(b, d)에서의 사이클 특성을 확인한 그래프이다. 도 8는 비교예 1 및 실시예 1의 양극활물질을 이용한 전고체전지에서, 0.5C로 진행한 수명특성(a), 각 사이클에서의 용량-전압 프로파일(b), 2사이클 및 100사이클에서의 나이퀴스트 플롯(c, d)를 나타낸 그래프이다. 5 is a SEM image of the positive electrode active material of Comparative Example 1 and Example 1. 6 is a graph showing the concentration of the metal constituting the positive electrode active material of Example 1. Referring to FIG. 7 is a graph confirming the cycle characteristics in the secondary batteries (a, c) using the liquid electrolyte and the all-solid batteries (b, d) using the solid electrolyte using the cathode active material for Comparative Examples 1 and 1 . 8 is an all-solid-state battery using the positive electrode active material of Comparative Example 1 and Example 1, the lifetime characteristics (a) at 0.5C, the capacity-voltage profile at each cycle (b), 2 cycles and 100 cycles It is a graph showing the Nyquist plot (c, d).

표 3은 실시예 및 비교예에 따른 양극활물질을 이용한 전고체전지에서의 전기화학특성을 확인한 결과이다.Table 3 shows the results of confirming the electrochemical characteristics of the all-solid-state battery using the positive electrode active material according to Examples and Comparative Examples.

구분 1Category 1 구분 2Category 2 0.1C, 1st Dis-Cap (mAh/g)0.1C, 1st Dis-Cap (mAh/g) 1st Efficiency 1 st Efficiency 0.5C Capacity (mAh/g)0.5C Capacity (mAh/g) 0.5C/0.1C0.5C/0.1C Cycle numberCycle number 0.5C Capacity Retention0.5C Capacity Retention 비교예 1Comparative Example 1 Bulk_NCA80Bulk_NCA80 156.1156.1 71.2%71.2% 135135 86.5%86.5% 200200 46.9%46.9% 실시예 1Example 1 RS_FCG75RS_FCG75 194.2194.2 84.9%84.9% 169.8169.8 87.4%87.4% 200200 79.0%79.0%

5를 참조하면, 비교예 1의 양극활물질은 일차입자가 무작위로 배향되어 전체 구형의 이차입자를 형성한다. 반면, 실시예 1의 양극활물질은 높은 종횡비를 갖는 로드쉐입 형태의 일차입자로 구성되어 있고, 특히 이차입자의 표면부에 위치하는 일차입자는 a-b 면으로 향하도록 방사형으로 배열되어 있음을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 1의 양극활물질이 농도구배를 갖고, 동시에 이차입자의 표면부에서 특히 로드쉐입 형태의 일차입자로 배열되어 있기 때문으로 판단된다. Referring to 5, in the positive electrode active material of Comparative Example 1, primary particles are randomly oriented to form an overall spherical secondary particle. On the other hand, it was confirmed that the positive active material of Example 1 was composed of primary particles having a rod shape having a high aspect ratio, and in particular, the primary particles located on the surface of the secondary particles were radially arranged to face the ab side. . This is considered to be because the positive electrode active material of Example 1 has a concentration gradient, and at the same time, it is arranged as primary particles in the form of rods in the surface portion of the secondary particles.

도 6을 참조하면, 실시예 1의 양극활물질은 electron probe micro-analyzer (EPMA)으로 확인한 금속의 농도에서, 상기 이차입자에 대해서 니켈은 중심부가 표면부보다 높은 농도로 나타나고, 망간은 중심부에 비하여 표면부에서 더 높은 농도로 나타남을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 6 , in the cathode active material of Example 1, in the concentration of the metal confirmed by electron probe micro-analyzer (EPMA), for the secondary particles, nickel appeared at a higher concentration in the central portion than in the surface portion, and manganese compared to the central portion. It was confirmed that it appeared at a higher concentration on the surface part.

도 7 및 도 8은 30 ℃에서 3.0V에서 4.3V (vs Li / Li +)로 충방전의 사이클을 수행한 결과로, 비교예 1(bulk_NCA80) 및 실시예 1(RS_FCG75)의 각각의 양극활물질을 이용하여 액체전해질로 제조된 리튬이차전지와, 고체전해질로 제조된 전고체전지의 전기화학성능을 비교하였다. 7 and 8 show the results of charging and discharging cycles from 3.0V to 4.3V (vs Li / Li +) at 30 ° C., respectively, the positive electrode active material of Comparative Example 1 (bulk_NCA80) and Example 1 (RS_FCG75) was used to compare the electrochemical performance of a lithium secondary battery prepared with a liquid electrolyte and an all-solid battery prepared with a solid electrolyte.

액체전해질로 제조된 리튬이차전지의 경우, 0.1C에서 1차 사이클의 충전용량은 비교예 1 및 실시예 1이 각각 217mAh/g 및 219mAh/g로 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다(도 8의 (a) 참조). 충전전류의 율별(c-rate)을 변화시키면서 비교예 1 및 실시예 1로 제조된 액체전해질로 제조된 리튬이차전지를 서로 비교하면, 실시예 1은 비교예 1보다 니켈 함량이 낮음에도 더 높은 방전용량을 나타냄을 확인할 수 있었다(도 8의 (c) 참조). 실시예 1은 리튬이온의 확산이 유리한 막대형태의 구조를 갖기 때문으로 판단된다. In the case of a lithium secondary battery prepared with a liquid electrolyte, it was confirmed that the charge capacity of the first cycle at 0.1 C was similar to 217mAh/g and 219mAh/g in Comparative Example 1 and Example 1, respectively ( a) see). When the lithium secondary batteries prepared with the liquid electrolyte prepared in Comparative Examples 1 and 1 were compared with each other while changing the c-rate of the charging current, Example 1 had a higher nickel content than Comparative Example 1 even though the nickel content was lower. It was confirmed that the discharge capacity was represented (see FIG. 8(c)). Example 1 is judged because it has a rod-shaped structure in which diffusion of lithium ions is advantageous.

고체전해질을 이용한 경우, 실시예 1과 비교예 1의 첫번째 방전용량은 각각 194mAh/g 및 156mAh/g로 나타났고(도 8의 (b) 참조), 이는 액체전해질을 이용한 경우에 대하여 각각 88.5%, 71.2%로 실시예 1이 더 높게 나타냄을 확인할 수 있었다. 이는 전고체전지에서의 용량-전압 프로파일에서 비교예 1의 경우에는 충전된 용량에 비하여 28.8% 낮은 방전용량을 나타났고, 실시예 1은 15.1%로 비교예 1보다 우수한 특성을 나타남을 확인할 수 있었다. c-rate을 달리하여 사이클을 수행한 경우, 충전전류의 율별에 따른 특성은 액체전해질과 고체전해질이 유사하나, 고체전해질의 경우 액체전해질에 비하여 더 낮은 용량으로 나타났고, 이는 비교예 1에서는 실시예 1보다 더 큰 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다.When the solid electrolyte was used, the first discharge capacities of Example 1 and Comparative Example 1 were 194 mAh/g and 156 mAh/g, respectively (refer to FIG. , it was confirmed that Example 1 exhibited a higher value of 71.2%. In the capacity-voltage profile of the all-solid-state battery, Comparative Example 1 showed a discharge capacity that was 28.8% lower than that of the charged capacity, and Example 1 was 15.1%, indicating superior characteristics than Comparative Example 1. . When the cycle was performed at different c-rates, the characteristics according to the rate of charging current were similar to the liquid electrolyte and the solid electrolyte, but the solid electrolyte showed a lower capacity than that of the liquid electrolyte, which was carried out in Comparative Example 1 It was confirmed that a larger difference than Example 1 was exhibited.

고체전해질을 이용한 하프셀로, 30℃에서 0.5C 정전류 및 정전압 (CC-CV)으로 사이클을 수행하였다. 비교예 1 및 실시예 1의 양쪽 모두 200 사이클까지는 안정적인 용량 프로파일을 나타냄을 확인할 수 있었다. 200사이클에서 용량에서, 실시예 1의 경우에는 최초 용량에 대하여 79.1%로 유지되었으나, 비교예 1은 최초 용량에 대하여 46.9%로 실시예 1보다 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. In a half-cell using a solid electrolyte, a cycle was performed at 30° C. at 0.5C constant current and constant voltage (CC-CV). It was confirmed that both Comparative Example 1 and Example 1 exhibited a stable capacity profile up to 200 cycles. In 200 cycles, the capacity was maintained at 79.1% with respect to the initial capacity in Example 1, but it was confirmed that Comparative Example 1 was 46.9% lower than that of Example 1 with respect to the initial capacity.

충전 및 방전 사이클을 수행하는 과정에서, 공칭전압분극(nominal voltage polarization)이 점점 증가하는데, 이는 50사이클까지보다 100사이클까지 진행한 경우, 실시예 1과 비교예 1의 차이가 증가함을 확인할 수 있었다. 도 8의 (b)에서는, 실시예 1이 비교예 1에 비하여 분극의 증가되는 정도가 늦음을 확인할 수 있다. In the process of performing the charging and discharging cycles, the nominal voltage polarization gradually increases, and it can be seen that the difference between Example 1 and Comparative Example 1 increases when it proceeds to 100 cycles rather than 50 cycles. there was. In (b) of FIG. 8 , it can be confirmed that Example 1 has a lower degree of increase in polarization compared to Comparative Example 1.

1사이클 및 100사이클에서 3.8V (vs Li / Li +)로 충전된 상태로 측정한 EIS (전기화학적 임피던스 분광법) 신호는 나이퀴스트(Nyquist) 플롯(눌린 반원과 상기 눌린 반원의 말단에 연결되는 꼬리형태로 나타남)을 참조하면(도 11의 (c, d)), 실시예 1 및 비교예 1에서의 고체전해질에서의 그레인 사이의 계면저항을 나타내는데, 비교예 1(39.6Ω)은 1사이클에 비하여 2사이클에서 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, 100사이클 후, R3 값의 증가는 실시예 1(146Ω)에 비하여 비교예 1 (598Ω)이 매우 크게 증감함을 확인할 수 있었다. EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) signals measured in a charged state at 3.8V (vs Li / Li +) at cycle 1 and cycle 100 are Nyquist plots (inhibited semicircles and connected to the ends of the depressed semicircles). (shown in the form of a tail) (FIG. 11 (c, d)), it shows the interface resistance between the grains in the solid electrolyte in Example 1 and Comparative Example 1, Comparative Example 1 (39.6Ω) is 1 cycle It was confirmed that there was a significant increase in cycle 2 compared to . In addition, it was confirmed that after 100 cycles, the increase in the R3 value was significantly increased in Comparative Example 1 (598Ω) compared to Example 1 (146Ω).

도 9는 비교예 1 및 실시예 1의 양극활물질을 이용한 전고체전지에서, 0.1C, 30℃ 및 0.05C, 70℃에서의 용량-전압 프로파일(a), 각각 다른 SOC(state of charge)에서의 비교예 1 및 실시예 1에 대한 (003) 피크를 나타내는 ex situ XRD 패턴이다.9 is an all-solid-state battery using the positive electrode active material of Comparative Example 1 and Example 1, at 0.1C, 30°C, 0.05C, and 70°C; It is an ex situ XRD pattern showing the (003) peak for Comparative Example 1 and Example 1.

고체전해질을 이용한 전고체전지에서 1차 충전의 용량은 대부분 양극활물질의 격자에서 리튬이온(Li+)의 디인터칼레이션(deintercalation)에 의하여 발생한다. 반면, 부반응으로 고체전해질의 산화성분해(oxidative decomposition)가 발생하고 이러한 부반응도 1차 충전의 용량에 함께 영향을 미친다. In an all-solid-state battery using a solid electrolyte, the capacity of the primary charge is mostly generated by deintercalation of lithium ions (Li+) in the lattice of the positive electrode active material. On the other hand, oxidative decomposition of the solid electrolyte occurs as a side reaction, and this side reaction also affects the capacity of the primary charge.

상기 고체전해질의 산화성분해가 실시예 1 및 비교예 1에서 미치는 영향 정도를 확인하기 위하여 CC-CV 모드로 0.1C 및 30℃로 충전하고, 0.05C 및 70℃로 방전하여 용량을 확인하였다. 실시예 1의 경우는 0.1C 및 30℃(200mAh/g)에 비하여 0.05C 및 70℃의 방전용량은 6mAh/g가 증가하였으나, 비교예 1의 경우는 156mAh/g에서 187mAh/g으로 31mAh/g이 증가함을 확인할 수 있었다.In order to check the degree of influence of the oxidative decomposition of the solid electrolyte in Example 1 and Comparative Example 1, it was charged at 0.1C and 30°C in CC-CV mode, and discharged at 0.05C and 70°C to confirm the capacity. In the case of Example 1, the discharge capacity at 0.05C and 70°C was increased by 6mAh/g compared to 0.1C and 30°C (200mAh/g), but in Comparative Example 1, it was 31mAh/g from 156mAh/g to 187mAh/g. It was confirmed that g increased.

Ex situ XRD 패턴을 이용하여 0.1C 및 30℃에서 1사이클(0.1C 및 30℃에서 충전한 다음 0.05C 및 70℃에서 방전) 동안 3종류의 다른 SOC의 전고체전지로 결과를 확인하였다. 30℃에서 3.0V (vs Li / Li +)로 방전 후 (003) 피크의 위치를 사이클 이전의 위치와 비교하였을 때, 실시예 1에 비하여 비교예 1이 더 크게 음의 값으로 이동하였음 확인할 수 있었다. 비교예 1에서 음의 방향으로 (003) 피크의 이동은 70℃에서 방전하는 경우 완화되는 데, 이는 비교예 1은 30℃에서 충전하는 동안 리튬이온이 전체적으로 격자 내로 삽입되지 못하였기 때문으로 판단된다.Ex situ XRD pattern was used to confirm the results with three different SOC all-solid-state batteries for one cycle (charged at 0.1C and 30°C and then discharged at 0.05C and 70°C) at 0.1C and 30°C. When the position of the (003) peak was compared with the position before the cycle after discharging to 3.0V (vs Li / Li +) at 30 ° C., it can be confirmed that Comparative Example 1 moved to a larger negative value compared to Example 1. there was. The shift of the (003) peak in the negative direction in Comparative Example 1 is relaxed when discharging at 70 ° C. It is determined that in Comparative Example 1, lithium ions were not fully inserted into the lattice while charging at 30 ° C. .

도 10은 격자상수(lattice parameters) 및 체적변형(volumetric strain)을 나타낸 그래프(a), 압력센서를 이용하여 고체전해질의 압력을 모니터링하는 모습을 개략적으로 나타낸 도면(b) 및 0.1C, 30℃로 1사이클을 수행한 비교예 1 및 실시예 1에 따른 operando electrochemical pressiometry를 나타낸 도면이다. 도 14는 비교예 1 및 실시예 1에 따른 cross-sectional SEM 이미지이다.10 is a graph showing lattice parameters and volumetric strain (a), a diagram schematically showing monitoring the pressure of a solid electrolyte using a pressure sensor (b), and 0.1C, 30°C It is a view showing the operando electrochemical pressiometry according to Comparative Example 1 and Example 1 in which 1 cycle was performed with the furnace. 14 is a cross-sectional SEM image according to Comparative Example 1 and Example 1. FIG.

도 10의 (a)에서, 체적변형율은 (Vfinal-Vinital) / Vinital로 계산된다. 실시예 1 및 비교예 1의 전고체전지에서 초기 사이클의 성능차이는 과전압(overpotential)의 차이에 있다. 컷오프 전압 4.3V (vs Li / Li +)에서 비교예 1 및 실시예 1을 액체전해질과 함께 제조된 리튬이온전지의 경우, 체적변형율(volumetric strain)은 각각 4.2 % 및 -3.4 %(in situ XRD 결과)이고, 체적변형율의 기울기는 대략 4.1V (vs Li / Li +) 이상으로 크게 나타남을 확인할 수 있었고, 이와 같은 체적변형율은 좋지 않은 상전이인 H2-H3 상전이가 발생했기 때문으로 예측된다. In (a) of FIG. 10 , the volumetric strain is calculated as (V final -V inital ) / V inital . In the all-solid-state battery of Example 1 and Comparative Example 1, the performance difference in the initial cycle lies in the difference in overpotential. In the case of the lithium ion battery prepared with the liquid electrolyte of Comparative Example 1 and Example 1 at a cutoff voltage of 4.3V (vs Li / Li +), the volumetric strain was 4.2% and -3.4% (in situ XRD), respectively. result), and it was confirmed that the slope of the volume strain was greater than approximately 4.1V (vs Li / Li +), and this volume strain is predicted to be due to the occurrence of the H2-H3 phase transition, which is a poor phase transition.

비교예 1 및 실시예 1에서 4.1V (vs Li / Li +) 까지의 체적변형율은 각각 -1.9 % 및 -1.8 %이었다. 비교예 1 및 실시예 1는 컷오프 전압 4.3V (vs Li / Li +)에서 전기화학적 성능은 다르지만, 전압이 4.1V에서는 비교예 1 및 실시예 1의 양측 모두 비교적 우수한 사이클 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.In Comparative Example 1 and Example 1, the volume strain up to 4.1V (vs Li / Li +) was -1.9% and -1.8%, respectively. Comparative Example 1 and Example 1 have different electrochemical performances at a cutoff voltage of 4.3V (vs Li / Li +), but at a voltage of 4.1V, it can be seen that both Comparative Example 1 and Example 1 exhibit relatively good cycle characteristics. there was.

도 11에서는 비교예 1 및 실시예 1에 대해서 미세구조를 확인하였다. 전고체전지용 양극활물질의 SEM 이미지를 사이클 전(pristine), 4.3V 충전, 3V 방전 및 100사이클 진행 후에 대해서 각각 나타내었다. In FIG. 11, the microstructure was confirmed for Comparative Example 1 and Example 1. SEM images of the cathode active material for all-solid-state batteries were shown before the cycle (pristine), 4.3V charge, 3V discharge, and after 100 cycles, respectively.

비교예 1의 경우, 1사이클 충전에서도 양극활물질을 구성하는 이차입자 내에서의 마이크로크랙과, 양극활물질의 이차입자와 고체전해질 사이에서의 공간(공극) 및 균열이 형성됨을 확인할 수 있다. 즉, 비교예 1의 경우 격자부피의 전체 수축이 대략 4.2 %까지로 나타남을 의미하고, 1사이클에서 방전된 경우에도 이차입자 내의 마이크로크랙과, 이차입자와 고체전해질 사이의 공간이 없어지지 않고 남아있음을 확인할 수 있었다. In the case of Comparative Example 1, it can be confirmed that microcracks in the secondary particles constituting the positive electrode active material and spaces (voids) and cracks between the secondary particles of the positive electrode active material and the solid electrolyte are formed even after one cycle of charging. That is, in the case of Comparative Example 1, it means that the total shrinkage of the lattice volume is up to about 4.2%, and even when discharged in one cycle, microcracks in the secondary particles and the space between the secondary particles and the solid electrolyte remain without disappearing. was able to confirm

실시예 1의 경우, 1사이클 충전에서 양극활물질의 구성하는 이차입자와 고체전해질 사이의 공간이 나타남을 확인할 수 있는데, 이는 H2-H3 상전이와 관련되는 체적수축에 기인한 것으로 판단된다. 대략 4.1V 이상 충전된 경우, 실시예 1에서 이차입자와 고체전해질 사이의 공간은 비교예 1보다 작게 나타남을 확인할 수 있고, 이는 체적수축의 정도가 실시예 1이 비교예 1보다 작음을 의미한다. 또한, 실시예 1은 이차입자 내부에서 마이크로크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있고, 방전후에는 이차입자의 미세구조가 그대로 유지되고, 이차입자의 고체전해질 사이의 공간이 없어짐을 확인할 수 있었다.In the case of Example 1, it can be seen that the space between the secondary particles constituting the positive electrode active material and the solid electrolyte appears in one cycle of charging, which is considered to be due to volumetric shrinkage related to the H2-H3 phase transition. It can be seen that in Example 1, the space between the secondary particles and the solid electrolyte is smaller than that of Comparative Example 1, when it is charged at about 4.1V or more, which means that the degree of volume contraction is smaller in Example 1 than in Comparative Example 1. . In addition, in Example 1, it can be confirmed that microcracks do not occur inside the secondary particles, and after the discharge, the microstructure of the secondary particles is maintained as it is, and it can be confirmed that the space between the solid electrolytes of the secondary particles is eliminated.

1사이클과 100사이클를 비교하면, 비교예 1과 실시예 1의 양측 모두 이차입자의 내부에서 발생하는 마이크로크랙과, 이차입자와 고체전해질 사이의 공간(균열)이 더욱 진행됨을 확인할 수 있었다. Comparing 1 cycle and 100 cycles, both of Comparative Example 1 and Example 1 confirmed that microcracks generated inside the secondary particles and the space (cracks) between the secondary particles and the solid electrolyte further progressed.

비교예 1의 경우에는 100사이클 후 이차입자와 고체전해질이 전체적으로 붕괴되는 등, 미세구조가 크게 분해됨을 확인할 수 있다. 반면, 실시예 1의 경우에는 100사이클 이후에도 펠릿 형태가 거의 유사하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 1에서는 이차입자를 구성하는 일차입자가 거의 대부분 분리되어 이차입자의 형상이 유지되지 않았으나, 실시예 1에서는 이차입자가 그대로 유지되었고 마이크로크랙도 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. In the case of Comparative Example 1, it can be seen that the microstructure is largely decomposed, such as the secondary particles and the solid electrolyte completely collapsed after 100 cycles. On the other hand, in the case of Example 1, it was confirmed that the pellet shape was maintained almost the same even after 100 cycles. Also, in Comparative Example 1, most of the primary particles constituting the secondary particles were separated, and the shape of the secondary particles was not maintained, but in Example 1, it was confirmed that the secondary particles were maintained as they are and microcracks hardly occurred.

1사이클의 방전후 비교예 1의 전고체전지는 균열이 크게 나타나는데, 이러한 현상은 액체전해질을 이용한 경우에는 발생하지 않는다. 이는 전고체전지를 제조하는 과정에서 가해지는 압력 등에 의하여 고체전해질이 탄성변형 및 소성변형되고, 이에 의하여 응력이 국부적으로 잔존하였기 때문으로 판단된다. 또한, 비교예 1의 충방전 과정에서 발생하는 이방성 체적수축과 함께 일차입자의 무질서한 배열은 초기 충방전 과정에서 전고체전해질의 공간 및/또는 균열이 발생하는 것에 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한, 비교예 1은 방전되어 부피가 팽창한 경우에도 여전히 고체전해질의 공간 및/또는 균열이 없어지지 않고 유지됨을 확인할 수 있다. After one cycle of discharging, the all-solid-state battery of Comparative Example 1 showed large cracks, but this phenomenon did not occur when the liquid electrolyte was used. This is considered to be because the solid electrolyte is elastically deformed and plastically deformed by the pressure applied in the process of manufacturing the all-solid-state battery, and thus the stress remains locally. In addition, it is determined that the disordered arrangement of the primary particles together with the anisotropic volume shrinkage occurring during the charge/discharge process of Comparative Example 1 greatly affects the space and/or cracks of the all-solid electrolyte during the initial charge/discharge process. In addition, in Comparative Example 1, it can be confirmed that even when the volume is expanded due to discharge, the space and/or cracks of the solid electrolyte are maintained without disappearing.

실시예 1은 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자가 높은 종횡비를 갖는 로드쉐입 형태로 구비되고, 상기 로드쉐입 형태의 일차입자는 높은 배향성으로 방사형태로 정렬된다. 실시예 1과 같은 양극활물질은 이차입자 내에 균열이 형성되지 않았으며, 충방전 과정에서 발생하는 가역적인 부피변화를 효과적으로 수용함으로써 고체전해질에 큰 균열이 형성되지 않고 양호한 상태로 유지됨을 확인할 수 있었다. In Example 1, the primary particles provided on the surface of the secondary particles are provided in the form of a rod shape having a high aspect ratio, and the primary particles of the rod shape are radially aligned with high orientation. In the positive electrode active material as in Example 1, no cracks were formed in the secondary particles, and it was confirmed that large cracks were not formed in the solid electrolyte and maintained in a good state by effectively accommodating the reversible volume change occurring during the charging and discharging process.

zero-strain Li4Ti5O12을 음극(상대전극)으로 이용하는 전고체전지에서, 비교예 1 및 실시예 1 각각을 양극으로 이용하여 전기화학압력을 측정하였다(도 10의 (b), (c) 참조). in situ XRD 패턴(도 10의 (a)참조)에서 얻어진 계산에 의하면 충방전 과정에서 비교예 1의 체적변형율은 실시예 1의 체적변형율보다 큰 값으로 나타났다. 1차 충전 후에 비교예 1에서 측정된 압력의 감소는 -0.15MPa이고, 실시예 1에서 측정된 압력의 감소인 -0.30MPa로, 실시예 1보다 비교예 1이 더 작게 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 비교예 1에서는 이차입자의 마이크로크랙과 고체전해질의 공극 및 균열 등이 형성된 후 없어지지 계속 않고 유지됨을 의미한다. In an all-solid-state battery using zero-strain Li 4 Ti 5 O 12 as a negative electrode (counter electrode), the electrochemical pressure was measured using each of Comparative Example 1 and Example 1 as a positive electrode (Fig. 10 (b), ( c) see). According to the calculations obtained in the in situ XRD pattern (see (a) of FIG. 10), the volume strain rate of Comparative Example 1 was larger than that of Example 1 during the charging/discharging process. After the first charge, the decrease in pressure measured in Comparative Example 1 was -0.15 MPa, and the decrease in pressure measured in Example 1 was -0.30 MPa, confirming that Comparative Example 1 appeared smaller than Example 1. That is, in Comparative Example 1, it means that the microcracks of the secondary particles and the voids and cracks of the solid electrolyte are maintained without disappearing after they are formed.

방전 시 비교예 1 및 실시예 1에서의 압력의 증가는 격자부피가 확장되는 것에 대응함을 확인할 수 있었다(도 10의 (a)참조). 즉, 사이클 후 비교예 1의 압력이 실시예 1보다 더 높게 나타나는 반면, 비교예 1은 실시예 1에 비하여 격자 내에 리튬이온이 더 적게 삽입되고 마이크로크랙의 형성과 같이 기계적 열화도 크게 발생함을 확인할 수 있었다. It was confirmed that the increase in pressure in Comparative Examples 1 and 1 during discharge corresponds to the expansion of the grid volume (see (a) of FIG. 10). That is, after the cycle, the pressure of Comparative Example 1 was higher than that of Example 1, whereas Comparative Example 1 had less lithium ions inserted into the lattice than Example 1 and that mechanical deterioration such as formation of microcracks also occurred significantly. could check

도 12는 비교예 1 및 실시예 1을 이용한 전고체전지를 100사이클 충방전을 수행한 후의 ex situ TEM 이미지이다. 도 13은 비교예 1 및 실시에 1을 이용한 전고체전지의 ex situ XPS 결과를 나타낸 그래프이다.12 is an ex situ TEM image of the all-solid-state battery using Comparative Example 1 and Example 1 after 100 cycles of charging and discharging. 13 is a graph showing ex situ XPS results of all-solid-state batteries using Comparative Example 1 and Example 1. FIG.

도 12에서, ex situ TEM 이미지를 고배율과 저배율로 변화시키면서, 비교예 1의 이차입자의 표면(a)과, 중심부(b) 및 이에 대응하는 SAED 패턴을 확인하였고, 실시예 1의 이차입자의 표면(c)과, 중심부(d) 및 이에 대응하는 SAED 패턴을 각각 확인하였다. In FIG. 12, while changing the ex situ TEM image to high and low magnification, the surface (a) and central (b) and corresponding SAED patterns of the secondary particles of Comparative Example 1 were confirmed, and the secondary particles of Example 1 The surface (c), the center (d), and the corresponding SAED pattern were respectively confirmed.

도 13에서, Li6PS5Cl와 100사이클 후 비교예 1 및 실시예 1에 대해서 S 2p XPS 시그널(a), P 2p XPS 시그널(b)을 각각 확인하였다. In FIG. 13 , the S 2p XPS signal (a) and the P 2p XPS signal (b) were confirmed for Comparative Example 1 and Example 1 after 100 cycles with Li 6 PS 5 Cl, respectively.

Ex situ XRD 결과를 참조하면, 30℃에서 방전 후 비교예 1의 (003) 피크는 실시예 1에 비하여 음의 방향으로 크게 이동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 1은 방전후에 더 넓은 (003) 피크를 나타내는 데, 이는 비교예 1은 다양한 SOC를 갖는 일차입자를 포함함을 의미하고, 이에 의하여 이차입자를 구성하는 일차입자 사이에서 전기화학적, 기계적으로 이온 사이의 접촉 정도가 낮음을 의미한다(도 12의 (b) 참조). Referring to the ex situ XRD results, it can be seen that the (003) peak of Comparative Example 1 largely shifts in a negative direction compared to Example 1 after discharging at 30°C. In addition, Comparative Example 1 shows a wider (003) peak after discharging, which means that Comparative Example 1 includes primary particles having various SOCs, whereby electrochemical, It means that the degree of contact between the ions is mechanically low (refer to FIG. 12 (b)).

비교예 1 및 실시예 1의 양극활물질을 이용한 전고체전지에서, 각각의 양극활물질과 고체전해질인 Li6PS5Cl 사이인 계면에서 전기화학적 안정성의 효과는 특히 초기 사이클에서 중요함을 확인할 수 있었다. 도 12에서, 비교예 1 및 실시예 1의 양극활물질이 고체전해질과 접촉하는 표면 영역(i)은 내부 영역(ii)과 비교하여 다른 질감으로 나타남을 확인할 수 있다. 비교예 1 및 실시예 1의 양측 모두, SAED 패턴에서 표면 영역(i)은 층상구조(R3m)가 아닌 공간 그룹 Fm3m을 갖는 암염구조를 나타내고, 내부 영역(ii)은 층상구조(R3m)로 나타남을 확인할 수 있었다. 표면 영역(i)에서 나타나는 암염구조는, Li6PS5Cl의 산화에 의하여 상기 Li6PS5Cl과 접촉하는 양극활물질의 표면에서 층상구조가 암염구조로 상전이되었기 때문으로 판단된다.In the all-solid-state battery using the positive electrode active material of Comparative Example 1 and Example 1, it was confirmed that the effect of electrochemical stability at the interface between each positive electrode active material and the solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl was particularly important in the initial cycle. . In FIG. 12 , it can be seen that the surface region (i) in which the positive electrode active material of Comparative Examples 1 and 1 is in contact with the solid electrolyte has a different texture than that of the inner region (ii). In both Comparative Example 1 and Example 1, in the SAED pattern, the surface region (i) exhibits a rock salt structure having a space group Fm3m rather than a layered structure (R3m), and the inner region (ii) is a layered structure (R3m). was able to confirm Rock salt structure appearing in the surface region (i) has, it is determined by since, by oxidation of the Li 6 PS 5 Cl on the surface of the positive electrode active material in contact with the Li 6 PS 5 Cl layered structure that has been phase-transition to the rock salt structure.

100사이클 후의 S 2p 및 P 2p ex situ XPS 결과를 참조하면, Li6PS5Cl에서 유래된 SO4 2-, PO4 3-, 결합된 황(P-[S]n-P) 및 P2S5으로 확인이 가능하다. 비교예 1 및 실시예 1은 모두 사이클 후 Ni 2p XPS 피크에서 양으로 약간 이동함을 보여주고, 이는 니켈(Ni)의 산화상태가 2+를 초과하는 니켈이온이 존재함을 의미한다. 반면, 코발트(Co) 및 망간(Mn)에 대한 ex situ XPS 결과는 사이클 후에도 변하지 않는다. Referring to the S 2p and P 2p ex situ XPS results after 100 cycles, SO 4 2- , PO 4 3- , bound sulfur (P-[S] n -P) and P 2 derived from Li 6 PS 5 Cl It can be identified as S 5. Comparative Example 1 and Example 1 both show a slight positive shift in the Ni 2p XPS peak after cycling, which means that nickel ions with an oxidation state of nickel (Ni) exceeding 2+ exist. On the other hand, ex situ XPS results for cobalt (Co) and manganese (Mn) do not change even after cycling.

100사이클 후 ex situ TEM 이미지에서, 암염구조가 존재하는 영역의 두께는 비교예 1은 13nm 내지 15nm이고, 실시예 1은 대략 3nm 내외로 실시예 1이 비교예 1에 비하여 적게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는, 실시예 1은 표면에서의 니켈의 함량(대략 70 % 이하)이, 비교예 1의 표면에서의 니켈의 함량(80%)보다 적게 나타나기 때문으로 판단된다. In the ex situ TEM image after 100 cycles, the thickness of the region where the rock salt structure exists was 13 nm to 15 nm in Comparative Example 1, and about 3 nm in Example 1 It was confirmed that Example 1 appeared less than Comparative Example 1. . This is judged because the content of nickel on the surface of Example 1 (about 70% or less) is less than the content of nickel on the surface of Comparative Example 1 (80%).

Li6PS5Cl에서 유래된 SO4 2-, PO4 3-, 결합된 황(P-[S]n-P) 및 P2S5는 초기 사이클에서는 크게 차이가 나지 않으나, 100사이클 이후에는 비교예 1에서 실시예 1보다 더 많이 나타남을 확인할 수 있고, 이에 의하여 100사이클 이후 비교예 1의 성능이 실시예 1보다 낮게 나타나는 것으로 판단된다. SO 4 2- , PO 4 3- , bound sulfur (P-[S] n -P) and P 2 S 5 derived from Li 6 PS 5 Cl do not differ significantly in the initial cycle, but after 100 cycles It can be seen that Comparative Example 1 shows more than Example 1, whereby it is determined that the performance of Comparative Example 1 is lower than that of Example 1 after 100 cycles.

즉, 일차입자가 무작위로 배열되고 종횡비의 차이가 크지 않은 비교예의 경우에는, 일차입자의 이방성 부피변화에 의하여 초기 사이클에서도 이차입자의 미세구조의 변화와 함께 고체전해질의 균열의 원인이 된다.That is, in the case of the comparative example in which the primary particles are randomly arranged and the difference in aspect ratio is not large, the anisotropic volume change of the primary particles causes cracks in the solid electrolyte along with the change in the microstructure of the secondary particles even in the initial cycle.

반면, 본 실시예에 따른 양극활물질은 일차입자가 높은 종횡비를 갖는 로드쉐입 형태로 형성되고, 높은 배향성을 갖도록 구비됨으로써 사이클이 수행하는 과정에서도 이차입자의 형태가 안정적으로 유지되고 이에 의하여 고체전해질도 안정적으로 유지되어 기계적 열화없이 우수한 사이클 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예와 같은 양극활물질은 이차입자 내에 존재하는 일차입자의 결정립 경계면이 서로 접촉하도록 구비되고, 이러한 결정립 경계면 사이의 접촉은 반복적인 사이클을 수행하는 과정에서도 안정적으로 유지되므로 이에 의하여 리튬이온이 효율적으로 이동하도록 할 수 있다. On the other hand, in the positive electrode active material according to this embodiment, the primary particles are formed in a rod shape having a high aspect ratio, and are provided to have a high orientation, so that the shape of the secondary particles is stably maintained even in the course of a cycle, and thereby the solid electrolyte is also It was confirmed that it was stably maintained and exhibited excellent cycle characteristics without mechanical deterioration. In addition, the positive electrode active material as in the embodiment is provided so that the grain boundaries of the primary particles present in the secondary particles are in contact with each other, and the contact between these grain boundaries is stably maintained even in the process of performing repeated cycles, whereby lithium ions are can move efficiently.

또한, 실시예 1에 따른 양극활물질은 비교예 1에 비하여 니켈함량이 낮음에도 불구하고 높은 용량특성을 나타내고, 또한 니켈의 농도가 이차입자의 표면부에서 상기 이차입자의 중심부보다 상대적으로 낮게 나타나서 고체전해질인 Li6PS5Cl와의 계면에서 부반응을 방지하여 우수한 사이클 특성을 나타낼 수 있었다. In addition, the positive electrode active material according to Example 1 exhibits high capacity characteristics despite a low nickel content compared to Comparative Example 1, and the concentration of nickel in the surface portion of the secondary particles is relatively lower than in the central portion of the secondary particles. By preventing side reactions at the interface with the electrolyte Li 6 PS 5 Cl, excellent cycle characteristics could be exhibited.

표 4는 실시예 1, 비교예 1과, 제조예 1 내지 제조에 5에 따라 제조된 양극활물질을 이용하여 액체전해질로 리튬이차전지를 제조한 경우와, 고체전해질로 전고체전재를 제조한 경우에서의 용량발현율을 비교한 결과이다. 도 14은 제조예 1 내지 제조예 5, 비교예 1, 실시예 1에 따른 양극활물질과 액체전해질을 이용한 리튬이차전지에서, 니켈의 함량에 따른 방전용량(a)과, 사이클특성을 확인한 그래프(b), 제조예 1 내지 제조예 5, 비교예 1, 실시예 1에 따른 양극활물질과 고체전해질을 이용한 전고체전지에서, 니켈의 함량에 따른 방전용량(c)과, 사이클특성을 확인한 그래프(d)이다. Table 4 shows a case in which a lithium secondary battery was prepared with a liquid electrolyte using the cathode active material prepared according to Example 1, Comparative Example 1, and Preparation Examples 1 to 5, and a case where an all-solid battery was prepared using a solid electrolyte. This is the result of comparing the dose expression rate in 14 is a graph confirming the discharge capacity (a) and cycle characteristics according to the nickel content in the lithium secondary battery using the positive electrode active material and the liquid electrolyte according to Preparation Examples 1 to 5, Comparative Example 1, and Example 1 ( b), a graph confirming the discharge capacity (c) and cycle characteristics according to the nickel content in the all-solid-state battery using the positive electrode active material and the solid electrolyte according to Preparation Examples 1 to 5, Comparative Example 1, and Example 1 ( d).

 구분 1Category 1 구분 2Category 2 액체전해질liquid electrolyte 고체전해질solid electrolyte [B]/[A][B]/[A] 0.1C, 1st Dis-Cap (mAh/g)
[A]
0.1C, 1st Dis-Cap (mAh/g)
[A]
0.5C Capacity Retention0.5C Capacity Retention 0.1C, 1st Dis-Cap (mAh/g)
[B]
0.1C, 1st Dis-Cap (mAh/g)
[B]
0.5C Capacity Retention0.5C Capacity Retention 용량발현율capacity release rate
제조예 1Preparation Example 1 NCM111NCM111 161.8161.8 97.7%97.7% 140.4140.4  84.7%84.7% 86.8%86.8% 제조예 2Preparation 2 NCM523NCM523 170.5170.5 92.1%92.1% 135.2135.2  83.1%83.1% 79.3%79.3% 제조예 3Preparation 3 NCM622NCM622 180.4180.4 92.4%92.4% 148.4148.4  87.4%87.4% 82.2%82.2% 제조예 4Preparation 4 NCM811NCM811 207.8207.8 91.3%91.3% 142142  81.4%81.4% 68.3%68.3% 제조예 5Preparation 5 NCM900505NCM900505 226.6226.6 74.3%74.3% 189.8189.8  68.5%68.5% 83.7%83.7% 비교예 1Comparative Example 1 Bulk_NCA80Bulk_NCA80 205.4205.4 97.6%97.6% 156.1156.1  56.4%56.4% 76.0%76.0% 실시예 1Example 1 RS_FCG75RS_FCG75 212.2212.2 94.0%94.0% 194.2194.2 85.7% 85.7% 91.5%91.5%

표 4와 도 14를 참조하면, 비교예 1에 따른 양극활물질은 액체전해질에 대한 고체전해질에서의 용량발현율은 76%인데 반하여, 실시예 1에 따른 양극활물질은 액체전해질에 대한 고체전해질에서의 용량발현율은 91.5%로 나타났다. 즉, 실시예 1의 경우에는 고체전해질을 이용함에도 액체전해질에서와 거의 유사한 용량을 나타냄을 확인할 수 있었다.Referring to Table 4 and FIG. 14 , the positive electrode active material according to Comparative Example 1 had a capacity expression rate in the solid electrolyte with respect to the liquid electrolyte of 76%, whereas the positive electrode active material according to Example 1 had the capacity in the solid electrolyte with respect to the liquid electrolyte. The expression rate was 91.5%. That is, in the case of Example 1, it was confirmed that the capacity was almost similar to that of the liquid electrolyte even when the solid electrolyte was used.

액체전해질을 이용하는 경우, 니켈의 함량이 증가함에 따라 방전용량이 증가됨을 확인할 수 있었다. 반면, 고체전해질의 경우에는 니켈 함량이 방전 용량과 비례하지 않음을 확인하였다. 이는 고체전해질에서의 산화 등의 그 자체의 문제와 고체전해질과 양극활물질의 계면사이의 부반응 등이 원인인 것으로 판단된다.In the case of using a liquid electrolyte, it was confirmed that the discharge capacity increased as the nickel content increased. On the other hand, in the case of a solid electrolyte, it was confirmed that the nickel content was not proportional to the discharge capacity. This is considered to be caused by problems such as oxidation in the solid electrolyte and side reactions between the interface between the solid electrolyte and the positive electrode active material.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention. should be interpreted

10: 중심부
20: 표면부
30 : 일차입자
100 : 이차입자
10: central
20: surface portion
30: primary particle
100: secondary particle

Claims (8)

복수개의 일차입자의 집단으로 이루어지는 이차입자를 포함하고,
상기 일차입자 중 상기 이차입자의 표면부에 구비되는 일차입자는 단축과 장축을 갖는 로드쉐입(rod shape) 형태로 구비되는 배향성입자를 포함하는 것인, 전고체전지용 양극활물질.
Including secondary particles consisting of a group of a plurality of primary particles,
Of the primary particles, the primary particles provided on the surface of the secondary particles include oriented particles provided in the form of a rod shape having a short axis and a long axis.
제1항에 있어서,
상기 일차입자의 장축은 상기 이차입자의 중심부를 향하도록 구비되어 리튬이온의 확산 경로를 제공하는 전고체전지용 양극활물질.
According to claim 1,
A cathode active material for an all-solid-state battery, wherein the long axis of the primary particle is provided toward the center of the secondary particle to provide a diffusion path of lithium ions.
제1항에 있어서,
상기 일차입자는 a축 및 c축을 갖는 결정구조를 포함하고, 상기 일차입자는 c축 방향의 길이에 대한 a축 방향의 길이의 비가 상기 이차입자의 중심부에서 표면부로 갈수록 증가하는 것을 포함하는 전고체전지용 양극활물질.
According to claim 1,
The primary particle includes a crystal structure having an a-axis and a c-axis, and the primary particle is an all-solid, wherein the ratio of the length in the a-axis direction to the length in the c-axis direction increases from the center of the secondary particle toward the surface. A cathode active material for batteries.
제3항에 있어서,
상기 일차입자의 a축의 방향이 상기 이차입자의 중심부를 향하도록 구비되어 리튬이온의 확산 경로에 대응하는 것인 전고체전지용 양극활물질.
4. The method of claim 3,
A cathode active material for an all-solid-state battery that is provided so that the a-axis direction of the primary particles faces the center of the secondary particles to correspond to the diffusion path of lithium ions.
제1항에 있어서,
상기 전고체용 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 복합금속수산화물을 리튬화합물과 소성하여 제조되는 것을 포함하되,
상기 복합금속수산화물을 구성하는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상은 상기 복합금속수산화물의 적어도 어느 일부 이상에서 농도구배를 갖도록 구비되는 것인 전고체전지용 양극활물질.
According to claim 1,
The all-solid positive electrode active material is prepared by calcining a composite metal hydroxide containing at least one of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) with a lithium compound,
At least any one or more of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) constituting the composite metal hydroxide is provided to have a concentration gradient in at least any part or more of the composite metal hydroxide A cathode active material for a phosphorus all-solid-state battery.
제1항에 있어서,
상기 양극활물질은 층상구조(layered structure)의 NC계, NCM계, NCA계, LNO계, NCMA계, LCO계 및 NM계 중 어느 하나 이상인 전고체전지용 양극활물질.
According to claim 1,
The positive electrode active material is a layered structure (layered structure) NC-based, NCM-based, NCA-based, LNO-based, NCMA-based, LCO-based and NM-based cathode active material for an all-solid-state battery of any one or more.
1항에 있어서,
상기 양극활물질은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 복합금속수산화물을 리튬화합물과 소성하여 제조되는 것을 포함하되,
상기 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나 이상과 함께 추가되거나, 또는 상기 리튬화합물과 함께 추가되어 소성되는 이종원소를 더 포함하는 전고체전지용 양극활물질.
According to claim 1,
The cathode active material includes those prepared by calcining a composite metal hydroxide containing at least one of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al) with a lithium compound,
For an all-solid-state battery further comprising a hetero element added together with at least one of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al), or added together with the lithium compound and fired cathode active material.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 양극활물질을 포함하는 양극; 및
고체전해질을 포함하고,
상기 고체전해질은 할로겐계(Halide) 고체전해질, 황화물계(Sulfide) 고체전해질, 및 산화물계(Oxide) 고체전해질 중 어느 하나 이상을 포함하는 전고체전지.










A positive electrode comprising the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 7; and
comprising a solid electrolyte,
The solid electrolyte is an all-solid-state battery comprising at least one of a halogen-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, and an oxide-based solid electrolyte.










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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102619017B1 (en) * 2022-09-13 2023-12-28 주식회사 배터리솔루션 Positive electrode active material for lithium secondary battery, method for preparing same, and lithium secondary battery comprising same

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