KR20210148810A - Manufacturing method of complex electrolyte for solid-state lithium secondary cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method of producing a complex electrolyte for a solid-state lithium secondary cell, in which the complex electrolyte is produced by mixing an oxide electrolyte of Li_(7-3x)B_xLa_3Zr_2O_12 and a glass electrolyte of Li_1.5-Sn_0.4-Nb_0.1-(PO_4)_3-BO_3 or Li_(1.2+y)·EFe_(0.2+y)·Ti_(1.8-y)·(PO_4)_(3-z)·(BO_3)z, such that simultaneous firing with a positive electrode at a lower temperature of 850°C or lower is possible, ionic conductivity is high, and the cost is reduced due to simplified process steps.

Description

전고체 리튬이차전지용 복합전해질의 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD OF COMPLEX ELECTROLYTE FOR SOLID-STATE LITHIUM SECONDARY CELL}Manufacturing method of composite electrolyte for all-solid lithium secondary battery {MANUFACTURING METHOD OF COMPLEX ELECTROLYTE FOR SOLID-STATE LITHIUM SECONDARY CELL}

본 발명은 전고체 리튬이차전지용 복합전해질의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 산화물계 결정질과 소결 조제 역할을 할 수 있는 비정질계 산화물을 혼합하여 복합전해질을 제조함으로써, 850 ℃ 이하의 저온에서 양극과 동시 소성이 가능하고, 이온전도도가 높으며, 공정 단계가 단순화되어 비용이 절감된 전고체 리튬이차전지용 복합전해질을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid lithium secondary battery, and specifically, by mixing an oxide-based crystalline and an amorphous oxide that can serve as a sintering aid to prepare a composite electrolyte, a positive electrode at a low temperature of 850 ° C. or less It relates to a method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid-state lithium secondary battery that can be simultaneously fired with, has high ionic conductivity, and has reduced cost by simplifying process steps.

차세대 전기자동차나 전력저장용 에너지 저장장치 등에 사용되는 리튬이차전지는 액상전해질을 사용하기 때문에 덴드라이트(Dendrite) 형성, 가연성(Flammability), 누설(Leakage) 등의 문제로 발화 또는 폭발 사고가 빈번히 발생하고 있고, 에너지밀도가 300 W·Eh/kg 이하이기 때문에 1회 충전으로는 현재의 가솔린 자동차에 비해 장거리를 갈 수가 없으며, 가격이 대폭 하락하고는 있으나 가격이 $100/kW·Eh 이하여야 하는 전기자동차나 전력저장용 에너지 저장장치로 사용되기에는 여전히 높은 수준이다.Lithium secondary batteries used in next-generation electric vehicles or energy storage devices for power storage use liquid electrolytes, so ignition or explosion accidents occur frequently due to problems such as dendrite formation, flammability, and leakage. Since the energy density is less than 300 W·Eh/kg, it cannot travel long distances compared to the current gasoline car with a single charge. It is still high enough to be used as an energy storage device for electric vehicles or power storage.

최근에는 위와 같은 리튬이차전지의 안정성, 에너지밀도, 가격 문제를 개선하고자 리튬이차전지에서의 액상전해질을 불연성의 무기 고체전해질로 대체하여 전고체 리튬이차전지를 제조하기 위한 연구가 주목받고 있다. 이러한 무기 고체전해질을 전고체 전지에 사용하면 화재의 위험성이 없고 제조 공정을 단순화할 수 있다.Recently, in order to improve the stability, energy density, and price problems of lithium secondary batteries, research for manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery by replacing the liquid electrolyte in a lithium secondary battery with a non-flammable inorganic solid electrolyte is attracting attention. If such an inorganic solid electrolyte is used in an all-solid-state battery, there is no risk of fire and the manufacturing process can be simplified.

고체전해질 소재로는 무기계인 황화물계, 비정질산화물계, 결정질 (Garnet계, 페롭스카이트계등) 및 나시콘 및 니시콘 (NASICON & LISICON)계 결정화유리(glass-ceramics) 전해질이 있고, 유기계인 고분자계 (하이브리드 포함) 전해질 등이 있다.Solid electrolyte materials include inorganic sulfide-based, amorphous oxide-based, crystalline (garnet-based, perovskite, etc.), and NASICON & LISICON-based glass-ceramics electrolytes, and organic polymers. based (including hybrid) electrolytes.

산화물계는 리튬과의 접촉 및 대기 중에서 안정하다는 큰 장점이 있으나, 이온전도성이 황화물계 보다는 낮고, 높은 계면저항을 갖는 등의 문제가 있다. 황화물계의 경우 1x10-2 S/cm의 높은 이온전도도를 가지고 있으나 좁은 전위창, 양극 활물질 또는 음극 활물질과 계면반응에 의해 저항성분이 생성되고 수분에 취약하며, 유독가스인 황화수소(H2S) 가스 발생으로 인한 인체 위해성 등의 문제가 있다. 고분자전해질은 상온에서 Li 이온의 전도도가 낮아 셀의 온도를 60-80 ℃ 수준으로 유지해서 작동해야 성능이 구현되기 때문에 복잡한 냉각설비가 필요한 문제가 있어 장기간 연구에도 문제를 완전히 해결하지 못하고 있다.Oxide-based materials have great advantages in that they are stable in contact with lithium and in the atmosphere, but have problems such as lower ionic conductivity and high interfacial resistance than sulfide-based materials. In the case of sulfide type , it has a high ionic conductivity of 1x10 -2 S/cm, but a resistance component is generated by an interface reaction with a narrow potential window, a positive electrode active material or a negative electrode active material, and it is vulnerable to moisture, and is a toxic gas, hydrogen sulfide (H 2 S) gas. There are problems such as harm to human body due to occurrence. Polyelectrolytes have a low conductivity of Li ions at room temperature, so performance is realized only when the cell temperature is maintained at 60-80 ° C.

최근, 가넷(Garnet: Li7La2Zr2O13 이하 LLZO)형 산화물계 전해질을 900 ℃에서 10시간 정도 합성하면 입방정(cubic) LLZO가 합성되지만, 1x10-3-1x10-4 S/cm 수준의 이온전도도를 얻기 위해서는 1200-1250 ℃의 고온에서 소결해야 한다. 그러나 고온 소결에서 Li의 휘발이 일어나고, 소결범위가 좁아 소결이 까다롭다.Recently, when a garnet (Li 7 La 2 Zr 2 O 13 or less LLZO)-type oxide electrolyte is synthesized at 900° C. for about 10 hours, cubic LLZO is synthesized, but at a level of 1x10 -3 -1x10 -4 S/cm In order to obtain the ionic conductivity of However, during high-temperature sintering, Li volatilization occurs, and the sintering range is narrow, making sintering difficult.

한편, 전고체 전지에서 양극에서 주로 사용되는 소재로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, Li[Ni0.5~0.8Co0.25~0.1Mn0.25~0.1]O2 등을 들 수 있는데, 이 양극 소재는 850-950 ℃에서 합성이 이루어지고 그 이상의 온도에서는 제2상이 생성되면서 Li이 휘발된다.On the other hand, materials mainly used in the anode in all-solid-state batteries include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , Li[Ni 0.5~0.8 Co 0.25~0.1 Mn 0.25~0.1 ]O 2 and the like. , this cathode material is synthesized at 850-950 ° C. At a temperature higher than that, a second phase is generated and Li is volatilized.

앞서 언급한 LLZO와 양극을 일체화 적층시켜 동시 소결하기 위해서는 양극과 전해질의 소결온도를 850 ℃ 이하로 해야 전해질과 양극의 반응을 제어할 수가 있다. 위와 같이 전해질의 소결온도를 1200-1250 ℃에서 850 ℃이하로 낮추어 소결하기 위해서는 저온 소결형 소결조제가 필요한데, 이 소결조제로 전해질의 이온전도도가 저하되면 안 된다.In order to simultaneously sinter the aforementioned LLZO and anode by integrating and stacking, the sintering temperature of the anode and the electrolyte must be set to 850° C. or less to control the reaction between the electrolyte and the anode. In order to sinter the electrolyte by lowering the sintering temperature from 1200-1250 ℃ to 850 ℃ or less, a low-temperature sintering-type sintering aid is required. This sintering aid should not lower the ionic conductivity of the electrolyte.

소결온도를 850 ℃ 이하로 낮추기 위하여, 특허문헌 1에서는 4-16 wt%의 Li3BO3를 Li7La3Zr2O12에 혼합하여 1000-1150 ℃에서, 비특허문헌 1에서는 전해질과 활물질에 0.44LiBO2-0.56LiF를 15 wt% 첨가하여 750 ℃에서, 비특허문헌 2에서는 LiTi2(PO4)3에 Li3PO4나 Li3BO3를 첨가하여 800-900 ℃에서, 특허문헌 2에서는 탄탈(Ta)이 도핑된 가넷(Garnet)구조의 산화물에 50Li2O·E35.7B2O33·E14.3SiO2를 5-20 wt%를 첨가하여 700 ℃에서 3-15시간 소결하였다. 또한, 특허문헌 3에서는 전해질로 산화물 결정(페로브스카이트형-La-Li-Ti-O 또는 가넷형- Li-La-Zr-O) 및 유리 세라믹스(glass-ceramics - 인산화합물 LATP, LAGP) 중 적어도 1종의 리튬 이온 전도체를 혼합하여 600 ℃이하에서 소결하였다. 그러나, 특허문헌 1은 소결온도가 너무 높고, 비특허문헌 1은 충분히 소결되지 않아 내부저항이 매우 커서 충/방전 전류 값이 매우 작은 값을 나타내었다. 특허문헌 2에서는 이온전도도가 1x10-5-1x10-8 S/cm으로 낮은 이온전도도를 나타내었다. 특허문헌 3은 소결조제로 첨가되는 리튬 이온 전도체의 이온전도도가 낮은 단점이 있었다.In order to lower the sintering temperature to 850 °C or less, in Patent Document 1, 4-16 wt% of Li 3 BO 3 is mixed with Li 7 La 3 Zr 2 O 12 at 1000-1150 ° C. In Non-Patent Document 1, electrolyte and active material 15 wt% of 0.44LiBO 2 -0.56LiF was added to 750 ° C. In Non-Patent Document 2, Li 3 PO 4 or Li 3 BO 3 was added to LiTi 2 (PO 4 ) 3 at 800-900 ° C., Patent Document 2 In 2, 5-20 wt% of 50Li 2 O·E35.7B 2 O 3 3·E14.3SiO 2 was added to a garnet-structured oxide doped with tantalum (Ta) and sintered at 700° C. for 3-15 hours. did In addition, in Patent Document 3, oxide crystals (perovskite type-La-Li-Ti-O or garnet type-Li-La-Zr-O) and glass-ceramics (phosphate compound LATP, LAGP) as electrolyte At least one lithium ion conductor was mixed and sintered at 600°C or lower. However, the sintering temperature of Patent Document 1 is too high, and the non-patent document 1 is not sintered sufficiently, so that the internal resistance is very large, and the charge/discharge current value is very small. In Patent Document 2, the ionic conductivity was 1x10 -5 -1x10 -8 S/cm, indicating a low ionic conductivity. Patent Document 3 has a disadvantage in that the ionic conductivity of the lithium ion conductor added as a sintering aid is low.

특허문헌과 비특허문헌에서는 전해질의 소결만 언급하고 있으나 소결조제의 경우 소결온도만 낮추어 줄 뿐, 이온전도도가 낮고 공정이 복잡하여 제조 단가가 높은 것이 일반적이다.Patent literature and non-patent literature mention only sintering the electrolyte, but in the case of a sintering aid, it only lowers the sintering temperature, and the ionic conductivity is low and the manufacturing cost is high because the process is complicated.

한편, 비특허문헌 3에서는 850 ℃이상에서 소결할 때 전해질과 양극간의 반응이 있는 것은 LLZO 펠렛 표면 위에 LiCoO2를 박막으로 코팅하여 전극과 전해질을 일체화 할 경우, 열처리 과정 중에 전극 층과 전해질 층 사이에서 도 1과 같이 La2CoO4 불순물상이 형성되는 문제가 있다고 보고하였다. 또한, 비특허문헌 4에서는 SPS(Spark-plasma-sintering) 방법으로 LTP(LiTi2(PO4)3)/LiCoO2를 적층하여 소결하면 도 2에서와 같이 CoTiO3, Co2TiO4, LiCoPO4, CoO, Co3O4등 제2상이 생성되기 때문에 계면이 전기화학적으로 불활성화 되어 구조가 붕괴되는 문제점이 있다고 보고하였다.On the other hand, in Non-Patent Document 3, when sintering at 850 ° C. or higher, there is a reaction between the electrolyte and the anode. In the case of integrating the electrode and the electrolyte by coating the LiCoO 2 as a thin film on the surface of the LLZO pellet, between the electrode layer and the electrolyte layer during the heat treatment process reported that there is a problem in that the La 2 CoO 4 impurity phase is formed as shown in FIG. 1 . In addition, in Non-Patent Document 4, when LTP (LiTi 2 (PO 4 ) 3 )/LiCoO 2 is laminated and sintered by SPS (Spark-plasma-sintering) method, as in FIG. 2 , CoTiO 3 , Co 2 TiO 4 , LiCoPO 4 , CoO, Co 3 O 4, etc., because the second phase is generated, the interface is electrochemically inactivated and there is a problem in that the structure collapses.

리튬 이차 전고체전지에서 전해질과 양극을 적층하여 동시 소성할 경우는 850 ℃이하의 저온에서 소결을 해야 한다. 그러기 위해서는 전해질의 소결온도를 1200-1250 ℃의 고온에서 850 ℃ 이하의 저온으로 낮춰야 하기 때문에 소결조제가 필요하다. In a lithium secondary all-solid-state battery, when the electrolyte and the positive electrode are laminated and fired at the same time, the sintering must be carried out at a low temperature of 850 °C or less. To do this, a sintering aid is required because the sintering temperature of the electrolyte must be lowered from a high temperature of 1200-1250 °C to a low temperature of 850 °C or less.

따라서 위에서 언급한 바와 같이 황화물계나 고분자계 전해질의 문제와 고온에서 소결하여 전극과의 반응의 문제를 해결하기 위해서는 850 ℃ 이하의 저온에서 소결하여 전고체 전지를 제조하여야 한다. Therefore, as mentioned above, in order to solve the problem of the sulfide-based or polymer-based electrolyte and the problem of the reaction with the electrode by sintering at a high temperature, the all-solid-state battery must be sintered at a low temperature of 850° C. or less.

대한민국 특허공개공보 제10-2019-0078804호Korean Patent Publication No. 10-2019-0078804 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0008539호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0008539 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0133316호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0133316

Solid State Ionics 118 (1999) 853 Solid State Ionics 118 (1999) 853 Solid State Ionics 47 (1991), 257-264 Solid State Ionics 47 (1991), 257-264 J.Power Sources 196 (2011) 764-767 J. Power Sources 196 (2011) 764-767 J.Power Source, 81-82 (1999) 853-858 J. Power Source, 81-82 (1999) 853-858

이에 본 발명의 과제는 전해질 원료로 산화물계 결정질과 소결 조제 역할을 할 수 있는 비정질계 산화물을 설계하여 혼합함으로써 도 3과 같이 복잡한 배치(batch) 혼합, 건조, 성형, 합성, 분쇄의 5단계 공정을 혼합, 용융, 분쇄의 3단계 공정으로 단순화 시키고, 저온에서 환원분위기를 주기 위해 수크로스(sucrose)를 비정질계 산화물 총량 대비 10 wt%로 첨가하여 용융시킴으로써 저가격으로 복합전해질을 제조할 수 있으며, 이온전도도가 높고 850 ℃ 이하의 온도에서 양극과 동시소성이 가능한 복합전해질을 제조하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to design and mix an oxide-based crystalline and an amorphous oxide that can serve as a sintering aid as an electrolyte raw material. A composite electrolyte can be manufactured at a low price by simplifying the three-step process of mixing, melting, and pulverizing, and adding sucrose in an amount of 10 wt% relative to the total amount of amorphous oxide to give a reducing atmosphere at low temperature. To prepare a composite electrolyte with high ionic conductivity and capable of simultaneous firing with the anode at a temperature of 850 °C or less.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법은 원료를 혼합하고 900-1000 ℃에서 15-25 시간을 유지하여 Li7-3xBxLa3Zr2O12을 포함하는 산화물전해질을 합성하는 단계; 원료를 혼합하고 건조하여 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3 및 Li1.2+y·EFe0.2+y·ETi1.8-y·E(PO4)3-z·E(BO3)z 중 하나 이상을 포함하는 유리전해질 분말을 제조하는 단계; 및 1100-1500 ℃로 승온시킨 상기 산화물전해질에 상기 유리전해질 분말을 혼합하고 10-40분간 유지하여 복합전해질 용융물을 얻는 단계를 포함하되, 상기 x는 0 내지 1의 유리수이고, 상기 y는 0 내지 0.3의 유리수이며, 상기 z는 0 내지 3의 정수이고, 상기 유리전해질 분말 제조 단계에서 상기 유리전해질 원료 혼합물 100 중량부 대비 5-15 중량부의 수크로스를 첨가한다.In a method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, the raw materials are mixed and maintained at 900-1000° C. for 15-25 hours, so that Li 7-3x B x La 3 synthesizing an oxide electrolyte containing Zr 2 O 12 ; The raw materials are mixed and dried to Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 and Li 1.2+y EFe 0.2+y ETi 1.8-y E(PO 4 ) 3-z E( BO 3 ) preparing a glass electrolyte powder comprising at least one of z; and mixing the glass electrolyte powder with the oxide electrolyte heated to 1100-1500° C. and maintaining it for 10-40 minutes to obtain a composite electrolyte melt, wherein x is a rational number from 0 to 1, and y is from 0 to 0.3 is a free number, and z is an integer of 0 to 3, and 5-15 parts by weight of sucrose is added based on 100 parts by weight of the glass electrolyte raw material mixture in the glass electrolyte powder manufacturing step.

상기 복합전해질은, 850 ℃ 이하에서 소결이 가능하거나, 및/또는 1x10-6 S/cm 이상의 이온전도도를 가질 수 있다.The composite electrolyte may be sintered at 850° C. or lower, and/or may have an ionic conductivity of 1×10 −6 S/cm or more.

Li7-3xBxLa3Zr2O12에서 x는 0.15-0.25의 유리수일 수 있다.In Li 7-3x B x La 3 Zr 2 O 12 , x may be a rational number of 0.15-0.25.

상기 Li7-3xBxLa3Zr2O12은 Li6.4Al0.2La3Zr2O12이거나, 및/또는 상기 Li1.2+y· EFe0.2+y·ETi1.8-y·E(PO4)3-z·E(BO3)z은 Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3일 수 있다.The Li 7-3x B x La 3 Zr 2 O 12 is Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 , and/or the Li 1.2+y · EFe 0.2+y · ETi 1.8-y · E(PO 4 ) 3-z · E(BO 3 )z may be Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E(BO 3 ) 3 .

상기 산화물전해질의 원료는 LiOH·EH2O, La2O3, Al2O3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고, 상기 유리전해질의 원료는 LiOH·EH2O, SnO, Nb2O5, Fe2O3, TiO2, H3PO4 및 H3BO3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The raw material of the oxide electrolyte includes at least one selected from the group consisting of LiOH·EH 2 O, La 2 O 3 , Al 2 O 3 and ZrO 2 , and the raw material of the glass electrolyte is LiOH·EH 2 O, SnO, Nb 2 O 5 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , H 3 PO 4 and H 3 BO 3 At least one selected from the group consisting of may be included.

상기 산화물전해질 및/또는 유리전해질 제조 시, LiOH·EH2O를 당량보다 10% 초과하여 사용할 수 있다.When preparing the oxide electrolyte and/or the glass electrolyte, LiOH·EH 2 O may be used in excess of 10% of the equivalent.

또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질은 상술한 바와 같은 방법으로 제조될 수 있다.In addition, the composite electrolyte for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention for solving the above other problems may be manufactured in the same manner as described above.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the detailed description.

본 발명의 실시예들에 따르면, 850 ℃ 이하의 저온 소결온도에서 전해질과 전극을 적층 일체화시켜 동시 소성할 수 있고, 리튬 금속과의 반응이 없어 덴드라이트 억제 층으로도 활용될 수 있는 리튬이차전지용 복합전해질을 제조할 수 있다.According to embodiments of the present invention, for a lithium secondary battery that can be used as a dendrite suppression layer because the electrolyte and the electrode can be laminated and integrated at a low-temperature sintering temperature of 850 ° C. or less and fired at the same time, and there is no reaction with lithium metal A composite electrolyte can be prepared.

또한, 금속산화물을 포함한 유리전해질 원료에 수크로스 환원제를 첨가하여 대기분위기로 용융함으로써 공융점이 낮아져 250 ℃ 이상 낮은 온도에서 복합전해질을 얻을 수 있어 용융과정에서 결정의 석출이나 실투를 방지하여 소재의 신뢰성을 높일 수 있고, 제조 가격도 낮출 수 있다. In addition, the eutectic melting point is lowered by adding a sucrose reducing agent to the raw material of the glass electrolyte containing the metal oxide and melting in an atmospheric atmosphere, so that the composite electrolyte can be obtained at a temperature lower than 250 ° C. can be increased and the manufacturing cost can be lowered.

더불어, 기존의 5단계에 이르는 복잡한 공정을 도 3과 같이 3단계의 공정으로 단순화할 수 있어 제조 원가를 낮출 수 있다. In addition, the existing complicated process up to five steps can be simplified to a three-step process as shown in FIG. 3 , thereby reducing the manufacturing cost.

따라서, 본 발명에 따라 제조되는 복합전해질은 현재의 리튬이차전지 안전성 문제를 해결할 수 있고, 공정의 단순화 및 저가화를 달성할 수가 있어 중대형 저장장치에 활용될 수 있을 것이다. Therefore, the composite electrolyte prepared according to the present invention can solve the current lithium secondary battery safety problem, and can achieve simplification and low cost of the process, so that it can be utilized in medium and large-sized storage devices.

도 1은 종래의 소재인 LiCoO2/LLZO(Li7La3Zr2O12) 계면의 단면(cross-sectional) 투사전자현미경 사진 및 EDS 분석 곡선이다.
도 2는 종래의 SPS 법으로 LTP/LiCoO2를 적층하여 800 ℃ 이상에서 소결한 경우 전해질과 양극 사이 계면에 제2상이 생성된 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 복합전해질 제조 공정과 본 발명의 일 실시예에 따른 복합전해질 제조 공정을 비교한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따라 도출된 산화물결정 Li6.4Al0.2La3Zr2O12 전해질의 임피던스(impedance) 곡선이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따라 유리전해질과 산화물전해질을 혼합하여 제조한 복합전해질의 결정상을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따라 유리전해질과 산화물전해질을 혼합하여 제조한 복합전해질의 임피던스(impedance)를 나타낸 그래프이다.
1 is a cross-sectional projection electron micrograph and EDS analysis curve of the interface of a conventional material LiCoO 2 /LLZO (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ).
FIG. 2 is a view showing that the second phase is generated at the interface between the electrolyte and the positive electrode when LTP/LiCoO 2 is laminated by the conventional SPS method and sintered at 800° C. or higher.
3 is a flow chart comparing the conventional composite electrolyte manufacturing process with the composite electrolyte manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
4 is an impedance curve of an oxide crystal Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 electrolyte derived according to an experimental example of the present invention.
5 is a graph showing a crystal phase of a composite electrolyte prepared by mixing a glass electrolyte and an oxide electrolyte according to an experimental example of the present invention.
6 is a graph showing the impedance (impedance) of a composite electrolyte prepared by mixing a glass electrolyte and an oxide electrolyte according to an experimental example of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '-' 또는 '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 다른 언급이 없는 한 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20 % 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, 'and/or' includes each and every combination of one or more of the recited items. The singular also includes the plural, unless the phrase specifically states otherwise. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' does not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the stated elements. Numerical ranges indicated using '-' or 'to' indicate a numerical range including the values listed before and after as the lower and upper limits, respectively, unless otherwise stated. 'About' or 'approximately' means a value or numerical range within 20% of the value or numerical range recited thereafter.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.In addition, in describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined.

그리고 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In the description of the embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function interferes with the understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법은, (a) 원료를 혼합하고 900-1000 ℃에서 15-25 시간을 유지하여 Li7-3xBxLa3Zr2O12을 포함하는 산화물전해질을 합성하는 단계, (b) 원료를 혼합하고 건조하여 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3 및 Li1.2+y·EFe0.2+y·ETi1.8-y·E(PO4)3-z·E(BO3)z 중 하나 이상을 포함하는 유리전해질 분말을 제조하는 단계, 및 (c) 1100-1500 ℃로 승온시킨 상기 산화물전해질에 상기 유리전해질 분말을 혼합하고 10-40분간 유지하여 복합전해질 용융물을 얻는 단계를 포함하고, 추가적으로 (d) 상기 복합전해질 용융물을 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method of the composite electrolyte for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention includes (a) mixing the raw materials and maintaining the mixture at 900-1000° C. for 15-25 hours to Li 7-3x B x La 3 Zr 2 synthesizing an oxide electrolyte containing O 12 , (b) mixing and drying the raw materials to Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 and Li 1.2+y EFe 0.2+y ETi Preparing a glass electrolyte powder comprising at least one of 1.8-y · E(PO 4 ) 3-z · E(BO 3 )z, and (c) the glass in the oxide electrolyte heated to 1100-1500 ° C. and mixing the electrolyte powder and maintaining the mixture for 10-40 minutes to obtain a composite electrolyte melt, and may further include (d) grinding the composite electrolyte melt.

상술한 (a) 단계는 LiOH·EH2O, La2O3, Al2O3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원료를 당량에 맞게 계량하여 혼합하고 40-60시간 동안 분쇄한 다음 80-120 ℃에서 건조시킨 후, 900-1000 ℃에서 15-25 시간을 유지하여 가넷(Garnet)형의 산화물전해질인 Li7-3xBxLa3Zr2O12을 합성하는 단계이다. In step (a) described above , one or more raw materials selected from the group consisting of LiOH·EH 2 O, La 2 O 3 , Al 2 O 3 and ZrO 2 are weighed and mixed according to the equivalent weight, and then pulverized for 40-60 hours. After drying at 80-120° C., maintaining at 900-1000° C. for 15-25 hours to synthesize Li 7-3x B x La 3 Zr 2 O 12 , which is a Garnet-type oxide electrolyte.

상기 x는 0 내지 1의 유리수일 수 있고, 바람직하게는 0.15-0.25의 유리수일 수 있다. 산화물전해질은 Li6.4Al0.2La3Zr2O12일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The x may be a rational number of 0 to 1, preferably, a rational number of 0.15-0.25. The oxide electrolyte may be Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 , but is not limited thereto.

상술한 (b) 단계는 LiOH·EH2O, SnO, Nb2O5, Fe2O3, TiO2, H3PO4 및 H3BO3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원료를 당량에 맞게 계량하여 4-8시간 혼합하고 80-120 ℃에서 20-28시간 건조시켜 유리전해질인 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3 및/또는 Li1.2+y·EFe0.2+y·ETi1.8-y·E(PO4)3-z·E(BO3)z의 분말을 제조하는 단계이다. In step (b) described above, one or more raw materials selected from the group consisting of LiOH·EH 2 O, SnO, Nb 2 O 5 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , H 3 PO 4 and H 3 BO 3 are added to an equivalent weight. Weigh, mix for 4-8 hours, and dry at 80-120 ° C. for 20-28 hours. Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 and/or Li 1.2+y EFe 0.2+ y · ETi 1.8-y · E(PO 4 ) 3-z · E(BO 3 )z This is a step of preparing a powder.

상기 y는 0 내지 0.3의 유리수일 수 있고, z는 0 내지 3의 정수일 수 있다. 상기 Li1.2+y·EFe0.2+y·ETi1.8-y·E(PO4)3-z·E(BO3)z은 Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The y may be a rational number from 0 to 0.3, and z may be an integer from 0 to 3. The Li 1.2+y · EFe 0.2 +y · ETi 1.8-y · E(PO 4 ) 3-z · E(BO 3 )z may be Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E(BO 3 ) 3 , but is not limited thereto.

일 실시예에서, 유리전해질 분말 제조 시 상기 유리전해질 원료를 혼합한 총량 100 중량부 대비 5-15 중량부의 수크로스를 첨가하여 함께 혼합할 수 있다. 수크로스는 용융분위기를 환원분위기로 바꿈으로써 기존의 대기용융분위기의 온도보다 200-300 ℃ 더 낮은 온도에서 용융이 가능할 수 있다.In one embodiment, 5-15 parts by weight of sucrose may be added and mixed together with respect to 100 parts by weight of the total amount of the glass electrolyte raw material mixed in the preparation of the glass electrolyte powder. Sucrose can be melted at a temperature 200-300 ℃ lower than the temperature of the existing atmospheric melting atmosphere by changing the melting atmosphere to a reducing atmosphere.

상기 산화물전해질 및/또는 유리전해질 제조 시, LiOH·EH2O는 당량보다 10% 초과하여 사용할 수 있고, 이에 따라 Li 휘발에 따른 손실을 상쇄할 수 있다.In the preparation of the oxide electrolyte and/or the glass electrolyte, LiOH·EH 2 O may be used in an amount exceeding 10% of the equivalent, and thus loss due to Li volatilization may be offset.

상술한 (c) 단계는 제조된 산화물전해질을 1100-1500 ℃로 승온시켜 유리전해질 분말을 혼합하고 10-40분간 유지하여 복합전해질 용융물을 얻는 단계로서, 바람직하게는 온도는 1300-1400 ℃일 수 있고 유지 시간은 20-40분 일 수 있다.Step (c) described above is a step to obtain a composite electrolyte melt by heating the prepared oxide electrolyte to 1100-1500 ° C, mixing the glass electrolyte powder, and maintaining it for 10-40 minutes. Preferably, the temperature may be 1300-1400 ° C. and the holding time can be 20-40 minutes.

상술한 (d) 단계는 제조된 복합전해질 용융물을 1-10 μm 수준으로 분쇄하여 리튬이차전지에 사용하기 위한 단계이다.Step (d) described above is a step for pulverizing the prepared composite electrolyte melt to a level of 1-10 μm for use in a lithium secondary battery.

이와 같은 단계를 통해 제조된 복합전해질은 850 ℃ 이하에서 소결이 가능하다. 또한, 1x10-6 S/cm 이상의 이온전도도, 바람직하게는 1x10-5 S/cm 이상의 이온전도도를 가질 수 있다.The composite electrolyte prepared through this step can be sintered at 850 °C or lower. In addition, it may have an ionic conductivity of 1x10 -6 S/cm or more, preferably, an ionic conductivity of 1x10 -5 S/cm or more.

제조예 1: 산화물전해질 LLZO(LiPreparation Example 1: Oxide electrolyte LLZO (Li 6.46.4 AlAl 0.20.2 LaLa 33 ZrZr 22 OO 1212 ) 합성) synthesis

산화물전해질인 Li6.4Al0.2La3Zr2O12을 합성하기 위한 원료로서, Li 소스로는 LiOH·EH2O를 사용하고, La, Al 및 Zr 소스로는 La2O3, Al2O3 및 ZrO2를 사용하였다. 위 원료들을 계량하여 날젠병(Nalgene. bottle)에 투입하고, Φ5 및 10 mm의 지르코니아 볼과 무수알코올을 투입한 다음 볼밀(ball mill)과 어트리션밀(attrition mill)에서 48시간 동안 분쇄 및 혼합하였다. 이때, Li는 고온에서 휘발성이 높기 때문에 Li 소스 원료를 당량 보다 10% 초과하여(excess) 첨가하였다. 혼합물을 100 ℃에서 항량(constant weight)이 될 때까지 건조한 후 알루미나 도가니에 넣었다. 혼합물이 채워진 알루미나 도가니를 발열체가 탄화실리콘(SiC)인 전기로 넣고 분당 2 ℃의 속도로 950 ℃까지 승온시킨 다음 950 ℃에서 20 시간을 유지함으로써 산화물전해질을 합성하였다.As a raw material for synthesizing the oxide electrolyte Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 , LiOH·EH 2 O is used as the Li source, and La 2 O 3 , Al 2 O 3 is used as the La, Al and Zr source. and ZrO 2 were used. Weigh the above raw materials, put them in a Nalgene bottle, put zirconia balls of Φ5 and 10 mm and anhydrous alcohol, and then grind and mix them in a ball mill and an attrition mill for 48 hours. did At this time, since Li is highly volatile at high temperature, the Li source material was added in excess of 10% of the equivalent. The mixture was dried at 100° C. until constant weight, and then placed in an alumina crucible. An oxide electrolyte was synthesized by placing an alumina crucible filled with the mixture in an electric furnace having a silicon carbide (SiC) heating element, and heating the temperature to 950 °C at a rate of 2 °C per minute, and then maintaining the temperature at 950 °C for 20 hours.

제조예 2: 유리전해질 분말 제조Preparation Example 2: Preparation of Glass Electrolyte Powder

유리전해질인 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3와 Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3을 제조하기 위한 원료로서, Li 소스로는 LiOH·EH2O을 사용하고, Sn, Nb, Fe 및 Ti 소스로는 SnO, Nb2O5, Fe2O3 및 TiO2를 사용하고, P 소스로는 H3PO4를 사용하고, B 소스로는 H3BO3를 사용하였다. 위 원료들을 계량하여 날젠병에 투입하고, Φ10 mm의 지르코니아 볼과 무수알코올을 투입한 다음 볼밀에서 6시간 동안 혼합하였다. 혼합물을 100 ℃의 건조기에서 24시간 건조한 후 Φ2 x h0.1 in의 펠렛(pellet)으로 성형하여 유리전해질 분말을 제조하였다. 이때, 기존 용융온도 보다 낮은 온도로 용융하고자 수크로스(sucrose, C12H22O11)를 유리전해질 혼합물 전체 중량에 대해 10% 첨가하여 혼합하였는데, 그 이유는 수크로스의 첨가가 용융분위기를 환원분위기로 바꿈으로써 기존의 대기용융분위기의 온도보다 200-300 ℃ 더 낮은 온도에서 용융이 가능하기 때문이다. 또한 Li은 고온에서 휘발성이 높기 때문에 Li 소스 보다 10%를 더 첨가하였다. 유리전해질의 화학 조성, 용융온도, 이온전도도 등은 하기 표 1과 같다.As a raw material for manufacturing the glass electrolytes Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 and Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E(BO 3 ) 3 , LiOH·EH as a Li source 2 O is used, SnO, Nb 2 O 5 , Fe 2 O 3 and TiO 2 are used as Sn, Nb, Fe and Ti sources, H 3 PO 4 is used as P source, and B source is used. H 3 BO 3 was used. The above raw materials were measured and put into a Nalgen bottle, zirconia balls of Φ10 mm and anhydrous alcohol were added, and then mixed in a ball mill for 6 hours. After drying the mixture in a dryer at 100° C. for 24 hours, it was molded into pellets of Φ2 x h0.1 in to prepare a glass electrolyte powder. At this time, in order to melt at a temperature lower than the existing melting temperature, 10% of sucrose (C 12 H 22 O 11 ) was added and mixed with respect to the total weight of the glass electrolyte mixture, because the addition of sucrose reduces the melting atmosphere. This is because melting is possible at a temperature 200-300 ℃ lower than the temperature of the existing atmospheric melting atmosphere by changing the atmosphere. In addition, since Li is highly volatile at high temperature, 10% more than the Li source was added. The chemical composition, melting temperature, ionic conductivity, etc. of the glass electrolyte are shown in Table 1 below.

복합전해질 혼합물을 용융할 때 혼합물에 대한 수크로스의 첨가량과 Li의 초과 첨가량에 따라 용융물의 이온전도도는 달라질 수 있다. 그러므로 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이를 변형 또는 구체화할 수 있음을 자명하게 이해할 것이며, 본 발명의 범위가 위에 기술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.When the composite electrolyte mixture is melted, the ionic conductivity of the melt may vary depending on the amount of sucrose added to the mixture and the excess amount of Li. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that it can be modified or embodied, and the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments.

시료sample 유리전해질 조성Glass electrolyte composition 용융온도 및 시간(℃-min)Melting temperature and time (℃-min) 이온 전도도(S/cm)Ion Conductivity (S/cm) 연화온도(

Figure pat00001
softening temperature (
Figure pat00001
1One Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3 Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 1100-301100-30 2.83 x 10-7 2.83 x 10 -7 570570 1100-101100-10 3.88 x 10-7 3.88 x 10 -7 600600 22 Li1.5Fe0.5Ti1.5(BO3)3 Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 (BO 3 ) 3 1350-301350-30 5.29 x 10-4 5.29 x 10 -4 --

제조예 3-1: 복합전해질(1) 제조Preparation Example 3-1: Preparation of composite electrolyte (1)

상기 제조예 1에서 950 ℃로 20시간 유지하여 합성된 산화전해질을 분당 20 ℃로 1200 ℃와 1350 ℃까지 각각 승온시킨 후, 상기 제조예 2의 유리전해질 분말을 산화전해질이 들어있는 알루미나 도가니에 투입하여 각각 20분과 30분간 유지하며 용융함으로써 하기 표 2 및 표 3과 같은 복합전해질 용융물을 각각 제조하였다.The oxidized electrolyte synthesized in Preparation Example 1 was maintained at 950° C. for 20 hours and then heated to 1200° C. and 1350° C. at 20° C. per minute, respectively, and then the glass electrolyte powder of Preparation Example 2 was put into an alumina crucible containing an oxidizing electrolyte. and melted while maintaining for 20 minutes and 30 minutes, respectively, to prepare composite electrolyte melts as shown in Tables 2 and 3 below, respectively.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

위와 같이 제조된 복합전해질 용융물을 조크러셔(Jaw crusher)를 이용하여 큰 입자를 조분쇄한 다음, 젯밀(Jet mill)에서 3 μm 수준까지 건식으로 미분쇄하고, 볼밀에서 48시간 분쇄하여 사용하였다. 볼밀 분쇄는 무수 에탄올 용매와 Φ0.8 mm 지르코니아 볼을 함께 넣은 후 150 rpm으로 분쇄하였다.The composite electrolyte melt prepared as above was coarsely pulverized to large particles using a jaw crusher, then finely pulverized in a dry manner to a level of 3 μm in a jet mill, and pulverized in a ball mill for 48 hours before use. For ball mill grinding, anhydrous ethanol solvent and Φ0.8 mm zirconia balls were put together and then grinded at 150 rpm.

제조예 3-2: 복합전해질(2) 제조Preparation Example 3-2: Preparation of composite electrolyte (2)

산화물전해질로서 Li7La3Zr2O12에서 Li 일부를 B로 치환하여 하기 표 4와 같은 조성으로 복합전해질을 제조하였다. 이때 저온으로 용융하기 위해 수크로스를 첨가하였고, Li의 휘발을 감안하여 Li 소스 원료를 당량보다 10% 초과(excess)하여 첨가하였다. 수크로스와 초과 Li는 산화물전해질 혼합물 전체에 대해 10 wt% 첨가하여 혼합하였다. 혼합은 하기 표 4의 화학조성에 따라 계량한 후, 날젠병 안에 지르코니아 볼과 무수알코올을 넣어 볼밀에서 24시간 동안 혼합하였다. 혼합물을 알루미나 도가니에 넣고 최고 사용온도 1700 ℃용 수퍼칸탈(superkanthal) 전기로를 이용하여 1500 ℃에서 10분 유지하여 복합전해질 용융물을 제조하였다. 용융방법과 분말화 방법은 상기 제조예 3-1과 동일하였다. As an oxide electrolyte, a composite electrolyte having the composition shown in Table 4 was prepared by substituting B for a part of Li in Li 7 La 3 Zr 2 O 12 . At this time, sucrose was added to melt at a low temperature, and in consideration of the volatilization of Li, the Li source material was added in excess of the equivalent by 10%. Sucrose and excess Li were mixed by adding 10 wt% of the total oxide electrolyte mixture. Mixing was measured according to the chemical composition of Table 4, and then zirconia balls and anhydrous alcohol were put in a Nalgen bottle and mixed in a ball mill for 24 hours. The mixture was placed in an alumina crucible and maintained at 1500° C. for 10 minutes using a superkanthal electric furnace for a maximum operating temperature of 1700° C. to prepare a composite electrolyte melt. The melting method and the powdering method were the same as in Preparation Example 3-1.

조성Furtherance 이온전도도(x S/cm)Ionic conductivity (x S/cm) Li7La3Zr2O12 Li 7 La 3 Zr 2 O 12 5.44-5 5.44 -5 Li6.55B0.15La3Zr2O12 Li 6.55 B 0.15 La 3 Zr 2 O 12 1.38/1.77-5 1.38/1.77 -5 Li6.4B0.2La3Zr2O12 Li 6.4 B 0.2 La 3 Zr 2 O 12 1.049-4 1.049 -4 Li6.25B0.25La3Zr2O12 Li 6.25 B 0.25 La 3 Zr 2 O 12 4.41-06 4.41-0 6 Li7.04B0.2La3Zr2O12 Li 7.04 B 0.2 La 3 Zr 2 O 12 9.82-6 9.82 -6

실험예 1Experimental Example 1

상기 제조예 1에서 합성한 산화물전해질 시료에 대해 25 ℃에서 임피던스 (impedance) 장치를 이용하여 이온전도도를 평가하였다. 이온전도도는 임피던스 장치로 1 Hz-4 MHz 조건에서 등가회로방법으로 전체저항(벌크와 계면저항)을 측정하여 구하였다. 이온전도도는 C=R(1-n)/nQ1/n 로 계산하였다.For the oxide electrolyte sample synthesized in Preparation Example 1, ionic conductivity was evaluated at 25° C. using an impedance device. Ion conductivity was obtained by measuring the total resistance (bulk and interfacial resistance) using an equivalent circuit method under the condition of 1 Hz-4 MHz with an impedance device. The ionic conductivity was calculated as C=R (1-n)/n Q 1/n.

평가 결과, 도 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 산화물전해질 Li6.4Al0.2La3Zr2O12의 이온전도도는 2.34 x 10-4, 6.89 x 10-4 S/cm였다. As a result of the evaluation, as shown in FIG. 4 , the ionic conductivity of the oxide electrolyte Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 of the present invention was 2.34 x 10 -4 , 6.89 x 10 -4 S/cm.

실험예 2Experimental Example 2

상기 제조예에서 제조된 복합전해질 시료에 대해 생성된 결정상은 도 5와 같이 25 ℃에서 임피던스 장치를 이용하여 이온전도도를 평가하고, 그 그래프는 도 6에 나타내었다. 결정성은 기존 산화물전해질의 피크가 유리전해질에 의해 작아지면서 유리전해질이 용융된 후 냉각과정에서 결정으로 일부 석출 되었는데, 그 피크가 함께 나타났다.The crystalline phase generated for the composite electrolyte sample prepared in Preparation Example was evaluated for ionic conductivity at 25° C. using an impedance device as shown in FIG. 5 , and the graph is shown in FIG. 6 . The crystallinity of the existing oxide electrolyte was reduced by the glass electrolyte, and after the glass electrolyte was melted, some precipitated as crystals in the cooling process, and the peak appeared together.

따라서 본 발명에서는 유리전해질로 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3 보다는 Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3가 적합하였다. 이 발명에서 이온전도도가 1x10-4s/cm으로 높은 Li1.5Fe0.5Ti1.5(BO3)3는 Li1.2+x·EFe0.2+x·ETi1.8-x·E(PO4)3-y·E(BO3)y 조성에서 발명된 것이므로 Li의 양은 1.2-1.5 mole, Fe는 0.2-0.5 mole, Ti는 1.5-1.8 mole, P는 1-3 mole, B는 1-3 mole로 이루어진 것이 바람직하다.Therefore, in the present invention, Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E(BO 3 ) 3 was more suitable than Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 as the glass electrolyte. In this invention, Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 (BO 3 ) 3 having a high ionic conductivity of 1x10 -4 s/cm is Li 1.2+x EFe 0.2+x ETi 1.8-x E(PO 4 ) 3-y E(BO 3 ) Since it was invented in the y composition, it is preferable that the amount of Li is 1.2-1.5 moles, Fe is 0.2-0.5 moles, Ti is 1.5-1.8 moles, P is 1-3 moles, and B is 1-3 moles. do.

하기 표 5는 Li1.2+x·EFe0.2+x·ETi1.8-x·E(PO4)3-y·E(BO3)y계 유리전해질의 이온전도도에 관한 것이다.Table 5 below relates to the ionic conductivity of Li 1.2+x · EFe 0.2 +x · ETi 1.8-x · E(PO 4 ) 3-y · E(BO 3 ) y-based glass electrolyte.

Figure pat00004
Figure pat00004

실시예 1Example 1

상기 제조예 2의 유리전해질 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3과 상기 제조예 1의 산화물전해질 Li6.4Al0.2La3Zr2O12의 비율을 0.2:0.8과 0.35:0.65로 하여, 상기 제조예 3-1의 제조방법 중 용융온도와 시간을 1200 ℃에서 20분 용융한 것 외에는 동일한 방법으로 복합전해질을 제조하였다. 용융 제조 시, 상기 제조예 2와 동일하게 수크로스 첨가 및 Li 초과 첨가하였다.The ratio of the glass electrolyte Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 of Preparation Example 2 to the oxide electrolyte Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 of Preparation Example 1 was 0.2:0.8 and 0.35. A composite electrolyte was prepared in the same manner as: 0.65, except that the melting temperature and time were melted at 1200° C. for 20 minutes in the manufacturing method of Preparation Example 3-1. During melt manufacturing, sucrose was added and Li was added in the same manner as in Preparation Example 2 above.

이와 같이 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3 유리전해질을 사용하여 제조된 복합전해질은 이온전도도가 1x10-7 S/cm으로 Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3 유리전해질을 이용하여 제조된 복합전해질 보다 낮아 소결 조제로 사용이 가능하나 단독으로 사용하기에는 어려움이 있다.As such, the composite electrolyte prepared using the Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 glass electrolyte has an ionic conductivity of 1x10 -7 S/cm, and thus Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E( BO 3 ) 3 It can be used as a sintering aid because it is lower than a composite electrolyte prepared using a glass electrolyte, but it is difficult to use alone.

실시예 2Example 2

이온전도체이면서 소결조제인 상기 제조예 2의 Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3 유리전해질을 선정하여 산화물전해질 Li6.4Al0.2La3Zr2O12과의 비를 0.2:0.8과 0.5:0.5의 비로 혼합한 복합전해질을 제조하였다. Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3 유리전해질을 이용한 복합전해질의 제조는 상기 제조예 3에서 용융온도와 시간을 1350 ℃, 30분간 유지하여 용융한 것 외에는 동일하다. 용융 제조 시, 상기 제조예 2와 같이 수크로스 첨가 및 Li 초과 첨가하였다. Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E(BO 3 ) 3 glass electrolyte of Preparation Example 2, which is an ion conductor and a sintering aid, was selected and the ratio of the oxide electrolyte Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 was 0.2:0.8 A composite electrolyte was prepared by mixing it in a ratio of 0.5:0.5. Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E(BO 3 ) 3 The composite electrolyte using the glass electrolyte was prepared in the same manner as in Preparation Example 3 except that the melting temperature and time were maintained at 1350° C. for 30 minutes to melt. During melt manufacturing, sucrose was added and Li excess was added as in Preparation Example 2 above.

결정성 확인 결과 유리전해질 양이 많은 경우 전체적인 결정성이 낮아졌으나 유리전해질 양의 비가 0.2인 경우 결정강도가 높은 것으로 분석되었다.As a result of confirming the crystallinity, when the amount of free electrolyte was large, the overall crystallinity was lowered, but when the ratio of the amount of free electrolyte was 0.2, it was analyzed that the crystal strength was high.

결정성이 높으면 유리로서 역할을 못할 수 있기 때문에 가급적이면 용융 후에는 결정성이 적은 것이 소결조제로서 적합하다고 할 수 있다. If the crystallinity is high, it may not be able to function as a glass, so it can be said that one with low crystallinity is suitable as a sintering aid after melting if possible.

실시예 3Example 3

상기 제조예 3-2와 동일하게 Li7-3xBxLa3Zr2O12 산화물전해질에서 Li 대신 B로 치환하여 복합전해질을 용융 제조하였다. 용융 제조 시, 상기 제조예 2와 동일하게 수크로스 첨가 및 Li 초과 첨가하였다.In the same manner as in Preparation Example 3-2, a composite electrolyte was melted and prepared by substituting B for Li 7-3x B x La 3 Zr 2 O 12 oxide electrolyte. During melt manufacturing, sucrose was added and Li was added in the same manner as in Preparation Example 2 above.

복합전해질 제조 결과 Li 대신 B를 첨가함에 따라 이온전도도는 B 치환량이 0.2 mole까지 증가하다가 치환량이 0.2 mole 이상이 되면 점차 낮아졌다. B 치환량이 0.2 mole일 때 이온전도도는 1.04x10-4 S/cm를 나타내었다. 이 복합전해질 단독으로 또는 소결조제를 첨가하면 850 ℃ 복합전해질로 사용이 가능할 것이다.As a result of the composite electrolyte preparation, as B was added instead of Li, the ionic conductivity increased up to 0.2 mole of B substitution, but gradually decreased when the substitution amount was 0.2 mole or more. When the amount of B substitution was 0.2 mole, the ionic conductivity was 1.04x10 -4 S/cm. If this composite electrolyte alone or a sintering aid is added, it will be possible to use it as a composite electrolyte at 850 °C.

이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the embodiment of the present invention has been mainly described, but this is only an example and does not limit the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications not exemplified above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention may be implemented by modification. And differences related to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

Claims (7)

원료를 혼합하고 900-1000 ℃에서 15-25 시간을 유지하여 Li7-3xBxLa3Zr2O12을 포함하는 산화물전해질을 합성하는 단계;
원료를 혼합하고 건조하여 Li1.5-Sn0.4-Nb0.1-(PO4)3-BO3 및 Li1.2+y·EFe0.2+y· ETi1.8-y·E(PO4)3-z·E(BO3)z 중 하나 이상을 포함하는 유리전해질 분말을 제조하는 단계; 및
1100-1500 ℃로 승온시킨 상기 산화물전해질에 상기 유리전해질 분말을 혼합하고 10-40분간 유지하여 복합전해질 용융물을 얻는 단계를 포함하되,
상기 x는 0 내지 1의 유리수이고, 상기 y는 0 내지 0.3의 유리수이며, 상기 z는 0 내지 3의 정수이고,
상기 유리전해질 분말 제조 단계에서 상기 유리전해질 원료 혼합물 100 중량부 대비 5-15 중량부의 수크로스를 첨가하는
전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법.
synthesizing an oxide electrolyte containing Li 7-3x B x La 3 Zr 2 O 12 by mixing the raw materials and maintaining at 900-1000° C. for 15-25 hours;
The raw materials are mixed and dried to Li 1.5 -Sn 0.4 -Nb 0.1 -(PO 4 ) 3 -BO 3 and Li 1.2+y EFe 0.2+y ETi 1.8-y E(PO 4 ) 3-z E( BO 3 ) preparing a glass electrolyte powder comprising at least one of z; and
Mixing the glass electrolyte powder with the oxide electrolyte heated to 1100-1500 ° C and maintaining it for 10-40 minutes to obtain a composite electrolyte melt,
wherein x is a rational number from 0 to 1, y is a rational number from 0 to 0.3, and z is an integer from 0 to 3,
In the glass electrolyte powder manufacturing step, 5-15 parts by weight of sucrose is added based on 100 parts by weight of the glass electrolyte raw material mixture.
A method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid lithium ion secondary battery.
제1 항에 있어서,
상기 복합전해질은,
850 ℃ 이하에서 소결이 가능하거나, 및/또는
1x10-6 S/cm 이상의 이온전도도를 갖는
전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법.
According to claim 1,
The composite electrolyte is
capable of sintering below 850 °C, and/or
1x10 -6 S/cm or higher ionic conductivity
A method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid lithium ion secondary battery.
제1 항에 있어서,
Li7-3xBxLa3Zr2O12에서 x는 0.15-0.25의 유리수인
전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법.
According to claim 1,
In Li 7-3x B x La 3 Zr 2 O 12 , x is a rational number of 0.15-0.25.
A method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid lithium ion secondary battery.
제3 항에 있어서,
상기 Li7-3xBxLa3Zr2O12은 Li6.4Al0.2La3Zr2O12이거나, 및/또는
상기 Li1.2+y·EFe0.2+y·ETi1.8-y·E(PO4)3-z·E(BO3)z은 Li1.5·EFe0.5·ETi1.5·E(BO3)3
전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법.
4. The method of claim 3,
The Li 7-3x B x La 3 Zr 2 O 12 is Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 , and/or
The Li 1.2+y · EFe 0.2 +y · ETi 1.8-y · E(PO 4 ) 3-z · E(BO 3 )z is Li 1.5 · EFe 0.5 · ETi 1.5 · E(BO 3 ) 3
A method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid lithium ion secondary battery.
제1 항에 있어서,
상기 산화물전해질의 원료는 LiOH·EH2O, La2O3, Al2O3 및 ZrO2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고,
상기 유리전해질의 원료는 LiOH·EH2O, SnO, Nb2O5, Fe2O3, TiO2, H3PO4 및 H3BO3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는
전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법.
According to claim 1,
The raw material of the oxide electrolyte includes at least one selected from the group consisting of LiOH·EH 2 O, La 2 O 3 , Al 2 O 3 and ZrO 2 ,
The raw material of the glass electrolyte includes at least one selected from the group consisting of LiOH·EH 2 O, SnO, Nb 2 O 5 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , H 3 PO 4 and H 3 BO 3 .
A method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid lithium ion secondary battery.
제5 항에 있어서,
상기 산화물전해질 및/또는 유리전해질 제조 시, LiOH·EH2O를 당량보다 10% 초과하여 사용하는
전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
When preparing the oxide electrolyte and/or the glass electrolyte, LiOH·EH 2 O is used in excess of 10% of the equivalent
A method for manufacturing a composite electrolyte for an all-solid lithium ion secondary battery.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된
전고체 리튬이온이차전지용 복합전해질.
The method of any one of claims 1 to 6 prepared by
Composite electrolyte for all-solid-state lithium-ion secondary batteries.
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