KR20220036213A - 황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지 - Google Patents
황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220036213A KR20220036213A KR1020200118506A KR20200118506A KR20220036213A KR 20220036213 A KR20220036213 A KR 20220036213A KR 1020200118506 A KR1020200118506 A KR 1020200118506A KR 20200118506 A KR20200118506 A KR 20200118506A KR 20220036213 A KR20220036213 A KR 20220036213A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- solid electrolyte
- sulfide
- negative electrode
- active material
- electrode active
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000002203 sulfidic glass Substances 0.000 title 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 237
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 136
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 70
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 60
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 59
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 47
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 16
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 claims description 145
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 83
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 54
- -1 fatty acid ester Chemical class 0.000 claims description 48
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 34
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 28
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 27
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 claims description 26
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 26
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 21
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 21
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 19
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 18
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 17
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 17
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 17
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 16
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 13
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical group C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 11
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 11
- 125000002577 pseudohalo group Chemical group 0.000 claims description 11
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims description 10
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 claims description 10
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 9
- FFJCNSLCJOQHKM-CLFAGFIQSA-N (z)-1-[(z)-octadec-9-enoxy]octadec-9-ene Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCCOCCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC FFJCNSLCJOQHKM-CLFAGFIQSA-N 0.000 claims description 8
- HBXWUCXDUUJDRB-UHFFFAOYSA-N 1-octadecoxyoctadecane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCCOCCCCCCCCCCCCCCCCCC HBXWUCXDUUJDRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 8
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 claims description 7
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 claims description 7
- 239000012688 phosphorus precursor Substances 0.000 claims description 7
- FDCJDKXCCYFOCV-UHFFFAOYSA-N 1-hexadecoxyhexadecane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCOCCCCCCCCCCCCCCCC FDCJDKXCCYFOCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- DTPCFIHYWYONMD-UHFFFAOYSA-N decaethylene glycol Polymers OCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCO DTPCFIHYWYONMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 claims description 6
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 claims description 6
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 6
- 229920001214 Polysorbate 60 Polymers 0.000 claims description 5
- CMCBDXRRFKYBDG-UHFFFAOYSA-N 1-dodecoxydodecane Chemical compound CCCCCCCCCCCCOCCCCCCCCCCCC CMCBDXRRFKYBDG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 101000878457 Macrocallista nimbosa FMRFamide Proteins 0.000 claims description 4
- ATHHXGZTWNVVOU-UHFFFAOYSA-N N-methylformamide Chemical compound CNC=O ATHHXGZTWNVVOU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 claims description 4
- 239000008096 xylene Substances 0.000 claims description 4
- 229920001213 Polysorbate 20 Polymers 0.000 claims description 3
- 235000010486 polyoxyethylene sorbitan monolaurate Nutrition 0.000 claims description 3
- JYCQQPHGFMYQCF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-Octylphenol monoethoxylate Chemical compound CC(C)(C)CC(C)(C)C1=CC=C(OCCO)C=C1 JYCQQPHGFMYQCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DKPFZGUDAPQIHT-UHFFFAOYSA-N Butyl acetate Natural products CCCCOC(C)=O DKPFZGUDAPQIHT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920001219 Polysorbate 40 Polymers 0.000 claims description 2
- FUZZWVXGSFPDMH-UHFFFAOYSA-M hexanoate Chemical compound CCCCCC([O-])=O FUZZWVXGSFPDMH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 229950004053 octoxinol Drugs 0.000 claims description 2
- 229940051841 polyoxyethylene ether Drugs 0.000 claims description 2
- 229920000056 polyoxyethylene ether Polymers 0.000 claims description 2
- 235000010482 polyoxyethylene sorbitan monooleate Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000001818 polyoxyethylene sorbitan monostearate Substances 0.000 claims description 2
- 235000010989 polyoxyethylene sorbitan monostearate Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000001816 polyoxyethylene sorbitan tristearate Substances 0.000 claims description 2
- 235000010988 polyoxyethylene sorbitan tristearate Nutrition 0.000 claims description 2
- 229920000053 polysorbate 80 Polymers 0.000 claims description 2
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 3
- FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N ethyl propionate Chemical compound CCOC(=O)CC FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- OQICDZLCHORSMX-UHFFFAOYSA-N oxirane-2,2,3-triol Chemical group OC1OC1(O)O OQICDZLCHORSMX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 125000000101 thioether group Chemical group 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 238
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 40
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 37
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical group [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 20
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 19
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 19
- 229910018091 Li 2 S Inorganic materials 0.000 description 15
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 14
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 14
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 12
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 12
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 12
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 11
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 10
- 229910021437 lithium-transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 10
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 7
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 6
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 235000002639 sodium chloride Nutrition 0.000 description 6
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 6
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 6
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 5
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 5
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 5
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 4
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 4
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 4
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 4
- 229920000136 polysorbate Polymers 0.000 description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 4
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- GPRLSGONYQIRFK-MNYXATJNSA-N triton Chemical group [3H+] GPRLSGONYQIRFK-MNYXATJNSA-N 0.000 description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 4
- JKXYOQDLERSFPT-UHFFFAOYSA-N 2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-(2-octadecoxyethoxy)ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethanol Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCO JKXYOQDLERSFPT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910015568 LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2 Inorganic materials 0.000 description 3
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 3
- 239000006183 anode active material Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 3
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 3
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N ether Substances CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 3
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 3
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 3
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 description 3
- 235000019333 sodium laurylsulphate Nutrition 0.000 description 3
- KVNYFPKFSJIPBJ-UHFFFAOYSA-N 1,2-diethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1CC KVNYFPKFSJIPBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NLMKTBGFQGKQEV-UHFFFAOYSA-N 2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-(2-hexadecoxyethoxy)ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethanol Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCO NLMKTBGFQGKQEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XFXPMWWXUTWYJX-UHFFFAOYSA-N Cyanide Chemical compound N#[C-] XFXPMWWXUTWYJX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018133 Li 2 S-SiS 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013716 LiNi Inorganic materials 0.000 description 2
- URLKBWYHVLBVBO-UHFFFAOYSA-N Para-Xylene Chemical group CC1=CC=C(C)C=C1 URLKBWYHVLBVBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical compound CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013504 Triton X-100 Substances 0.000 description 2
- 229920004890 Triton X-100 Polymers 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 239000006232 furnace black Substances 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-N hydrogen thiocyanate Natural products SC#N ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910000625 lithium cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Inorganic materials [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- JILPJDVXYVTZDQ-UHFFFAOYSA-N lithium methoxide Chemical compound [Li+].[O-]C JILPJDVXYVTZDQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido(oxo)cobalt Chemical compound [Li+].[O-][Co]=O BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 239000012454 non-polar solvent Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- XPGAWFIWCWKDDL-UHFFFAOYSA-N propan-1-olate;zirconium(4+) Chemical compound [Zr+4].CCC[O-].CCC[O-].CCC[O-].CCC[O-] XPGAWFIWCWKDDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 2
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GJKZJNZHHXWKCH-UHFFFAOYSA-N 1-[4-(4-chlorophenyl)-1-[3-(4-methylpiperazin-1-yl)propyl]piperidin-3-yl]ethanone;trihydrochloride Chemical compound Cl.Cl.Cl.C1CN(C)CCN1CCCN1CC(C(C)=O)C(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CC1 GJKZJNZHHXWKCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HNUQMTZUNUBOLQ-UHFFFAOYSA-N 2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-(2-octadecoxyethoxy)ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethanol Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCO HNUQMTZUNUBOLQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IEQAICDLOKRSRL-UHFFFAOYSA-N 2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-[2-(2-dodecoxyethoxy)ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethanol Chemical compound CCCCCCCCCCCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCO IEQAICDLOKRSRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LLQHSBBZNDXTIV-UHFFFAOYSA-N 6-[5-[[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]methyl]-4,5-dihydro-1,2-oxazol-3-yl]-3H-1,3-benzoxazol-2-one Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)CC1CC(=NO1)C1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 LLQHSBBZNDXTIV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XZIIFPSPUDAGJM-UHFFFAOYSA-N 6-chloro-2-n,2-n-diethylpyrimidine-2,4-diamine Chemical compound CCN(CC)C1=NC(N)=CC(Cl)=N1 XZIIFPSPUDAGJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001148 Al-Li alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001020 Au alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- QYOVMAREBTZLBT-KTKRTIGZSA-N CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCO Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCOCCO QYOVMAREBTZLBT-KTKRTIGZSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020314 ClBr Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000927 Ge alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005793 GeO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018127 Li 2 S-GeS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008266 Li-Ag Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008029 Li-In Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008365 Li-Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008405 Li-Zn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009324 Li2S-SiS2-Li3PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009320 Li2S-SiS2-LiBr Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009316 Li2S-SiS2-LiCl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009318 Li2S-SiS2-LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009328 Li2S-SiS2—Li3PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007281 Li2S—SiS2—B2S3LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007295 Li2S—SiS2—Li3PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007291 Li2S—SiS2—LiBr Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007288 Li2S—SiS2—LiCl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007289 Li2S—SiS2—LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007306 Li2S—SiS2—P2S5LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000572 Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide (NCM) Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008445 Li—Ag Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006670 Li—In Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006759 Li—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007049 Li—Zn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- IYFATESGLOUGBX-YVNJGZBMSA-N Sorbitan monopalmitate Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OC[C@@H](O)[C@H]1OC[C@H](O)[C@H]1O IYFATESGLOUGBX-YVNJGZBMSA-N 0.000 description 1
- HVUMOYIDDBPOLL-XWVZOOPGSA-N Sorbitan monostearate Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OC[C@@H](O)[C@H]1OC[C@H](O)[C@H]1O HVUMOYIDDBPOLL-XWVZOOPGSA-N 0.000 description 1
- ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-M Thiocyanate anion Chemical compound [S-]C#N ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- QTHKJEYUQSLYTH-UHFFFAOYSA-N [Co]=O.[Ni].[Li] Chemical compound [Co]=O.[Ni].[Li] QTHKJEYUQSLYTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N [Li].[S] Chemical compound [Li].[S] JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- NDPGDHBNXZOBJS-UHFFFAOYSA-N aluminum lithium cobalt(2+) nickel(2+) oxygen(2-) Chemical compound [Li+].[O--].[O--].[O--].[O--].[Al+3].[Co++].[Ni++] NDPGDHBNXZOBJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001540 azides Chemical class 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- NKCVNYJQLIWBHK-UHFFFAOYSA-N carbonodiperoxoic acid Chemical compound OOC(=O)OO NKCVNYJQLIWBHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- OMZSGWSJDCOLKM-UHFFFAOYSA-N copper(II) sulfide Chemical compound [S-2].[Cu+2] OMZSGWSJDCOLKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- XLJMAIOERFSOGZ-UHFFFAOYSA-M cyanate Chemical compound [O-]C#N XLJMAIOERFSOGZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 125000000753 cycloalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol Chemical compound OCCOCCO MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N dilithium;dioxido(dioxo)manganese Chemical compound [Li+].[Li+].[O-][Mn]([O-])(=O)=O QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 1
- XYIBRDXRRQCHLP-UHFFFAOYSA-N ethyl acetoacetate Chemical compound CCOC(=O)CC(C)=O XYIBRDXRRQCHLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SFNALCNOMXIBKG-UHFFFAOYSA-N ethylene glycol monododecyl ether Chemical compound CCCCCCCCCCCCOCCO SFNALCNOMXIBKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000008040 ionic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K lithium iron phosphate Chemical compound [Li+].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 1
- GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N lithium sulfide Chemical compound [Li+].[Li+].[S-2] GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- URIIGZKXFBNRAU-UHFFFAOYSA-N lithium;oxonickel Chemical compound [Li].[Ni]=O URIIGZKXFBNRAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002736 nonionic surfactant Substances 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 239000010450 olivine Substances 0.000 description 1
- 229910052609 olivine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 239000003495 polar organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 239000000256 polyoxyethylene sorbitan monolaurate Substances 0.000 description 1
- 235000010483 polyoxyethylene sorbitan monopalmitate Nutrition 0.000 description 1
- 239000000249 polyoxyethylene sorbitan monopalmitate Substances 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229940035044 sorbitan monolaurate Drugs 0.000 description 1
- 235000011071 sorbitan monopalmitate Nutrition 0.000 description 1
- 239000001570 sorbitan monopalmitate Substances 0.000 description 1
- 229940031953 sorbitan monopalmitate Drugs 0.000 description 1
- 239000001587 sorbitan monostearate Substances 0.000 description 1
- 235000011076 sorbitan monostearate Nutrition 0.000 description 1
- 229940035048 sorbitan monostearate Drugs 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- WWNBZGLDODTKEM-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenenickel Chemical compound [Ni]=S WWNBZGLDODTKEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004763 sulfides Chemical class 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
- H01M10/0562—Solid materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B25/00—Phosphorus; Compounds thereof
- C01B25/14—Sulfur, selenium, or tellurium compounds of phosphorus
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0402—Methods of deposition of the material
- H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/362—Composites
- H01M4/366—Composites as layered products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
- H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
- H01M4/382—Lithium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
- H01M4/40—Alloys based on alkali metals
- H01M4/405—Alloys based on lithium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/581—Chalcogenides or intercalation compounds thereof
- H01M4/5815—Sulfides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/027—Negative electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/028—Positive electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
- H01M2300/008—Halides
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
리튬을 포함하는 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질; 및 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물을 혼합하여 전구체 혼합물을 제공하는 단계; 상기 전구체 혼합물로부터 용매를 제거하는 단계; 및 용매가 제거된 결과물을 열처리하는 단계를 포함하는 황화물계 고체 전해질의 제조방법과 그 제조방법에 따라 제조된 황화물계 고체 전해질 및 이를 포함하는 전기화학전지가 제시된다.
Description
황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지에 관하 것이다.
최근 산업상의 요구에 의하여 에너지 밀도와 안전성이 높은 전지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들어, 리튬 이온 전지는 정보 관련 기기, 통신 기기 분야뿐만 아니라 자동차 분야에서도 실용화되고 있다. 자동차 분야에 있어서는 생명과 관계되기 때문에 특히 안전이 중요시된다.
현재 시판되고 있는 리튬 이온 전지는 가연성 유기 용매를 포함 전해액이 이용되고 있기 때문에, 단락이 발생한 경우 과열 및 화재 가능성이 있다. 이에 대해 전해액 대신에 고체 전해질을 이용한 전고체전지가 제안되고 있다.
전고체전지는 가연성 유기 용매를 사용하지 않음으로써, 단락이 발생해도 화재나 폭발이 발생할 가능성을 크게 줄일 수 있다. 따라서 이러한 전고체전지는 전해액을 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 크게 안전성을 높일 수 있다.
전고체전지의 고체 전해질로서 이온 전도도가 우수한 황화물계 고체 전해질이 사용된다.
황화물계 고체 전해질은 고상합성법 또는 용액합성법에 따라 제조할 수 있다. 황화물계 고체 전해질을 고상합성법에 따라 제조하는 경우, 입자 뭉침 현상이 관찰되어 입도 분포 특성이 매우 불균일하고 제조시간이 길고 많은 에너지가 필요하여 스케일업(scale-up)하는데 제한적이고 대량 생산이 어려워 이에 대한 개선이 요구된다.
한 측면은 황화물계 고체 전해질의 제조방법을 제공하는 것이다.
다른 한 측면은 상술한 제조방법에 따라 제조되어 입도 분포 특성이 개선된 황화물계 고체 전해질을 제공하는 것이다.
상기 황화물계 고체 전해질을 함유하여 셀 성능이 개선된 전기화학전지를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라,
리튬을 포함하는 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질; 및 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물을 혼합하여 전구체 혼합물을 제공하는 단계;
상기 전구체 혼합물로부터 용매를 제거하는 단계; 및
용매가 제거된 결과물을 열처리하는 단계를 포함하는 황화물계 고체 전해질의 제조방법이 제공된다.
다른 측면에 따라 하기 화학식 1로 표시되며, 아지로다이트 (Argyrodite) 결정 구조를 갖는 화합물을 포함하는 고체 전해질이며, 상기 화합물의 D50이 0.9 내지 5.0㎛이며, D10이 0.1 내지 0.8㎛이며, D90이 3 내지 20㎛인 황화물계 고체 전해질이 제공된다.
<화학식 1>
(Li1-aMa)7-dPS6-d+k(X)d
화학식 1 중, M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이며,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이며,
0<x<1, 0≤a<1, 0<d≤1.8, 0≤k<1이다.
또 다른 측면에 따라 양극층; 음극층; 및 상기 양극층과 음극층 사이에 배치되는 고체 전해질층을 포함하며,
상기 고체 전해질층이 상술한 황화물계 고체 전해질을 포함하는 전기화학전지가 제공된다.
한 측면에 따른 황화물계 고체 전해질의 제조방법을 이용하면, 입자의 뭉침 현상이 없고 균일한 입도 분포 특성을 갖는 황화물계 고체 전해질을 얻을 수 있고 대량생산이 가능하다. 그리고 이러한 황화물계 고체 전해질을 이용하면 우수한 이온전도도를 가지면서 사이클 특성이 개선된 전기화학전지를 제조할 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 황화물계 고체 전해질에 대한 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 황화물계 고체 전해질에 대한 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 황화물계 고체 전해질에 대한 입자 분포 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 황화물계 고체 전해질에 대한 라만 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 8은 예시적인 일구현예에 따른 전고체이차전지의 단면도이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 황화물계 고체 전해질에 대한 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 황화물계 고체 전해질에 대한 입자 분포 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 황화물계 고체 전해질에 대한 라만 분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 8은 예시적인 일구현예에 따른 전고체이차전지의 단면도이다.
일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함한 전기화학전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
하기 화학식 1로 표시되며, 아지로다이트 (Argyrodite) 결정 구조를 갖는 화합물을 포함하는 고체 전해질이며, 상기 화합물의 D50이 0.9 내지 5.0㎛이며, D10이 0.1 내지 0.8㎛이며, D90이 3 내지 20㎛인 황화물계 고체 전해질이 제공된다.
<화학식 1>
(Li1-aMa)7-dPS6-d+k(X)d
화학식 1 중, M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이며, X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이며, 0<x<1, 0≤a<1, 0<d≤1.8, 0≤k<1이다.
상기 화합물의 Dmin 내지 Dmax은 예를 들어 0.079㎛ 내지 15.56㎛ 범위를 갖는다. 그리고 Dmin은 화합물의 최소 입경을 나타내고, Dmax는 화합물의 최대 입경을 나타낸다.
황화물계 고체 전해질을 일반적인 용액 합성법으로 합성할 경우, 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질을 유기용매와 혼합하고 이를 교반하여 반응시키고, 열처리하는 공정으로 진행한다. 이러한 용액 합성법으로 제조된 황화물계 고체 전해질은 스케일업(scale-up)이 용이하고 낮은 에너지가 필요하고 반응시간이 짧고 제조비용이 저렴하다. 그러나 고상합성법에 따라 제조된 황화물계 고체 전해질과 비교하면 매우 작고 균일하지만 입자들끼리 뭉쳐있거나 네트워크를 이루는 형태로 관찰되어 이에 대한 개선이 필요하다.
이에 본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하여 입자의 크기가 작고 균일하며 뭉침 현상이 없고, 우수한 이온전도도를 갖는 황화물계 고체 전해질을 제조하는 방법과, 그 제조방법에 따라 얻어진 황화물계 고체 전해질을 완성하였다.
일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질은 고전압에서 안정하며 이를 이용하면 양극층과 전해질의 계면 반응에서의 부반응을 감소시켜 방전용량이 증가하고 수명 특성이 향상된 전기화학전지를 제조할 수 있다.
이하, 일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질의 제조방법을 살펴보기로 한다.
황화물계 고체 전해질은 얻기 위해서는 먼저, 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질; 및 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물을 혼합하여 전구체 혼합물을 제공하는 단계를 실시한다.
이어서 상기 과정에 따라 얻은 전구체 혼합물로부터 용매를 제거한 다음, 용매가 제거된 결과물을 열처리하는 단계를 포함하는 황화물계 고체 전해질을 수득할 수 있다.
전구체 혼합물로부터 용매를 제거하는 과정은 감압 회전증발기 등의 방법을 이용하여 실시할 수 있다.
전구체 혼합물 제조시 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물을 부가하면, 원료 물질들의 분산 및 혼합이 균일하게 이루어져서 이들의 반응이 최적화된 조건에서 진행되고 입자의 뭉침이 없고 입도 분포가 좁고 입자 크기가 일반적인 용액 합성법에 의하여 제조된 경우와 비교하여 상대적으로 작은 황화물계 고체 전해질을 용이하게 제조할 수 있다. 이 제조방법은 고상합성법에 비하여 높은 에너지가 필요하지 않고 제조시간이 짧아 제조비용이 저렴하고 스케일업(scale-up)이 용이하여 양산이 가능하다.
황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질은 화학식 1의 화합물을 포함하는 황화물계 고체 전해질을 얻을 수 있도록 황(S) 전구체, 인(P) 전구체 및 X 전구체를 포함하며, X 전구체의 X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이다.
소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물은 폴리에틸렌옥사이드계 유닛을 갖는 비이온성 화합물이다.
상기 화합물은 비이온성 계면활성제일 수 있다.
상기 유기 화합물은 비이온성 화합물로서 분자 중에 이온으로 해리되지 않는 수산기(-OH), 에테르결합(-O-), 아마이드 결합(-CONH-), 에스테르 결합(-COOR) 등을 가질 수 있다. 그리고 비이온성 화합물의 친수성-친유성 균형(HLB) 값은 4 내지 18의 범위이다. HLB가 20이면 고친유성 특성을 갖고 HLB가 0이면 고친수성 특성을 갖는다.
상기 유기 화합물은 예를 들어 옥톡시놀(Octoxinol), 폴리옥시에틸렌 솔비탄 지방산 에스테르(polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester), 폴리옥시에틸렌글리콜 에테르 또는 그 조합을 들 수 있다.
본 명세서에서 폴리옥시에틸렌 에테르는 폴리옥시에틸렌(4) 라우릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (23) 라우릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 (10) 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 (20) 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (10) 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (20) 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (10) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (20) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (100) 스테아릴 에테르 또는 그 조합을 들 수 있다.
폴리옥시에틸렌 솔비탄 지방산 에스테르는 폴리옥시에틸렌 (20) 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 (20) 소르비탄 모노팔미테이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸렌 솔비탄 트리스테아레이트, 폴리옥시에틸렌(20)소르비탄 모노올레이트(monooleate), 폴리옥시에틸렌 sorbane 트리올레이트, 폴리옥시에틸렌 모노스테아레이트, 또는 그 조합이다. 폴리옥시에틸렌 솔비탄 지방산 에스테르로서 예를 들어 상업적으로 시판되는 상품명으로는 Triton X-100(성분명: OCTYLPHENYLPOLYETHYLENE GLYCOL)를 사용할 수 있다.
폴리옥시에틸렌 지방산 에테르는 상업적으로 시판되는 상품명으로서 Brij30, Brij35, Brij52, Brij56, Brij58, Brij72, Brij76, Brij78, Brij92V, Brij93, Brij96V, Brij97, Brij98, Brij700 등이 있다. 이들 물질들의 성분 및 HLB값은 각각 하기 표 1과 같다.
일구현예에 따른 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물은 예를 들어 폴리에틸렌글리콜 솔비탄 모노라우레이트(Polyethylene glycol sorbitan monolaurate), 폴리에틸렌글리콜 솔브틴 모노팔미테이트(polyoxyethylene sorbitan monopalmitate), 폴리에틸렌 솔비탄 모노스테아레이트(polyoxyethylene sorbitan monostearate), 또는 그 조합물이다. 이러한 화합물은 시판에서 Tween 20, Tween®40, Tween®60, Tween®65, 80, Tween®95 등으로 구입할 수 있다. 이들 화합물의 성분 및 HLB값은 하기 표 2와 같다.
친수성 영역과 소수성 영역을 가지며 리튬에 미반응이면서 비이온성 유기 화합물의 함량은 리튬을 포함하는 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질의 총함량 100 중량부를 기준으로 하여 (0.5) 내지 ( 10 ) 중량부, 0.8 내지 8 중량부, 또는 1 내지 5 중량부%이다. 여기에서 “황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질”은 황화물계 고체 전해질 형성용 전구체의 총함량을 말한다. 상기 유기 화합물의 함량이 상기 범위일 때 입자 분포 및 입자크기가 제어된 황화물계 고체 전해질을 얻기가 용이하다.
황화물계 고체 전해질 제조시 상술한 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물 대신 이온성 및/또는 리튬 반응성 유기 화합물을 이용하는 경우, 황화물계 고체 전해질의 존재하는 Li이온과 부반응으로 인해 불순물이 생성되고 이로 인해 비가역이 발생될 수 있다.
일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질은 황(S) 전구체, 인(P) 전구체 및 X 전구체를 포함하며, X 전구체의 X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이다.
전구체 혼합물에 M 전구체를 더 부가할 수 있다. M 전구체의 M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이다.
황화물계 고체 전해질을 얻기 위한 열처리는 300℃ 내지 600℃에서 실시된다. 열처리는 300℃ 내지 550℃, 예를 들어 350 내지 500℃ 범위이다. 열처리가 상기 범위일 때, 입도 분포 특성이 우수하고 작은 입자 크기를 갖는 아지도다이트 결정구조를 갖는 황화물계 고체 전해질을 얻을 수 있다.
상술한 전구체 혼합물을 제공하는 단계는 황 전구체 및 인 전구체를 제1용매와 혼합하여 제1혼합물을 얻는 단계; 황 전구체와 X 전구체를 제2용매와 혼합하여 제2혼합물을 얻는 단계; 및 상기 제1혼합물과 제2혼합물을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1용매와 제2용매는 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 제1용매는 황 전구체 및 인 전구체를 용해 또는 분산하는 용매로서, 예를 들어 테트라하이드로퓨란, ( 아세토니트릴, 부틸아세테이트, N-에틸아세테이트, n-메틸포름아미드, 헵탄 및 , 자일렌 ) 중에서 선택된 하나 이상이다. 그리고 제2용매는 리튬 및 황 전구체와 X 전구체를 용해 또는 분산하는 용매로서 에탄올, (+ 메탄올, 에탄올, 프로판올과 같은 하이드록실 그룹, 아세토니트릴, 에틸프로피오네이트, 및 헵탄, 자일렌, 선형 및 고리형 탄화수소(예를 들어 프로판, 헵탄, 펜탄 또는 그 조합) 중에서 선택된 하나 이상의 극성 유기용매이다.
상술한 바와 같이 황 전구체 및 인 전구체를 제1용매와 혼합하여 제1혼합물을 얻는 단계와, 황 전구체와 X 전구체를 제2용매와 혼합하여 제2혼합물을 얻는 단계; 및 상기 제1혼합물과 제2혼합물을 얻는 단계를 거쳐 전구체 혼합물을 얻게 되면 P2S5와 같은 전구체가 에탄올과 같은 용매와 부반응되어 황화물계 고체 전해질의 전도도가 감소되는 것을 미연에 예방할 수 있다.
일구현예에 의하면, 제1용매와 반응하는 황전구체 및 인 전구체는 각각 Li2S 와 P2S5이고, 제2용매와 반응하는 황전구체는 예를 들어 Li2S이고 X 전구체는 예를 들어 LiCl이다. THF와 같은 제1용매내에서 Li2S 와 P2S5를 이용하여 먼저 Li3PS4를 만들고 이후 추가 Li2S 및 LiCl을 에탄올내에서 반응시켜 전구체 혼합물을 얻는다.
상기 황 전구체, 인 전구체, X 전구체 및 질소 전구체 중에서 선택된 하나 이상은 리튬을 함유할 수 있다.
황 전구체는 예를 들어 Li2S 등을 들 수 있고 인 전구체는 예를 들어 P2S5, 레드 포스포러스(red phosphorus), 화이트 포스포러스(white phosphorus), 포스포러스 파우더(phosphorus powder), P2O5, (NH4)2HP04, (NH4)H2P04, Na2HP04、Na3P04 등을 사용할 수 있다.
X 전구체는 예를 들어, 리튬할라이드이다. 리튬할라이드는 예를 들어 LiCl, LiI, LiBr 또는 그 조합이다.
전구체 혼합물에는 M 전구체가 더 부가될 수 있다. M 전구체의 M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이다.
상기 전구체 혼합물을 반응하여 황화물계 고체 전해질 전구체를 얻고 이 황화물계 고체 전해질 전구체를 열처리하는 과정을 통하여 황화물계 고체 전해질을 제조할 수 있다.
열처리온도는 예를 들어 300℃ 내지 600℃, 300℃ 내지 550℃, 또는 350 내지 500℃ 범위이다. 열처리를 상기 범위일 때 실시할 때 아지로나이트계 결정 구조를 갖는 황화물계 고체 전해질을 용이하게 얻을 수 있다. 열처리 시간은 열처리온도에 따라 달라지며, 예를 들어 1 내지 100 시간, 10 내지 80 시간, 20 내지 28 시간, 또는 24 시간이다. 이러한 범위의 열처리 시간에서 얻어지는 고체 전해질에서 우수한 이온전도도와 고온 안정성이 동시에 얻어진다.
열처리 분위기는 불활성 분위기이다. 열처리 분위기는 질소, 아르곤 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 불활성 분위기로 사용하는 것이라면 모두 가능하다.
열처리 분위기는 불활성 분위기이다. 열처리 분위기는 질소, 아르곤 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 불활성 분위기로 사용하는 것이라면 모두 가능하다.
일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질의 두께는 10 내지 200㎛이다. 황화물계 고체 전해질의 두께가 상기 범위일 때 전고체이차전지의 수명 특성의 개선효과가 우수하다.
전고체이차전지의 제조방법은 상술한 방법에 의하여 황화물계 고체 전해질을 제조하고, 제조된 황화물계 고체 전해질을 이용하여, 예를 들면, 양극층(10), 음극층(20) 및/또는 고체 전해질층(30)을 각각 제조한 후, 이러한 층들을 적층함에 의하여 제조한다.
상기 제조방법에 따라 실시하면 하기 화학식 1로 표시되며, 아지로다이트 결정 구조를 갖는 화합물을 포함하고, 화학식 1의 화합물의 D50이 0.9 내지 5.0㎛이며, D10이 0.1 내지 0.8㎛이며, D90이 3 내지 20㎛인 고체 전해질이 제공된다.
<화학식 1>
(Li1-aMa)7-dPS6-d+k(X)d
화학식 1 중, M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이며, X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이며, 0<x<1, 0≤a<1, 0<d≤1.8, 0≤k<1이다.
본 명세서에서 D10, D50 및 D90은 각각 입자의 입경을 측정하여 작은 입자부터 부피를 누적할 경우, 10%, 50% 및 90%에 해당하는 입경을 의미한다.
본 명세서에서 입자 크기는 입자가 구형인 경우에는 평균직경을 의미하고 입자가 비구형인 경우에는 장축길이를 의미한다. 입자 크기는 전자주사현미경, 입자 사이즈 분석기, 레이저식 입도 분포계 등을 이용하여 확인할 수 있다. 입자 크기는 예를 들어 레이저식 입도 분포계를 사용하여 측정한 메디안(median) 직경(D50)이다.
화학식 1의 화합물의 D50은 예를 들어 1.0 내지 4.0㎛ 또는 1.2 내지 3.8이며, D10이 예를 들어 0.1 내지 0.7㎛ 또는 0.3 내지 0.65㎛이며, D90은 예를 들어 4 내지 12㎛ 또는 5 내지 11㎛이다.
D90-D10은 20 ㎛ 이하, 15 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 1 내지 10㎛, 5 내지 10㎛, 5 내지 9㎛ 또는 5.04 내지 5.63㎛이다.
입도 분포 상대적 분포구간 지수(Relative Span Factor: R.S.F)는 하기식 1로 계산된다.
<식 1>
R.S.F=(D90-D10)/D50
화학식 1의 화합물의 입도 분포 상대적 분포구간 지수(R.S.F)는 2.6 내지 10, 2.65 내지 8, 2.7 내지 5 또는 2.75 내지 4이다. 입도 분포가 상기 범위일 때 입자 크기가 균일한 황화물계 고체 전해질을 얻을 수 있다.
화학식 1에서 M이 소듐(Na), 칼륨(K), 은(Ag)와 같이 1가 원소인 경우에는 k=0이고 M이 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn)와 같이 2가 또는 3가 원소인 경우에는 0<k<1이다.
본 명세서에서 "슈도할로겐(pseudohalogen)"은 자유 상태(free state)에서 할로겐(halogens)과 닮은 2개 이상의 전기음성도를 갖는 원자(electronegative atoms)들로 구성된 분자로서, 할라이드 이온(halide ions)과 유사한 음이온(anions)을 발생시킨다. 슈도할로겐의 예로는 시안화물(cyanide)(CN), 시아네이트(cyanate)(OCN), 티오시아네이트(thiocyanate)(SCN), 아자이드 (azide)(N3) 또는 그 조합물이다.
상기 화학식 1 에서 0<x≤0.5이다.
일구현예에 의하면, 화학식 1 에서 0<d≤1이다.
상기 화학식 1에서 (X)d 는 (Cl)d, (Br)d, 또는 (Br1-x2(Cl)x2)d이고, 0<x2<1, 0<d≤1이다.
일구현예에 따른 아지도다이트계 고체 전해질은 예를 들어 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이다.
<화학식 2>
Li7-dPS6-d(X)d
화학식 2 중, X는 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 또는 그 조합이며, 0<d≤1이다.
화학식 2에서 (X)d 는 (Cl)d, (Br)d, 또는 (Br1-x1(Cl)x1)d이고, 0<x1<1, 0<d≤1이다. x1은 예를 들어 0.1 내지 0.9, 예를 들어 0.2 내지 0.8, 0.3 내지 0.7, 0.4 내지 0.6, 또는 0.5이다.
화학식 1로 표시되는 화합물은 예를 들어 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물이다.
<화학식 3>
(Li1-aNaa)7-dPS6-d(X)d
화학식 3 중, X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen), 또는 그 조합이며, 0<a<1, 0<d≤1이고,
<화학식 4>
(Li1-aKa)7-dPS6-d(X)d
화학식 4 중, X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen), 또는 그 조합이며, 0<x<1, 0<d≤1, 0<a<1이다.
화학식 1의 화합물은 예를 들어 하기 화학식 5로 표시되는 화합물일 수 있다.
<화학식 5>
Li7-dPS6-d(Br1-x1(Cl)x1)d
화학식 5 중, 0<d≤1, 0<a<1, 0<x1<1이다.
화학식 1의 화합물은 예를 들어 Li6PS5Cl, Li5.8PS4.8Cl1.2, Li6PS5Br, Li5.8PS4.8ClBr0.2 등이 있다.
일구현에에 따른 황화물계 고체 전해질의 화학식 1의 화합물에 대한 라만분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A, 파수 130 내지 220cm-1에서 나타나는 피크 B, 파수 220 내지 320cm-1에서 나타나는 피크 C 및 파수 520 내지 620cm-1에서 나타나는 피크 D는 모두 아지도다이트를 나타내는 피크이다. 특히 피크 A에는 P-S 결합에 의해 저이온 전도성 물질인 물질인 P2S6 4-나 P2S7 4-가 함께 나타날 수 있다. 피크 A는 고이온전도성과 관련된 PS4 구조와 연관된 것이다. 만약 다른 물질이 더 존재하면 피크 A는 더 브로드해진다.
파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A의 반가폭이 10 내지 20cm-1 또는 14 내지 16.5 cm-1이다.
일구현에에 따른 황화물계 고체 전해질의 화학식 1의 화합물에 대한 라만 분석에서 피크 A의 세기가 강할수록 높은 이온전도도를 갖는 황화물계 고체 전해질임을 알 수 있다.
피크 A는 중심파수가 약 422cm-1이고 피크 B는 중심파수가 약 197cm-1이고 피크 D는 중심파수가 약 265cm-1이고 피크 E는 중심파수가 572cm-1이다. 여기에서 “중심파수”는 각 피크가 최대세기를 나타내는 파수를 의미한다.
라만 분석 스펙트럼에서 피크 A와 피크 B의 세기비 IA/IB가 8 이상, 8 내지 15, 8.1 내지 13, 또는 8.2 내지 11이다.
상기 화합물에 대한 라만분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 220 내지 320cm-1에서 나타나는 피크 C의 세기비 IA/IC가 8 이상, 8 내지 10, 8.1 내지 9.8, 예를 들어 8.3 내지 9.5이다.
파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 130 내지 220cm-1에서 나타나는 피크 B의 세기비 IA/IB가 8 이상, 8 내지 15, 8.1 내지 13, 또는 8.2 내지 11이다. 그리고 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A의 반가폭이 10 내지 20cm-1 또는 14 내지 16.5cm-1이다. 피크 A의 반가폭이 상기 범위일 때 이온전도도가 우수한 황화물계 고체 전해질을 얻을 수 있다.
상기 화합물에 대한 라만분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 220 내지 320cm-1에서 나타나는 피크 C의 세기비 IA/IC가 8 이상, 8 내지 10, 8.1 내지 9.8, 예를 들어 8.3 내지 9.5이다. 그리고 상기 화합물에 대한 라만분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 520 내지 620cm-1에서 나타나는 피크 D의 세기비 IA/ID가 8 이상, 8 내지 10, 8.1 내지 9, 또는 8.2 내지 8.8이다.
일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질은 전고체전지용 전해질 및/또는 양극층 전해질 소재로 사용될 수 있다. 그리고 상기 고체 전해질은 리튬-황 전지의 양극층 및/또는 전해질로 이용될 수 있다.
일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질은 양극 제조시 양극 전해질로 이용될 수 있고 리튬금속전지용 음극층 보호막으로 이용될 수 있다.
일구현예에 따른 항화물계 고체 전해질은 25℃에서의 이온전도도가 1mS/cm 이상, 1.3mS/cm 이상, 1.5mS/cm 이상, 1.6mS/cm 이상, 2.0mS/cm 이상, 2.0 내지 20 mS/cm, 또는 2.0 내지 10mS/cm이다. 황화물계 고체 전해질이 1 mS/cm 이상의 높은 이온전도도를 가짐에 의하여 전기화학전지의 전해질로 적용 가능하다.
다른 일구현예에 따른 전기화학전지는 양극층; 음극층; 및 상기 양극층과 음극층 사이에 배치되는 고체 전해질층을 포함하며, 고체 전해질이 상술한 고체 전해질을 포함한다. 고체 전해질층이 상술한 일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질을 포함함에 의하여 음극층이 포함하는 리튬 금속과의 부반응이 억제되므로 전기화학전지의 사이클 특성이 향상된다.
전기화학전지는 예를 들어 전고체이차전지, 또는 리튬공기전지일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 사용할 수 있는 전기화학전지이라면 모두 가능하다.
일구현예에 따른 전기화학전지에서 양극층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 함유하며, 아지로다이트 (Argyrodite) 결정 구조를 갖는 고체 전해질을 포함한다.
<화학식 1>
(Li1-aMa)7-dPS6-d+k(X)d
화학식 1 중, M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이며, X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이며,
0≤a<1, 0<d≤1.8, 0≤k<1이다.
양극층에서 상술한 화학식 1의 황화물계 고체 전해질의 함량은 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 70 중량부, 예를 들어 3 내지 70 중량부, 예를 들어 3 내지 60 중량부, 예를 들어 10 내지 60 중량부이다. 양극층에서 황화물계 고체 전해질의 함량이 상기 범위일 때 전기화학전지의 고전압 안정성이 개선된다.
일구현예에 따른 전기화학전지는 25℃ 항온조에서 4V 이상 충방전 후 100사이클에서 용량 보유율이 85% 이상, 예를 들어 86% 이상, 예를 들어 88% 이상, 예를 들어 88 내지 99.5%이다.
전고체이차전지에서 활물질층에 사용되는 고체 전해질은 고체 전해질층에 사용되는 고체 전해질과 상이한 입경 범위를 갖는다. 활물질층에 사용되는 고체 전해질은 예를 들어 고체 전해질층에 사용되는 고체 전해질에 비하여 작은 평균입경을 갖는다. 활물질층에 사용되는 고체 전해질의 평균입경은 100nm 내지 10㎛, 300nm 내지 8㎛, 또는 500nm 내지 5㎛이고, 고체 전해질층에 사용되는 고체 전해질의 평균입경은 500nm 내지 20㎛, 700nm 내지 15㎛ 또는 900nm 내지 10㎛이다.
이하, 일구현예에 따른 전기화학전지의 일예로서 전고체이차전지를 들어 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 전고체이차전지(1)는 음극집전체층(21) 및 제1 음극활물질층(22)을 포함하는 음극층(20); 양극활물질층(12)을 포함하는 양극층(10); 및 음극층(20)과 양극층(10) 사이에 배치된 고체 전해질층(30)을 포함한다. 양극층(10)은 일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질을 함유할 수 있다. 양극층은(10)은 예를 들어 양극 활물질, 고체 전해질 및 도전제를 함유한다.
(음극층)
도 6 내지 도 8을 참조하면, 음극층(20)은 음극집전체층(21) 및 제1 음극활물질층(22)을 포함하며, 제1 음극활물질층(22)이 음극활물질을 포함한다.
제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 입자 형태를 가진다. 입자 형태를 가지는 음극활물질의 평균 입경은 예를 들어, 4um 이하, 3um 이하, 2um 이하, 1um 이하, 또는 900nm 이하이다. 입자 형태를 가지는 음극활물질의 평균 입경은 예를 들어, 10nm 내지 4um 이하, 10nm 내지 3um 이하, 10nm 내지 2um 이하, 10nm 내지 1um 이하, 또는 10nm 내지 900nm 이하이다. 음극활물질이 이러한 범위의 평균 입경을 가짐에 의하여 충방전 시에 리튬의 가역적인 흡장(absorbing) 및/또는 방출(desorbing)이 더욱 용이할 수 있다. 음극활물질의 평균 입경은, 예를 들어, 레이저식 입도 분포계를 사용하여 측정한 메디안(median) 직경(D50)이다.
제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 탄소계 음극활물질 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
탄소계 음극활물질은 특히 비정질 탄소(amorphous carbon)이다. 비정질 탄소는 예를 들어 카본 블랙(carbon black)(CB), 아세틸렌 블랙(acetylene black)(AB), 퍼니스 블랙(furnace black)(FB), 켓젠 블랙(ketjen black)(KB), 그래핀(graphene) 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 비정질 탄소로 분류되는 것이라면 모두 가능하다. 비정질 탄소는 결정성을 가지지 않거나 결정성이 매우 낮은 탄소로서 결정성 탄소 또는 흑연계 탄소와 구분된다.
금속 또는 준금속 음극활물질은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하는 금속 음극활물질 또는 준금속 음극활물질로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 니켈(Ni)은 리튬과 합금을 형성하지 않으므로 금속 음극활물질이 아니다.
제1 음극활물질층(22)은 이러한 음극활물질 중에서 일종의 음극활물질을 포함하거나, 복수의 서로 다른 음극활물질의 혼합물을 포함한다. 예를 들어, 제1 음극활물질층(22)은 비정질 탄소만을 포함하거나, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함한다. 이와 다르게는, 제1 음극활물질층(22)은 비정질 탄소와 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상과의 혼합물을 포함한다. 비정질 탄소와 금 등의 혼합물의 혼합비는 중량비로서 예를 들어 10:1 내지 1:2, 5:1 내지 1:1, 또는 4:1 내지 2:1 이나 반드시 이러한 범위로 한정되지 않으며 요구되는 전고체이차전지(1)의 특성에 따라 선택된다. 음극활물질이 이러한 조성을 가짐에 의하여 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다.
제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 비정질 탄소로 이루어진 제1 입자 및 금속 또는 준금속으로 이루어진 제2 입자의 혼합물을 포함한다. 금속 또는 준금속은 예를 들어 예를 들어, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn) 등을 포함한다. 준금속은 다르게는 반도체이다. 제2 입자의 함량은 혼합물의 총 중량을 기준으로 8 내지 60 중량%, 10 내지 50중량%, 15 내지 40 중량%, 또는 20 내지 30 중량%이다. 제2 입자가 이러한 범위의 함량을 가짐에 의하여 예를 들어 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다.
제1 음극활물질층(22)은 예를 들어 바인더를 포함한다. 바인더는 예를 들어 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리에틸렌(polyethylene), 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 바인더는 단독 또는 복수의 서로 다른 바인더로 구성될 수 있다.
제1 음극활물질층(22)이 바인더를 포함함에 의하여 제1 음극활물질층(22)이 음극집전체(21) 상에 안정화된다. 또한, 충방전 과정에서 제1 음극활물질층(22)의 부피 변화 및/또는 상대적인 위치 변경에도 불구하고 제1 음극활물질층(22)의 균열이 억제된다. 예를 들어, 제1 음극활물질층(22)이 바인더를 포함하지 않는 경우, 제1 음극활물질층(22)이 음극집전체(21)로부터 쉽게 분리되는 것이 가능하다. 음극집전체(21)로부터 제1 음극활물질층(22)이 이탈한 부분은 음극집전체(21)이 노출되어 고체 전해질층(30)과 접촉함에 의하여, 단락이 발생할 가능성이 증가한다. 제1 음극활물질층(22)은 예를 들어 제1 음극활물질층(22)을 구성하는 재료가 분산된 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하고, 건조하여 제작된다. 바인더를 제1 음극활물질층(22)에 포함시킴에 의하여 슬러리 중에 음극활물질의 안정적인 분산이 가능하다. 예를 들어, 스크린 인쇄법으로 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하는 경우, 스크린의 막힘(예를 들어, 음극 활물질의 응집체에 의한 막힘)을 억제하는 것이 가능하다.
제1 음극활물질층의 두께(d22)는 예를 들어 양극활물질층 두께(d12)의 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 또는 5% 이하이다. 제1 음극활물질층의 두께(d22)는 예를 들어 1um 내지 20um, 2um 내지 10um, 또는 3um 내지 7um이다. 제1 음극활물질층의 두께(d22)가 지나치게 얇으면, 제1 음극활물질층(22)과 음극집전체(21) 사이에 형성되는 리튬 덴드라이트가 제1 음극활물질층(22)을 붕괴시켜 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다. 음극활물질층의 두께(d22)가 지나치게 증가하면 전고체이차전지(1)의 에너지 밀도가 저하되고 제1 음극활물질층(22)에 의한 전고체이차전지(1)의 내부 저항이 증가하여 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다.
제1 음극활물질층의 두께(d22)가 감소하면 예를 들어 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량도 감소한다. 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량은 예를 들어 양극활물질층(12)의 충전용량에 비하여 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 2% 이하이다. 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량은 예를 들어 양극활물질층(12)의 충전용량에 비하여 0.1% 내지 50%, 0.1% 내지 40%, 0.1% 내지 30%, 0.1% 내지 20%, 0.1% 내지 10%, 0.1% 내지 5%, 또는 0.1% 내지 2% 이다. 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량이 지나치게 작으면, 제1 음극활물질층(22)의 두께가 매우 얇아지므로 반복되는 충방전 과정에서 제1 음극활물질층(22)과 음극집전체(21) 사이에 형성되는 리튬 덴드라이트가 제1 음극활물질층(22)을 붕괴시켜 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다. 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량이 지나치게 증가하면 전고체이차전지(1)의 에너지 밀도가 저하되고 제1 음극활물질층(22)에 의한 전고체이차전지(1)의 내부 저항이 증가하여 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다.
양극활물질층(12)의 충전 용량은 양극활물질의 충전 용량 밀도(mAh/g)에 양극활물질층(12) 중 양극활물질의 질량을 곱하여 얻어진다. 양극활물질이 여러 종류 사용되는 경우, 양극활물질마다 충전 용량 밀도 X 질량 값을 계산하고, 이 값의 총합이 양극활물질층(12)의 충전 용량이다. 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량도 같은 방법으로 계산된다. 즉, 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량은 음극활물질의 충전 용량 밀도(mAh/g)에 제1 음극활물질층(22) 중 음극활물질의 질량을 곱함하여 얻어진다. 음극활물질이 여러 종류 사용되는 경우, 음극활물질마다 충전 용량 밀도 × 질량 값을 계산하고, 이 값의 총합이 제1 음극활물질층(22)의 용량이다. 여기서, 양극활물질 및 음극활물질의 충전 용량 밀도는 리튬 금속을 상대 전극으로 사용한 전고체 반전지(half-cell)을 이용하여 추정된 용량이다. 전고체 반전지(half-cell)를 이용한 충전 용량 측정에 의해 양극활물질층(12)과 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량이 직접 측정된다. 측정된 충전 용량을 각각 활물질의 질량으로 나누면, 충전 용량 밀도가 얻어진다. 다르게는, 양극활물질층(12)과 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량은 1 사이클 번째 충전시에 측정되는 초기 충전 용량일 수 있다.
음극집전체(21)은 예를 들어 리튬과 반응하지 않는, 즉, 합금 및 화합물을 모두 형성하지 않는 재료로 구성된다. 음극집전체(21)를 구성하는 재료는 예를 들어 구리(Cu), 스테인리스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 전극집전체로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 음극집전체(21)는 상술한 금속 중 1 종으로 구성되거나, 2 종 이상의 금속의 합금 또는 피복 재료로 구성될 수 있다. 음극집전체(21)는, 예를 들면, 판상 또는 박상(foil) 형태이다.
제1 음극활물질층(22)은 종래의 전고체이차전지(1)에 사용되는 첨가제 예를 들어 필러, 분산제, 이온도전제 등을 더 포함하는 것이 가능하다.
도 7을 참조하면, 전고체이차전지(1)는 예를 들어 음극집전체(21) 상에 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함하는 박막(24)을 더 포함한다. 박막(24)은 음극집전체(21)와 상기 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치된다. 박막(24)은 예를 들어 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함한다. 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소는, 예를 들어, 금, 은, 아연, 주석, 인듐, 규소, 알루미늄, 비스무스 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소라면 모두 가능하다. 박막(24)은 이들 금속 중 하나로 구성되거나, 여러 종류의 금속의 합금으로 구성된다. 박막(24)이 음극집전체(21) 상애 배치됨에 의하여, 예를 들어 박막(24)과 제1 음극활물질층(22) 사이에 석출되는 제2 음극활물질층(미도시)의 석출 형태가 더 평탄화되며, 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상될 수 있다.
박막의 두께(d24)는 예를 들어 1nm 내지 800nm, 10nm 내지 700nm, 50nm 내지 600nm, 또는 100nm 내지 500nm이다. 박막의 두께(d24)가 1nm 미만이 되는 경우 박막(24)에 의한 기능이 발휘되기 어려울 수 있다. 박막의 두께가 지나치게 두꺼우면, 박막(24) 자신이 리튬을 흡장하여 음극층에서 리튬의 석출량이 감소하여 전고체 전지의 에너지 밀도가 저하되고, 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 저하될 수 있다. 박막(24)은 예를 들어 진공 증착법, 스퍼터링 법, 도금법 등에 의해 음극 집전체(21) 상에 배치될 수 있으나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 박막(24)을 형성할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다.
일구현예에 의하면, 전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 예를 들어 음극집전체(21)와 고체 전해질층(30) 사이에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함한다.
전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 도 8에 나타난 바와 같이 예를 들어 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함할 수 있다. 도면에 도시되지 않으나, 전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 예를 들어 고체 전해질층(30)과 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함한다. 도면에 도시되지 않으나, 전고체이차전지(1)는 충전에 의하여 예를 들어 제1 음극활물질층(22) 내부에 배치되는 제2 음극활물질층(23)을 더 포함한다.
제2 음극활물질층(23)은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층이다. 금속층은 리튬 또는 리튬 합금을 포함한다. 따라서, 제2 음극활물질층(23)은 리튬을 포함하는 금속층이므로 예를 들어 리튬 저장고(reservoir)로서 작용한다. 리튬 합금은, 예를 들어, Li-Al 합금, Li-Sn 합금, Li-In 합금, Li-Ag 합금, Li-Au 합금, Li-Zn 합금, Li-Ge 합금, Li-Si 합금 등이나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬 합금으로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 제2 음극활물질층(23)은 이러한 합금 중 하나 또는 리튬으로 이루어질 수 있거나, 여러 종류의 합금으로 이루어진다.
제2 음극활물질층의 두께(d23)는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 1um 내지 1000um, 1um 내지 500um, 1um 내지 200um, 1um 내지 150um, 1um 내지 100um, 또는 1um 내지 50um이다. 제2 음극활물질층의 두께(d23)가 지나치게 얇으면, 제2 음극활물질층(23)에 의한 리튬 저장고(reservoir) 역할을 수행하기 어렵다. 제2 음극활물질층의 두께(d23)가 지나치게 두꺼우면 전고체이차전지(1)의 질량 및 부피가 증가하고 사이클 특성이 오히려 저하될 가능성이 있다. 제2 음극활물질층(23)은, 예를 들어, 이러한 범위의 두께를 갖는 금속 호일일 수 있다.
전고체이차전지(1)에서 제2 음극활물질층(23)은 예를 들어 전고체이차전지(1)의 조립 전에 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 배치되거나 전고체이차전지(1)의 조립 후에 충전에 의하여 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 석출된다.
전고체이차전지(1)의 조립 전에 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 제2 음극활물질층(23)이 배치되는 경우, 제2 음극활물질층(23)이 리튬을 포함하는 금속층이므로 리튬 저장고(reservoir)로서 작용한다. 제2 음극활물질층(23)을 포함하는 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다. 예를 들어, 전고체이차전지(1)의 조립 전에 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 리튬 호일이 배치된다.
전고체이차전지(1)의 조립 후에 충전에 의하여 제2 음극활물질층(23)이 배치되는 경우, 전고체이차전지(1)의 조립 시에 제2 음극활물질층(23)을 포함하지 않으므로 전고체이차전지(1)의 에너지 밀도가 증가한다. 예를 들어, 전고체이차전지(1)의 충전시, 제1 음극활물질층(22)의 충전 용량을 초과하여 충전한다. 즉, 제1 음극활물질층(22)을 과충전한다. 충전 초기에는 제1 음극활물질층(22)에 리튬을 흡장된다. 즉, 제1 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 양극층(10)에서 이동해온 리튬 이온과 합금 또는 화합물을 형성한다. 제1 음극활물질층(22)의 용량을 초과하여 충전을 하면, 예를 들어 제1 음극활물질층(22)의 후면, 즉 음극집전체(21)와 제1 음극활물질층(22) 사이에 리튬이 석출되고, 석출된 리튬에 의해 제2 음극활물질층(23)에 해당하는 금속층이 형성된다. 제2 음극활물질층(23)은 주로 리튬(즉, 금속 리튬)으로 구성되는 금속층이다. 이러한 결과는 예를 들어 제1 음극활물질층(22)에 포함되는 음극활물질이 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하는 물질로 구성됨에 의하여 얻어진다. 방전시에는 제1 음극활물질층(22) 및 제2 음극활물질층(23), 즉 금속층의 리튬이 이온화되어 양극층(10) 방향으로 이동한다. 따라서, 전고체이차전지(1)에서 리튬을 음극활물질로 사용하는 것이 가능하다. 또한, 제1 음극활물질층(22)은 제2 음극활물질층(23)을 피복하기 때문에, 제2 음극활물질층(23), 즉 금속층의 보호층 역할을 하는 동시에, 리튬 덴드라이트(dendrite)의 석출 성장을 억제하는 역할을 수행한다. 따라서, 전고체이차전지(1)의 단락 및 용량 저하를 억제하고, 결과적으로 전고체이차전지(1)의 사이클 특성을 향상시킨다. 또한, 전고체이차전지(1)의 조립 후에 충전에 의하여 제2 음극활물질층(23)이 배치되는 경우, 음극집전체(21)와 상기 제1 음극활물질층(22) 및 이들 사이의 영역은 예를 들어 전고체이차전지의 초기 상태 또는 방전후 상태에서 리튬(Li) 금속 또는 리튬(Li) 합금을 포함하지 않는 Li-프리(free) 영역이다.
전고체이차전지(1)는 도 6에 나타난 바와 같이 양극집전체(21) 상에 제2 음극활물질층(23)이 배치되고, 제2 음극활물질층(23) 상에 고체 전해질층(30)이 직접 배치되는 구조를 가진다. 제2 음극활물질층(23)은 예를 들어 리튬 금속층 또는 리튬 합금층이다.
고체 전해질층(30)이 상술한 황하물계 고체 전해질을 포함함에 의하여 리튬 금속층인 제2 음극활물질층(23)과 고체 전해질층(30)의 부반응이 억제되므로 전고체이차전지(1)의 사이클 특성이 향상된다.
(고체 전해질층)
도 6 내지 8을 참조하면, 고체 전해질층(30)은 양극층(10) 및 음극층(20) 사이에 배치된 고체 전해질을 함유하며, 고체 전해질은 일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질을 포함한다.
고체 전해질은 일구현예에 따른 고체 전해질외에 종래의 일반적인 황화물계 고체 전해질을 더 포함하는 것이 가능하다. 고체 전해질은 예를 들어 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiX, X는 할로겐 원소, Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-LiI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn, m, n은 양의 수, Z는 Ge, Zn 또는 Ga 중 하나, Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LipMOq, p, q는 양의 수, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga In 중 하나, 중에서 선택된 하나 이상인 황화물계 고체 전해질을 더 포함한다. 고체 전해질이 더 포함하는 황화물계 고체 전해질은 비정질이거나, 결정질이거나, 이들이 혼합된 상태이다.
또한, 황화물계 고체전해질은 예를 들어 상술한 황화물계 고체 전해질 재료 중 적어도 구성 원소로서 황(S), 인(P) 및 리튬(Li)을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 황화물계 고체전해질은 Li2S-P2S5을 포함하는 재료일 수 있다. 황화물계 고체 전해질 재료로 Li2S-P2S5를 포함하는 것을 이용하는 경우, Li2S와 P2S5의 혼합 몰비는, 예를 들어, Li2S : P2S5 = 50 : 50 내지 90 : 10 정도의 범위이다.
아지로다이트형 고체 전해질은 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 포함한다. 아지로다이트형 고체 전해질은 특히 Li6PS5Cl, Li6PS5Br, 및 Li6PS5I 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
고체 전해질층(30)은 예를 들어 바인더를 더 포함한다. 고체 전해질층(30)에 포함되는 바인더는, 예를 들면, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리 불화 비닐 리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌 (polyethylene) 등이나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 고체 전해질층(30)의 바인더는 양극활물질층(12)과 음극활물질층(22)의 바인더와 동종이거나 다를 수 있다.
(양극층)
양극층(10)은 양극집전체(11) 및 양극활물질층(12)을 포함하다.
양극집전체(11)는 예를 들어 인듐(In), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 리튬(Li) 또는 이들의 합금으로 이루어진 판상체(plate) 또는 호일(foil) 등을 사용한다. 양극 집전체(11)는 생략 가능하다.
양극활물질층(12)은 예를 들어 양극 활물질 및 고체 전해질을 포함한다. 양극층(10)에 포함된 고체 전해질은 고체 전해질층(30)에 포함되는 고체 전해질과 유사하거나 다르다. 고체 전해질에 대한 자세한 내용은 고체 전해질층(30) 부분을 참조한다. 일구현예에 의하면 상기 고체 전해질은 일구현예에 따른 고체 전해질을 함유한다.
양극층은 양극 활물질을 함유하며, 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장(absorb) 및 방출(desorb)할 수 있는 화합물로서, 예를 들어 층상 결정 구조(layered crystal structure)를 가지는 리튬전이금속산화물, 올리빈 결정 구조(olivine crystal structure)를 가지는 리튬전이금속산화물 및 스피넬 결정 구조(spinel crystal structure)를 가지는 리튬전이금속산화물 중에서 선택된 하나 이상이다. 양극 활물질은 예를 들어 리튬코발트산화물(LCO), 리튬니켈산화물(Lithium nickel oxide), 리튬니켈코발트산화물(lithium nickel cobalt oxide), 리튬니켈코발트알루미늄산화물(NCA), 리튬니켈코발트망간산화물(NCM), 리튬망간산화물(lithium manganate), 리튬인산철산화물(lithium iron phosphate) 등의 리튬전이금속산화물, 황화 니켈, 황화 구리, 황화 리튬, 산화철, 또는 산화 바나듐(vanadium oxide) 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 양극활물질로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 양극활물질은 각각 단독이거나, 또한 2종 이상의 혼합물이다.
리튬전이금속산화물은 예를 들어, LiaA1-bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물이다. 이러한 화합물에서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다. 이러한 화합물 표면에 코팅층이 부가된 화합물의 사용도 가능하며, 상술한 화합물과 코팅층이 부가된 화합물의 혼합물의 사용도 가능하다. 이러한 화합물의 표면에 부가되는 코팅층은 예를 들어 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함한다. 이러한 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질이다. 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물이다. 코팅층 형성 방법은 양극활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 범위 내에서 선택된다. 코팅 방법은 예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등이다. 구체적인 코팅 방법은 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
양극 활물질은 예를 들어 상술한 리튬전이금속산화물 중 층상암염형(layered rock salt type) 구조를 갖는 전이금속산화물의 리튬염을 포함한다. "층상 암염형 구조"는 예를 들어 입방정 암염형(cubic rock salt type) 구조의 <111> 방향으로 산소 원자층과 금속 원자층이 교대로 규칙적으로 배열하고, 이에 의하여 각각의 원자층이 이차원 평면을 형성하고 있는 구조이다. "입방정 암염형 구조"는 결정 구조의 일종인 염화나트륨형(NaCl type) 구조를 나타내며, 구체적으로는 양이온 및 음이온의 각각 형성하는 면심 입방 격자(face centered cubic lattice, fcc)가 서로 단위 격자(unit lattice)의 능(ridge)의 1/2 만큼 어긋나 배치된 구조를 나타낸다. 이러한 층상암염형 구조를 갖는 리튬전이금속산화물은, 예를 들어, LiNixCoyAlzO2 (NCA) 또는 LiNixCoyMnzO2 (NCM) (0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1) 등의 삼원계 리튬전이금속산화물이다. 양극활물질이 층상암염형 구조를 갖는 삼원계 리튬전이금속산화물을 포함하는 경우, 전고체이차전지(1)의 에너지(energy) 밀도 및 열안정성이 더욱 향상된다.
양극 활물질은 상술한 바와 같이 피복층에 의해 덮여 있을 수 있다. 피복층은 전고체 이차 전지의 양극 활물질의 피복층으로 공지된 것이면 어떤 것이라도 좋다. 피복층은 예를 들어 Li2O-ZrO2 등이다.
양극활물질이 예를 들어 NCA 또는 NCM 등의 삼원계 리튬전이금속산화물로서 니켈(Ni)을 포함하는 경우, 전고체이차전지(1)의 용량 밀도를 상승시켜 충전 상태에서 양극활물질의 금속 용출의 감소가 가능하다. 결과적으로, 전고체이차전지(1)의 충전 상태에서의 사이클(cycle) 특성이 향상된다.
양극활물질의 형상은, 예를 들어, 진구, 타원 구형 등의 입자 형상이다. 양극활물질의 입경은 특별히 제한되지 않으며, 종래의 전고체이차전지의 양극활물질에 적용 가능한 범위이다. 양극층(10)의 양극활물질의 함량도 특별히 제한되지 않고, 종래의 전고체이차전지의 양극층에 적용 가능한 범위이다.
양극층(10)은 상술한 양극활물질 및 고체 전해질 외에 예를 들어 도전제, 바인더, 필러(filler), 분산제, 이온 전도성 보조제 등의 첨가제를 더 포함하는 것이 가능하다. 이러한 도전제는 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 켓젠(Ketjen) 블랙, 탄소 섬유, 금속 분말 등이다. 바인더는 예를 들어 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene) 등이다. 양극층(10)에 배합 가능한 코팅제, 분산제, 이온 전도성 보조제 등으로는 일반적으로 고체 이차 전지의 전극에 사용되는 공지의 재료를 사용한다.
일구현예에 따른 고체 전해질의 두께는 10 내지 200㎛이다. 고체 전해질의 두께가 상기 범위일 때 전고체이차전지의 고율 특성 및 수명 특성의 개선효과가 우수하다.
다른 일구현예에 따른 전고체이차전지 제조 방법은 상술한 방법에 의하여 고체 전해질을 제조하고, 제조된 고체 전해질을 이용하여, 예를 들면, 양극층(10), 음극층(20) 및/또는 고체 전해질층(30)을 각각 제조한 후, 이러한 층들을 적층함에 의하여 제조한다.
(음극층의 제조)
제1 음극활물질층(22)을 구성하는 재료인 음극 활물질, 도전재, 바인더, 고체 전해질 등을 극성 용매 또는 비극성 용매에 첨가하여 슬러리를 준비한다. 준비된 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하고 건조하여 제1 적층체를 준비한다. 이어서, 건조된 제1 적층체를 가압하여, 음극층(20)을 준비한다. 가압은 예를 들어 롤 가압(roll press), 평판 가압(flat press) 등이나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용하는 가압이라면 모두 가능하다. 가압 단계를 생략 가능하다.
상기 음극층은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질을 함유하는 제1음극 활물질층을 함유하며, 상기 음극활물질이 탄소계 음극활물질 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 상기 탄소계 음극활물질은 비정질 탄소(amorphous carbon) 및 결정질 탄소(crystalline carbon) 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 그리고 상기 금속 또는 준금속 음극활물질은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이다.
상기 음극집전체와 상기 제1 음극 활물질층 사이 및 고체 전해질층과 제1 음극활물질층 사이 중 하나 이상에 배치된 제2 음극활물질층을 더 포함하고, 상기 제2 음극활물질층은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층이다.
(양극층의 제조)
양극활물질층(12)을 구성하는 재료인 양극 활물질, 도전재, 바인더, 고체 전해질 등을 비극성 용매에 첨가하여 슬러리(slurry)를 제조한다. 제조된 슬러리를 양극집전체(11) 상에 도포하고 건조한다. 얻어진 적층체를 가압하여 양극층(10)을 제조한다. 가압은 예를 들어 롤 가압(roll press), 평판 가압(flat press), 정수압을 이용한 가압 등이나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용하는 가압이라면 모두 가능하다. 가압 공정은 생략해도 좋다. 다르게는, 양극활물질층(12)을 구성하는 재료의 혼합물을 펠렛(pellet) 형태로 압밀화(壓密化) 성형하거나 시트 형태로 늘리는(성형) 것으로 양극층(10)을 제작한다. 이러한 방법으로 양극층(10)을 제작하는 경우, 양극 집전체(11)는 생략할 수 있다.
(고체 전해질층의 제조)
고체 전해질층(30)은 일구현예에 따른 황화물계 고체 전해질을 포함한다.
고체 전해질층(30)은 상술한 황화물계 고체 전해질 이외에 전고체이차전지에서 사용되는 일반적인 황화물계 고체 전해질을 더 함유할 수 있다.
일반적인 황화물계 고체 전해질은 예를 들어 황화물계 고체 전해질과 용매, 바인더를 혼합하여 도포하고 건조 및 가압하여 제작할 수 있다. 다르게는, 상술한 황화물계 고체 전해질 제조 방법으로 얻어진 황화물계 고체 전해질을 예를 들어 에어로졸 증착(aerosol deposition) 법, 콜드 스플레이(cold spray) 법, 스퍼터링 법 등의 공지의 성막법을 이용하여 증착함에 의하여 고체 전해질을 제작할 수 있다. 다르게는, 고체 전해질은 고체 전해질 입자 단체(simple substance)를 가압하여 제작할 수 있다.
(전고체이차전지의 제조)
상술한 방법으로 제작한 양극층(10), 음극층(20) 및 고체 전해질(30)을, 양극층(10)과 음극층(20)이 고체 전해질(30)을 사이에 가지도록 적층하고 가압함에 의하여, 전고체이차전지(1)를 제작한다.
예를 들어, 양극층(10) 상에 고체 전해질층(20)을 배치하여 제2 적층체를 준비한다. 이어서, 고체 전해질층(30)과 제1 음극활물질층이 접촉하도록 제2 적층체 상에 음극(20)을 배치하여 제3 적층체를 준비하고, 제3 적층체를 가압하여 전고체이차전지(10)를 제조한다. 가압은 예를 들어 상온(20℃ 내지 25℃) 내지 90℃의 온도의 온도에서 수행된다. 다르게는, 가압이 100℃ 이상의 고온에서 수행된다. 가압이 가해지는 시간은 예를 들어 30 분 이하, 20 분 이하, 15 분 이하 또는 10 분 이하이다. 가압이 가해지는 시간은 1ms 내지 30 분, 1ms 내지 20 분, 1ms 내지 15 분 또는 1 ms 내지 10 분이다. 가압 방법은 예를 들어 정수압 가압(isotactic press), 롤 가압(roll press), 평판 가압(flat press), 등이나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용하는 가압이라면 모두 가능하다. 가압 시에 가해지는 압력은 예를 들어 500 MPa 이하, 300 MPa 이하, 200 MPa 이하, 또는 100 MPa 이하이다.
가압 시에 가해지는 압력은 예를 들어 50 MPa 내지 500 MPa, 50 MPa 내지 350 MPa, 50 MPa 내지 150 MPa, 50 MPa 내지 또는 100 MPa이다. 이러한 가압에 의하여 예를 들어 고체 전해질 분말이 소결되어 하나의 고체 전해질을 형성한다.
이상에서 설명한 전고체이차전지의 구성 및 제작 방법은 실시 형태의 일례로서, 구성 부재 및 제작 절차 등을 적절히 변경할 수 있다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 참조하여 실시 형태와 관련된 고체 전해질의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 덧붙여, 이하에 나타내는 실시예는 예시적인 목적으로 제공되는 것일 뿐, 하기 예로 한정되는 것은 아니다.
(황화물계 고체 전해질의 제조)
실시예 1
황화물계 고체 전해질(Li6PS5Cl)을 얻을 수 있도록 Li2S, P2S5 및 , Triton X-100(Sigma-Aldrich사)을 당량에 맞게 칭량(weighing)한 후 THF에 넣어 현탁액인 제1혼합물을 제조하였다. 여기에서 THF의 함량은 제1혼합물에서 고형분의 함량이 10중량%가 되도록 제어하였다.
이와 별도로 Li2S 및 LiCl을 황화물계 고체 전해질(Li6PS5Cl)을 얻을 수 있도록 당량에 맞게 칭량하여 에탄올에 용해하여 제2혼합물을 제조하였다. 에탄올의 함량은 제2혼합물에서 고형분의 함량이 15중량%가 되도록 제어하였다.
상기 Triton X-100의 함량은 Li2S, P2S5, LiCl의 목적하는 황화물계 고체 전해질 총중량 100 중량부를을 기준으로 하여 3 중량부%이다.
상기 제1혼합물과 제2혼합물을 혼합하여 밤새 교반한 후 얻어진 혼합물을 감압 회전증발기(rotary evaporator)를 이용하여 140℃에서 6시간 동안 건조하였다. 이후 건조된 결과물을 퍼니스에서 500℃에서 진공 열처리를 12시간 동안 실시하여 황화물계 고체 전해질(Li6PS5Cl)을 제조하였다.
실시예 2
Li2S, P2S5 및 LiCl의 함량을 황화물계 고체 전해질(Li5.8PS4.8Cl1.2)을 얻을 수 있도록 화학양론적으로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 황화물계 고체 전해질(Li5.8PS4.8Cl1.2)을 얻었다.
실시예 3
Li2S, P2S5, LiCl의 함량을 황화물계 고체 전해질(Li5.8PS4.8Cl1.2)을 얻을 수 있도록 화학양론적으로 변화되고 Triton X-100의 함량을 Li2S, P2S5, LiCl의 목적하는 황화물계 고체 전해질 총중량 100 중량부를을 기준으로 하여 5 중량부로 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 황화물계 고체 전해질(Li5.8PS4.8Cl1.2)을 얻었다.
비교예 1
제1혼합물 제조시 Triton X-100을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 황화물계 고체 전해질(Li6PS5Cl)을 얻었다.
비교예 2
황화물계 고체 전해질(Li5.8PS4.8Cl1.2)을 얻을 수 있도록, Li2S, P2S5, 및 LiCl의 함량을 화학양론적으로 제어한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일하게 실시하여 황화물계 고체 전해질을 얻었다.
비교예 3
Li2S, P2S5 및 LiCl을 혼합하여 전구체 혼합물을 얻고 전구체 혼합물 제조시 Li2S, P2S5, 및 LiCl의 함량을 Li6PS5Cl가 얻을 수 있도록 화학양론적으로 제어한 각각 칭량한 후 고에너지밀(high energy mill(Pulnerisette 7)) 장비를 이용하여 볼밀에서 20시간 혼합하는 기계적 밀링 처리를 수행하였다. 상기 기계적 밀링 처리를 380rpm의 회전 속도, 25℃, 아르곤 분위기에서 20시간 동안 실시하였다.
상기 기계적 밀링 처리로부터 얻은 분말 재료 300mg을 진공 분위기에서 500℃에서 12시간 동안 열처리를 실시하여 황화물계 고체 전해질(Li6PS5Cl)을 얻었다.
비교예 3에 따라 황화물계 고체 전해질을 고상합성법으로 제조하는 경우, 에너지를 많이 사용하고 많은 시간이 소요되었다. 이 방법에 따라 얻어진 황화물계 고체 전해질은 입도 분포가 매우 불균일하다. 따라서 전고체전지의 전해질 재료로 활용에 적합한 입자 크기나 분포를 나타내는 소재를 얻어내기 위해서는 추가적인 분쇄 및 분급의 공정이 반드시 필요하였다.
비교예 4
제1혼합물 제조 시 Triton X-100(Sigma-Aldrich사) 대신 ( 로릴 황산 나트륨((Sodium Lauryl Sulfate, SLS) )을 사용한하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 황화물계 고체 전해질을 얻었다.
비교예 4에 따르면, ( 로릴 황산 나트륨은 )는 리튬과 반응성을 갖는 이온성 화합물이며 이를 이용하면 입도 분포가 매우 넓고 입자 크기가 크다. 이는 부반응에 의한 부산물의 존재로 입자끼리 뭉침 현상을 초래하 할 수 있으며, 또한 전도도 감소도 관찰될 수 있었다.
제조예 1
aLi2O-ZrO2 코팅막을 갖는 양극활물질은 대한민국 공개특허 10-2016-0064942에 개시된 방법에 따라 제조하되, 하기 방법에 따라 제조된 것을 사용하였다.
양극 활물질 LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2 (NCM), 리튬 메톡사이드, 지르코늄 프로폭사이드, 에탄올과, 아세토아세트산에틸의 혼합 액중에서 30분 동안 교반 및 혼합하여 aLi2O-ZrO2(a=1)의 알코올 용액(aLi2O-ZrO2 피복용 도포액)을 제조하였다. 여기에서 리튬 메톡사이드 및 지르코늄 프로폭사이드의 함량은 양극 활물질의 표면에 피복되는 aLi2O-ZrO2(a=1)의 함량은 0.5몰%가 되도록 조절하였다.
다음으로, 상기 aLi2O-ZrO2 피복용 도포액을 상술한 양극 활물질 미세분말과 혼합하고 이 혼합 용액을 교반하면서 40℃ 정도로 가열하여 알코올 등의 용매를 증발 건조시켰다. 이 때 혼합 용액에는 초음파를 조사하였다.
상기 과정을 실시하여 양극 활물질 미세분말의 입자 표면에 aLi2O-ZrO2의 전구체를 담지할 수 있었다.
또한 양극 활물질의 입자 표면에 담지된 aLi2O-ZrO2(a=1)의 전구체를 약 350℃에서 1시간 동안 산소 분위기하에서 열처리하였다. 이 열처리 과정에서 양극 활물질 상부에 존재하는 aLi2O-ZrO2(a=1)의 전구체가 aLi2O-ZrO2(a=1)로 변화하였다. Li2O-ZrO2 (LZO)의 함량은 NCM 100 중량부를 기준으로 하여 약 0.4 중량부이다.
상술한 제조과정에 따르면, aLi2O-ZrO2 코팅막을 갖는 LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2 (NCM)를 얻을 수 있었다. aLi2O-ZrO2에서 a는 1이다.
(전고체이차전지의 제조)
실시예 4
(양극층)
양극활물질로서 제조예 1에 따라 얻은 Li2O-ZrO2(LZO) 코팅된 LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2 (NCM)를 준비하였다.
고체 전해질로서 실시예 1에서 제조된 황화물계 고체 전해질 분말을 준비하였다. 도전제로서 탄소나노섬유(CNF)를 준비하였다. 이러한 재료를 양극활물질:고체 전해질:도전제 = 60:35:5의 중량비로 혼합하여 혼합물을 시트 형태로 크게 성형하여 양극 시트를 제조하였다. 제조된 양극 시트를 18㎛ 두께의 카본 코팅된 알루미늄 호일로 이루어진 양극 집전체 상에 압착하여 양극층을 제조하였다. 양극 활물질층의 두께는 약 100um 이었다.
(음극층)
음극층으로서 두께가 약 30㎛의 리튬 금속을 이용하였다.
(고체 전해질층)
결정성인(crystalline) 아지로다이트계 고체 전해질(Li6PS5Cl)에, 고체 전해질의 100 중량부에 대하여 1 중량부의 스티렌-부타디엔고무(SBR) 바인더를 추가하여 혼합물을 준비하였다. 이 혼합물에 자일렌(xylene)과 디에칠벤젠(diethylbenzene)을 첨가하면서 교반하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 부직포 위에 블레이드 코터(blade coater)를 이용하여 도포하고, 공기 중에서 40℃ 온도로 건조시켜 적층체를 얻었다. 얻어진 적층체를 40℃에서 12 시간 진공 건조하였다. 이상의 공정에 의해 고체 전해질층을 제조하였다.
음극층 상에 고체 전해질층을 배치하고, 고체 전해질층 상에 양극층을 배치하여 적층체를 준비하였다. 준비된 적층체에 25℃에서 100 MPa의 압력으로 10 분 동안 평판 가압(plate press) 처리하였다. 이러한 가압 처리에 의하여 고체 전해질층이 소결되어 전지 특성이 향상되었다.
실시예 5-6
양극층에서 실시예 1에서 제조된 고체 전해질을 실시예 2 및 3에서 제조된 고체 전해질로 각각 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법으로 전고체이차전지를 제조하였다.
비교예 5
양극층 및 고체 전해질에서 실시예 1에서 제조된 고체 전해질을 비교예 1에서 제조된 고체 전해질로 각각 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 전고체이차전지를 제조하였다.
평가예 1: 전자주사현미경(SEM)
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 황화물계 고체 전해질 입자에 대한 SEM 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다. 전자주사현미경으로는 Hitachi사의 SU8030을 이용하였다.
비교예 1의 황화물계 고체 전해질은 도 2에 나타난 바와 같이 그 입자 사이즈가 수십 ㎛으로 입자끼리 뭉치거나 입자간 경계가 없고 서로 연결되어 네크워크를 이루는 형태가 관찰되었다.
이에 비하여 실시예 1의 황화물계 고체 전해질 입자는 도 1에 나타난 바와 같이 입자 뭉침이 거의 없이 입자 크기가 작고 균일하게 분포된 것을 알 수 있었다. 이러한 분석 결과는 평가예 3의 입자 크기 및 분포 특성과 상응하는 결과이다.
평가예 2: X선 회절(XRD) 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 고체 전해질에 대하여 XRD 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. X선 회절 분석은 Bruker사의 D8 Advance을 이용하여 실시하였고, XRD 스펙트럼 측정에 Cu Kα 방사선(radiation)을 사용하였다.
도 1을 참조하여, 실시예 1의 황화물계 고체 전해질은 비교예 1의 경우와 마찬가지로 아지도다이트 결정구조를 갖는다는 것을 알 수 있었다. 실시예 1의 황화물계 고체 전해질에 대한 라만 분석 스펙트럼에서 회절각 2θ가 25, 28 또는 30°인 피크의 세기가 더 증가된 것으로부터 볼 때 실시예 1의 황화물계 고체 전해질은 비교예 1의 고체 전해질 대비 결정성이 증가하는 것을 알 수 있었다.
평가예 3: 입자 크기 및 분포
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 황화물계 고체 전해질 입자의 D10, D50, D90를 조사하였다. 황화물계 고체 전해질 입자의 직경은 DREAM CORPORATION 사의 Microtrac Bluewave Wet System 장비를 이용하여 측정하였다. 그리고 각 입자의 분산 용매로는 p-자일렌을 이용하였다.
D10, D50, D90은 각각 입자의 입경을 측정하여 작은 입자부터 부피를 누적할 경우, 10%, 50% 및 90%에 해당하는 입경을 의미한다.
상기 D10, D50 및 D90에 대한 측정 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
입도 분도 Relative Span Factor(R.S.F)는 하기식으로 계산하였다.
<식 1>
R.S.F = (D90-D10)/D50
| 구분 | D10(㎛) | D50(㎛) | D90(㎛) | D90-D10(㎛) | R.S.F |
| 실시예 1 | 0.37 | 1.49 | 5.41 | 5.04 | 3.38 |
| 실시예 2 | 0.56 | 1.88 | 6.19 | 5.63 | 3.0 |
| 실시예 3 | 0.62 | 3.53 | 10.33 | 9.71 | 2.75 |
| 비교예 1 | 4.91 | 16.50 | 46.73 | 41.83 | 2.53 |
표 3을 참조하여, 실시예 1의 황화물계 고체 전해질 입자는 용액 합성법에 따라 제조되었고, 고상 합성법에 따라 제조된 비교예 1의 황화물계 고체 전해질 입자와 비교하여 평균입경(D50)이 상대적으로 작은 입자 크기를 갖고 입자 분포가 좁고 균일한 것을 알 수 있었다.
또한 실시예 1의 황화물계 고체 전해질은 일반적인 용액 합성법에 의하여 제조된 황화물계 고체 전해질과 비교하여 분급과 같은 추가적인 후처리 없이 작고 균일한 입자 상태를 갖는다.
평가예 4: 라만 분석
실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 황화물계 고체 전해질에 대한 라만 분석을 실시하였다. 라만 분석은 DREAM CORPORATION 사의 Microtrac Bluewave Wet System 장비를 이용하였다.
라만 분석 스펙트럼으로부터 IA/IB, IA/IC 및 IA/ID를 조사하여 하기 표 4 및 도 5에 나타내었다.
A 피크는 중심 파수가 422 cm-1인 영역에서 나타나며, B 피크는 중심 파수가 197 cm-1인 영역에서 나타나며 C 피크는 중심 파수가 265 cm-1인 영역에서 나타나며, D 피크는 중심 파수가 572 cm-1인 영역에서 나타난다. 여기에서 중심 파수는 각 피크에서 최대 세기를 나타내는 파수를 나타낸다. 하기 표 4에서 IA/IB는 A 피크의 세기/B 피크의 세기이고, IA/IC는 A 피크의 세기/C 피크의 세기이고, IA/ID는
A 피크의 세기/D 피크의 세기이다.
| 구분 | 비교예 1 | 실시예 1 | 비교예 2 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| IA/IB | 7.386842 | 8.249409 | 7.81808 | 10.56714 | 8.328832 |
| IA/IC | 7.576248 | 8.301998 | 6.860921 | 9.484401 | 9.181926 |
| IA/ID | 7.429857 | 8.381748 | 7.609995 | 8.487877 | 8.773115 |
| A 피크의 반가폭(cm-1) | 17.5 | 16.2 | 18.3 | 15.3 | 14.9 |
실시예 1 내지 3의 황화물계 고체 전해질은 도로부터 알 수 있듯이 실시예 1 내지 3의 황화물계 고체 전해질은 비교예 1 및 2의 경우에 A 피크가 강하게 나타났다. 이에 비하여 비교예 1 및 2의 경우는 A 피크의 세기가 상대적으로 약해지고 B, C 및 D 피크가 상대적으로 강한 것을 알 수 있었다. 그리고 표 1로부터 알 수 있듯이 IA/IB, IA/IC 및 IA/ID는 모두 8 이상으로서, 비교예 1 및 2의 황화물계 고체 전해질의 경우와 비교하여 증가한 것을 알 수 있었다. 또한 실시예 1 내지 3의 황화물계 고체 전해질은 A 피크의 반가폭이 비교예 1 및 2의 경우에 비하여 감소한 것을 나타냈다.
이로부터 실시예 1 내지 3의 황화물계 고체 전해질은 A 피크가 강하게 나타나 높은 이온전도성 물질은 Li3PS4이 주성분으로 존재하여 높은 이온 전도성을 갖는다는 것을 알 수 있었다. 이에 비하여 비교예 1 및 2의 경우는 Li3PS4이 주성분이 아니며 저이온전도성 물질인 P2S64-나 P2S74-이 더 존재하여 실시예 1 내지 3 대비 이온전도도성이 높지 않다는 것을 알 수 있었다.
평가예 5: 이온전도도 측정
실시예 1 및 비교예 1의 황화물계 고체 전해질의 분말을 직경 10 mm의 틀에 넣고, 350 mPa 의 압력으로 가압하여 펠렛으로 성형하였다. 펠렛의 양면에 인듐(In) 박막을 입혀서 이온 전도도의 측정을 위한 시료를 준비하였다. 준비된 시료에 대하여 AUTOLAB PGSTAT30 (Metrohm Autolab Co. Ltd.) 포텐시오스탯(potentiostat)을 사용하여 임피던스를 측정하여 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)을 도시하고 이로부터 25℃에서 이온 전도도를 측정하였다.
측정된 이온 전도도를 하기 표 5에 나타내었다.
| 구 분 | 이온전도도 (mS/cm)(@25℃) |
| 실시예 1 | 1.72 |
| 비교예 1 | 1.07 |
표 5에 보여지는 바와 같이, 실시예 1의 황화물계 고체 전해질은 상온(25℃)의 온도에서 비교예 1의 고체 전해질 대비 개선된 이온 전도도를 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
평가예 4: 사이클 특성
실시예 1의 황화물계 고체 전해질을 이용한 실시예 4의 전고체이차전지 및 비교예 1의 황화물계 고체 전해질을 이용한 비교예 5의 전고체이차전지의 충방전 특성을 하기 충방전 시험에 의해 평가하였다.
사이클 특성은 상기 전고체 이차전지를 25℃의 항온조에 넣어서 수행하였다.
전지 전압이 4.25V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 10시간 동안 충전한 다음, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 0.05C의 정전류로 방전을 20시간 동안 실시하였다(제1사이클). 이어서 전지 전압이 4.25V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 10시간 동안 충전한 다음, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 0.33C의 정전류로 3시간 동안 방전을 실시하였다(제2사이클). 그 후, 전지 전압이 4.25V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 10시간 동안 충전하였다. 이어서, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 0.5C의 정전류로 2시간 동안 방전을 실시하였다(제3사이클). 그 후, 전지 전압이 4.25V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 10시간 동안 충전하였다. 이어서, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 1C의 정전류로 1시간 동안 방전을 실시하였다(제4사이클). 그 후, 전지 전압이 4.25V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 10시간 동안 충전하였다. 이어서, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 10시간 동안 방전을 실시하였다(제5사이클).
그 후, 전지 전압이 4.25V가 될 때까지 0.33C의 정전류로 3시간 동안 충전한 다음, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 0.33C의 정전류로 3시간 동안 방전을 실시하였다.
상기 사이클을 총 100회 반복하여 사이클수에 따른 용량변화 및 용량 보유율을 각각 평가하였다. 용량 보유율은 하기 식 2에 따라 계산하였다.
<식 2>
용량 보유율(%)=(각 사이클의 방전용량/제1사이클의 방전용량)X100
실시예 4의 전고체이차전지는 비교예 4의 전고체이차전지와 비교하여 방전용량 특성이 우수할 뿐만 아니라, 용량 보유율이 개선되는 것을 알 수 있었다.
이상을 통해 일구현예에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 고체 이차 전지
10: 양극층
11: 양극집전체 12: 양극 활물질층
20: 음극층 21: 음극집전체
22: 음극 활물질층 30: 고체 전해질
11: 양극집전체 12: 양극 활물질층
20: 음극층 21: 음극집전체
22: 음극 활물질층 30: 고체 전해질
Claims (20)
- 리튬을 포함하는 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질; 및 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물을 혼합하여 전구체 혼합물을 제공하는 단계;
상기 전구체 혼합물로부터 용매를 제거하는 단계; 및
용매가 제거된 결과물을 열처리하는 단계를 포함하는 황화물계 고체 전해질의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물은 폴리에틸렌옥사이드계 유닛을 갖는 비이온성 화합물인 황화물계 고체 전해질의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물은 옥톡시놀(Octoxinol), 폴리옥시에틸렌 솔비탄 지방산 에스테르(polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester), 폴리옥시에틸렌글리콜 에테르, 또는 그 조합인 황화물계 고체 전해질의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 폴리옥시에틸렌 에테르는 폴리옥시에틸렌(4) 라우릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (23) 라우릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 (10) 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 (20) 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (10) 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (20) 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (10) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (20) 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 (100) 스테아릴 에테르, 또는 그 조합이며,
상기 폴리옥시에틸렌 솔비탄 지방산 에스테르는 폴리옥시에틸렌 (20) 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 (20) 소르비탄 모노팔미테이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸렌 솔비탄 트리스테아레이트, 폴리옥시에틸렌(20)소르비탄 모노올레이트, 폴리옥시에틸렌 sorbane 트리올레이트, 폴리옥시에틸렌 모노스테아레이트, 또는 그 조합인 황화물계 고체 전해질의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 소수성 영역과 친수성 영역을 갖는 비이온성 물질이면서, 리튬 비반응성을 갖는 유기 화합물의 함량은 리튬을 포함하는 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질의 총함량 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 내지 10 중량부%인 황화물계 고체 전해질의 제조방법.
- 제1항에 있어서 상기 황화물계 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이며,
상기 리튬을 포함하는 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질은 황(S) 전구체, 인(P) 전구체, 및 X 전구체를 포함하는 황화물계 고체 전해질의 제조방법:
<화학식 1>
(Li1-aMa)7-dPS6-d+k(X)d
화학식 1 중, M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이며,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이며,
0≤a<1, 0<d≤1.8, 0≤k<1이다. - 제1항에 있어서, 상기 전구체 혼합물 제조시에 M 전구체를 더 부가하며,
M 전구체의 M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합인 황화물계 고체 전해질의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 열처리가 300℃ 내지 600℃에서 실시되는 황화물계 고체 전해질의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 리튬을 포함하는 황화물계 고체 전해질 형성용 원료 물질이 황(S) 전구체, 인(P) 전구체, 및 X 전구체를 포함하며,
상기 전구체 혼합물을 제공하는 단계는 황 전구체 및 인 전구체를 제1용매와 혼합하여 제1혼합물을 얻는 단계; 리튬 및 황 전구체와 X 전구체를 제2용매와 혼합하여 제2혼합물을 얻는 단계; 및 상기 제1혼합물과 제2혼합물을 얻는 단계를 포함하는 황화물계 고체 전해질의 제조방법. - 제9항에 있어서, 상기 제1용매는 테트라하이드로퓨란, 아세토니트릴, 부틸아세테이트, N-에틸아세테이트, N-메틸포름아미드, 헵탄, 자일렌 중에서 선택된 하나 이상이며,
상기 제2용매는 에탄올, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세토니트릴, 에틸프로피오네이트, 헵탄, 자일렌 중에서 선택된 하나 이상인 황화물계 고체 전해질의 제조방법. - 하기 화학식 1로 표시되며, 아지로다이트 (Argyrodite) 결정 구조를 갖는 화합물을 포함하는 고체 전해질이며,
상기 화합물의 D50이 0.9 내지 5.0㎛이며,D10이 0.1 내지 0.8㎛이며, D90이 3 내지 20㎛이며, 입도 분포 상대적 분포구간 지수(Relative Span Factor: R.S.F)가 10 이하인 황화물계 고체 전해질:
<화학식 1>
(Li1-aMa)7-dPS6-d+k(X)d
화학식 1 중, M은 소듐(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이며,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이며,
0<x<1, 0≤a<1, 0<d≤1.8, 0≤k<1이다. - 제11항에 있어서, 상기 화합물에 대한 라만 분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 130 내지 220cm-1에서 나타나는 피크 B의 세기비 IA/IB가 8 이상인 황화물계 고체 전해질.
- 제11항에 있어서, 상기 화합물에 대한 라만 분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A의 반가폭이 10 내지 20cm-1인 황화물계 고체 전해질.
- 제11항에 있어서, 상기 화합물에 대한 라만 분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 220 내지 320cm-1에서 나타나는 피크 C의 세기비 IA/IC가 8 이상인 황화물계 고체 전해질.
- 제11항에 있어서, 상기 화합물에 대한 라만 분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 520 내지 620cm-1에서 나타나는 피크 D의 세기비 IA/ID가 8 이상인 황화물계 고체 전해질.
- 제11항에 있어서, 상기 화합물에 대한 라만 분석에서 파수 380 내지 480cm-1에서 나타나는 피크 A와 파수 130 내지 220cm-1에서 나타나는 피크 B의 세기비 IA/IB가 8 내지 15이고,
피크 A와 파수 220 내지 320cm-1에서 나타나는 피크 C의 세기비 IA/IC가 8 내지 10이고,
피크 A와 파수 520 내지 620cm-1에서 나타나는 피크 D의 세기비 IA/ID가 8 내지 10인 황화물계 고체 전해질. - 양극층; 음극층; 및 상기 양극층과 음극층 사이에 배치되는 고체 전해질층을 포함하며,
상기 고체 전해질층이 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 황화물계 고체 전해질을 포함하는 전기화학전지. - 제17항에 있어서, 상기 양극층은 하기 화학식 1로 표시되며, 아지로다이트 (Argyrodite) 결정 구조를 갖는 화합물을 포함하는 고체 전해질을 함유하며,
상기 화합물의 D50이 0.9 내지 5.0㎛이며, D10이 0.1 내지 0.8㎛이며, D90이 3 내지 20㎛인 전기화학전지:
<화학식 1>
(Li1-aMa)7-dPS6-d+k(X)d
화학식 1 중, M은 소듐(Na), 칼륨(K), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 그 조합이며, X는 염소(Cl), 브롬(Br), 불소(F), 요오드(I), 슈도할로겐(pseudohalogen) 또는 그 조합이며, 0≤a<1, 0<d≤1.8이다. - 제17항에 있어서, 상기 음극층이 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 배치된 음극 활물질을 함유하는 제1음극 활물질층을 함유하며,
상기 음극활물질이 탄소계 음극활물질 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함하며,
상기 음극집전체와 상기 제1 음극 활물질층 사이 및 고체 전해질층과 제1 음극활물질층 사이 중 하나 이상에 배치된 제2 음극활물질층을 더 포함하고,
상기 제2 음극활물질층은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 금속층인, 전기화학전지. - 제17항에 있어서, 상기 전기화학전지는 전고체이차전지인 전기화학전지.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200118506A KR20220036213A (ko) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | 황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지 |
| US18/013,996 US20230327186A1 (en) | 2020-09-15 | 2021-07-29 | Sulfide-based solid electrolyte, method for preparing same, and electrochemical cell comprising same |
| PCT/KR2021/009907 WO2022059908A1 (ko) | 2020-09-15 | 2021-07-29 | 황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200118506A KR20220036213A (ko) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | 황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220036213A true KR20220036213A (ko) | 2022-03-22 |
Family
ID=80777068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200118506A KR20220036213A (ko) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | 황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230327186A1 (ko) |
| KR (1) | KR20220036213A (ko) |
| WO (1) | WO2022059908A1 (ko) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013073035A1 (ja) * | 2011-11-17 | 2013-05-23 | トヨタ自動車株式会社 | 硫化物固体電解質の製造方法 |
| KR101727457B1 (ko) * | 2013-11-28 | 2017-05-02 | 한국에너지기술연구원 | 고체산화물 연료전지 금속분리판 보호막의 제조방법 및 그로부터 제조된 고체산화물 연료전지 금속분리판 보호막 |
| US11437643B2 (en) * | 2018-02-20 | 2022-09-06 | Samsung Electronics Co., Ltd. | All-solid-state secondary battery |
| EP3886122A4 (en) * | 2018-11-22 | 2022-08-10 | Idemitsu Kosan Co.,Ltd. | PROCESS FOR PREPARING A SOLID ELECTROLYTE AND ELECTROLYTE PRECURSOR |
| JP7239337B2 (ja) * | 2019-02-04 | 2023-03-14 | 三井金属鉱業株式会社 | 固体電解質 |
-
2020
- 2020-09-15 KR KR1020200118506A patent/KR20220036213A/ko unknown
-
2021
- 2021-07-29 US US18/013,996 patent/US20230327186A1/en active Pending
- 2021-07-29 WO PCT/KR2021/009907 patent/WO2022059908A1/ko active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022059908A1 (ko) | 2022-03-24 |
| US20230327186A1 (en) | 2023-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11411246B2 (en) | All-solid secondary battery and method of manufacturing all-solid secondary battery | |
| US11923502B2 (en) | All-solid secondary battery and method of preparing same | |
| KR20200069215A (ko) | 전고체 이차전지, 및 전고체 이차전지의 제조 방법 | |
| US11682791B2 (en) | Solid electrolyte, electrochemical battery including the solid electrolyte, and method of preparing the solid electrolyte | |
| KR20200050005A (ko) | 전고체 이차전지, 및 전고체 이차전지의 제조 방법 | |
| EP4228047A1 (en) | All-solid-state secondary battery and manufacturing method therefor | |
| EP3819964A1 (en) | Solid electrolyte, electrochemical cell including solid electrolyte, and method of preparing solid electrolyte | |
| JP2021150286A (ja) | 全固体二次電池用正極、及びそれを含む全固体二次電池 | |
| KR20200107396A (ko) | 황화물계 고체 전해질, 이를 포함하는 전고체 이차전지 및 황화물계 고체 전해질의 제조방법 | |
| CN113346124A (zh) | 全固体二次电池和制造全固体二次电池的方法 | |
| KR20210111949A (ko) | 양극 및 이를 포함하는 전고체 이차전지, 및 전고체 이차전지의 제조 방법 | |
| JP2021141064A (ja) | 全固体二次電池用正極、及びそれを含む全固体二次電池 | |
| JP2022065651A (ja) | 全固体二次電池用負極層、それを含む全固体二次電池、及びその製造方法 | |
| JP7106702B2 (ja) | 全固体二次電池用正極、及びそれを含む全固体二次電池 | |
| JP7451746B2 (ja) | 固体電解質、それを含む電気化学電池、及び固体電解質の製造方法 | |
| JP7284225B2 (ja) | 全固体二次電池用硫化物系固体電解質、その製造方法及びそれを含む全固体二次電池 | |
| KR20210055581A (ko) | 고체 전해질, 이를 포함하는 전기화학전지 및 고체 전해질의 제조방법 | |
| KR20220137426A (ko) | 전고체 전지용 복합양극활물질, 그 제조방법, 전고체 전지용 양극층 및 이를 포함하는 전고체 전지 | |
| KR20220036213A (ko) | 황화물계 고체 전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학전지 | |
| KR20220019223A (ko) | 전고체 이차전지 및 그 제조방법 | |
| US20240105943A1 (en) | Negative electrode layer for all solid secondary battery, and all solid secondary battery including the same | |
| KR20220137427A (ko) | 전고체 전지용 복합양극활물질, 그 제조방법, 전고체 전지용 양극층 및 이를 포함하는 전고체 전지 | |
| KR20230102940A (ko) | 전고체 전지용 황화물계 고체전해질, 이를 포함하는 전고체 이차전지, 및 이의 제조방법 | |
| KR20240002914A (ko) | 전고체 이차전지 및 그 제조 방법 | |
| KR20220085621A (ko) | 고체이온전도체, 이를 포함하는 고체전해질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학셀 |