KR20220045330A - Composite electrolyte laminated film for lithium secondary battery and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composite electrolyte stacked membrane for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same. The composite electrolyte stacked membrane for a lithium secondary battery includes: a composite electrolyte membrane including a solid electrolyte and a polymer electrolyte; and a porous protective film stacked on the composite electrolyte membrane, wherein the porous protective film is an insulating film having a shape of a honeycomb structure.

Description

리튬이차전지용 복합 전해질 적층막 및 이의 제조방법 {Composite electrolyte laminated film for lithium secondary battery and method of manufacturing the same}Composite electrolyte laminated film for lithium secondary battery and method of manufacturing the same

본 발명은 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게 상기 복합 전해질 적층막은 복합 전해질막 및 벌집구조 형상의 다공성 보호막이 적층된 것이다. The present invention relates to a composite electrolyte laminated membrane for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same, and in detail, the composite electrolyte laminated membrane is a laminate of a composite electrolyte membrane and a porous protective membrane having a honeycomb structure.

리튬이차전지는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명으로 대표적인 에너지 저장장치로 사용되고 있다. 최근에는 휴대폰, 노트북, 전기자동차 등의 휴대 및 이동을 요구하는 IT 소자의 대표 에너지원으로 사용되고 있다. Lithium secondary batteries are used as representative energy storage devices due to their high energy density and long cycle life. Recently, it has been used as a representative energy source for IT devices that require portability and movement of mobile phones, laptops, and electric vehicles.

현재 리튬이차전지에 사용되는 액체전해질은 리튬이온 활성화 및 전기화학적 물성은 우수하지만, 충방전 전압 범위가 상대적으로 제한적이라 에너지밀도가 한계치에 다다른 상태이다. 나아가, 외부 충격에 취약하여 폭발, 누수 등의 안정성의 문제가 지적되고 있어 IT 소자에 적용 한계점이 있다. Although the liquid electrolyte currently used in lithium secondary batteries has excellent lithium ion activation and electrochemical properties, the energy density has reached its limit because the charge/discharge voltage range is relatively limited. Furthermore, as it is vulnerable to external impact, stability problems such as explosion and water leakage are pointed out, and there is a limitation in application to IT devices.

이에, 외부 충격에 안전한 고체상 전해질이 필요한데, 대표적으로 세라믹 고체 전해질을 들 수 있다. 세라믹 기반 전해질은 최대 10-2 S/cm 수준의 이온전도도를 나타내며, 화학적 및 기계적 안정성이 우수한 장점을 가지고 있으나, 높은 가압/가열 공정이 필요하고, 상대적으로 취성이 큰 고체상이며 유연성이 없기 때문에 계면 접촉에 의한 계면저항이 높은 문제가 있다. Accordingly, there is a need for a solid-state electrolyte that is safe against external impact, and a typical example is a ceramic solid electrolyte. Ceramic-based electrolytes exhibit ionic conductivity of up to 10 -2 S/cm and have excellent chemical and mechanical stability, but require a high pressure/heating process, and are relatively brittle and inflexible. There is a problem in that the interface resistance due to contact is high.

고분자 기반 전해질의 경우에는 상온에서의 낮은 이온전도도 및 탄성이 감소되는 단점이 있으며, 특히 리튬이차전지에서 리튬 수지상 성장으로 인한 단락으로 사이클 안정성의 문제가 있다. Polymer-based electrolytes have disadvantages in that low ionic conductivity and elasticity at room temperature are reduced, and in particular, there is a problem of cycle stability due to a short circuit due to lithium dendrite growth in a lithium secondary battery.

따라서, 세라믹 또는 고분자 기반 고체전해질에 존재하는 문제를 동시에 해결할 수 있으면서도, 각 단일 소재의 장점을 최대한 유지할 수 있으며, 특히 리튬 수지상 성장 억제에 의한 사이클 안정성을 향상시킬 수 있는 고체 전해질의 개발이 필요한 실정이다. Therefore, it is necessary to develop a solid electrolyte capable of simultaneously solving the problems present in ceramic or polymer-based solid electrolytes, while maximally maintaining the advantages of each single material, and in particular, improving cycle stability by inhibiting lithium dendrite growth. am.

KR 10-2003296 B1 (2019.07.18)KR 10-2003296 B1 (2019.07.18)

본 발명의 목적은 높은 이온전도도를 가지면서 기계적 강도가 높아 외부의 충격으로부터 안전하고 전기화학적 특성이 우수한 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a composite electrolyte laminate for a lithium secondary battery having high ionic conductivity, high mechanical strength, safe from external impact, and excellent electrochemical properties.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 우수한 기계적 및 전기화학적 특성을 가지면서도, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하여 사이클 안정성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composite electrolyte laminate for a lithium secondary battery capable of improving cycle stability by suppressing the growth of lithium dendrites while having the excellent mechanical and electrochemical properties.

본 발명은 the present invention

고체 전해질 및 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 및a composite electrolyte membrane including a solid electrolyte and a polymer electrolyte; and

상기 복합 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 포함하며, It includes a porous protective film laminated on the composite electrolyte membrane,

상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막을 제공한다. The porous protective film provides a composite electrolyte laminate for a lithium secondary battery, which is an insulating film having a honeycomb structure.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 벌집구조는 다각형 벌집구조일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the honeycomb structure may be a polygonal honeycomb structure.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다각형의 중심 및 상기 중심에서 가장 가까운 한 변까지의 거리가 200 ㎚ 이하 일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the distance between the center of the polygon and the side closest to the center may be 200 nm or less.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다각형 벌집구조 중 육각형 및 오각형 구조가 차지하는 비율이 80% 이상일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the proportion of hexagonal and pentagonal structures among the polygonal honeycomb structures may be 80% or more.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다공성 보호막의 기공 크기는 평균크기 200 내지 300 ㎚의 기공을 포함할 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the pore size of the porous protective film may include pores having an average size of 200 to 300 nm.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다공성 보호막의 평균 두께는 2 내지 15 ㎛일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the average thickness of the porous protective film may be 2 to 15㎛.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 다공성 보호막은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the porous protective film may include aluminum oxide.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the solid electrolyte may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

LixSryZr2-y (PO4)3 Li x Sr y Zr 2-y (PO 4 ) 3

(상기 화학식 1에서 0<x<2, 0<y<1 이다).(0<x<2, 0<y<1 in Formula 1).

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 고분자 전해질은 폴리에틸렌 옥사이드 (poly(ethylene oxide); PEO) 및 폴리프로필렌 옥사이드 (poly(propylene oxide); PPO) 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the polymer electrolyte may include one or more selected from the group consisting of polyethylene oxide (poly(ethylene oxide); PEO) and polypropylene oxide (poly(propylene oxide); PPO). there is.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 고분자 전해질은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(polyethyleneglycol diacrylate), 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(triethyleneglycol diacrylate), 트리메틸올프로판에톡시레이트 트리아크릴레이트 (trimethylolpropaneethoxylate triacrylate), 및 비스페놀에이에톡시레이트 디메타아크릴레이트 (Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 가교제를 더 포함할 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the polymer electrolyte is polyethylene glycol diacrylate (polyethyleneglycol diacrylate), triethyleneglycol diacrylate (triethyleneglycol diacrylate), trimethylolpropaneethoxylate triacrylate (trimethylolpropaneethoxylate triacrylate), and A crosslinking agent including at least one selected from the group consisting of bisphenol A ethoxylate dimethacrylate may be further included.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 복합 전해질막은 상기 고분자 전해질 100 중량부에 대하여, 상기 고체 전해질 20 내지 60 중량부를 포함할 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the composite electrolyte membrane may contain 20 to 60 parts by weight of the solid electrolyte based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte.

본 발명은 또한The present invention also

리튬 전극; 및 lithium electrode; and

상기 전극 상에 위치하는 복합 전해질 적층막;을 포함하며, Including; a composite electrolyte laminated film positioned on the electrode;

상기 복합 전해질 적층막은 고체 전해질 및 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 및 상기 복합 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 포함하고,The composite electrolyte laminated membrane may include a composite electrolyte membrane including a solid electrolyte and a polymer electrolyte; and a porous protective film laminated on the composite electrolyte membrane,

상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지를 제공한다. The porous protective film provides a lithium secondary battery that is an insulating film having a shape of a honeycomb structure.

본 발명은 또한 The present invention also

a) 고체 전해질 분말 및 고분자 전해질을 혼합하여 복합 전해질 전구체를 제조하는 단계; a) preparing a composite electrolyte precursor by mixing a solid electrolyte powder and a polymer electrolyte;

b) 상기 전구체를 열경화하여 복합 전해질막을 제조하는 단계; 및 b) preparing a composite electrolyte membrane by thermosetting the precursor; and

c) 상기 복합 전해질막 및 다공성 보호막을 적층하는 단계;를 포함하며, c) laminating the composite electrolyte membrane and the porous protective membrane;

상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막의 제조방법을 제공한다. The porous protective film provides a method for manufacturing a composite electrolyte laminate for a lithium secondary battery, which is an insulating film having a honeycomb structure.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 고체 전해질 분말은 졸-겔법에 의해 합성된 것일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the solid electrolyte powder may be synthesized by a sol-gel method.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 b) 단계의 열경화 온도는 50 내지 150℃일 수 있다. In one embodiment according to the present invention, the thermosetting temperature of step b) may be 50 to 150 ℃.

본 발명에 따른 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막은 우수한 기계적 안정성 및 높은 이온전도도를 나타내는 장점이 있다. The composite electrolyte laminated membrane for a lithium secondary battery according to the present invention has the advantage of exhibiting excellent mechanical stability and high ionic conductivity.

또한, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막은 나노기공을 포함하고 있어, 이온전도성 물질인 리튬 이온의 원활한 이동을 위한 통로를 제공하여, 충방전 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. In addition, the composite electrolyte laminated membrane for a lithium secondary battery according to the present invention includes nanopores, thereby providing a passage for the smooth movement of lithium ions, which are ion conductive materials, thereby improving charge/discharge performance.

또한, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막은 전극 표면에서의 리튬 덴드라이트 성장을 억제하거나 형성된 덴드라이트를 특정 형상으로의 성장을 유도하여, 내부 단락을 방지할 수 있으며, 나아가 우수한 사이클 안정성을 나타내는 장점이 있다.In addition, the composite electrolyte laminated membrane for a lithium secondary battery according to the present invention can inhibit the growth of lithium dendrites on the electrode surface or induce the growth of the formed dendrites into a specific shape, thereby preventing an internal short circuit, and furthermore, excellent cycle stability There are advantages to indicate.

본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다. Even if the effects are not explicitly mentioned in the present invention, the effects described in the specification expected by the technical features of the present invention and the inherent effects thereof are treated as if they were described in the specification of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 복합 전해질 적층막에 의해 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다각형 벌집구조를 가지는 다공성 보호막의 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 벌집구조를 가지는 다공성 보호막의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 충방전 성능을 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예 1에 따른 리튬이차전지의 충방전 성능을 나타낸 도면이다.
1 is a view for explaining the principle of suppressing the growth of lithium dendrites by the composite electrolyte laminate according to the present invention.
2 is a view showing a scanning electron microscope (SEM) image of a porous protective film having a polygonal honeycomb structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing an SEM image of a porous protective film having a circular honeycomb structure according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are diagrams showing the charging and discharging performance of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the charging and discharging performance of the lithium secondary battery according to Comparative Example 1.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Unless otherwise defined in technical terms and scientific terms used in this specification, those of ordinary skill in the art to which this invention belongs have the meanings commonly understood, and in the following description and accompanying drawings, the subject matter of the present invention Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular form used herein may be intended to include the plural form as well, unless the context specifically dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, in the present specification, the unit used without special mention is based on the weight, for example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and the weight % means any one component of the entire composition unless otherwise defined. It means the weight % occupied in the composition.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used herein includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the form and width of the defined range, all values defined therein, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.

본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.As used herein, the term 'comprising' is an open-ended description having an equivalent meaning to expressions such as 'comprising', 'containing', 'having' or 'characterized', and elements not listed in addition; Materials or processes are not excluded.

또한, 본 명세서의 용어, '실질적으로'는 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양 또는 정도로 존재할 수 있는 것을 의미한다. In addition, as used herein, the term 'substantially' means that other elements, materials, or processes not listed together with the specified element, material or process are unacceptable for at least one basic and novel technical idea of the invention. It means that it can be present in an amount or degree that does not significantly affect it.

본 발명은 고체 전해질 및 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 및 상기 복합 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 포함하며, 상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막을 제공한다. The present invention provides a composite electrolyte membrane comprising a solid electrolyte and a polymer electrolyte; and a porous protective film laminated on the composite electrolyte film, wherein the porous protective film is an insulating film having a honeycomb structure.

리튬이차전지의 충방전 과정 중 가장 큰 문제점은 덴드라이트의 성장이다. 특히, 음극 소재로 리튬을 사용하는 리튬이차전지인 경우, 충방전 과정에서 상기 전극 표면에 생성되는 리튬 덴드라이트가 성장하면서 양극에 닿아, 내부 단락을 일으키게 되는데 이러한 현상은 결국 리튬이차전지의 사이클 수명 감소와 직접적으로 연관된다. 앞서 서술한 바와 같이, 고분자 기반 전해질인 경우, 상술한 리튬 덴드라이트 성장으로 인한 사이클 안정성 저하 문제가 심각하게 발생하는 문제가 존재한다. 한편, 세라믹 기반 고체 전해질은 낮은 유연성으로 인해 계면 접촉에 의한 계면저항이 매우 높아 충방전 성능이 감소되는 문제가 있다. The biggest problem in the charging and discharging process of a lithium secondary battery is the growth of dendrites. In particular, in the case of a lithium secondary battery using lithium as an anode material, lithium dendrites generated on the electrode surface during the charging and discharging process grow and contact the positive electrode, causing an internal short circuit. This phenomenon is ultimately the cycle life of the lithium secondary battery directly related to the decline. As described above, in the case of a polymer-based electrolyte, there is a problem that the cycle stability degradation problem due to the above-described lithium dendrite growth is seriously generated. On the other hand, the ceramic-based solid electrolyte has a problem in that charge/discharge performance is reduced due to very high interfacial resistance due to interfacial contact due to low flexibility.

하지만, 본 발명에 따른 복합 전해질 적층막은 상기 이종소재의 복합화 및 상기 복합화된 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 통해, 단일 소재인 고체 또는 고분자 전해질에 존재하는 상술한 문제점을 동시에 해결할 수 있으며, 뛰어난 사이클 안정성을 나타낸다. However, the composite electrolyte laminated membrane according to the present invention can simultaneously solve the above-mentioned problems existing in a single material solid or polymer electrolyte through the composite of the dissimilar materials and the porous protective membrane laminated on the composite electrolyte membrane, and Indicates cycle stability.

구체적으로, 상기 다공성 보호막은 벌집구조의 다공성 형상을 가지는 절연성 필름으로, 60% 이상, 좋게는 70% 내지 80%의 다공성을 가지며, 기공이 수직방향으로 발달된 벌집구조를 가질 수 있다. 상기 다공성 보호막이 적층된 복합 전해질막을 통해, 복합 전해질 적층막의 기계적 강도 및 내화학성을 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 벌집구조는 다각형 벌집구조이며, 상기 다각형의 중심 및 상기 중심에서 가장 가까운 한 변까지의 거리가 200 ㎚ 이하, 좋게는 25 내지 100 ㎚, 더욱 좋게는 25 내지 50 ㎚ 일 수 있다. 상기 범위에서 리튬이차전지의 반복적인 충방전에 의해 생성되는 덴드라이트를 상기 벌집구조의 기둥형상으로 성장되도록 유도할 수 있어, 상기 덴드라이트와 전극과의 직접적인 접촉을 막아, 내부 단락의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. Specifically, the porous protective film is an insulating film having a porous shape of a honeycomb structure, has a porosity of 60% or more, preferably 70% to 80%, and may have a honeycomb structure in which pores are developed in a vertical direction. Through the composite electrolyte membrane in which the porous protective layer is laminated, the mechanical strength and chemical resistance of the composite electrolyte layered membrane may be increased. In this case, the honeycomb structure is a polygonal honeycomb structure, and the distance between the center of the polygon and the side closest to the center may be 200 nm or less, preferably 25 to 100 nm, more preferably 25 to 50 nm. In the above range, it is possible to induce dendrites generated by repeated charging and discharging of the lithium secondary battery to grow in the columnar shape of the honeycomb structure, preventing direct contact between the dendrites and the electrodes, effectively preventing the occurrence of internal short circuits. can be prevented

상기 다각형 벌집구조 중 육각형 및 오각형 구조가 차지하는 비율이 80% 이상, 좋게는 85%, 더욱 좋게는 90%일 수 있다. 상술한 다각형 벌집구조를 포함하는 다공성 보호막을 통해, 균일한 리튬이온 플럭스 (flux)를 조성하여, 전극 표면에서 리튬이온의 불균일한 이동에 따른 불균형적인 리튬금속 증착과 성장, 즉 덴드라이트의 형성을 현저히 줄일 수 있다. A proportion of the hexagonal and pentagonal structures among the polygonal honeycomb structures may be 80% or more, preferably 85%, more preferably 90%. Through the porous protective film including the above-described polygonal honeycomb structure, a uniform lithium ion flux is created to prevent unbalanced lithium metal deposition and growth, that is, the formation of dendrites due to the non-uniform movement of lithium ions on the electrode surface. can be significantly reduced.

상기 벌집구조의 기둥 벽에는 평균 크기 50 내지 300 ㎚, 좋게는 100 내지 300 ㎚, 더욱 좋게는 200 내지 300 ㎚의 기공을 포함할 수 있다. 상기 다공성 보호막은 상기 범위의 나노기공 기둥 벽을 포함하는 벌집구조의 형상을 가짐으로써, 리튬이차전지의 충방전과정에서 이동하는 이온전도물질인 리튬이온의 효율적인 이동통로를 생성시켜, 이온전도도 향상 효과를 나타낼 수 있다. 이때, 상기 기둥 벽의 기공율은 40 내지 80%, 좋게는 50 내지 80%일 수 있다. The pillar wall of the honeycomb structure may include pores having an average size of 50 to 300 nm, preferably 100 to 300 nm, and more preferably 200 to 300 nm. The porous protective film has the shape of a honeycomb structure including the nanoporous column wall within the above range, thereby creating an efficient passageway for lithium ions, which are ion-conducting materials that move in the charging/discharging process of a lithium secondary battery, thereby improving ion conductivity can represent In this case, the porosity of the column wall may be 40 to 80%, preferably 50 to 80%.

상기 다공성 보호막은 리튬과 반응성이 없으며, 기둥 벽의 기공 크기 및 보호막의 두께 조절이 용이한 측면에서 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 보호막은 평균 두께 2 내지 20 ㎛, 좋게는 2 내지 18 ㎛, 더욱 좋게는 2 내지 15 ㎛ 일 수 있다. 상기 범위에서 복합 전해질막 및 다공성 보호막의 계면저항을 감소시킬 수 있음과 동시에, 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다. The porous protective film is not reactive with lithium, and may include aluminum oxide in terms of pore size of the pillar wall and easy control of the thickness of the protective film. Specifically, the protective layer may have an average thickness of 2 to 20 μm, preferably 2 to 18 μm, and more preferably 2 to 15 μm. In the above range, it is possible to reduce the interfacial resistance of the composite electrolyte membrane and the porous protective layer, and at the same time, it is possible to effectively suppress the growth of lithium dendrites.

상기 복합 전해질막은 하기 화학식 1로 표시되는 고체 전해질 및 고분자 전해질이 복합화된 상태일 수 있으며, 구체적으로 상기 고분자 전해질 100 중량부에 대하여, 상기 고체 전해질 20 내지 60 중량부, 좋게는 20 내지 50, 더욱 좋게는 20 내지 40 중량부를 포함할 수 있다. The composite electrolyte membrane may be in a state in which a solid electrolyte and a polymer electrolyte represented by the following Chemical Formula 1 are complexed, and specifically, based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte, 20 to 60 parts by weight of the solid electrolyte, preferably 20 to 50, more Preferably, it may contain 20 to 40 parts by weight.

[화학식 1][Formula 1]

LixSryZr2-y (PO4)3 Li x Sr y Zr 2-y (PO 4 ) 3

(상기 화학식 1에서 0<x<2, 0<y<1 이다).(0<x<2, 0<y<1 in Formula 1).

상기 고분자 전해질은 친수성 고분자일 수 있으며, 바람직하게 폴리알킬렌 옥사이드 (poly(alkylene oxide))일 수 있다. 구체적인 예로, 폴리에틸렌 옥사이드 (poly(ethylene oxide); PEO) 및 폴리프로필렌 옥사이드 (poly(propylene oxide); PPO)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. The polymer electrolyte may be a hydrophilic polymer, preferably poly(alkylene oxide). As a specific example, it may be one or more selected from the group consisting of polyethylene oxide (poly(ethylene oxide); PEO) and polypropylene oxide (poly(propylene oxide); PPO).

구체적으로, 상기 인산염계 고체 전해질 및 상기 고분자 전해질은 상기 복합 전해질막 내에 서로 가교된 상태로 존재할 수 있으며, 이때, 상기 고분자 전해질은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 (polyethyleneglycol diacrylate), 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 (triethyleneglycol diacrylate), 트리메틸올프로판에톡시레이트 트리아크릴레이트 (trimethylolpropaneethoxylate triacrylate), 및 비스페놀에이에톡시레이트 디메타아크릴레이트 (Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 가교제를 더 포함할 수 있다. Specifically, the phosphate-based solid electrolyte and the polymer electrolyte may exist in a cross-linked state in the composite electrolyte membrane, and in this case, the polymer electrolyte is polyethylene glycol diacrylate (polyethyleneglycol diacrylate), triethylene glycol diacrylate ( triethyleneglycol diacrylate), trimethylolpropaneethoxylate triacrylate, and bisphenol A ethoxylate dimethacrylate may further include a crosslinking agent comprising at least one selected from the group consisting of can

본 발명은 또한 리튬 전극; 및 상기 전극 상에 위치하는 복합 전해질 적층막;을 포함하며, 상기 복합 전해질 적층막은 고체 전해질 및 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 및 상기 복합 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 포함하고, 상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지를 제공한다. The present invention also relates to a lithium electrode; and a composite electrolyte laminated membrane positioned on the electrode, wherein the composite electrolyte laminated membrane includes: a composite electrolyte membrane including a solid electrolyte and a polymer electrolyte; and a porous protective film laminated on the composite electrolyte membrane, wherein the porous protective film is an insulating film having a honeycomb structure.

구체적으로, 상기 리튬 전극은 리튬이차전지의 음극일 수 있으며, 상기 음극 상에 복합 전해질 적층막을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 리튬 전극 상에 고체상 전해질, 예를 들면 세라믹 또는 고분자 기반 전해질과 같은 단일 소재 기반 고체상 전해질을 포함하는 경우, 충방전 반복에 따라 음극 표면에서 생성되는 리튬 덴드라이트가 나뭇가지 형태의 결정으로 불규칙적으로 성장되는 문제가 발생한다. 이러한 비정상적인 결정의 성장은 결국 전극의 부피팽창 등을 유발해 전지의 안전성을 떨어뜨리며, 나아가, 내부 단락에 의해 전지의 수명을 현저히 감소시킨다. Specifically, the lithium electrode may be a negative electrode of a lithium secondary battery, and may include a composite electrolyte laminate layer on the negative electrode. As shown in FIG. 1 , when a solid-state electrolyte, for example, a single-material-based solid-state electrolyte such as a ceramic or polymer-based electrolyte, is included on the lithium electrode, lithium dendrites generated on the surface of the anode according to repeated charging and discharging are The problem of irregular growth is caused by crystals in the shape of branches. Such abnormal crystal growth eventually causes volume expansion of the electrode, which reduces the safety of the battery, and further, significantly reduces the lifespan of the battery due to an internal short circuit.

그러나, 본 발명에 따른 고체 전해질 및 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막 및 상기 복합 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 포함하는 복합 전해질 적층막을 포함하는 경우, 상기 단일 소재 기반 고체상 전해질 대비 우수한 전기화학적 및 기계적 안정성은 물론, 전극 표면에서의 덴드라이트 형성을 억제할 수 있으며, 나아가, 덴드라이트가 형성되더라도, 상기 벌집구조의 기둥형상으로 성장하도록 유도할 수 있어, 사이클 안정성을 현저히 향상시킬 수 있다. However, in the case of including a composite electrolyte membrane including a solid electrolyte and a polymer electrolyte according to the present invention and a composite electrolyte laminated membrane including a porous protective membrane laminated on the composite electrolyte membrane, superior electrochemical and As well as mechanical stability, it is possible to suppress the formation of dendrites on the electrode surface, and further, even if dendrites are formed, it can be induced to grow in the columnar shape of the honeycomb structure, thereby remarkably improving cycle stability.

상기 리튬 전극은 리튬 금속 또는 리튬 합금일 수 있으며, 구체적으로 리튬-알루미늄 합금일 수 있다. The lithium electrode may be a lithium metal or a lithium alloy, specifically, a lithium-aluminum alloy.

상기 리튬이차전지는 상기 복합 전해질 적층막을 사이에 두며, 상기 리튬 전극과 이격되어 배치되는 양극을 더 포함할 수 있다. 상기 양극은 리튬 전이금속 산화물을 양극활물질로 포함할 수 있으며, 구체적으로 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이면 크게 제한하지 않지만, 비한정적인 예로, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2 (0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2, LiCo1-yMnyO2, LiNi1-yMnyO2 (0≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4 (0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4 (0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4를 들 수 있다. The lithium secondary battery may further include a positive electrode disposed to be spaced apart from the lithium electrode with the composite electrolyte stacked film interposed therebetween. The positive electrode may include lithium transition metal oxide as a positive electrode active material, and specifically, as long as it is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, it is not particularly limited, but as a non-limiting example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li(Ni a Co b Mn c )O 2 (0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi 1- y Co y O 2 , LiCo 1-y Mn y O 2 , LiNi 1-y Mn y O 2 (0≤y<1), Li(Ni a Co b Mn c )O 4 (0<a<2, 0 <b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn 2-z Ni z O 4 , LiMn 2-z Co z O 4 (0<z<2), LiCoPO 4 and LiFePO 4 can be heard

본 발명은 또한 a) 고체 전해질 분말 및 고분자 전해질을 혼합하여 복합 전해질 전구체를 제조하는 단계; b) 상기 전구체를 열경화하여 복합 전해질막을 제조하는 단계; 및 c) 상기 복합 전해질막 및 다공성 보호막을 적층하는 단계;를 포함하며, 상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막의 제조방법을 제공한다. The present invention also comprises the steps of: a) mixing a solid electrolyte powder and a polymer electrolyte to prepare a composite electrolyte precursor; b) preparing a composite electrolyte membrane by thermosetting the precursor; And c) laminating the composite electrolyte membrane and the porous protective film; includes, wherein the porous protective film is an insulating film having a shape of a honeycomb structure It provides a method of manufacturing a composite electrolyte laminated membrane for a lithium secondary battery.

상기 a) 단계는 복합 전해질 전구체를 제조하는 단계로, 고체 전해질 분말 및 고분자 전해질을 상온에서 혼합하여 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 고체 전해질 분말 및 상기 고분자 전해질의 중량비는 1: 0.2 내지 1: 0.8, 좋게는 1: 0.2 내지 1: 0.6 일 수 있다. 이때, 상기 고분자 전해질은 친수성 고분자일 수 있으며, 바람직하게 폴리알킬렌 옥사이드 (poly(alkylene oxide))일 수 있다. 구체적인 예로, 폴리에틸렌 옥사이드 (poly(ethylene oxide); PEO) 및 폴리프로필렌 옥사이드 (poly(propylene oxide); PPO)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. Step a) is a step of preparing a composite electrolyte precursor, and may be prepared by mixing a solid electrolyte powder and a polymer electrolyte at room temperature. Specifically, the weight ratio of the solid electrolyte powder and the polymer electrolyte may be 1: 0.2 to 1: 0.8, preferably 1: 0.2 to 1: 0.6. In this case, the polymer electrolyte may be a hydrophilic polymer, preferably polyalkylene oxide (poly(alkylene oxide)). As a specific example, it may be one or more selected from the group consisting of polyethylene oxide (poly(ethylene oxide); PEO) and polypropylene oxide (poly(propylene oxide); PPO).

상기 고분자 전해질은 상기 고분자 전해질 100 중량부에 대하여, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 (polyethyleneglycol diacrylate), 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 (triethyleneglycol diacrylate), 트리메틸올프로판에톡시레이트 트리아크릴레이트 (trimethylolpropaneethoxylate triacrylate), 및 비스페놀에이에톡시레이트 디메타아크릴레이트 (Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 가교제를 포함할 수 있다. The polymer electrolyte is, based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte, polyethylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, trimethylolpropaneethoxylate triacrylate, and bisphenol It may include one or more crosslinking agents selected from the group consisting of ethoxylate dimethacrylate (Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate).

또한, 상기 a) 단계의 고체 전해질 분말은 졸-겔법에 의해 합성된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 고체 전해질 분말은 하기 화학식 1로 표시되는 인산염계 고체 전해질일 수 있다.In addition, the solid electrolyte powder of step a) may be synthesized by a sol-gel method. Specifically, the solid electrolyte powder may be a phosphate-based solid electrolyte represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

LixSryZr2-y (PO4)3 Li x Sr y Zr 2-y (PO 4 ) 3

(상기 화학식 1에서 0<x<2, 0<y<1 이다).(0<x<2, 0<y<1 in Formula 1).

구체적으로, 상기 고체 전해질 분말의 제조방법은 리튬염, 스트론튬 (Sr) 및 지르코늄 (Zr) 전구체, 및 용매를 반응시켜 고체 전해질 전구체를 수득하는 제1단계; 및 상기 전구체를 열처리하여 고체 전해질 분말을 수득하는 제2단계를 포함할 수 있다. Specifically, the method for preparing the solid electrolyte powder includes a first step of reacting a lithium salt, a strontium (Sr) and a zirconium (Zr) precursor, and a solvent to obtain a solid electrolyte precursor; and a second step of heat-treating the precursor to obtain a solid electrolyte powder.

상기 열처리는 산소 조건 및 200 내지 1200℃에서 2 내지 30시간 동안 수행할 수 있다. 구체적으로, 200 내지 800℃, 좋게는 300 내지 600℃에서 2 내지 10시간, 좋게는 2 내지 8시간 동안 1차 열처리를 수행한 후, 600 내지 1200℃, 좋게는 800 내지 1200℃에서 15 내지 30시간, 좋게는 20 내지 30시간 동안 2차 열처리를 수행할 수 있으며, 승온속도는 2 내지 10 ℃/min로 진행할 수 있다. The heat treatment may be performed under oxygen conditions and at 200 to 1200° C. for 2 to 30 hours. Specifically, after performing the first heat treatment for 2 to 10 hours, preferably 2 to 8 hours at 200 to 800 ° C., preferably 300 to 600 ° C., 15 to 30 at 600 to 1200 ° C., preferably 800 to 1200 ° C. Time, preferably, the secondary heat treatment may be performed for 20 to 30 hours, and the temperature increase rate may be 2 to 10 °C/min.

이때, 상기 리튬염은 LiNO3, LiCH3COO, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(SO2C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO4, LiCl 및 LiI로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 상기 용매는 유기산 또는 에탄올 용매일 수 있으며, 구체적인 예로, 시트르산 (citric acid), 2-메톡시에탄올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In this case, the lithium salt is LiNO 3 , LiCH 3 COO, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN(SO 2 C2F 5 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 4 , may be at least one selected from the group consisting of LiCl and LiI, but is not limited thereto. In addition, the solvent may be an organic acid or an ethanol solvent, and specific examples thereof may include at least one selected from the group consisting of citric acid and 2-methoxyethanol, but is not limited thereto.

상기 b) 단계는 복합 전해질막을 제조하는 단계로, 상기 a) 단계에서 제조된 복합 전해질 전구체를 50 내지 150℃, 좋게는 80 내지 150℃, 더욱 좋게는 80 내지 130℃에서 2 내지 10시간, 좋게는 2 내지 8시간동안 열경화를 통해 이루어질 수 있다. Step b) is a step of preparing a composite electrolyte membrane, and the composite electrolyte precursor prepared in step a) is heated at 50 to 150° C., preferably 80 to 150° C., more preferably 80 to 130° C. for 2 to 10 hours, preferably can be made through heat curing for 2 to 8 hours.

상기 c) 단계는 제조된 복합 전해질막 및 다공성 보호막을 적층하는 단계로, 구체적으로 리튬 전극과 직접 접촉이 되도록 다공성 보호막을 기저막으로 배치하고, 그 위에 상기 b) 단계에서 제조된 복합 전해질막을 적층 한 후, 불활성 분위기 및 80 내지 200℃, 좋게는 80 내지 150 ℃ 조건에서 0.5 내지 3시간, 좋게는 0.5 내지 2시간 동안의 가압을 통해 적층된 다공성 보호막과 복합 전해질막 계면의 우수한 접촉성을 유도할 수 있다. 상기 조건에서 다공성 보호막 및 상기 복합 전해질막 사이의 계면저항을 현저히 줄일 수 있어, 높은 이온전도도 뿐만 아니라, 사이클 안정성을 현저히 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 다공성 보호막은 벌집구조의 형상을 가지는 절연성 필름일 수 있으며, 구체적으로, 리튬과 반응성이 없으며, 기둥 벽의 기공 크기 및 보호막의 두께 조절이 용이한 측면에서 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 벌집구조의 기둥 벽에는 평균 크기 50 내지 300 ㎚, 좋게는 100 내지 300 ㎚, 더욱 좋게는 200 내지 300 ㎚의 기공을 포함하며, 상기 보호막의 평균 두께는 2 내지 20 ㎛, 좋게는 2 내지 18 ㎛, 더욱 좋게는 2 내지 15 ㎛ 일 수 있다.Step c) is a step of stacking the composite electrolyte membrane and the porous protective membrane prepared, specifically, placing the porous protective membrane as a base membrane so as to be in direct contact with the lithium electrode, and stacking the composite electrolyte membrane prepared in step b) on it. After that, excellent contact between the laminated porous protective membrane and the composite electrolyte membrane interface can be induced by pressurizing in an inert atmosphere and 80 to 200 ° C, preferably 80 to 150 ° C, for 0.5 to 3 hours, preferably 0.5 to 2 hours. can Under the above conditions, it is possible to significantly reduce the interfacial resistance between the porous protective membrane and the composite electrolyte membrane, thereby significantly increasing cycle stability as well as high ionic conductivity. In this case, the porous protective film may be an insulating film having a shape of a honeycomb structure, and specifically, it may include aluminum oxide in terms of not being reactive with lithium and easy to control the pore size of the pillar wall and the thickness of the protective film. More specifically, the pillar wall of the honeycomb structure includes pores having an average size of 50 to 300 nm, preferably 100 to 300 nm, more preferably 200 to 300 nm, and the average thickness of the protective film is 2 to 20 μm, preferably may be 2 to 18 μm, more preferably 2 to 15 μm.

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but these are for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the Examples below.

단계 1: 고체 전해질의 제조Step 1: Preparation of Solid Electrolyte

시트르산 10.51 g을 증류수 250 ㎖에 첨가하여 제조한 용매를 80℃까지 가열하였다. 다음, 리튬나이트레이트 0.84 g, 질산스트론튬 0.22 g, 지르코늄옥시클로라이드 팔수화물 6.31 g 및 인산암모늄 3.49 g을 첨가하여 10분간 교반 시킨 후 겔화를 위해 에틸렌글리콜 2.79 ㎖를 첨가 후 1시간 반 동안 반응시켰다. 다음, 상기 용액을 150℃에서 건조시켜 수득한 파우더를 알루미나 보트에 넣고 산화로를 사용하여 5 ℃/min의 승온속도로 1차 500℃에서 6시간, 2차 1000℃에서 24시간 동안 산소 분위기에서 열처리를 하여 (Li1.2Sr0.1Zr1.9(PO4)3)을 제조하였다. A solvent prepared by adding 10.51 g of citric acid to 250 ml of distilled water was heated to 80°C. Next, 0.84 g of lithium nitrate, 0.22 g of strontium nitrate, 6.31 g of zirconium oxychloride octahydrate, and 3.49 g of ammonium phosphate were added and stirred for 10 minutes. Then, 2.79 ml of ethylene glycol was added for gelation, followed by reaction for an hour and a half. Next, the powder obtained by drying the solution at 150° C. was put into an alumina boat, and using an oxidation furnace, the temperature was increased at a rate of 5° C./min. at 500° C. for 6 hours, and at 1000° C. for 24 hours in an oxygen atmosphere. Heat treatment was performed to prepare (Li 1.2 Sr 0.1 Zr 1.9 (PO 4 ) 3 ).

단계 2: 고분자 전해질의 제조Step 2: Preparation of Polyelectrolyte

수평균 분자량 500인 폴리(에틸렌 글리콜)다이메틸 에테르 (Poly(ethylene glycol) dimethyl ether) 0.6 g에 (폴리(에틸렌 글리콜)다이메틸 에테르와 비스페놀에이 에톡실레이트 다이아크릴레이트의 에틸렌 옥사이드의 몰수: 리튬 이온의 몰수 = 20: 1)이 되도록 비스(트리플루오로메테인)술폰이미드 리튬 솔트 (Bis(trifluoromethanae)sulfonamide lithium salt) 을 넣어 60℃에서 리튬 염이 완전히 녹을 때까지 충분히 용해 및 교반시켰다.Number of moles of ethylene oxide of (poly(ethylene glycol) dimethyl ether and bisphenol-A ethoxylate diacrylate in 0.6 g of poly(ethylene glycol) dimethyl ether) having a number average molecular weight of 500: lithium Bis(trifluoromethanae)sulfonamide lithium salt) was added so that the number of moles of ions = 20: 1), and the solution was sufficiently dissolved and stirred at 60° C. until the lithium salt was completely dissolved.

상기 용액의 온도가 상온으로 떨어지면 수평균 분자량 688인 비스페놀에이 에톡실레이트 다이아크릴레이트 (Bisphenol A ethoxylate diacrylate) 0.4g과 개시제 0.04g을 첨가한 후 충분히 교반 시켜 고분자 전해질 용액을 제조하였다. 이 때 개시제는 터트 뷰틸 퍼옥시네오데케노에이트 (Tert-Butyl peroxyneodecanoate) 75 중량%, 나프타(페트로리움) (Naphtha (petroleum)), 하이드로트리티드 헤비 (hydrotreated heavy) 25 중량%를 함유하고 있다.When the temperature of the solution dropped to room temperature, 0.4 g of bisphenol A ethoxylate diacrylate having a number average molecular weight of 688 and 0.04 g of an initiator were added and sufficiently stirred to prepare a polymer electrolyte solution. At this time, the initiator contains 75% by weight of Tert-Butyl peroxyneodecanoate, naphtha (petroleum), and 25% by weight of hydrotreated heavy.

단계 3: 복합 전해질 용액의 제조Step 3: Preparation of composite electrolyte solution

상기 단계 2에서 제조된 고분자 전해질 및 가교제가 60 : 40 중량비로 혼합된 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 단계 1에서 제조된 고체 전해질 40 중량부를 혼합하여 복합 전해질 용액을 제조하였다. 이때, 가교제는 폴리(에틸렌 글리콜)다이메틸 에테르 (Poly(ethylene glycol) dimethyl ether): 비스페놀에이 데톡실레이트 다이아크릴레이트 (Bisphenol A ethoxylate diacrylate) 가 6: 4 중량비로 혼합된 상태이다. A composite electrolyte solution was prepared by mixing 40 parts by weight of the solid electrolyte prepared in step 1 with respect to 100 parts by weight of the mixture in which the polymer electrolyte and the crosslinking agent prepared in step 2 were mixed in a 60:40 weight ratio. In this case, the crosslinking agent is poly(ethylene glycol) dimethyl ether: bisphenol A ethoxylate diacrylate in a 6: 4 weight ratio mixed state.

단계 4: 복합 전해질막의 제조Step 4: Preparation of composite electrolyte membrane

테프론 페트리 디쉬에 상기 단계 3에서 제조된 복합 전해질 용액을 부은 다음, 100℃에서 3시간 동안 경화시켜 평균두께 500 ㎛의 복합 전해질 막을 제조하였다. The composite electrolyte solution prepared in step 3 was poured into a Teflon petri dish, and then cured at 100° C. for 3 hours to prepare a composite electrolyte membrane having an average thickness of 500 μm.

단계 5: 다공성 보호막의 제조Step 5: Preparation of a porous protective film

폴리싱 (polishing) 처리된 순도 99.999%의 알루미늄 호일을 하기 표 1의 조건에서 양극 산화처리 (anodizing) 하여 상기 알루미늄 호일 표면에 벌집구조를 가지는 산화알루미늄 피막을 형성하였다. An aluminum oxide film having a honeycomb structure was formed on the surface of the aluminum foil by anodizing the polished aluminum foil having a purity of 99.999% under the conditions shown in Table 1 below.

전해질electrolyte 0.3M 인산0.3M phosphoric acid 전압Voltage 130 V130 V 전압 인가시간voltage application time 3시간3 hours 온도temperature 0 ℃0 ℃

다음, 상기 알루미늄 호일의 윗표면에 형성된 산화 알루미늄 피막 표면에 폴리메틸 메타크릴레이트 (Poly methyl methacrylate, PMMA)를 도포하여 보호층을 형성한 후, 물: 인산: 삼산화 크롬 (CrO3)이 100 ㎖: 10 ㎖: 1 g 비로 혼합된 용액을 이용하여 상기 알루미늄 호일의 아래표면에 형성된 산화알루미늄 피막을 제거하여 알루미늄을 노출시켰다.Next, after forming a protective layer by applying poly methyl methacrylate (PMMA) to the surface of the aluminum oxide film formed on the upper surface of the aluminum foil, water: phosphoric acid: chromium trioxide (CrO 3 ) 100 ㎖ : The aluminum oxide film formed on the lower surface of the aluminum foil was removed using a mixed solution in a ratio of 10 ml: 1 g to expose aluminum.

상기 노출된 알루미늄은 물: 염산: 염화 구리 (II)가 100 ml: 100 ml: 3.4 g 혼합된 용액을 이용하여 에칭 처리한 후, 상기 보호층이 형성된 산화 알루미늄 피막만을 분리하였다. 이후, 분리된 산화알루미늄 피막을 5 % 인산용액 및 40℃ 조건에서 1시간 동안 담궈 다각형 벌집구조를 형성하였으며, 상기 보호층은 아세톤을 이용하여 제거하여 최종 도 2에 도시된 바와 같이, 평균두께 5 ㎛ 및 다각형 벌집구조를 가지는 다공성 보호막 필름을 제조하였다. 이때, 상기 다각형의 중심 및 상기 중심에서 가장 가까운 한 변까지의 거리가 평균 150 ㎚ 이며, 상기 벌집구조의 기공 벽에 평균크기 200 ㎚의 기공을 포함한다. The exposed aluminum was etched using a mixture of 100 ml: 100 ml: 3.4 g of water: hydrochloric acid: copper (II) chloride, and only the aluminum oxide film on which the protective layer was formed was separated. Thereafter, the separated aluminum oxide film was immersed in a 5% phosphoric acid solution and a condition of 40° C. for 1 hour to form a polygonal honeycomb structure, and the protective layer was removed using acetone to finally have an average thickness of 5 A porous protective film having a ㎛ and polygonal honeycomb structure was prepared. In this case, the average distance between the center of the polygon and the side closest to the center is 150 nm, and pores having an average size of 200 nm are included in the pore wall of the honeycomb structure.

단계 6: 복합 전해질 적층막의 제조Step 6: Preparation of composite electrolyte laminated membrane

상기 단계 4에서 제조된 복합 전해질막과 단계 5에서 제조된 다공성 보호막 필름을 적층한 후, 불활성 분위기 및 100 ℃ 조건에서 1시간의 가압을 수행하여 복합 전해질 적층막을 제조하였다. After laminating the composite electrolyte membrane prepared in step 4 and the porous protective film film prepared in step 5, pressurization was performed for 1 hour in an inert atmosphere and 100° C. conditions to prepare a composite electrolyte laminate.

상기 실시예 1의 단계 5에서 양극 산화처리를 하기 표 2의 조건에서 진행하여 도 3에 도시된 바와 같이, 평균지름 80 ㎚인 원형 벌집구조를 가지며, 평균 두께 10 ㎛인 다공성 보호막 필름을 제조하고, 단계 6에서 상기 제조된 다공성 보호막 필름을 이용하여 복합 전해질 적층막을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. As shown in FIG. 3 by performing anodization treatment in step 5 of Example 1 under the conditions shown in Table 2 below, a porous protective film having a circular honeycomb structure with an average diameter of 80 nm and an average thickness of 10 μm was prepared, , except that a composite electrolyte laminate was prepared using the porous protective film film prepared above in step 6, and the same procedure was performed.

구체적으로, 상기 1차 양극 산화처리 후 물: 인산: 삼산화 크롬 (CrO3)이 100 ㎖: 10 ㎖: 1 g 비로 혼합된 용액을 도포한 다음, 2차 양극 산화처리를 수행하였다. Specifically, after the first anodization treatment, a solution in which water: phosphoric acid: chromium trioxide (CrO 3 ) was mixed in a ratio of 100 ml: 10 ml: 1 g was applied, and then secondary anodization was performed.

1차 양극 산화처리Primary anodization treatment 2차 양극 산화처리Secondary anodization treatment 전해질electrolyte 0.3M 인산0.3M phosphoric acid 0.3M 인산0.3M phosphoric acid 전압Voltage 50 V50 V 50 V50 V 전압 인가시간voltage application time 6시간6 hours 2시간2 hours 온도temperature 0 ℃0 0 ℃0 ℃

상기 실시예 1의 단계 6에서 다공성 보호막 필름과 복합 전해질막을 불활성 분위기 및 100 ℃ 조건에서 1시간 가압하여 적층하는 과정없이 물리적 적층을 수행한 것을 제외하고는, 동일하게 실시하였다. The same procedure was performed except that in step 6 of Example 1, the porous protective film and the composite electrolyte membrane were physically laminated without pressure and lamination in an inert atmosphere and 100° C. conditions for 1 hour.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

상기 실시예 1의 단계 6을 실시하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure was performed except that step 6 of Example 1 was not performed.

실험예: 리튬이차전지의 충방전 사이클 안정성 평가Experimental Example: Evaluation of charge/discharge cycle stability of lithium secondary batteries

실시예 1 내지 3, 및 비교예에 따라 제조된 복합 전해질 적층막 (비교예인 경우, 복합 전해질막)을 지름 18 ㎜로 펀치하여 양극 및 음극 사이에 배치하여 리튬이차전지를 제조하였다. 구체적으로, LiFePO4를 양극으로 사용하였으며, 리튬 금속을 음극으로 사용하였고, 상기 복합 전해질 적층막의 다공성 보호막이 음극을 향하도록 배치하였다. A lithium secondary battery was prepared by punching the composite electrolyte laminated membrane (in the case of the comparative example, the composite electrolyte membrane) prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example to a diameter of 18 mm and placing it between the positive electrode and the negative electrode. Specifically, LiFePO 4 was used as the positive electrode, lithium metal was used as the negative electrode, and the porous protective film of the composite electrolyte laminate was disposed to face the negative electrode.

다음, 제조된 리튬이차전지를 0.1 C에서 1사이클, 0.2 C에서 10 사이클, 1 C에서 189 사이클, 총 200 사이클 동안 충방전을 진행하였으며, 그 결과를 도 4 내지 도 6에 도시하였으며, 0.1 C, 0.2 C 및 1C에서의 평균 방전용량을 하기 표 3에 정리하였다. Next, the prepared lithium secondary battery was charged and discharged for 1 cycle at 0.1 C, 10 cycles at 0.2 C, 189 cycles at 1 C, for a total of 200 cycles, the results of which are shown in FIGS. 4 to 6, 0.1 C , the average discharge capacity at 0.2 C and 1 C is summarized in Table 3 below.

0.1 C에서의
방전용량 (mA h g-1)
at 0.1 C
Discharge capacity (mA hg -1 )
0.2 C에서의 평균
방전용량 (mA h g-1)
average at 0.2 C
Discharge capacity (mA hg -1 )
1 C에서의 평균
방전용량 (mA h g-1)
average at 1 C
Discharge capacity (mA hg -1 )
실시예 1Example 1 152152 141141 3535 실시예 2Example 2 143143 131131 99 실시예 3Example 3 145145 125125 55 비교예 1Comparative Example 1 142142 118118 00

상기 표 3에서 볼 수 있듯이, 실시예 1 및 2는 200 사이클 동안 일정한 방전용량은 나타냈으며, 실시예 3인 경우, 방전용량이 감소되는 경향을 보였으며, 비교예 1인 경우에는 12 사이클 후에는 방전용량이 0으로 떨어진 것을 확인할 수 있다. 또한, 원형 벌집구조 대비 다각형 벌집구조를 가지는 다공성 보호막을 포함하는 경우, 덴드라이트 형성을 현저히 억제할 수 있어, 상대적으로 안정적인 사이클 수명을 나타낸 것을 확인할 수 있다. As can be seen in Table 3, Examples 1 and 2 showed a constant discharge capacity for 200 cycles, and in the case of Example 3, the discharge capacity showed a tendency to decrease, and in the case of Comparative Example 1, after 12 cycles, It can be seen that the discharge capacity has dropped to 0. In addition, when a porous protective film having a polygonal honeycomb structure compared to a circular honeycomb structure is included, dendrite formation can be significantly suppressed, and it can be seen that a relatively stable cycle life is exhibited.

Claims (15)

고체 전해질 및 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 및
상기 복합 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 포함하며,
상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막.
a composite electrolyte membrane including a solid electrolyte and a polymer electrolyte; and
It includes a porous protective film laminated on the composite electrolyte membrane,
The porous protective film is an insulating film having a honeycomb structure, a composite electrolyte laminate for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 벌집구조는 다각형 벌집구조인 것인 복합 전해질 적층막.
According to claim 1,
The honeycomb structure is a composite electrolyte laminated membrane having a polygonal honeycomb structure.
제2항에 있어서,
상기 다각형의 중심 및 상기 중심에서 가장 가까운 한 변까지의 거리가 200 ㎚ 이하인 것인 복합 전해질 적층막.
3. The method of claim 2,
A composite electrolyte laminated membrane wherein the center of the polygon and the distance from the center to the closest side are 200 nm or less.
제2항에 있어서,
상기 다각형 벌집구조 중 육각형 및 오각형 구조가 차지하는 비율이 80% 이상인 것인 복합 전해질 적층막.
3. The method of claim 2,
The composite electrolyte laminated membrane, wherein the ratio of hexagonal and pentagonal structures among the polygonal honeycomb structures is 80% or more.
제1항에 있어서,
상기 다공성 보호막의 기공 벽에 평균크기 200 내지 300 ㎚의 기공을 포함하는 것인 복합 전해질 적층막.
According to claim 1,
The composite electrolyte laminated membrane comprising pores having an average size of 200 to 300 nm on the pore walls of the porous protective membrane.
제1항에 있어서,
상기 다공성 보호막의 평균 두께는 2 내지 15 ㎛인 것인 복합 전해질 적층막.
According to claim 1,
The average thickness of the porous protective film is a composite electrolyte laminated film of 2 to 15 ㎛.
제1항에 있어서,
상기 다공성 보호막은 산화알루미늄을 포함하는 것인 복합 전해질 적층막.
According to claim 1,
The porous protective film is a composite electrolyte laminated film comprising aluminum oxide.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 인산염계 고체 전해질인 것인 복합 전해질 적층막:
[화학식 1]
LixSryZr2-y (PO4)3
(상기 화학식 1에서 0<x<2, 0<y<1 이다).
According to claim 1,
The solid electrolyte is a composite electrolyte laminated membrane that is a phosphate-based solid electrolyte represented by the following Chemical Formula 1:
[Formula 1]
Li x Sr y Zr 2-y (PO 4 ) 3
(0<x<2, 0<y<1 in Formula 1).
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질은 폴리에틸렌 옥사이드 (poly(ethylene oxide); PEO) 및 폴리프로필렌 옥사이드 (poly(propylene oxide); PPO)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 복합 전해질 적층막.
According to claim 1,
The polymer electrolyte is a composite electrolyte laminated membrane comprising at least one selected from the group consisting of polyethylene oxide (poly(ethylene oxide); PEO) and polypropylene oxide (poly(propylene oxide); PPO).
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(polyethyleneglycol diacrylate), 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(triethyleneglycol diacrylate), 트리메틸올프로판에톡시레이트 트리아크릴레이트 (trimethylolpropaneethoxylate triacrylate), 및 비스페놀에이에톡시레이트 디메타아크릴레이트(Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 가교제를 더 포함하는 것인 복합 전해질 적층막.
According to claim 1,
The polymer electrolyte is polyethylene glycol diacrylate (polyethyleneglycol diacrylate), triethyleneglycol diacrylate (triethyleneglycol diacrylate), trimethylolpropaneethoxylate triacrylate (trimethylolpropaneethoxylate triacrylate), and bisphenol ethoxylate dimethacrylate ( Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate) composite electrolyte laminated membrane further comprising a crosslinking agent comprising at least one selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 복합 전해질막은 상기 고분자 전해질 100 중량부에 대하여, 상기 고체 전해질 20 내지 60 중량부를 포함하는 것인 복합 전해질 적층막.
According to claim 1,
The composite electrolyte membrane is a composite electrolyte laminated membrane comprising 20 to 60 parts by weight of the solid electrolyte based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte.
리튬 전극; 및
상기 전극 상에 위치하는 복합 전해질 적층막;을 포함하며,
상기 복합 전해질 적층막은 고체 전해질 및 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 및 상기 복합 전해질막 상에 적층된 다공성 보호막을 포함하고,
상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지.
lithium electrode; and
Including; a composite electrolyte laminated film positioned on the electrode;
The composite electrolyte layered membrane may include a composite electrolyte membrane including a solid electrolyte and a polymer electrolyte; and a porous protective film laminated on the composite electrolyte membrane,
The porous protective film is a lithium secondary battery that is an insulating film having a shape of a honeycomb structure.
a) 고체 전해질 분말 및 고분자 전해질을 혼합하여 복합 전해질 전구체를 제조하는 단계;
b) 상기 전구체를 열경화하여 복합 전해질막을 제조하는 단계; 및
c) 상기 복합 전해질막 및 다공성 보호막을 적층하는 단계;를 포함하며,
상기 다공성 보호막은 벌집 (honeycomb) 구조의 형상을 가지는 절연성 필름인 것인 리튬이차전지용 복합 전해질 적층막의 제조방법.
a) preparing a composite electrolyte precursor by mixing a solid electrolyte powder and a polymer electrolyte;
b) preparing a composite electrolyte membrane by thermosetting the precursor; and
c) laminating the composite electrolyte membrane and the porous protective membrane;
The porous protective film is an insulating film having a shape of a honeycomb structure.
제13항에 있어서,
상기 고체 전해질 분말은 졸-겔법에 의해 합성된 것인 복합 전해질 적층막의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The solid electrolyte powder is a method of manufacturing a composite electrolyte laminated membrane synthesized by a sol-gel method.
제13항에 있어서,
상기 b) 단계의 열경화 온도는 50 내지 150℃인 것인 복합 전해질 적층막의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The thermosetting temperature of step b) is 50 to 150 ℃ method of manufacturing a composite electrolyte laminated membrane.
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