KR20220057059A - Lithium Alloy Anode For Lithium Metal Battery And Manufacturing Methods Thereof - Google Patents

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KR20220057059A
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박금재
박준우
박준호
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이유진
하윤철
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최홍준
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Abstract

The present invention relates to a lithium alloy negative electrode of a lithium secondary battery. The present invention relates provides a negative electrode for a lithium secondary battery, which includes an xLi-yIn alloy (wherein, x is the molar ratio of Li in the alloy, y is the molar ratio of In in the alloy, x>0, y>0, x+y<=1), and the x/y is more than 1.5.

Description

리튬금속전지용 리튬합금 음극 및 그 제조방법{Lithium Alloy Anode For Lithium Metal Battery And Manufacturing Methods Thereof}Lithium Alloy Anode For Lithium Metal Battery And Manufacturing Methods Thereof

본 발명은 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지의 음극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지의 리튬 합금 음극에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode of a lithium metal battery or a lithium all-solid-state battery, and more particularly, to a lithium alloy negative electrode of a lithium metal battery or a lithium all-solid-state battery.

리튬 이차전지는 크게 양극, 전해질 및 음극으로 구성된다. 보편적으로 상용화 된 리튬 이차전지는 유기용매와 리튬염으로 구성된 액체 전해질내에 15~25 ㎛ 두께의 고분자 분리막이 추가된 구조로 되어, 방전시에는 Li+ 이온이 음극에서 양극으로 이동하고 Li이 이온화되면서 발생된 전자도 음극에서 양극으로 이동하며, 충전시에는 이와 반대로 이동한다. 이러한 Li+ 이온 이동의 구동력은 두 전극의 전위차에 따른 화학적 안정성에 의해 발생된다. 음극에서 양극으로 또 양극에서 음극으로 이동하는 Li+ 이온의 양에 의해 전지의 용량(capacity, Ah)이 결정된다. A lithium secondary battery is largely composed of a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode. A commonly commercialized lithium secondary battery has a structure in which a polymer separator with a thickness of 15 to 25 μm is added in a liquid electrolyte composed of an organic solvent and lithium salt. The generated electrons also move from the cathode to the anode, and vice versa during charging. The driving force of such Li + ion migration is generated by chemical stability according to the potential difference between the two electrodes. The amount of Li + ions moving from the negative electrode to the positive electrode and from the positive electrode to the negative electrode determines the capacity (Ah) of the battery.

리튬금속전지는 금속 리튬이나 리튬 합금을 음극 물질로 하며 비수용매를 전해액으로 사용하는 전지이다. 리튬은 표준환원전위가 낮아서 양극과의 조합시 고전압 발현이 가능하여 에너지 밀도가 높은 전지 개발이 이루어지고 있다. 이 때, 음극으로는 집전체 상에 리튬 호일과 같은 리튬 전극을 부착하여 사용하는데, 전지 구동시 음극 표면에 불균일한 전류 분포가 유도되기 때문에 음극의 특정 부위에만 리튬이 전착되어 수지상 석출물인 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장이 극심하게 발생하고, 그로 인해 전지의 수명 특성이 열화되는 문제가 있다.A lithium metal battery is a battery that uses metallic lithium or lithium alloy as an anode material and a non-aqueous solvent as an electrolyte. Since lithium has a low standard reduction potential, high voltage expression is possible when combined with a positive electrode, so batteries with high energy density are being developed. At this time, as the negative electrode, a lithium electrode such as lithium foil is attached to the current collector and used. When the battery is driven, non-uniform current distribution is induced on the surface of the negative electrode, so lithium is electrodeposited only on a specific part of the negative electrode, so lithium is a dendritic precipitate. There is a problem in that the growth of dendrites occurs excessively, thereby deteriorating the lifespan characteristics of the battery.

이러한 문제를 해결하기 위하여 표면 피막 SEI(Solid electrolyte interphase)의 조성 제어를 위해 전해액 조성 및 첨가제 등을 최적화하는 방식, 기계적 특성을 향상시키기 위한 보호막을 적용하는 방식, 분리막의 표면 개질을 통한 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 방식, 유무기 복합 보호막으로 기계적인 특성을 확보하여 리튬의 덴드라이트 성장을 억제하는 방식, 국부적인 유효전류밀도를 줄이기 위해 금속계나 CNT 기반의 3차원 다공성 구조체를 도입하는 방식 등의 시도가 있어 왔다. To solve this problem, a method of optimizing the electrolyte composition and additives to control the composition of the surface film SEI (solid electrolyte interphase), a method of applying a protective film to improve mechanical properties, and lithium dendrite through surface modification of the separator Methods such as inhibiting growth, inhibiting lithium dendrite growth by securing mechanical properties with an organic-inorganic composite protective film, and introducing metal-based or CNT-based three-dimensional porous structures to reduce local effective current density There have been attempts

한편, 리튬전고체전지에서는 근래에는 리튬의 몰비가 높은 In-Li 합금을 음극으로 사용하려는 시도가 있는데, In의 사용으로 고체전해질과의 계면 안정성이 향상되고 리튬 수지상 성장을 억제할 수 있기 때문이다. 이 방법에 의하면 리튬만 사용하는 전지와 비교할 때 거의 동일한 전압을 가지면서도 계면 안정성 향상으로 인해 우수한 수명특성을 얻을 수 있다. 그러나, 음극으로 In 또는 리튬의 몰비가 낮은 In-Li 합금을 사용하면 계면안정성 향상으로 수명특성은 향상되지만, In으로 인한 전위 손실 (~0.6V)로 에너지 밀도가 감소하는 단점이 존재한다.On the other hand, in lithium all-solid-state batteries, recent attempts have been made to use an In-Li alloy with a high molar ratio of lithium as an anode. . According to this method, it is possible to obtain excellent lifespan characteristics due to improved interfacial stability while having almost the same voltage as compared to a battery using only lithium. However, when an In-Li alloy with a low molar ratio of In or lithium is used as the negative electrode, the lifespan characteristics are improved due to the improvement of interfacial stability, but there is a disadvantage in that the energy density is decreased due to the potential loss (~0.6V) due to In.

(1) 한국공개특허 제2020-50560 A(1) Korean Patent Publication No. 2020-50560 A

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전해질과의 계면안정성을 향상시키고 리튬의 수지상 성장을 억제하는 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지용 인듐 합금 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide an indium alloy anode for a lithium metal battery or a lithium all-solid-state battery that improves interfacial stability with an electrolyte and suppresses dendritic growth of lithium.

또한, 본 발명은 In으로 인한 전위 손실을 최소화하면서 높은 계면 안정성을 갖는 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지용 인듐 합금 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide an indium alloy negative electrode for a lithium metal battery or a lithium all-solid-state battery having high interfacial stability while minimizing potential loss due to In.

또한 본 발명은 전술한 인듐 합금 음극을 구비한 리튬금속전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a lithium metal battery having the above-described indium alloy negative electrode.

또한 본 발명은 전술한 인듐 합금 음극을 구비한 전고체 리튬금속전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide an all-solid lithium metal battery having the above-described indium alloy negative electrode.

또한 본 발명은 전술한 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지용 인듐 합금 음극의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the above-described lithium metal battery or an indium alloy negative electrode for a lithium all-solid-state battery.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 리튬이차전지용 음극에 있어서, 상기 음극은 xLi-yIn 합금(여기서, x는 합금 중 Li의 몰비, y는 합금 중 In의 몰비, x>0, y>0, x+y≤1)을 포함하고, 상기 x/y > 1.5인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극을 제공한다. The present invention in order to achieve the above technical problem, in the negative electrode for a lithium secondary battery, the negative electrode is an xLi-yIn alloy (where x is the molar ratio of Li in the alloy, y is the molar ratio of In in the alloy, x>0, y> 0, x+y≤1), and provides a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that x/y>1.5.

본 발명에서 x, y는 다음의 관계 즉 1.5 < x/y < 4.3를 만족하는 것일 수 있다. 또한, x, y는 x/y ≥ 4.3의 관계를 만족하는 것일 수 있다. 이 때, x/y ≤ 12인 것이 바람직하다. In the present invention, x and y may satisfy the following relationship, that is, 1.5 < x/y < 4.3. Also, x and y may satisfy the relation of x/y ≥ 4.3. At this time, it is preferable that x/y ≤ 12.

또한, 본 발명에서 상기 xLi-yIn 합금은 InLi3상 또는 In3Li13상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 xLi-yIn 합금은 In3Li13상 및 Li상을 포함할 수 있다. Also, in the present invention, the xLi-yIn alloy may include an InLi 3 phase or an In 3 Li 13 phase. In addition, the xLi-yIn alloy may include an In 3 Li 13 phase and a Li phase.

본 발명에서 상기 음극의 합금은 Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn 및 La으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 제3 원소를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 음극 중 제3 원소의 몰비 z는 z/(x+y+z) < 0.1인 것이 바람직하다. In the present invention, the alloy of the negative electrode comprises at least one third element selected from the group consisting of Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn and La. may include more. In this case, it is preferable that the molar ratio z of the third element in the negative electrode is z/(x+y+z) < 0.1.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, Li 분말과 In 분말을 x : y (여기서, x와 y는 각각 합금 중 Li 및 In의 몰비로서 x>0, y>0, x+y≤1, x/y>1.5)의 몰비로 혼합하는 단계; 및 혼합된 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 음극의 제조 방법을 제공한다. In order to achieve the above other technical problem, the present invention provides a Li powder and an In powder x: y (where x and y are the molar ratios of Li and In in the alloy, respectively, x>0, y>0, x+y≤1 , x/y>1.5) mixing in a molar ratio; And it provides a method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the step of molding the mixed mixture.

본 발명에서 x, y는 1.5 < x/y < 4.3의 관계를 만족하거나 x/y ≥ 4.3의 관계를 만족하는 것일 수 있다. In the present invention, x and y may satisfy the relation of 1.5 < x/y < 4.3 or satisfy the relation of x/y ≥ 4.3.

또한, 본 발명은 성형된 혼합물을 불활성 가스 분위기에서 열처리하여 합금화하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, the present invention may further include the step of alloying the molded mixture by heat treatment in an inert gas atmosphere.

본 발명에 따르면, 전해질과의 계면안정성을 향상시키고 리튬의 수지상 성장을 억제하는 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지용 인듐 합금 음극을 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to provide an indium alloy negative electrode for a lithium metal battery or a lithium all-solid-state battery that improves interfacial stability with the electrolyte and suppresses dendrite growth of lithium.

또한, 본 발명에 따르면 In으로 인한 전위 손실을 최소화하면서 높은 계면 안정성을 갖는 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지용 인듐 합금 음극을 제공할 수 있게 된다. In addition, according to the present invention, it is possible to provide an indium alloy negative electrode for a lithium metal battery or a lithium all-solid-state battery having high interfacial stability while minimizing potential loss due to In.

또, 본 발명에 따르면, 전착이나 증착과 같은 방법을 사용하지 않고서도 분말을 혼합함으로써 인듐 합금 음극을 구비한 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지를 제공할 수 있게 된다. Further, according to the present invention, it is possible to provide a lithium metal battery or a lithium all-solid-state battery having an indium alloy negative electrode by mixing the powder without using a method such as electrodeposition or deposition.

도 1은 Li-In 2원계 상평형도이다.
도 2는 In에 전기화학적인 리튬 삽입(lithiation) 진행 경과에 따른 전압-용량 특성을 측정하여 도시한 그래프이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 작동 전극의 표면 상태를 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 4a 내지 도 4c는 테스트 된 작동 전극의 단면을 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 전고체 전지 셀의 용량 특성 및 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
1 is a Li-In binary phase equilibrium diagram.
FIG. 2 is a graph illustrating voltage-capacity characteristics measured according to the progress of electrochemical lithium lithiation into In.
3A to 3D are electron micrographs of the surface state of the working electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
4A to 4C are electron micrographs of cross-sections of the tested working electrodes.
5A and 5B are graphs of measuring capacity characteristics and cycle characteristics of an all-solid-state battery cell manufactured according to an embodiment of the present invention, respectively.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

본 발명은 Li 삽입 가능한 금속 또는 금속 합금을 음극재로 하는 리튬금속전지를 제공한다. 본 발명에서 요구된 음극의 특성을 도면을 참조하여 설명한다. The present invention provides a lithium metal battery using a metal or metal alloy capable of inserting Li as an anode material. The characteristics of the negative electrode required in the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 Li-In 2원계 상평형도이다. 이 상평형도는 "Phase equilibria and thermodynamic investigation of the In-Li system"는 제하의 논문(Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 70 (2020) 101779)에 공표되어 있다. 1 is a Li-In binary phase equilibrium diagram. This phase equilibrium diagram is published in "Phase equilibria and thermodynamic investigation of the In-Li system" (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 70 (2020) 101779).

도 1은 400 K 이상의 고온 영역의 상평형도를 도시하고 있다. 이 온도 부근에서 Li이 풍부한 영역에서는 Li의 함량이 증가함에 따라 In4Li5, In2Li3, LnLi2, InLi3, In3Li13 및 Li상이 존재함을 알 수 있다. 도 1은 400 K 부근에서의 상을 도시하고 상온에서의 상은 생략하고 있지만, 각 조성에서 각 상의 라인(phase line)은 상온으로 연장될 수 있다. 즉, 상온 부근에서 Li 풍부 영역에서는 In4Li5, In2Li3, InLi2, InLi3, In3Li13 및 Li 상 등이 안정상 또는 준안정상으로 존재할 수 있다. 열거된 이들 상은 2 이상의 상이 공존할 수 있고, 이 때 열역학적 평형 상태에서 각 상의 분율은 Li의 분율에 따른 레버 룰(lever rule)에 의해 결정될 수 있다. 1 shows a phase equilibrium diagram of a high temperature region of 400 K or higher. In the region rich in Li near this temperature, it can be seen that In 4 Li 5 , In 2 Li 3 , LnLi 2 , InLi 3 , In 3 Li 13 and Li phases exist as the content of Li increases. Although FIG. 1 shows a phase near 400 K and omits a phase at room temperature, each phase line in each composition may extend to room temperature. That is, in the Li-rich region near room temperature, In 4 Li 5 , In 2 Li 3 , InLi 2 , InLi 3 , In 3 Li 13 , and Li phases may exist as stable or metastable phases. In these listed phases, two or more phases may coexist, and in this case, the fraction of each phase in the thermodynamic equilibrium may be determined by a lever rule according to the fraction of Li.

종래, 전해질과 접하는 계면에서 Li이 나타내는 불안정성으로 낮은 Li 함량의 Li-In 합금이 사용되어 왔다. 그러나, 낮은 Li 함량의 합금은 현저한 전위 손실을 가져 온다. 본 발명의 음극은 높은 Li 함량 바람직하게는 Li의 몰분율 즉 Li과 In의 총합에 대한 Li의 몰분율이 0.5 이상인 영역의 조성을 갖는 Li-In 합금을 음극으로 포함하면서 높은 계면 안정성을 나타내는 것을 특징으로 한다.Conventionally, a Li-In alloy having a low Li content has been used due to the instability of Li at the interface in contact with the electrolyte. However, alloys with low Li content lead to significant dislocation losses. The negative electrode of the present invention has a high Li content, preferably a Li-In alloy having a composition in a region in which the mole fraction of Li, that is, the mole fraction of Li with respect to the total of Li and In, is 0.5 or more, and exhibits high interfacial stability. .

도 2는 In에 전기화학적인 리튬 삽입(lithiation) 진행 경과에 따른 전압-용량 특성을 측정하여 도시한 그래프이다. FIG. 2 is a graph illustrating voltage-capacity characteristics measured according to the progress of electrochemical lithium lithiation into In.

이 테스트는 상대전극/기준전극으로 리튬(counter/reference electrode), 작동전극으로 In을 사용하고, 전해액으로 1M LiTFSI in DOL/DME + 1wt% LiNO3을 사용하여 수행하였다. 최대의 리튬 삽입(lithiation)을 위해서 0V 아래의 전압에서 추가적으로 1 mAh/cm2의 리튬을 더 삽입하였다. 이후 작동전극을 수거한 뒤 SEM 분석을 진행하였다.This test was performed using lithium as a counter/reference electrode, In as a working electrode, and 1M LiTFSI in DOL/DME + 1wt% LiNO 3 as an electrolyte. For maximum lithium lithiation, an additional 1 mAh/cm 2 of lithium was additionally inserted at a voltage below 0V. After the working electrode was collected, SEM analysis was performed.

도 2를 참조하면, 작동전극의 상태는 리튬 삽입 정도에 따라 크게 5개의 구간으로 구분된다. 각 구간의 합금 조성은 다음과 같다.Referring to FIG. 2 , the state of the working electrode is largely divided into five sections according to the degree of lithium insertion. The alloy composition of each section is as follows.

구간 a에서 In 내에 InLi상이 생성되기 시작하며, In상 및 InLi상이 공존할 수 있다. 이 구간은 리튬 상대전극 보다 약 0.55~0.6 V 낮은 전압이 구현될 수 있는 구간이다.In the section a, an InLi phase starts to be generated in In, and the In phase and the InLi phase may coexist. This section is a section in which a voltage that is about 0.55-0.6 V lower than that of the lithium counter electrode can be realized.

구간 b에서 InLi 단일상이 존재할 수 있다. 이 구간은 리튬 상대전극 보다 0.35 ~ 0.55 V 낮은 전압이 구현될 수 있는 구간이다. In section b, an InLi single phase may be present. This section is a section in which a voltage 0.35 to 0.55 V lower than that of the lithium counter electrode can be realized.

구간 c에서 InLi상과 In4Li5상이 공존할 수 있다. 이 구간은 리튬 상대전극 보다 0.3V ~ 0.35V 낮은 전압이 구현될 수 있는 구간이다.In section c, the InLi phase and the In 4 Li 5 phase may coexist. This section is a section in which a voltage 0.3V to 0.35V lower than that of the lithium counter electrode can be realized.

구간 d에서 In4Li5, In2Li3 및 In3Li13상 중 하나의 상이 존재하거나 2이상의 상이 공존할 수 있다. 이 구간의 종점에서 고용 한계인 Li의 고용 한계에 해당하는 In3Li13 화합물이 생성된다. 이 구간은 리튬 상대전극 보다 0.03 V 낮은 전압이 구현될 수 있는 구간이다. In section d, one of the In 4 Li 5 , In 2 Li 3 , and In 3 Li 13 phases may exist, or two or more phases may coexist. At the end of this section, an In 3 Li 13 compound corresponding to the solid solution limit of Li, which is the solid solution limit, is generated. This section is a section in which a voltage 0.03 V lower than that of the lithium counter electrode can be realized.

구간 e에서 In3Li13상과 Li상이 공존할 수 있다. 이 구간에서 리튬은 고용 한계를 벗어나 Li 상으로 석출되기 시작하며, 리튬 상대전극과 동일한 전압이 구현될 수 있는 구간이다. 도 2의 우측 사진은 구간 e에서 회수된 샘플의 광학 현미경 사진이다. In section e, the In 3 Li 13 phase and the Li phase may coexist. In this section, lithium starts to precipitate out of the solid solution limit into the Li phase, and the same voltage as that of the lithium counter electrode can be realized. The photo on the right of FIG. 2 is an optical micrograph of the sample recovered in section e.

상술한 각 구간은 xLi-yIn으로 표현되는 리튬 합금 내의 Li의 몰분율(x)와 In의 몰분율(y)의 비율로 표현될 수 있으며, 각 구간에서의 비율(x/y)은 다음과 같다. Each of the above-described sections may be expressed as a ratio of the mole fraction (x) of Li and the mole fraction (y) of In in the lithium alloy expressed as xLi-yIn, and the ratio (x/y) in each section is as follows.

- 구간 a : x/y < 1- Interval a : x/y < 1

- 구간 b : x/y ~ 1- Section b : x/y ~ 1

- 구간 c : 1.0 < x/y ≤ 1.125- Interval c : 1.0 < x/y ≤ 1.125

- 구간 d : 1.125 ≤ x/y ≤ 4.33- Interval d : 1.125 ≤ x/y ≤ 4.33

- 구간 e : 4.33 < x/y- Interval e: 4.33 < x/y

도 3a 내지 도 3d는 테스트 된 작동 전극의 표면 상태를 촬영한 전자현미경 사진이다. 3A to 3D are electron micrographs of the tested working electrode surfaces.

먼저, 도 3a는 리튬 삽입 전의 In의 표면 상태를 촬영한 사진으로, 상단 및 하단은 각각 다른 배율에서 촬영한 사진이다. 리튬 삽입 전 인듐 금속의 표면은 매끈한 상태를 유지하고 있음을 보여준다. First, FIG. 3A is a photograph of the surface state of In before lithium insertion, and the upper and lower portions are photographs taken at different magnifications, respectively. It shows that the surface of the indium metal is maintained in a smooth state before lithium insertion.

다음, 도 3b는 구간 d에 대응하여 완전 삽입 상태인 작동 전극의 표면을 촬영한 전자현미경 사진이고, 도 3c는 1 mA/cm2의 리튬을 초과 삽입한 상태의 표면을 촬영한 전자현미경 사진이다. 도 3b 및 도 3c에서 알 수 있는 바와 같이, 리튬의 완전 삽입 상태나 초과 삽입 상태에서 표면에 굴곡이 형성되었고 수지상(dendrite)과 같은 형상은 발견되지 않았음을 알 수 있다. Next, FIG. 3b is an electron micrograph of the surface of the working electrode in a fully inserted state corresponding to section d, and FIG. 3c is an electron micrograph of the surface of a state in which lithium of 1 mA/cm 2 is inserted in excess. . As can be seen from FIGS. 3B and 3C , it can be seen that curves were formed on the surface in the fully-inserted state or over-inserted state of lithium, and no dendrite-like shape was found.

도 4a 내지 도 4c는 테스트 된 작동 전극의 단면을 촬영한 전자현미경 사진인데, 각각 리튬 삽입 전(Presstine In), 완전 삽입 상태(Full Li plating), 초과 삽입 상태(Full Li plating+1mAh)에 대응된다. 4a to 4c are electron micrographs of cross-sections of the tested working electrodes, respectively, corresponding to lithium before (Presstine In), fully inserted (Full Li plating), and over inserted (Full Li plating+1mAh) state, respectively. do.

도 4a 내지 도 4c로부터 In에 리튬을 충분히 삽입시키고 리튬을 더 넣더라도 합금화로 인해 두께만 두꺼워질 뿐 표면에 리튬 수지상 형상은 보이지 않으며 표면 굴곡이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서 인듐기반에 리튬을 충분히 저장하더라도 리튬 수지상이 형성되지 않는다는 것을 확인할 수 있다. From FIGS. 4A to 4C , it can be confirmed that even when lithium is sufficiently inserted into In and additional lithium is added, only the thickness is increased due to alloying, lithium dendrites are not seen on the surface, and surface undulations are formed. Through this, it can be confirmed that even when lithium is sufficiently stored in the indium base, lithium dendrites are not formed.

본 발명의 리튬금속전지 또는 리튬전고체전지는 합금화 된 리튬 또는 혼합물로 첨가된 리튬을 포함하는 금속 물질을 음극으로 한다. 음극재는 리튬-인듐 합금 또는 리튬-인듐 금속 혼합물 형태로 제공될 수 있다. The lithium metal battery or lithium all-solid-state battery of the present invention uses a metal material including alloyed lithium or lithium added as a mixture as an anode. The negative electrode material may be provided in the form of a lithium-indium alloy or a lithium-indium metal mixture.

본 발명에서 상기 음극 합금 또는 음극 혼합물 내의 Li와 In은 xLi-yIn (여기서, x는 합금 중 Li의 몰비, y는 합금 중 In의 몰비, x>0, y>0, x+y≤1)으로 표현될 수 있고, 바람직하게는 x/y > 1.5, 1.5 < x/y < 4.3 또는 x/y ≥ 4.3일 수 있다. In the present invention, Li and In in the negative electrode alloy or negative electrode mixture are xLi-yIn (where x is the molar ratio of Li in the alloy, y is the molar ratio of In in the alloy, x>0, y>0, x+y≤1) It may be expressed as , preferably x/y > 1.5, 1.5 < x/y < 4.3 or x/y > 4.3.

또한, 본 발명은 음극으로 Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn 및 La으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 제3 원소를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 음극 중 제3 원소의 몰비 z는 z/(x+y+z) < 0.1인 것이 바람직하다. In addition, the present invention further comprises at least one third element selected from the group consisting of Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn and La as a cathode. may include In this case, it is preferable that the molar ratio z of the third element in the negative electrode is z/(x+y+z) < 0.1.

한편, 본 발명에서 양극 활물질로는 전고체 전지에서 사용되는 통상의 양극 활물질이 사용될 수 있다. 예컨대, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, 또는 LiNixCoyMnzO2(여기서, x, y, z는 조성비; 이하 NCM이라 함)와 같은 LiMO2 (여기서 M은 금속)로 표현되는 층상산화물계, LiFePO4와 같은 LiMPO4(여기서 M은 금속)로 표현되는 올리빈계, LiMn2O4와 같은 LiM2O4로 표현되는 스피넬계의 복합 금속 칼코겐(chalcogen) 화합물을 들 수 있고, 이들 칼코겐 화합물을 필요에 따라 혼합할 수도 있다. Meanwhile, as the positive electrode active material in the present invention, a conventional positive electrode active material used in an all-solid-state battery may be used. For example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , or LiNi x Co y MnzO 2 (where x, y, z are composition ratios; hereinafter referred to as NCM), such as LiMO 2 (herein, M is a metal) layered oxide system represented by , LiFePO 4 such as LiMPO 4 (where M is a metal) olivine-based, LiMn 2 O 4 such as LiM 2 O 4 spinel-based composite metal chalcogen (chalcogen) compounds are represented, and these compounds are exemplified. A cogen compound may be mixed as needed.

또한, 본 발명에서 양극 바인더로는 PTFE 또는 PVDF 등의 불소 함유 바인더가 사용될 수 있다. In addition, as the positive electrode binder in the present invention, a fluorine-containing binder such as PTFE or PVDF may be used.

또한, 본 발명에서 양극 도전재로는 카본블랙(carbon black, CB), 전도성 흑연(conducting graphite), 에틸렌 블랙(ethylene black), 탄화된 탄소파이버 (Vertically-aligned Carbon Fiber) 및 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)가 사용될 수 있다. In addition, in the present invention, as the cathode conductive material, carbon black (CB), conductive graphite, ethylene black, carbonized carbon fiber (Vertically-aligned Carbon Fiber), and carbon nanotubes (carbon) nanotube, CNT) may be used.

본 발명에서 사용 가능한 전해질은 고체 전해질과 액체 전해질을 불문한다. 고체 전해질로는 산화물계 고체 전해질, 황화물계 고체 전해질, 고분자 고체 전해질 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다. The electrolyte usable in the present invention may be a solid electrolyte or a liquid electrolyte. As the solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, a polymer solid electrolyte, or a combination thereof may be used.

산화물계 고체 전해질로는 LiBO3로 표현되는 페롭스카이트 구조의 리튬 산화물일 수 있다. 예컨대, 상기 페롭스카이트 구조의 산화물의 예로는 Li3xLa2/3-xTiO2를 들 수 있다. 또, 상기 산화물계 고체 전해질로는 가넷 구조의 리튬 산화물이 사용될 수 있다. 예컨대, Li5LaB'2O12 (여기서 B'은 Bi, Sb, Na 및 Ta로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 원소) 또는 Li7La3B"2O12 (여기서, B"는 Zr, Hf 및 Sn으로 이루어지는 최소한 1종의 원소)이 사용될 수 있다. 본 발명에서 Li7La3Zr2O12로 표현되는 LLZO는 높은 열적 안정성을 가진다. 또한, 상기 고체 전해질로는 LiM2(PO4) (여기서, M은 Ti, Ge 및 Ge을 포함하는 그룹 중에서 선택된 1종의 원소)로 표현되는 LISICON, Li1+xM2-xM'x(PO4)3 (여기서, x≥0이고, M은 Ti, Ge 및 Hf로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 최소한 1종의 원소이고, M'는 Al, B 및 Sn로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 최소한 1종의 원소)가 사용될 수 있다. The oxide-based solid electrolyte may be lithium oxide having a perovskite structure represented by LiBO 3 . For example, the oxide of the perovskite structure may include Li 3x La 2/3-x TiO 2 . In addition, as the oxide-based solid electrolyte, lithium oxide having a garnet structure may be used. For example, Li 5 LaB′ 2 O 12 (where B′ is at least one element selected from the group consisting of Bi, Sb, Na and Ta) or Li 7 La 3 B″ 2 O 12 (where B″ is Zr, at least one element consisting of Hf and Sn) may be used. LLZO represented by Li 7 La 3 Zr 2 O 12 in the present invention has high thermal stability. In addition, as the solid electrolyte, LiM 2 (PO 4 ) (where M is one element selected from the group consisting of Ti, Ge, and Ge) LISICON, Li 1+x M 2-x M' x (PO4) 3 ( where x≥0, M is at least one element selected from the group consisting of Ti, Ge, and Hf, and M' is at least one element selected from the group consisting of Al, B and Sn) element) may be used.

황화물 고체 전해질로는 Li2S와 Al2S3, SiS2, GeS2, P2S3, P2S5, As2S3, Sb2S3 혹은 그들의 혼합물과의 조합을 들 수 있다. 즉, 황화물 고체 전해질 재료로서, Li2S-Al2S3 재료, Li2S-SiS2재료, Li2S-GeS2재료, Li2S-P2S3재료, Li2S-P2S5재료, Li2S-As2S3 재료, Li2S-Sb2S3재료, Li2S-재료를 들 수 있고, 특히 Li2S-P2S5재료가 바람직하다.Examples of the sulfide solid electrolyte include a combination of Li 2 S with Al 2 S 3 , SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 3 , P 2 S 5 , As 2 S 3 , Sb 2 S 3 or a mixture thereof. That is, as the sulfide solid electrolyte material, Li 2 S-Al 2 S 3 material, Li 2 S-SiS 2 material, Li 2 S-GeS 2 material, Li 2 SP 2 S 3 material, Li 2 SP 2 S 5 material, Li 2 S-As 2 S 3 material, Li 2 S-Sb 2 S 3 material, and Li 2 S-material are mentioned, and Li 2 SP 2 S 5 material is particularly preferable.

또한, 이들 고체 전해질 재료에 Li3PO4, 할로겐, 또는 할로겐 화합물을 첨가하여 고체 전해질 재료로서 이용할 수도 있다. 예컨대, Li2S-P2S5-LiX 계 화합물(여기서 X는 F, Cl, Br, I, Se 및 Te로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종)이나, 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물, 또는 이들의 조합들일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, Li 3 PO 4 , halogen, or a halogen compound may be added to these solid electrolyte materials to be used as a solid electrolyte material. For example, Li 2 SP 2 S 5 -LiX-based compound (wherein X is one selected from the group consisting of F, Cl, Br, I, Se, and Te), a compound represented by the following Chemical Formula 1, or combinations thereof can, but is not limited thereto.

<실시예 1> <Example 1>

상대전극/기준전극으로 리튬(counter/reference electrode), 작동전극으로 In, 전해액으로 1M LiTFSI in DOL/DME + 1wt% LiNO3을 사용하여 In에 리튬 삽입을 수행하였다. 최대의 리튬 삽입(lithiation)을 위해서 0V 아래의 전압에서 추가적으로 1 mAh/cm2의 리튬을 더 삽입하여 In-Li 합금을 제작하였다. 이와 같이 전기화학적 방식으로 리튬 초과 삽입 상태의 In-Li 합금을 이용하여 전고체 전지 셀을 제작하였다. 전고체 전지를 제작하기 위해서 고체전해질로는 Li6PS5Cl (LPSCl)을 사용하였고 양극으로는 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NCM622)+LPSCl 복합체를 사용하였으며, 압력셀을 이용하여 셀을 제작하였다.Lithium insertion was performed in In using lithium as a counter/reference electrode, In as a working electrode, and 1M LiTFSI in DOL/DME + 1wt% LiNO 3 as an electrolyte. For maximum lithium intercalation (lithiation), an In-Li alloy was fabricated by additionally inserting 1 mAh/cm 2 lithium at a voltage below 0V. In this way, an all-solid-state battery cell was manufactured using an In-Li alloy in a state of excess lithium in the electrochemical method. To fabricate the all-solid-state battery, Li 6 PS 5 Cl (LPSCl) was used as the solid electrolyte and LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NCM622) + LPSCl composite was used as the positive electrode, and the cell was heated using a pressure cell. produced.

도 5a 및 도 5b는 각각 제조된 전고체 전지 셀의 용량 특성 및 사이클 특성을 측정한 그래프이다. 도 5a 및 도 5b로부터 전압 특성이 크게 향상된 것을 알 수 있었고 수명도 안정적으로 구동되는 것을 알 수 있다. 5A and 5B are graphs measuring the capacity characteristics and cycle characteristics of the prepared all-solid-state battery cells, respectively. It can be seen from FIGS. 5A and 5B that the voltage characteristic is greatly improved and the lifespan is also stably driven.

<실시예 2><Example 2>

전기화학적으로 제조된 실시예 1의 음극을 대신하여 In 분말 : Li 분말을 1:5의 몰비율로 섞어 음극으로 하여 전고체 전지 셀을 제조하였다. 그 밖에 양극 및 고체 전해질의 재질 및 제조 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다. Instead of the electrochemically prepared negative electrode of Example 1, an all-solid-state battery cell was prepared by mixing In powder:Li powder in a molar ratio of 1:5 to serve as the negative electrode. Other materials and manufacturing conditions of the positive electrode and the solid electrolyte were the same as in Example 1.

제조된 전지 셀은 실시예 1과 거의 유사한 특성을 나타내었다. 따라서, 비합금화 된 Li-In 혼합물로 된 음극은 동작 과정에서 리튬 삽입에 의해 합금화가 용이하게 진행됨을 알 수 있다. The prepared battery cell exhibited almost similar properties to those of Example 1. Therefore, it can be seen that the anode made of the non-alloyed Li-In mixture is easily alloyed by lithium intercalation during operation.

이상 전기화학적 방식과 기계적 혼합 방식으로 Li-In 음극을 제조하는 방법을 설명하였다. 그러나, 본 발명은 Evaporator나 Sputter 등의 장비를 이용하여 리튬 표면에 균일하게 In을 코팅하는 방법, In과 Li 포일을 몰비에 맞게 결합 후 압착을 통해 적층하는 방법이 동일한 효과를 나타낼 수 있음은 쉽게 유추할 수 있다. A method for manufacturing a Li-In anode using an electrochemical method and a mechanical mixing method has been described above. However, in the present invention, it is easy to see that the method of uniformly coating In on the lithium surface using equipment such as an evaporator or sputter, and a method of bonding In and Li foils in a molar ratio and then laminating them through compression can exhibit the same effect. can be inferred.

또, 전술한 실시예는 단순 금속 혼합물을 사용한 경우를 예시하였지만 본 발명은 이에 한정되지 않음은 물론이다. 예컨대, 금속 혼합물 또는 합금은 Ar 분위기와 같은 비산화 분위기 또는 불활성 분위기 150~300℃의 온도에서 열처리 과정을 거쳐 제조될 수 있다. 이에 의해 보다 균일한 합금화가 가능할 것으로 예상된다. 한편 본 발명은 Li-In 2원게 금속 또는 합금의 음극 사용을 예시하고 있지만, 본 발명은 리튬과 용해도(solubility)를 가져 고용체 형성이 가능한 다른 금속 또는 금속 화합물에 대하여 동일한 원리로 적용 가능하다는 점은 본 발명을 접한 이 기술분야의 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다. In addition, although the above-described embodiment exemplifies a case in which a simple metal mixture is used, the present invention is not limited thereto. For example, the metal mixture or alloy may be manufactured through a heat treatment process in a non-oxidizing atmosphere such as Ar atmosphere or an inert atmosphere at a temperature of 150 to 300°C. This is expected to enable more uniform alloying. On the other hand, although the present invention exemplifies the use of an anode of a Li-In binary metal or alloy, the present invention is applicable to other metals or metal compounds that have solubility with lithium and can form a solid solution in the same principle. It will be apparent to any person skilled in the art upon encountering the present invention.

이상, 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용하여 당업자가 가할 수 있는 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것임을 잘 알 수 있을 것이다. As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described in detail, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims In addition, it will be well understood that it falls within the scope of the present invention.

Claims (11)

리튬이차전지용 음극에 있어서,
상기 음극은 xLi-yIn 합금(여기서, x는 합금 중 Li의 몰비, y는 합금 중 In의 몰비, x>0, y>0, x+y≤1)을 포함하고,
상기 x/y > 1.5인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
In the negative electrode for a lithium secondary battery,
The negative electrode includes an xLi-yIn alloy (where x is the molar ratio of Li in the alloy, y is the molar ratio of In in the alloy, x>0, y>0, x+y≤1),
The negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that the x / y > 1.5.
제1항에 있어서,
1.5 < x/y < 4.3인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
According to claim 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that 1.5 < x / y < 4.3.
제1항에 있어서,
x/y ≥ 4.3인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
According to claim 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that x/y ≥ 4.3.
제1항에 있어서,
상기 xLi-yIn 합금은 InLi3상 또는 In3Li13상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
According to claim 1,
The xLi-yIn alloy is an anode for a lithium secondary battery, characterized in that it comprises an InLi 3 phase or an In 3 Li 13 phase.
제1항에 있어서,
상기 xLi-yIn 합금은 In3Li13상 및 Li상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
According to claim 1,
The xLi-yIn alloy is an anode for a lithium secondary battery, characterized in that it comprises an In 3 Li 13 phase and a Li phase.
제1항에 있어서,
상기 음극의 합금은 Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn 및 La으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 제3 원소를 더 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
According to claim 1,
The alloy of the negative electrode further comprises at least one third element selected from the group consisting of Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn, and La An anode for a lithium secondary battery, characterized in that it is an alloy.
제6항에 있어서,
상기 음극 중 제3 원소의 몰비 z는 z/(x+y+z) < 0.1인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극.
7. The method of claim 6,
The anode for a lithium secondary battery, characterized in that the molar ratio z of the third element in the anode is z/(x+y+z) < 0.1.
Li 분말과 In 분말을 x : y (여기서, x와 y는 각각 합금 중 Li 및 In의 몰비로서 x>0, y>0, x+y≤1, x/y>1.5)의 몰비로 혼합하는 단계; 및
혼합된 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 음극의 제조 방법.
Li powder and In powder are mixed in a molar ratio of x: y (where x and y are the molar ratios of Li and In in the alloy, respectively, x>0, y>0, x+y≤1, x/y>1.5) step; and
A method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the step of molding a mixed mixture.
제8항에 있어서,
1.5 < x/y < 4.3인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
1.5 < x/y < 4.3, characterized in that the manufacturing method of a negative electrode for a lithium secondary battery.
제8항에 있어서,
x/y ≥ 4.3인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
A method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that x/y ≥ 4.3.
제7항에 있어서,
성형된 혼합물을 불활성 가스 분위기에서 열처리하여 합금화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 음극의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that it further comprises the step of alloying the molded mixture by heat treatment in an inert gas atmosphere.
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