KR20220067639A - All-solid-state secondary battery - Google Patents

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KR20220067639A
KR20220067639A KR1020200153811A KR20200153811A KR20220067639A KR 20220067639 A KR20220067639 A KR 20220067639A KR 1020200153811 A KR1020200153811 A KR 1020200153811A KR 20200153811 A KR20200153811 A KR 20200153811A KR 20220067639 A KR20220067639 A KR 20220067639A
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신동옥
이영기
김주영
오지민
이명주
강석훈
김광만
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한국전자통신연구원
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Abstract

The present invention relates to an all-solid-state secondary battery and, more specifically, to an all-solid-state secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode includes a one-dimensional solid electrolyte material, an electrode active material and a binder, the aspect ratio of the one-dimensional solid electrolyte material is 20 to 1000, and the content of the one-dimensional solid electrolyte material can be 5 to 20 wt% based on the weight of the at least one of the positive electrode and the negative electrode.

Description

전고체 이차전지{ALL-SOLID-STATE SECONDARY BATTERY}All-solid-state secondary battery {ALL-SOLID-STATE SECONDARY BATTERY}

본 발명은 용량 및 안정성이 향상된 전고체 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an all-solid-state secondary battery with improved capacity and stability.

리튬 이차 전지는 에너지밀도가 다른 전지와 비교하여 높고 소형 경량화가 가능하기 때문에, 휴대용 전자기기 등의 전원으로서 활용 가능성이 높다. 리튬 이차 전지는 양극, 음극, 및 전해질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 액체 전해질로 리튬염(LiPF6)이 녹아 있는 카보네이트(Carbonate)계 용매가 널리 사용되고 있다. 액체 전해질은 리튬 이온의 이동도가 높아 우수한 전기화학적 특성을 나타내나, 높은 가연성, 휘발성, 및 누액으로 폭발로 인한 안전성에 문제가 있다.A lithium secondary battery has a high energy density compared to other batteries, and can be small and lightweight, so it has a high possibility of being used as a power source for portable electronic devices and the like. A lithium secondary battery may include a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. In general, a carbonate-based solvent in which lithium salt (LiPF 6 ) is dissolved as a liquid electrolyte is widely used. Liquid electrolyte exhibits excellent electrochemical properties due to high mobility of lithium ions, but has problems in safety due to explosion due to high flammability, volatility, and leakage.

이에, 액체전해질 대신 고체전해질을 이용한 전고체 이차전지(All-Solid-State Secondary Battery)에 대한 연구가 진행되고 있다. 전고체 이차전지는 안정성 및 기계적 강도를 확보할 수 있으므로, 전기자동차, 에너지 저장 시스템, 웨어러블 디바이스 등 고안전성이 요구되는 각종 응용 시스템에서 주목을 받고 있다.Accordingly, research on an All-Solid-State Secondary Battery using a solid electrolyte instead of a liquid electrolyte is being conducted. Since the all-solid-state secondary battery can secure stability and mechanical strength, it is attracting attention in various application systems requiring high safety, such as electric vehicles, energy storage systems, and wearable devices.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 용량 및 안정성이 향상된 전고체 이차전지를 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide an all-solid-state secondary battery with improved capacity and stability.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 이차전지는, 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 고체 전해질층을 포함하되, 상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는 1차원 고체 전해질 물질, 전극 활물질, 및 바인더를 포함하고, 상기 1차원 고체 전해질 물질의 종횡비는 20 내지 1000이고, 상기 1차원 고체 전해질 물질의 함량은, 상기 양극 및 상기 음극 중 상기 적어도 하나의 중량 대비 5 wt% 내지 20 wt%일 수 있다.An all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is a one-dimensional solid electrolyte material, an electrode an active material and a binder, wherein an aspect ratio of the one-dimensional solid electrolyte material is 20 to 1000, and the content of the one-dimensional solid electrolyte material is 5 wt% to 20 wt% based on the weight of at least one of the positive electrode and the negative electrode It can be %.

본 발명에 따른 전고체 이차전지는, 1차원 고체전해질 물질은 1차원적인 구조 특성에 의해, 적은 함량으로도 전극 활물질과의 계면 형성이 상대적으로 유리하고, 프리볼륨(free volume)이 커서 복합 전극 형성시 고체전해질간 응집현상이 억제되어 이온전달경로 네트워크 형성이 용이할 수 있다. 또한, 전극 활물질과의 접촉면적이 증가하여 계면저항을 최소화할 수 있다. 즉, 적은 함량의 1차원 고체 전해질 물질을 포함하더라도 전극 내 이온 경로가 확보될 수 있다. 이에 따라, 전극 내의 전극 활물질 함량을 극대화시킬 수 있어, 최종적으로 고에너지 밀도의 전고체 이차전지를 구현할 수 있다. In the all-solid-state secondary battery according to the present invention, the one-dimensional solid electrolyte material has a relatively advantageous interface formation with the electrode active material even with a small content due to one-dimensional structural characteristics, and the free volume is large, so that the composite electrode During formation, aggregation between solid electrolytes is suppressed, so that the ion transport network can be easily formed. In addition, since the contact area with the electrode active material is increased, the interface resistance can be minimized. That is, even if a small amount of the one-dimensional solid electrolyte material is included, an ion path in the electrode may be secured. Accordingly, the content of the electrode active material in the electrode can be maximized, and finally, an all-solid-state secondary battery having a high energy density can be realized.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지용 전극 내부의 모식도이다.
도 3은 전고체 이차전지용 전극 내 포함되는 1차원 고체전해질 물질의 SEM 형상 분석 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전고체 이차전지용 전극 단면 구조의 EDS-mapping 분석 결과를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5c는 비교예들에 따라 제조된 전고체 이차전지용 전극 단면 구조의 EDS-mapping 분석 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸다.
도 7은 비교예에 따라 제조된 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전고체 이차전지의 수명 특성 결과를 나타낸다.
도 9는 비교예에 따라 제조된 전고체 이차전지의 수명 특성 결과를 나타낸다.
1 is a cross-sectional view showing an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view of the inside of an electrode for an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 shows the SEM shape analysis result of the one-dimensional solid electrolyte material included in the electrode for an all-solid-state secondary battery.
4 shows an EDS-mapping analysis result of a cross-sectional structure of an electrode for an all-solid-state secondary battery manufactured according to an embodiment of the present invention.
5A to 5C show the results of EDS-mapping analysis of the cross-sectional structures of electrodes for all-solid-state secondary batteries prepared according to Comparative Examples.
6 shows the results of charging and discharging of the all-solid-state secondary battery manufactured according to an embodiment of the present invention.
7 shows the charging and discharging results of the all-solid-state secondary battery prepared according to the comparative example.
8 shows the lifespan characteristics of the all-solid-state secondary battery manufactured according to an embodiment of the present invention.
9 shows the lifespan characteristics of the all-solid-state secondary battery manufactured according to the comparative example.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only this embodiment serves to complete the disclosure of the present invention, and to obtain common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' means that a referenced component, step, operation and/or element is the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements. or addition is not excluded.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.Further, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have a schematic nature, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and not to limit the scope of the invention.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Unless otherwise defined, terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those of ordinary skill in the art.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, in order to describe the present invention in more detail, embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 이차전지를 나타내는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 이차전지용 전극의 모식도이다. 1 is a cross-sectional view showing an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention. 2 is a schematic diagram of an electrode for an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전고체 이차전지(10)는 집전체(100), 양극(201), 음극(202), 및 고체 전해질층(300)을 포함할 수 있다. 1 and 2 , the all-solid-state secondary battery 10 may include a current collector 100 , a positive electrode 201 , a negative electrode 202 , and a solid electrolyte layer 300 .

두 개의 집전체들(100)이 서로 대향하여 배치될 수 있다. 상기 집전체들(100) 각각의 일면 상에 양극(201) 및 음극(202)이 배치될 수 있다. 상기 양극(201)과 상기 음극(202)은 서로 대향하여 배치될 수 있다. 상기 고체 전해질층(300)은 상기 양극(201) 및 상기 음극(202) 사이에 개재될 수 있다. 본 명세서에서, 전극은 상기 양극(201) 또는 상기 음극(202)을 지칭할 수 있다.The two current collectors 100 may be disposed to face each other. A positive electrode 201 and a negative electrode 202 may be disposed on one surface of each of the current collectors 100 . The anode 201 and the cathode 202 may be disposed to face each other. The solid electrolyte layer 300 may be interposed between the positive electrode 201 and the negative electrode 202 . In this specification, the electrode may refer to the anode 201 or the cathode 202 .

상기 집전체(100)는 전자를 외부로 전달할 수 있고, 전고체 이차전지(10)의 전체 골격을 유지시킬 수 있다. 상기 집전체(100)는 전고체 이차전지(10)에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지고 산화 안정성이 높은 금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 집전체(100)는, 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 철(Fe), 티타늄(Ti), 스테인리스 스틸(stainless steel), 및 소성 탄소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예로, 상기 집전체(100)는, 니켈(Ni), 카본(C), 티타늄(Ti), 및 은(Ag) 중 적어도 하나로 알루미늄(Al) 또는 스테인리스 스틸(stainless steel)의 표면을 처리한 것을 포함할 수 있다.The current collector 100 may transfer electrons to the outside and maintain the entire skeleton of the all-solid-state secondary battery 10 . The current collector 100 may include a metal having high conductivity and high oxidation stability without causing a chemical change in the all-solid-state secondary battery 10 . For example, the current collector 100 may include nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), aluminum (Al), iron (Fe), titanium (Ti), stainless steel, and sintering. It may include at least one of carbon. As another example, the current collector 100 is formed by treating the surface of aluminum (Al) or stainless steel with at least one of nickel (Ni), carbon (C), titanium (Ti), and silver (Ag). may include

상기 양극(201) 및 상기 음극(202)은 1차원 고체 전해질 물질(210), 전극 활물질(220), 바인더(polymeric binder)를 포함할 수 있다. 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)은 1차원적 형상을 가질 수 있다. 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)의 종횡비(aspect ratio)는 20 내지 1000일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 100일 수 있다. 본 명세서에서, 상기 종횡비(aspect ratio)는, 길이가 L이고, 직경이 D일 때, 길이(L)를 직경(D)으로 나눈 값(L/D)을 의미할 수 있다. 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)의 함량은, 상기 양극(201) 및 상기 음극(202) 중 적어도 하나의 중량 대비 5 wt% 내지 20 wt%일 수 있다. 상세하게, 상기 양극(201) 내의 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)의 함량은, 상기 양극(201)의 중량 대비 5 wt% 내지 20 wt%일 수 있다. 상기 음극(202) 내의 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)의 함량은, 상기 음극(202)의 중량 대비 5 wt% 내지 20 wt%일 수 있다. 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)이, 상기 양극(201) 및 상기 음극(202) 각각의 중량 대비 5 wt% 이하에서는 이온전도 percolation 형성, 즉 이온연결네트워크 형성이 어려울 수 있고, 상기 양극(201) 및 상기 음극(202) 각각의 중량 대비 20 wt% 이상에서는 국지적 응집(aggregation) 발생하여 전자전달 저해 및 전극 에너지 밀도 감소를 초래할 수 있다. 본 발명에 따르면, 1차원 고체 전해질 물질(210)은 1차원적인 구조 특성에 의해, 적은 함량으로도 전극 활물질(220)과의 계면 형성이 상대적으로 유리하고, 프리볼륨(free volume)이 커서 복합 전극 형성시 고체전해질간 응집현상이 억제되어 이온전달 경로(도 2의 화살표) 네트워크 형성이 용이할 수 있다. 또한, 전극 활물질과의 접촉면적이 증가하여 계면저항을 최소화할 수 있다. 즉, 적은 함량의 1차원 고체 전해질 물질(210)을 포함하더라도 전극 내 이온전달 경로(도 2의 화살표)가 확보될 수 있다. 이에 따라, 전극 내의 전극 활물질(220)의 함량을 극대화시킬 수 있어, 최종적으로 고에너지 밀도의 전고체 이차전지(10)를 구현할 수 있다. The positive electrode 201 and the negative electrode 202 may include a one-dimensional solid electrolyte material 210 , an electrode active material 220 , and a polymeric binder. The one-dimensional solid electrolyte material 210 may have a one-dimensional shape. The one-dimensional solid electrolyte material 210 may have an aspect ratio of 20 to 1000, preferably 20 to 100. In the present specification, the aspect ratio may mean a value (L/D) obtained by dividing the length (L) by the diameter (D) when the length is L and the diameter is D. The content of the one-dimensional solid electrolyte material 210 may be 5 wt% to 20 wt% based on the weight of at least one of the positive electrode 201 and the negative electrode 202 . In detail, the content of the one-dimensional solid electrolyte material 210 in the positive electrode 201 may be 5 wt% to 20 wt% based on the weight of the positive electrode 201 . The content of the one-dimensional solid electrolyte material 210 in the negative electrode 202 may be 5 wt% to 20 wt% based on the weight of the negative electrode 202 . When the one-dimensional solid electrolyte material 210 is 5 wt% or less based on the weight of each of the positive electrode 201 and the negative electrode 202, it may be difficult to form ion conduction percolation, that is, to form an ion connection network, and the positive electrode 201 ) and 20 wt% or more based on the weight of each of the anodes 202, local aggregation may occur, which may result in inhibition of electron transport and reduction in electrode energy density. According to the present invention, the one-dimensional solid electrolyte material 210 has a relatively advantageous interface formation with the electrode active material 220 even with a small content due to the one-dimensional structural characteristics, and the free volume is large, so that the composite The aggregation phenomenon between solid electrolytes is suppressed during electrode formation, so that the ion transport path (arrow in FIG. 2) can be easily formed. In addition, since the contact area with the electrode active material is increased, the interface resistance can be minimized. That is, even if a small amount of the one-dimensional solid electrolyte material 210 is included, an ion transfer path (arrow in FIG. 2 ) within the electrode may be secured. Accordingly, the content of the electrode active material 220 in the electrode can be maximized, so that the all-solid-state secondary battery 10 having a high energy density can be finally realized.

예를 들어, 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)은 산화물계 물질, 인산염계 물질, 및 황화물계 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 산화물계 물질은, Li5La3M2O12 (M=Nb, Ta), Li7La3ZrO12, 및 Li6BaLa2Ta2O12 중 적어도 하나의 가넷형 구조의 물질을 포함할 수 있다. 또한, Li7La3Zr2O12에 대해서 Li site에 Al, Ga 등을 도핑원소로 (0 내지 0.3 mol 비율), Zr site에 Nb, Ta 등을 도핑원소로 (0 내지 0.3 mol 비율) 도핑한 물질을 포함할 수 있다. 다른 일예로, 상기 산화물계 물질은, Li3xLa(2/3)-x(1/3)-2xTiO3 (LLTO, 0<x<0.16, □: vacancy)의 페로브스카이드(Perovskite) 구조의 물질을 포함할 수 있다. 상기 인산염계 물질은, Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (x=0 내지 0.4)의 나시콘(NAISICON) 구조의 물질을 포함할 수 있다. 상기 황화물계 물질은 Li10±1MP2X12 (M=Ge, Si, Sn, Al 또는 P이고, X=S 또는 Se임) (일 예로, Li10SnP2S12, 또는 Li4-xSn1-xAsxS4(x=0~100)), thio―lithium superionic conductor(thio-LISICON) (일 예로, Li3.25Ge0.25P0.75S4, 또는 Li10GeP2S12), Li-argyrodite Li6PS5X (X=Cl, Br 또는 I임) (일 예로, Li6PS5Cl), 글래스-세라믹(glass-ceramic) 구조의 Li2S·P2S5 (xLi2S·(100-x)P2S5, x=0 내지 100), 칼코지나이드 원소 및 리튬을 포함하는 글래스한 구조를 갖는 물질(일 예로, Li2·P2S5, Li2S·SiS2·Li3N, Li2S·P2S5·LiI, Li2S·SiS2·LixMOy, Li2S·GeS2, Li2S·B2S3·LiI) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. For example, the one-dimensional solid electrolyte material 210 may include at least one of an oxide-based material, a phosphate-based material, and a sulfide-based material. For example, the oxide-based material may include at least one of Li 5 La 3 M 2 O 12 (M=Nb, Ta), Li 7 La 3 ZrO 12 , and Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 garnet-type material. may include In addition, with respect to Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Al, Ga, etc. are doped into the Li site as doping elements (0 to 0.3 mol ratio), and Nb, Ta, etc. It may contain one substance. In another example, the oxide-based material is a perovskite of Li 3x La (2/3)-x(1/3)-2x TiO 3 (LLTO, 0<x<0.16, □: vacancy). ) structure. The phosphate-based material may include a material having a NAISICON structure of Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (x=0 to 0.4). The sulfide-based material is Li 10±1 MP 2 X 12 (M=Ge, Si, Sn, Al or P, and X=S or Se) (eg, Li 10 SnP 2 S 12 , or Li 4-x Sn 1-x As x S 4 (x=0~100)), thio-lithium superionic conductor (thio-LISICON) (eg, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , or Li 10 GeP 2 S 12 ), Li -argyrodite Li 6 PS 5 X (X=Cl, Br or I) (eg, Li 6 PS 5 Cl), glass-ceramic structure Li 2 S·P 2 S 5 (xLi 2 S ·(100-x)P 2 S 5 , x=0 to 100), a material having a glassy structure including a chalcogenide element and lithium (eg, Li 2 ·P 2 S 5 , Li 2 S·SiS 2 ·Li 3 N, Li 2 S·P 2 S 5 ·LiI, Li 2 S·SiS 2 ·Li x MO y , Li 2 S·GeS 2 , Li 2 S·B 2 S 3 ·LiI) may include

상기 전극 활물질(220)은 리튬(Li) 이온 또는 소듐(Na) 이온을 저장하는 역할을 할 수 있다. 상기 전극 활물질(220)은 상기 양극(201)에 사용되는 양극용 활물질 또는 상기 음극(202)에 사용되는 음극용 활물질을 포함할 수 있다. 상기 전극 활물질(220)은 가압 조건에서 기계적 변형, 즉, 형태의 변형이 이루어질 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극용 활물질은 리튬코발트옥사이드(LiCoO2), 리튬니켈옥사이드(LiNiO2), 리튬망간옥사이드(LiMnO4), 리튬니켈코발트알루미늄옥사이드(LiNiCoAlO2), 올리빈(LiFePO4), 및 리튬코발트망간니켈옥사이드(LiCoxMnyNizO2; x+y+z=1) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 음극용 활물질은 탄소계 활물질, 비탄소계 활물질, 및 금속 포함 활물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 탄소계 활물질은 그라파이트, 하드카본, 소프트카본, 그래핀 및 탄소나노튜브 복합체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 비탄소계 활물질은 주석, 실리콘, 리튬티타늄옥사이드(LixTiO2), 스피넬 리튬티타늄옥사이드(Li4Ti5O12) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 금속 포함 활물질은 리튬 금속 호일, 리튬 금속 분말, 소듐 금속 호일, 및 소듐 금속 분말 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 양극(201) 내의 상기 전극 활물질(220)의 함량은, 상기 양극(201)의 중량 대비 70 wt% 내지 93 wt%, 또는 80 wt% 내지 93 wt%일 수 있다. 상기 음극(202) 내의 상기 전극 활물질(220)의 함량은, 상기 음극(202)의 중량 대비 76 wt% 내지 93 wt%, 또는 80 wt% 내지 93 wt%일 수 있다.The electrode active material 220 may serve to store lithium (Li) ions or sodium (Na) ions. The electrode active material 220 may include an active material for a positive electrode used for the positive electrode 201 or an active material for a negative electrode used for the negative electrode 202 . The electrode active material 220 may include a material capable of being mechanically deformed, ie, deformed in shape under a pressurized condition. For example, the active material for the positive electrode is lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 4 ), lithium nickel cobalt aluminum oxide (LiNiCoAlO 2 ), olivine (LiFePO 4 ), and lithium cobalt manganese nickel oxide (LiCo x Mn y Ni z O 2 ; x+y+z=1). For example, the active material for the negative electrode may include at least one of a carbon-based active material, a non-carbon-based active material, and a metal-containing active material. For example, the carbon-based active material may include at least one of graphite, hard carbon, soft carbon, graphene, and a carbon nanotube composite. For example, the non-carbon-based active material may include at least one of tin, silicon, lithium titanium oxide (Li x TiO 2 ), and spinel lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ). For example, the metal-containing active material may include at least one of a lithium metal foil, a lithium metal powder, a sodium metal foil, and a sodium metal powder. The content of the electrode active material 220 in the positive electrode 201 may be 70 wt% to 93 wt%, or 80 wt% to 93 wt%, based on the weight of the positive electrode 201 . The content of the electrode active material 220 in the negative electrode 202 may be 76 wt% to 93 wt%, or 80 wt% to 93 wt%, based on the weight of the negative electrode 202 .

상기 바인더(polymeric binder)는 상기 전극 활물질(220)을 고정시켜 전고체 이차전지(10)의 기계적 안정성을 유지시키는 역할을 할 수 있다. 상기 바인더는 수계, 또는 비수계의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더는 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리이미드(polyimide), 폴리테트라플루오로데틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), 소듐 카복시메틸 셀룰로오스(Na-Carboxymethyl cellulose), 스티렌-부타디엔 러버(Styrene-butadiene rubber), 및 나이트릴-부타디엔(Nitrile-butadiene rubber) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 양극(201) 내의 상기 바인더의 함량은, 상기 양극(201)의 중량 대비 1 wt% 내지 5 wt%일 수 있다. 상기 음극(202) 내의 상기 바인더의 함량은, 상기 음극(202)의 중량 대비 1 wt% 내지 2 wt%일 수 있다. The binder (polymeric binder) may serve to maintain the mechanical stability of the all-solid-state secondary battery 10 by fixing the electrode active material 220 . The binder may include an aqueous or non-aqueous material. For example, the binder is polyvinylidene fluoride (polyvinylidene fluoride), polyimide (polyimide), polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethylene), polyethylene oxide (poly (ethylene oxide)), polyacrylonitrile (polyacrylonitrile) , hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, sodium carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene rubber, and nitrile-butadiene rubber ) may include at least one of. The content of the binder in the positive electrode 201 may be 1 wt% to 5 wt% based on the weight of the positive electrode 201 . The content of the binder in the negative electrode 202 may be 1 wt% to 2 wt% based on the weight of the negative electrode 202 .

상기 양극(201) 및 상기 음극(202) 중 적어도 하나는 도전재(electro-conducting agent)를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재는 상기 양극(201) 및 상기 음극(202) 각각에 전자 전도성을 부여하는 역할을 할 수 있다. 상기 도전재는 도전성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도전재는 그라파이트, 하드/소프트 카본, 탄소 섬유, 카본 나노튜브, 선형 카본, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 및 케첸 블랙 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 활물질(220)의 전도도가 100 S/cm (20 ℃일 때) 이하인 경우, 상기 양극(201) 내의 상기 도전재의 함량은, 상기 양극(201)의 중량 대비 1 wt% 내지 5 wt%일 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 활물질(220)의 전도도가 100 S/cm (20 ℃일 때) 이하인 경우, 상기 음극(202) 내의 상기 도전재의 함량은, 상기 음극(202)의 중량 대비 1 wt% 내지 2 wt%일 수 있다. 다만, 일부 실시예에서, 상기 양극(201) 및 상기 음극(202)은 도전재를 포함하지 않을 수 있다. 일 예로, 상기 전극 활물질(220)의 전도도가 100 S/cm (20 ℃일 때) 이상인 경우, 상기 양극(201)은 도전재를 포함하지 않을 수 있다. At least one of the anode 201 and the cathode 202 may further include an electro-conducting agent. The conductive material may serve to impart electron conductivity to each of the anode 201 and the cathode 202 . The conductive material may include a material having conductivity. For example, the conductive material may include at least one of graphite, hard/soft carbon, carbon fiber, carbon nanotube, linear carbon, carbon black, acetylene black, and Ketjen black. For example, when the conductivity of the electrode active material 220 is 100 S/cm (at 20° C.) or less, the content of the conductive material in the positive electrode 201 is 1 wt% to 1 wt% of the weight of the positive electrode 201 5 wt %. For example, when the conductivity of the electrode active material 220 is 100 S/cm (at 20° C.) or less, the content of the conductive material in the negative electrode 202 is 1 wt% to the weight of the negative electrode 202 2 wt%. However, in some embodiments, the positive electrode 201 and the negative electrode 202 may not include a conductive material. For example, when the conductivity of the electrode active material 220 is 100 S/cm (at 20° C.) or more, the positive electrode 201 may not include a conductive material.

상기 고체 전해질층(300)은 상기 양극(201) 및 상기 음극(202)에 이온을 전달하는 역할을 할 수 있다. 상기 고체 전해질층(300)은 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 1차원 고체 전해질 물질(210)은 산화물계 물질, 인산염계 물질, 및 황화물계 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 산화물계 물질은, Li5La3M2O12 (M=Nb, Ta), Li7La3ZrO12, 및 Li6BaLa2Ta2O12 중 적어도 하나의 가넷형 구조의 물질을 포함할 수 있다. 또한, Li7La3Zr2O12에 대해서 Li site에 Al, Ga 등을 도핑원소로 (0 내지 0.3 mol 비율), Zr site에 Nb, Ta 등을 도핑원소로 (0 내지 0.3 mol 비율) 도핑한 물질을 포함할 수 있다. 다른 일예로, 상기 산화물계 물질은, Li3xLa(2/3)-x(1/3)-2xTiO3 (LLTO, 0<x<0.16, □: vacancy)의 페로브스카이드(Perovskite) 구조의 물질을 포함할 수 있다. 상기 인산염계 물질은, Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (x=0 내지 0.4)의 나시콘(NAISICON) 구조의 물질을 포함할 수 있다. 상기 황화물계 물질은 Li10±1MP2X12 (M=Ge, Si, Sn, Al 또는 P이고, X=S 또는 Se임) (일 예로, Li10SnP2S12, 또는 Li4-xSn1-xAsxS4(x=0~100)), thio―lithium superionic conductor(thio-LISICON) (일 예로, Li3.25Ge0.25P0.75S4, 또는 Li10GeP2S12), Li-argyrodite Li6PS5X (X=Cl, Br 또는 I임) (일 예로, Li6PS5Cl), 글래스-세라믹(glass-ceramic) 구조의 Li2SP2S5 (xLi2S(100-x)P2S5, x=0 내지 100), 칼코지나이드 원소 및 리튬을 포함하는 글래스한 구조를 갖는 물질(일 예로, Li2P2S5, Li2SSiS2Li3N, Li2SP2S5LiI, Li2SSiS2LixMOy, Li2SGeS2, Li2SB2S3LiI) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The solid electrolyte layer 300 may serve to transfer ions to the positive electrode 201 and the negative electrode 202 . The solid electrolyte layer 300 may include the one-dimensional solid electrolyte material 210 . For example, the one-dimensional solid electrolyte material 210 may include at least one of an oxide-based material, a phosphate-based material, and a sulfide-based material. For example, the oxide-based material may include at least one of Li 5 La 3 M 2 O 12 (M=Nb, Ta), Li 7 La 3 ZrO 12 , and Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 garnet-type material. may include In addition, with respect to Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Al, Ga, etc. are doped into the Li site as doping elements (0 to 0.3 mol ratio), and Nb, Ta, etc. It may contain one substance. In another example, the oxide-based material is a perovskite of Li 3x La (2/3)-x(1/3)-2x TiO 3 (LLTO, 0<x<0.16, □: vacancy). ) structure. The phosphate-based material may include a material having a NAISICON structure of Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (x=0 to 0.4). The sulfide-based material is Li 10±1 MP 2 X 12 (M=Ge, Si, Sn, Al or P, and X=S or Se) (eg, Li 10 SnP 2 S 12 , or Li 4-x Sn 1-x As x S 4 (x=0~100)), thio-lithium superionic conductor (thio-LISICON) (eg, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , or Li 10 GeP 2 S 12 ), Li -argyrodite Li 6 PS 5 X (X=Cl, Br or I) (eg, Li 6 PS 5 Cl), glass-ceramic structure Li 2 SP 2 S 5 (xLi 2 S(100) -x)P 2 S 5 , x=0 to 100), a material having a glassy structure including a chalcogenide element and lithium (eg, Li 2 P 2 S 5 , Li 2 SSiS 2 Li 3 N, Li 2 SP 2 S 5 LiI, Li 2 SSiS 2 Li x MO y , Li 2 SGeS 2 , Li 2 SB 2 S 3 LiI).

다시 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 이차전지(10)를 제조하는 방법을 설명한다.Referring again to FIG. 1 , a method of manufacturing the all-solid-state secondary battery 10 according to an embodiment of the present invention will be described.

1차원 고체전해질 물질(210)은 희생 템플릿을 이용하여 제조될 수 있다. 구체적으로, 희생 템플릿이 제공될 수 있다. 상기 희생 템플릿은 1차원 형상의 고분자일 수 있다. 상기 희생 템플릿을 구성하는 고분자는 약 200 ℃ 내지 700 ℃에서 분해되는 고분자일 수 있다. 고체전해질 성분들을 희생 템플릿 내에 주입하는 공정, 또는 고체전해질 성분들을 희생 템플릿 표면에 결착시킨 후 열처리하는 공정을 수행한 후, 상기 희생 템플릿을 제거하여 1차원 고체전해질 물질(210)을 제조할 수 있다. 이 때, 1차원 고체전해질 물질(210)은 희생 템플릿 형상을 가질 수 있다. The one-dimensional solid electrolyte material 210 may be manufactured using a sacrificial template. Specifically, a sacrificial template may be provided. The sacrificial template may be a polymer having a one-dimensional shape. The polymer constituting the sacrificial template may be a polymer that is decomposed at about 200 °C to 700 °C. After performing a process of injecting the solid electrolyte components into the sacrificial template, or binding the solid electrolyte components to the sacrificial template surface and performing a heat treatment process, the sacrificial template is removed to prepare the one-dimensional solid electrolyte material 210 . . In this case, the one-dimensional solid electrolyte material 210 may have a sacrificial template shape.

보다 구체적으로, 희생 템플릿에 고체전해질 성분들을 주입하는 공정은, 고체전해질을 구성하는 구성원소 프리커서들을 용매에 녹이고 프리커서 용액을 제조하는 것을 포함할 수 있다. 이후, 상기 프리커서 용액을 고분자 용액에 교반시키고 1차원 형상으로 성형한 후, 열처리 공정을 수행하여 고분자를 분해시켜 1차원 고체전해질 물질(210)을 제조하는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 고체전해질 성분들을 희생 템플릿 표면에 결착시킨 후 열처리하는 공정은, 고체전해질을 구성하는 구성원소 프리커서들을 수용액에 녹여 구성원소들이 용액내에서 (+) 또는 (-)이온으로 존재하도록 하는 것을 포함할 수 있다. 이 후, 표면이 (+) 또는 (-)로 개질된 1차원 구조의 고분자 소재에 정전기인력 반응을 통해 결착시키고, 열처리 공정을 수행하여 고분자를 분해시켜 1차원 고체전해질 물질(210)을 제조하는 것을 포함할 수 있다.More specifically, the process of injecting the solid electrolyte components into the sacrificial template may include dissolving precursors constituting the solid electrolyte in a solvent to prepare a precursor solution. Thereafter, the precursor solution is stirred in a polymer solution, molded into a one-dimensional shape, and then a heat treatment process is performed to decompose the polymer to prepare the one-dimensional solid electrolyte material 210 . More specifically, in the process of binding the solid electrolyte components to the sacrificial template surface and then heat-treating, the precursors constituting the solid electrolyte are dissolved in an aqueous solution so that the components exist as (+) or (-) ions in the solution. may include doing After that, the one-dimensional solid electrolyte material 210 is produced by binding the polymer material having a surface modified to (+) or (-) through an electrostatic attraction reaction, and decomposing the polymer by performing a heat treatment process. may include

양극(201) 또는 음극(202)을 제조하는 것은, 슬러리 기반의 후막 도포공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제조된 1차원 고체전해질 물질(210), 전극 활물질(220), 및 도전재를 첨가하고 기계적 혼합 공정을 수행하여 복합화할 수 있다. 이 후, 바인더가 녹아있는 바인더 용액을 첨가하고, 교반 공정을 수행하여 전극 슬러리를 제조할 수 있다. 이후, 상기 전극 슬러리를 금속 호일에 도포하고 건조 공정을 수행하여 바인더 용액 내 용매를 제거한 후, 압착 공정을 수행하여 양극(201) 또는 음극(202) 극판을 제조할 수 있다. 상기 전극 슬러리의 점도, 코팅시 두께, 및 압착 공정시의 압력을 조절하여 로딩레벨(Loading level=활물질함량/면적)을 조절할 수 있다. 상기 전극 슬러리의 점도가 높을수록, 코팅시 두께가 두꺼울수록, 및 압착 공정시의 압력이 클수록 로딩레벨은 증가할 수 있다. 일 예로, 압착 공정시의 압력은 100 mPa 내지 400 mPa일 수 있다. 일 예로, 전극의 두께는 1 um 내지 300 um일 수 있다. Manufacturing the positive electrode 201 or the negative electrode 202 may include performing a slurry-based thick film coating process. More specifically, the prepared one-dimensional solid electrolyte material 210, the electrode active material 220, and a conductive material may be added, and a mechanical mixing process may be performed to make the composite. Thereafter, a binder solution in which the binder is dissolved may be added, and a stirring process may be performed to prepare an electrode slurry. Thereafter, the electrode slurry is applied to a metal foil and a drying process is performed to remove the solvent in the binder solution, and then a pressing process is performed to manufacture the positive electrode 201 or the negative electrode 202 electrode plate. By controlling the viscosity of the electrode slurry, the coating thickness, and the pressure during the compression process, the loading level (loading level = active material content/area) can be adjusted. The higher the viscosity of the electrode slurry, the thicker the coating, and the greater the pressure during the compression process, the higher the loading level may be. For example, the pressure during the compression process may be 100 mPa to 400 mPa. For example, the thickness of the electrode may be 1 um to 300 um.

복합전극기반의 전고체 이차전지(10)를 제조하는 것은, cold 또는 hot sintering 공정을 수행하여 고체전해질층(300)을 형성하는 것, 슬러리 도포 공정을 통해 제조된 양극(201) 및 음극(202) 전극을 고체전해질층(300) 양면에 상에 형성하는 것, 및 100 MPa 내지 200 MPa의 압력을 가하여 고체전해질층(300)과 양극(201) 및 음극(202) 각각과의 밀접한 계면을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제조된 전고체 이차전지(10)의 충방전 특성은 0 ℃ 내지 150 ℃에서 측정할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전고체 이차전지(10)는 0 ℃ 내지 150 ℃에서 구동될 수 있다.Manufacturing the composite electrode-based all-solid-state secondary battery 10 includes forming the solid electrolyte layer 300 by performing a cold or hot sintering process, and a positive electrode 201 and a negative electrode 202 manufactured through a slurry application process. ) forming an electrode on both surfaces of the solid electrolyte layer 300, and applying a pressure of 100 MPa to 200 MPa to form a close interface between the solid electrolyte layer 300 and the positive electrode 201 and the negative electrode 202, respectively may include doing The charge/discharge characteristics of the prepared all-solid-state secondary battery 10 may be measured at 0 °C to 150 °C. That is, the all-solid-state secondary battery 10 according to the present invention may be driven at 0 °C to 150 °C.

실시예Example

슬러리 기반 도포 공정을 수행하여 80:15:5 비율의 천연흑연/1차원 고체전해질/바인더를 포함하는 복합 음극을 제조하였다. 1차원 고체전해질 물질은 전기방사법을 수행하여 제조하였다. A slurry-based coating process was performed to prepare a composite anode including natural graphite/1dimensional solid electrolyte/binder in a ratio of 80:15:5. The one-dimensional solid electrolyte material was prepared by performing an electrospinning method.

구체적으로, PVP (polyvinylpyrrolidone)을 ethanol에 15 wt%로 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 이 후, LiNO3, La(NO3)3·6H2O, ZrOCl2·8H2O 원료물질을 화학 양론적 비에 따라 1mmol 농도로 ethanol:water (80:20, weight ratio)의 용액에 용해시켰다. 이 때, 1.2 wt%의 비율로 Al(NO3)3·9H2O를 같이 용해시켰다. 고분자 용액과 고체전해질 구성 원소 용액을 6:4 부피비율로 혼합 및 교반하여 프리커서 용액을 제조하였다. 1 mL의 프리커서 용액을 실린지에 넣고 일정한 압력을 가하여 0.03 ml/min의 속도로 노즐을 통해 흘러나오도록 하였다. 이 때, 노즐과 콜렉터 사이에 18 kV의 전압을 인가하여 노즐로부터 나노 섬유가 생성되도록 하였다. 제조된 고분자/고체전해질 나노 섬유를 콜렉터로부터 회수하고, 700 ℃ 에서 3시간 열처리를 하여 1차원 구조의 LLZO고체전해질을 제조하였다. 제조된 1차원 고체전해질의 SEM 형상분석결과를 도 3에 나타내었다. 이 때, 1차원 고체전해질은 Li7La3Zr2O12 산화물계 고체전해질이고, 약 20 내지 80 사이의 종횡비(길이/직경)를 나타내는 것을 확인할 수 있다. Specifically, a polymer solution was prepared by dissolving PVP (polyvinylpyrrolidone) in ethanol at 15 wt%. After that, LiNO 3 , La(NO 3 ) 3 ·6H 2 O, ZrOCl 2 ·8H 2 O raw materials are dissolved in a solution of ethanol:water (80:20, weight ratio) at a concentration of 1mmol according to the stoichiometric ratio. made it At this time, Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O was dissolved together at a ratio of 1.2 wt%. A precursor solution was prepared by mixing and stirring the polymer solution and the solid electrolyte component solution in a volume ratio of 6:4. 1 mL of the precursor solution was placed in a syringe and a constant pressure was applied to flow out through the nozzle at a rate of 0.03 ml/min. At this time, a voltage of 18 kV was applied between the nozzle and the collector to generate nanofibers from the nozzle. The prepared polymer/solid electrolyte nanofibers were recovered from the collector and heat-treated at 700° C. for 3 hours to prepare a one-dimensional LLZO solid electrolyte. The SEM shape analysis result of the prepared one-dimensional solid electrolyte is shown in FIG. 3 . In this case, it can be seen that the one-dimensional solid electrolyte is a Li 7 La 3 Zr 2 O 12 oxide-based solid electrolyte, and exhibits an aspect ratio (length/diameter) of about 20 to 80.

바인더로 폴리에틸렌옥사이드와 LiClO4를 아세토나이트라일(ACN, acetonitrile) 녹여 바인더 용액을 제조하였다. 천연흑연/1차원 고체전해질/바인더를 80:15:5 무게비에 맞게 정량하고, 교반기에서 1500 rpm 내지 2000 rpm으로 10분 내지 30분간 혼합시켜 전극슬러리를 제조하였다. 필요할 경우, 교반과정을 2회 내지 3회 반복할 수 있다. 닥터블레이드 방법으로 두께를 조절하여 구리 호일상에 전극슬러리를 코팅하고 진공오븐에서 90 ℃ 내지 110℃ 에서 12시간 내지 24시간 건조시켰다. 제조된 복합 음극의 로딩레벨은 코팅 두께에 따라 5 mg/cm2 내지 12 mg/cm2 로 조절하였다. As a binder, polyethylene oxide and LiClO 4 were dissolved in acetonitrile (ACN, acetonitrile) to prepare a binder solution. An electrode slurry was prepared by quantifying natural graphite/one-dimensional solid electrolyte/binder according to a weight ratio of 80:15:5, and mixing the mixture at 1500 rpm to 2000 rpm for 10 minutes to 30 minutes on a stirrer. If necessary, the stirring process may be repeated 2 to 3 times. The electrode slurry was coated on copper foil by controlling the thickness by a doctor blade method and dried in a vacuum oven at 90°C to 110°C for 12 hours to 24 hours. The loading level of the prepared composite negative electrode was adjusted to 5 mg/cm 2 to 12 mg/cm 2 depending on the coating thickness.

복합음극의 전지 특성을 분석하기 위해 복합음극/고체전해질/리튬금속으로 구성된 전고체 반전지를 제조하였다. 복합 음극과 리튬금속 전극 사이의 고체전해질 막으로는 Li7P3S11 glass-ceramic (LPS)을 사용하였다. 먼저, 고체전해질 막을 200 MPa 내지 400 MPa 압력으로 냉간 소결하여 고체전해질층을 형성하였다. 고체전해질 층 양면에 복합 음극과 리튬금속 전극을 형성시킨 후 100 MPa 내지 200 MPa의 압력을 가하여 고체전해질층, 복합음극 및 리튬금속전극과의 밀접한 계면을 형성시켜 전고체 이차전지를 제조하였다. In order to analyze the battery characteristics of the composite cathode, an all-solid-state half cell composed of a composite cathode/solid electrolyte/lithium metal was prepared. Li 7 P 3 S 11 glass-ceramic (LPS) was used as the solid electrolyte film between the composite anode and the lithium metal electrode. First, the solid electrolyte layer was formed by cold sintering at a pressure of 200 MPa to 400 MPa. After forming a composite negative electrode and a lithium metal electrode on both sides of the solid electrolyte layer, a pressure of 100 MPa to 200 MPa was applied to form a close interface with the solid electrolyte layer, the composite negative electrode, and the lithium metal electrode to prepare an all-solid-state secondary battery.

비교예1Comparative Example 1

1차원 고체전해질 대신 0차원 고체전해질을 복합음극에 넣어준 것, 및 천연흑연/1차원 고체전해질/바인더를 55:40:5 무게비에 맞게 정량한 것을 제외하고는, 앞서 설명한 실시예를 제조하는 방법과 동일한 방법으로 전고체 이차전지를 제조하였다. 구체적으로, 0차원 구조의 LLZO 고체전해질을 제조하기 위해 Li(lithium) 소스로 lithium carbonate(LiCO3), la(lanthanum) 소스로 lanthanum oxide(La2O3), M 소스로 zirconium oxide(ZrO2)를 분말 상태로 혼합하였다. 투입된 Li, La, Zr 소스의 몰비를 7:3:2로 유지하였다. 균일한 혼합을 위해, Isopropyl alcohol(IPA)를 첨가하고 기계적 분쇄 혼합 방법인 Ball-milling법을 수행하여 6시간 내지 12시간동안 혼합하였다. Ball-milling법을 수행하여 수득한 혼합 분말들은 이후, 100 ℃로 유지된 건조오븐에서 건조하여, 건조된 상태의 분말상태를 수득하였다. 혼합 분말을 1000 ℃로 유지된 반응로에서 4시간 1차 열처리 공정을 수행하였다. 1200 ℃에서 12시간 2차 열처리 공정을 수행하였다. 천연흑연/1차원 고체전해질/바인더를 55:40:5 무게비에 맞게 정량하여 복합음극을 제조한 후, 전고체 이차전지를 제조하였다.Except for putting a 0-dimensional solid electrolyte in the composite cathode instead of a one-dimensional solid electrolyte, and quantifying the natural graphite / 1 dimensional solid electrolyte / binder according to a weight ratio of 55:40:5, preparing the example described above An all-solid-state secondary battery was manufactured by the same method as the method. Specifically, to prepare an LLZO solid electrolyte with a 0-dimensional structure, lithium carbonate (LiCO 3 ) as a Li (lithium) source, lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as a la (lanthanum) source, and zirconium oxide (ZrO 2 ) as an M source ) was mixed in a powder state. The molar ratio of the Li, La, and Zr sources was maintained at 7:3:2. For uniform mixing, Isopropyl alcohol (IPA) was added and the ball-milling method, which is a mechanical grinding and mixing method, was performed and mixed for 6 to 12 hours. The mixed powders obtained by performing the ball-milling method were then dried in a drying oven maintained at 100° C. to obtain a dried powder state. The mixed powder was subjected to a primary heat treatment process for 4 hours in a reactor maintained at 1000 °C. A secondary heat treatment process was performed at 1200 °C for 12 hours. A composite cathode was prepared by quantifying natural graphite/1D solid electrolyte/binder in a weight ratio of 55:40:5, and then an all-solid-state secondary battery was prepared.

고체전해질이 없는 순수 흑연전극 형상에 비해 복합전극층은 고체전해질이 포함되어 있어 이온전달경로를 형성한다. 0차원 고체전해질은 20wt%함량에서 확실한 이온전달경로를 형성시키지 못하는 반면 40 wt%의 0차원 고체전해질 포함된 복합전극층에서는 상대적으로 충분한 이온전달경로가 형성되고 있음을 보여준다.Compared to the shape of a pure graphite electrode without a solid electrolyte, the composite electrode layer contains a solid electrolyte to form an ion transport path. It shows that the 0-dimensional solid electrolyte does not form a reliable ion transport path at 20 wt%, whereas a relatively sufficient ion transport path is formed in the composite electrode layer containing 40 wt% of the 0-dimensional solid electrolyte.

비교예2Comparative Example 2

천연흑연/1차원 고체전해질/바인더를 55:20:5 무게비에 맞게 정량한 것을 제외하고는, 앞서 설명한 비교예를 제조하는 방법과 동일한 방법으로 복합음극을 제조하였다.A composite cathode was manufactured in the same manner as in the preparation of Comparative Example described above, except that natural graphite/1D solid electrolyte/binder was quantified according to a weight ratio of 55:20:5.

실험예 1Experimental Example 1

실시예에 따라 제조된 복합 음극의 단면 구조의 EDS-mapping 분석결과를 도 4에 나타내었다. 고체전해질이 없는 순수 흑연전극의 단면 구조의 EDS-mapping 분석결과를 도 5a에 나타내었다. 비교예 1에 따라 제조된 복합 음극의 단면 구조의 EDS-mapping 분석결과를도 5b에 나타내었다. 비교예 2에 따라 제조된 복합 음극의 단면 구조의 EDS-mapping 분석결과를도 5c에 나타내었다.The results of EDS-mapping analysis of the cross-sectional structure of the composite anode prepared according to the example are shown in FIG. 4 . The result of EDS-mapping analysis of the cross-sectional structure of a pure graphite electrode without a solid electrolyte is shown in FIG. 5a. The results of EDS-mapping analysis of the cross-sectional structure of the composite negative electrode prepared according to Comparative Example 1 are shown in FIG. 5B. The results of EDS-mapping analysis of the cross-sectional structure of the composite anode prepared according to Comparative Example 2 are shown in FIG. 5c .

도 4를 참조하면, La 또는 Zr 원소 분석으로 1차원 고체전해질의 존재를 확인할 수 있었다. 도 4, 도 5a, 도 5b, 및 도 5c를 참조하면, 고체전해질이 없는 순수 흑연전극 및 비교예 2에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 복합전극은 상대적으로 충분한 이온전달경로가 형성되고 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the presence of a one-dimensional solid electrolyte could be confirmed by elemental analysis of La or Zr. 4, 5A, 5B, and 5C, compared to the pure graphite electrode without a solid electrolyte and Comparative Example 2, the composite electrode according to the embodiment of the present invention has a relatively sufficient ion transport path. can confirm.

실험예 2Experimental Example 2

충방전 특성을 분석하기 위해, CC(constant current) 모드 기반으로 cut-off 전압을 0.001 V 내지 2 V로 설정하였고, 0.1C rate 로 30회 충방전을 진행하였다. 또한, 고온 구동특성을 확인하기 위해 충방전 분석을 60 ℃에서 진행하였다. 실시예에 따라 제조된 전고체 이차전지의 충방전 결과를 도 6에 나타내었다. 비교예 1에 따라 제조된 전고체 이차전지의 충방전 결과를 도 7에 나타내었다. In order to analyze the charge/discharge characteristics, the cut-off voltage was set to 0.001 V to 2 V based on the CC (constant current) mode, and charging and discharging were performed 30 times at a 0.1C rate. In addition, in order to confirm the high-temperature driving characteristics, the charge/discharge analysis was performed at 60 °C. The results of charging and discharging of the all-solid-state secondary battery prepared according to the example are shown in FIG. 6 . The results of charging and discharging of the all-solid-state secondary battery prepared according to Comparative Example 1 are shown in FIG. 7 .

도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예의 초기용량은 96.38 mAh/g을 나타내고, 비교예 1의 초기용량은 303.8 mAh/g을 나타내어, 큰 차이를 보이지 않았다. 실시예의 충방전 결과는 2, 3, 10, 20, 29 사이클에서 각각 296.1 mAh/g, 294.9 mAh/g, 284.4 mAh/g, 269.5 mAh/g, 257.1 mAh/g으로 측정되었다. 비교예의 충방전 결과는 2, 3, 10, 20, 30 사이클에서 각각 300.68 mAh/g, 297.4 mAh/g, 276.9 mAh/g, 243.3 mAh/g, 205.1 mAh/g으로 측정되었다. 이에 따라, 비교예의 전고체 이차전지는 사이클이 진행될수록 급속하게 용량이 감소하는 반면, 본 발명에 따른 전고체 이차전지는 사이클이 진행되더라도 용량이 비교적 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다.6 and 7 , the initial capacity of Example was 96.38 mAh/g, and the initial capacity of Comparative Example 1 was 303.8 mAh/g, showing no significant difference. The charging/discharging results of the examples were measured to be 296.1 mAh/g, 294.9 mAh/g, 284.4 mAh/g, 269.5 mAh/g, and 257.1 mAh/g, respectively, in 2, 3, 10, 20, and 29 cycles. The charging and discharging results of the comparative example were measured to be 300.68 mAh/g, 297.4 mAh/g, 276.9 mAh/g, 243.3 mAh/g, and 205.1 mAh/g in 2, 3, 10, 20, and 30 cycles, respectively. Accordingly, it can be seen that the capacity of the all-solid-state secondary battery of Comparative Example rapidly decreases as the cycle progresses, whereas the capacity of the all-solid-state secondary battery according to the present invention is relatively well maintained even when the cycle progresses.

실험예 3Experimental Example 3

실시예에 따라 제조된 전고체 이차전지의 수명 특성 결과를 도 8에 나타내었다. 비교예 1에 따라 제조된 전고체 이차전지의 수명 특성 결과를 도 9에 나타내었다. 도 8 및 도 9는 CC 모드로 60 ℃에서 30회 동안 0.001 V 내지 2 V의 cut-off 전압 범위에서 충전용량(●: discharge), 방전용량(○: charge) 및 쿨롱효율(◆ : Coulombic efficiency) 결과를 나타낸다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예의 경우 30 사이클에서 초기용량대비 86.8%의 용량을 보인 반면, 비교예의 경우 30 사이클에서 초기용량대비 67.5%의 용량을 보였다. 본 발명에 따른 더 적은 함량(15 wt%)의 1차원 고체전해질을 포함하는 전고체 이차전지의 수명 특성이, 상대적으로 더 많은 함량(40 wt%)의 0차원 고체전해질을 포함하는 전고체 이차전지보다 더 우수함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전고체 이차전지의 수명 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 8 shows the lifespan characteristics of the all-solid-state secondary battery prepared according to the example. The results of the lifespan characteristics of the all-solid-state secondary battery prepared according to Comparative Example 1 are shown in FIG. 9 . 8 and 9 show charge capacity (●: discharge), discharge capacity (○: charge) and Coulombic efficiency (♦: Coulombic efficiency) in a cut-off voltage range of 0.001 V to 2 V for 30 times at 60° C. in CC mode. ) shows the results. Referring to FIGS. 8 and 9 , the Example showed a capacity of 86.8% compared to the initial capacity at 30 cycles, whereas the Comparative Example showed a capacity of 67.5% compared to the initial capacity at 30 cycles. The lifespan characteristics of the all-solid-state secondary battery including a lesser content (15 wt%) of the one-dimensional solid electrolyte according to the present invention, the all-solid secondary battery including a relatively higher content (40 wt%) of the zero-dimensional solid electrolyte It can be confirmed that it is superior to the battery. That is, it can be confirmed that the lifespan characteristics of the all-solid-state secondary battery according to the present invention are improved.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.As mentioned above, although embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can practice the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (1)

양극;
음극; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 고체 전해질층을 포함하되,
상기 양극 및 음극 중 적어도 하나는 1차원 고체 전해질 물질, 전극 활물질, 및 바인더를 포함하고,
상기 1차원 고체 전해질 물질의 종횡비는 20 내지 1000이고,
상기 1차원 고체 전해질 물질의 함량은, 상기 양극 및 상기 음극 중 상기 적어도 하나의 중량 대비 5 wt% 내지 20 wt%인 전고체 이차전지.
anode;
cathode; and
A solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode,
At least one of the positive electrode and the negative electrode includes a one-dimensional solid electrolyte material, an electrode active material, and a binder,
The aspect ratio of the one-dimensional solid electrolyte material is 20 to 1000,
The content of the one-dimensional solid electrolyte material is 5 wt% to 20 wt% based on the weight of at least one of the positive electrode and the negative electrode.
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