KR20220120979A - Method of preparing llzo solid electrolyte, llzo solid electrolyte and all solid state lithium ion battery comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte, the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte, and an all-solid-state lithium secondary battery including the same. The method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention comprises the following steps of: preparing a first sol composition by adding a first substitutional doping material to a first mixed solution in which a Li raw material and La raw material are dissolved in a solvent, and then synthesizing the same in a sol form; preparing a second sol composition by adding a second substitutional doping material to a second mixed solution in which a Zr raw material and a catalyst are dissolved in a solvent, and then synthesizing the same in a sol form; gelating the first sol composition and the second sol composition, respectively, and then pre-calcining the same to prepare respective powders; milling, mixing, pulverizing, and calcining the respective powders to form a substitution material-doped LLZO powder; and molding the substitution material-doped LLZO powder to form a molded body, and sintering the molded body. According to the present invention, composition change of the solid electrolyte is easy, and a process is possible at low temperature to prevent degradation of properties of the LLZO material.

Description

리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질 및 이를 포함하는 전고체 리튬이차전지{METHOD OF PREPARING LLZO SOLID ELECTROLYTE, LLZO SOLID ELECTROLYTE AND ALL SOLID STATE LITHIUM ION BATTERY COMPRISING THE SAME}Lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte manufacturing method, lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte and all-solid lithium secondary battery comprising the same THE SAME}

본 발명은 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질 및 이를 포함하는 전고체 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte, a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte, and an all-solid lithium secondary battery comprising the same.

최근 전기차 시장의 확대와 Energy storage system(ESS) 등의 수요와 관심 증가에 따라 리튬 이온 배터리 시장이 꾸준히 성장하고 있다. 종래 사용되고 있는 액상의 전해질을 사용한 리튬이온전지의 경우 누액 및 팽창 등에 의한 폭발, 발화 등의 안전성에 대한 위험이 존재한다. The lithium-ion battery market is growing steadily in line with the recent expansion of the electric vehicle market and increased demand and interest in energy storage systems (ESS). In the case of a lithium ion battery using a liquid electrolyte that is conventionally used, there is a risk for safety such as explosion and ignition due to leakage and expansion.

반면, 전고체전지 배터리(All-solid-state batteries)는 고체 전해질을 사용하기 때문에 누액 및 팽창의 위험이 없어 안전성이 뛰어나고 분리막이 불필요하여 구조 개선을 통한 출력 향상 및 다양한 형상 구현이 가능하다는 장점이 있어 이에 따른 연구가 활발히 진행되고 있다. 여러 종류의 고체전해질 소재 중 특히 가넷 구조의 cubic LixLa3M2O12(M=Ta, Nb, Zr)는 열적, 전기화학적 안정성과 상대적으로 작은 입계 저항, 높은 이온전도도 (~10-4 S/cm), 리튬 음극과의 안정성 때문에 차세대 전지를 위한 고체전해질로서 관심을 끌고 있다.On the other hand, since all-solid-state batteries use solid electrolyte, there is no risk of leakage or expansion, so safety is excellent. Accordingly, research is being actively conducted. Among the various solid electrolyte materials, cubic Li x La 3 M 2 O 12 (M=Ta, Nb, Zr) with a garnet structure has thermal and electrochemical stability, relatively small intergranular resistance, and high ionic conductivity (~10 -4 S/cm) and stability with lithium anodes, it is attracting attention as a solid electrolyte for next-generation batteries.

종래의 LLZO를 합성하는 고상합성법은 높은 소결 온도와 24 시간 이상의 긴 소결 시간 때문에 리튬이 휘발되면서 공극의 증가로 이온전도도가 감소하고 이차상을 포함하는 불안정한 화학적 조성비를 가질 수 있는 문제점이 있다.The conventional solid-phase synthesis method for synthesizing LLZO has a problem in that, due to the high sintering temperature and the long sintering time of 24 hours or more, the ionic conductivity decreases due to the increase of voids as lithium volatilizes, and it can have an unstable chemical composition ratio including a secondary phase.

이에 따라, 소재의 특성 저하를 가져오는 공정상 한계점을 해결하기 위한 연구가 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for research to solve the limitations in the process leading to deterioration of the properties of the material.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 조성 변화가 용이하고 낮은 온도에서의 공정이 가능하게 하여 LLZO 물질의 특성 저하를 방지할 수 있는 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질 및 이를 포함하는 전고체 리튬이차전지를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems, an object of the present invention is lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid that can prevent deterioration of the properties of the LLZO material by enabling easy composition change and processing at a low temperature To provide a method for manufacturing an electrolyte, a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte, and an all-solid-state lithium secondary battery comprising the same.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those 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 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법은, Li 원료 및 La 원료를 용매에 용해시킨 제1 혼합 용액에 제1 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸(sol) 형태로 합성하여 제1 졸 조성물을 준비하는 단계; Zr 원료 및 촉매제를 용매에 용해시킨 제2 혼합 용액에 제2 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸 형태로 합성하여 제2 졸 조성물을 준비하는 단계; 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 각각 겔화(gelation)한 후 전-하소하여 각각의 분말을 준비하는 단계; 상기 각각의 분말을 밀링하여 혼합 및 분쇄하고 하소하여 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 형성하는 단계; 및 상기 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 성형하여 성형체를 형성하고, 상기 성형체를 소결하는 단계;를 포함한다.In the method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, a first substitution doping material is added to a first mixed solution in which a Li raw material and a La raw material are dissolved in a solvent, and then a sol preparing a first sol composition by synthesizing it in the form; preparing a second sol composition by adding a second substitution doping material to a second mixed solution in which a Zr raw material and a catalyst are dissolved in a solvent and then synthesizing it in a sol form; preparing each powder by pre-calcining after gelation of the first sol composition and the second sol composition, respectively; milling each of the powders, mixing and pulverizing, and calcining to form a substitution material-doped LLZO powder; and forming the substitution material-doped LLZO powder to form a green body, and sintering the green body.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 치환 도핑 물질은, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 칼륨(K), 세륨(Ce) 및 루비듐(Rb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the first substitution doping material is aluminum (Al), gallium (Ga), barium (Ba), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), potassium (K), cerium It may include at least one selected from the group consisting of (Ce) and rubidium (Rb).

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 치환 도핑 물질은, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 니오븀(Nb) 및 탄탈럼(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the second substitution doping material is at least selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), antimony (Sb), yttrium (Y), niobium (Nb), and tantalum (Ta). It may include any one.

일 실시형태에 있어서, 상기 용매는, n-프로필 알코올, 2-메톡시에탄올, 에탄올, 메탄올, 1-프로판올, 이소-부탄올, tert-부탄올, 1-부탄올, 2-프로판올, 2-부탄올, 1-데칸올, 페놀, 2-부탄온, 에틸아세테이트, 톨루엔 및 헵탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the solvent is n-propyl alcohol, 2-methoxyethanol, ethanol, methanol, 1-propanol, iso-butanol, tert-butanol, 1-butanol, 2-propanol, 2-butanol, 1 - It may include at least one selected from the group consisting of decanol, phenol, 2-butanone, ethyl acetate, toluene, and heptane.

일 실시형태에 있어서, 상기 촉매제는, 질산, 염산, 황산, 인산, 아세트산, 클로로술폰산, 요오드산, 주석산, 과염소산, 폴리인산, 피로인산, 파라-톨루엔산, 트리클로로아세트산, 포름산, 아세트산 및 시트르산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산성 촉매; 또는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화바륨, 암모니아, n-부틸아민, 디-n-부틸아민, 트리-n-부틸아민, 이미다졸 및 과염소산암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 염기성 촉매를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the catalyst is nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, acetic acid, chlorosulfonic acid, iodic acid, tartaric acid, perchloric acid, polyphosphoric acid, pyrophosphoric acid, para-toluic acid, trichloroacetic acid, formic acid, acetic acid and citric acid At least one acid catalyst selected from the group consisting of; or sodium hydroxide, potassium hydroxide, barium hydroxide, ammonia, n-butylamine, di-n-butylamine, tri-n-butylamine, imidazole, and at least one basic catalyst selected from the group consisting of ammonium perchlorate may be doing

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 졸 조성물을 준비하는 단계 및 상기 제2 졸 조성물을 준비하는 단계 이후에, 각각, 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 6 시간 내지 24 시간 동안 시효(aging)하는 단계;를 더 포함 것일 수 있다.In one embodiment, after preparing the first sol composition and preparing the second sol composition, respectively, the first sol composition and the second sol composition are aged for 6 hours to 24 hours ( aging) may be further included.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물의 겔화(gelation)는, 건조로에서 100 ℃ 내지 200 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 건조하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gelation of the first sol composition and the second sol composition may be dried in a drying furnace at 100°C to 200°C for 3 hours to 12 hours.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 각각 겔화(gelation)한 후 전-하소하여 각각의 분말을 준비하는 단계는, 400 ℃ 내지 500 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the step of preparing each powder by pre-calcining after gelation of the first sol composition and the second sol composition, respectively, at 400°C to 500°C for 3 hours to 12 hours it may be performing

일 실시형태에 있어서, 상기 하소는, 700 ℃ 내지 950 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In an embodiment, the calcination may be performed at 700° C. to 950° C. for 3 hours to 12 hours.

일 실시형태에 있어서, 상기 밀링은, 볼밀(ball mill), 진동밀(vibration mill), 제트밀(jet mill), 비드밀(bead mill) 및 어트리션 밀(attrition mill)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 12 시간 내지 36 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the milling is selected from the group consisting of a ball mill, a vibration mill, a jet mill, a bead mill, and an attrition mill. It may be carried out for 12 hours to 36 hours using at least one method.

일 실시형태에 있어서, 상기 성형체를 소결하는 단계 이전에, 상기 성형체를 200 MPa 내지 300 MPa 의 압력을 가하는 냉간 등압 성형(Cold Isostatic Pressing; CIP), 또는 1000 ℃ 이상 고온에서 10 MPa 내지 20 MPa 의 압력을 가하는 열간 등압 성형(Hot Isostaic Pressing; HIP)을 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, before the step of sintering the compact, cold isostatic pressing (CIP) applying a pressure of 200 MPa to 300 MPa to the compact, or 10 MPa to 20 MPa at a high temperature of 1000 ° C. or higher It may be to perform hot isostatic pressing (HIP) applying pressure.

일 실시형태에 있어서, 상기 소결은, 900 ℃ 내지 1100 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the sintering may be performed at 900 °C to 1100 °C for 3 hours to 12 hours.

본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은, 하기의 화학식 1로 표시된다:A lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to another embodiment of the present invention is represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Li 7-x AxLa3-yB y Zr2 z MzO12 Li 7-x A x La 3-y B y Zr 2 z M z O 12

(여기에서, 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A는 Li의 치환 도핑 원소, B는 La 치환 도핑 원서, M은 Zr 치환 도핑 원소이고, A, B는, 각각, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 칼륨(K), 세륨(Ce) 및 루비듐(Rb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고, M은, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 니오븀(Nb) 및 탄탈럼(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것임).(where 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A is a Li substitution doping element, B is a La substitution doping application, M is a Zr substitution doping element, A and B are, from the group consisting of aluminum (Al), gallium (Ga), barium (Ba), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), potassium (K), cerium (Ce) and rubidium (Rb), respectively At least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), antimony (Sb), yttrium (Y), niobium (Nb) and tantalum (Ta) to include).

일 실시형태에 있어서, 상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.In one embodiment, the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte may be prepared by the method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전고체 리튬이차전지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질을 포함하는 전해질층; 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 음극 활물질을 포함하는 음극;을 포함한다.An all-solid-state lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention, an electrolyte layer comprising a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention; a positive electrode including a positive active material; and an anode including an anode active material.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질 제조 방법에 의하여 졸-겔 방법을 이용하여 각각의 졸(sol) 형태로 합성한 후 분말화한 다음 고상합성법으로 제조함으로써 초기에 La-2-Zr2O7 생성으로 인한 이차상 발생을 억제하여 안정화된 입방정(cubic) 상을 형성할 수 있다. 또한, 혼합 용액에 치환 도핑 물질을 첨가하여 졸(sol) 형태에서 전-하소 (pre-calcination) 공정을 수행함으로써 물질에 포함된 잔여 용매제와 유기물 제거를 통해 불순물 함량을 낮춰 추후 공정에서의 이차상 발현을 억제하여 특성 저하를 방지할 수 있다. According to the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte manufacturing method according to an embodiment of the present invention, synthesized in each sol form using the sol-gel method, then powdered, and then manufactured by the solid-phase synthesis method. It is possible to form a stabilized cubic phase by suppressing the generation of a secondary phase due to the generation of La -2 -Zr 2 O 7 . In addition, by performing a pre-calcination process in the form of a sol by adding a substitution doping material to the mixed solution, the impurity content is lowered by removing the residual solvent and organic matter contained in the material, thereby secondary By inhibiting phase expression, deterioration of properties can be prevented.

또한, 조성 변화가 용이하면서 작고 균일한 나노급 사이즈의 전구체 분말 제작이 가능하여 저온 소결 공정에도 우수한 이온전도도 특성을 갖는 고체전해질 제작이 가능하기 때문에 기존 고상합성법이 갖는 고온, 장시간의 소결에 따른 리튬 손실 및 이차상 생성의 공정 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.In addition, it is possible to produce a small and uniform nano-sized precursor powder with an easy composition change, so that a solid electrolyte with excellent ionic conductivity can be produced even in a low-temperature sintering process. It is expected to overcome the process limitations of loss and secondary phase generation.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은 이차상이 없는 안정화된 입방정(cubic) 상을 가지는 것일 수 있다.The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention may have a stabilized cubic phase without a secondary phase.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 (Al, Ta) LLZO 펠릿 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 (Al, Ta) LLZO 상의 LCO 음극 증착을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 졸-겔법에 의해 제조된 원료 분말의 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 LLZO 고체전해질 소결체의 광학 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 LLZO 고체전해질 소결체의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a process flow chart for explaining a method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a process flow chart for explaining the (Al, Ta) LLZO pellet manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
3 is a process flow chart for explaining the LCO cathode deposition on (Al, Ta) LLZO according to an embodiment of the present invention.
4 is a SEM image of a raw material powder prepared by a sol-gel method according to an embodiment of the present invention.
5 is an optical image of the LLZO solid electrolyte sintered body prepared according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the XRD analysis result of the LLZO solid electrolyte sintered body prepared according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents and substitutes for the embodiments are included in the scope of the rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the examples are used for the purpose of description only, and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In the description of the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having a common function will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, descriptions described in one embodiment may be applied to other embodiments as well, and detailed descriptions within the overlapping range will be omitted.

이하, 본 발명의 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질 및 이를 포함하는 전고체 리튬이차전지에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a method for manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte of the present invention, a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte, and an all-solid lithium secondary battery including the same will be described in detail with reference to Examples and drawings. . However, the present invention is not limited to these examples and drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법은, Li 원료 및 La 원료를 용매에 용해시킨 제1 혼합 용액에 제1 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸(sol) 형태로 합성하여 제1 졸 조성물을 준비하는 단계; Zr 원료 및 촉매제를 용매에 용해시킨 제2 혼합 용액에 제2 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸 형태로 합성하여 제2 졸 조성물을 준비하는 단계; 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 각각 겔화(gelation)한 후 전-하소(pre-calcination)하여 각각의 분말을 준비하는 단계; 상기 각각의 분말을 밀링하여 혼합 및 분쇄하고 하소(calcination)하여 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 형성하는 단계; 및 상기 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 성형하여 성형체를 형성하고, 상기 성형체를 소결(sintering)하는 단계;를 포함한다.In the method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, a first substitution doping material is added to a first mixed solution in which a Li raw material and a La raw material are dissolved in a solvent, and then a sol preparing a first sol composition by synthesizing it in the form; preparing a second sol composition by adding a second substitution doping material to a second mixed solution in which a Zr raw material and a catalyst are dissolved in a solvent and then synthesizing it in a sol form; preparing each powder by pre-calcining after gelation of the first sol composition and the second sol composition, respectively; milling each of the powders, mixing and pulverizing, and calcining to form a substitution material-doped LLZO powder; and forming a compact by molding the substitution material-doped LLZO powder, and sintering the compact.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.1 is a process flow chart for explaining a method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법은, 제1 졸 조성물 준비 단계 (110), 제2 졸 조성물 준비 단계 (120), 분말 준비 단계 (130), 하소하여 치환 물질-도핑된 LLZO 분말 형성 단계 (140) 및 소결 단계 (150)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention includes a first sol composition preparation step 110 , a second sol composition preparation step 120 , and powder preparation. Step 130 , calcining to form a displacement material-doped LLZO powder 140 , and sintering 150 .

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 졸 조성물 준비 단계 (110)는, Li 원료 및 La 원료를 용매에 용해시킨 제1 혼합 용액에 제1 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸(sol) 형태로 합성하여 제1 졸 조성물을 준비하는 단계이다.In one embodiment, in the first sol composition preparation step 110, a first substitution doping material is added to a first mixed solution in which a Li raw material and a La raw material are dissolved in a solvent, and then synthesized in a sol form. It is a step of preparing the first sol composition.

일 실시형태에 있어서, 상기 Li 원료는, Lithium nitrate hydrate(LiNO3·xH2O), Lithium nitrate(LiNO3), Lithium hydroxide(LiOH) 및 Lithium carbonate(Li2CO3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the Li raw material, Lithium nitrate hydrate (LiNO 3 · x H 2 O), Lithium nitrate (LiNO 3 ), Lithium hydroxide (LiOH) and Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) Selected from the group consisting of It may be to include at least any one of.

일 실시형태에 있어서, 상기 La 원료는, Lanthanum nitrate hydrate (La(NO3)3·xH2O,를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the raw material La, Lanthanum nitrate hydrate (La(NO 3 ) 3 · x H 2 O, may be one containing.

일 실시형태에 있어서, 상기 용매는, n-프로필 알코올, 2-메톡시에탄올, 에탄올, 메탄올, 1-프로판올, 이소-부탄올, tert-부탄올, 1-부탄올, 2-프로판올, 2-부탄올, 1-데칸올, 페놀, 2-부탄온, 에틸아세테이트, 톨루엔 및 헵탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the solvent is n-propyl alcohol, 2-methoxyethanol, ethanol, methanol, 1-propanol, iso-butanol, tert-butanol, 1-butanol, 2-propanol, 2-butanol, 1 - It may include at least one selected from the group consisting of decanol, phenol, 2-butanone, ethyl acetate, toluene, and heptane.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 치환 도핑 물질은, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 칼륨(K), 세륨(Ce) 및 루비듐(Rb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the first substitution doping material is aluminum (Al), gallium (Ga), barium (Ba), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), potassium (K), cerium It may include at least one selected from the group consisting of (Ce) and rubidium (Rb).

바람직하게는, 상기 제1 치환 도핑 물질은 알루미늄(Al)인 것일 수 있다.Preferably, the first substitutional doping material may be aluminum (Al).

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 치환 도핑 물질은, aluminum oxide (Al2O3)를 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment, the first substitution doping material may include aluminum oxide (Al 2 O 3 ).

일 실시형태에 있어서, 제1 치환 도핑 물질은, 한 개 또는 두 개인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 치환 도핑 물질이 A, B인 경우, 상기 제1 졸 조성물은 A, B-도핑된 졸인 것일 수 있다.In one embodiment, the first substitutional doping material may be one or two. For example, when the first substituted doping material is A or B, the first sol composition may be an A or B-doped sol.

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 졸 조성물 준비 단계 (120)는, Zr 원료 및 촉매제를 용매에 용해시킨 제2 혼합 용액에 제2 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸 형태로 합성하여 제2 졸 조성물을 준비하는 단계이다.In one embodiment, in the second sol composition preparation step 120, a second substituted doping material is added to a second mixed solution in which a Zr raw material and a catalyst are dissolved in a solvent, and then synthesized in a sol form to form a second sol composition. is the stage of preparation.

일 실시형태에 있어서, 상기 Zr 원료는, zirconium(IV) propoxide (Zr(OC3H7)4을 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment, the Zr raw material may include zirconium(IV) propoxide (Zr(OC 3 H 7 ) 4 .

일 실시형태에 있어서, 상기 용매는, n-프로필 알코올, 2-메톡시에탄올, 에탄올, 메탄올, 1-프로판올, 이소-부탄올, tert-부탄올, 1-부탄올, 2-프로판올, 2-부탄올, 1-데칸올, 페놀, 2-부탄온, 에틸아세테이트, 톨루엔 및 헵탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the solvent is n-propyl alcohol, 2-methoxyethanol, ethanol, methanol, 1-propanol, iso-butanol, tert-butanol, 1-butanol, 2-propanol, 2-butanol, 1 - It may include at least one selected from the group consisting of decanol, phenol, 2-butanone, ethyl acetate, toluene, and heptane.

일 실시형태에 있어서, 상기 촉매제는, 질산, 염산, 황산, 인산, 아세트산, 클로로술폰산, 요오드산, 주석산, 과염소산, 폴리인산, 피로인산, 파라-톨루엔산, 트리클로로아세트산, 포름산, 아세트산 및 시트르산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산성 촉매; 또는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화바륨, 암모니아, n-부틸아민, 디-n-부틸아민, 트리-n-부틸아민, 이미다졸 및 과염소산암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 염기성 촉매를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the catalyst is nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, acetic acid, chlorosulfonic acid, iodic acid, tartaric acid, perchloric acid, polyphosphoric acid, pyrophosphoric acid, para-toluic acid, trichloroacetic acid, formic acid, acetic acid and citric acid At least one acid catalyst selected from the group consisting of; or sodium hydroxide, potassium hydroxide, barium hydroxide, ammonia, n-butylamine, di-n-butylamine, tri-n-butylamine, imidazole, and at least one basic catalyst selected from the group consisting of ammonium perchlorate may be doing

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 치환 도핑 물질은, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 니오븀(Nb) 및 탄탈럼(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the second substitution doping material is at least selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), antimony (Sb), yttrium (Y), niobium (Nb), and tantalum (Ta). It may include any one.

바람직하게는, 상기 제2 치환 도핑 물질은, 탄탈럼(Ta)인 것일 수 있다. Preferably, the second substitution doping material may be tantalum (Ta).

일 실시형태에 있어서, 상기 제2 치환 도핑 물질은, tantalum(V) ethoxide (Ta(OC2H5)5을 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment, the second substitution doping material may include tantalum(V) ethoxide (Ta(OC 2 H 5 ) 5 .

일 실시형태에 있어서, 제2 치환 도핑 물질은, 한 개인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 치환 도핑 물질이 M인 경우, 상기 제2 졸 조성물은 M-도핑된 졸인 것일 수 있다.In one embodiment, the second substitutional doping material may be one. For example, when the second substitution doping material is M, the second sol composition may be an M-doped sol.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 혼합 용액 및 상기 제2 혼합 용액에 첨가할 치환 도핑 물질은 Li+ 자리의 경우 Al3+, Ga3+, Ba2+ 또는 Ge4+; La3+ 자리는 Mg2+, Ca2+, Ba2+, Sr2+, K+, Ce4+ 또는 Rb+; Zr4+ 자리는 Mo6+, W6+, Sb5+, Y3+, Nb5+ 또는 Ta5+ 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the substitution doping material to be added to the first mixed solution and the second mixed solution is Al 3+ , Ga 3+ , Ba 2+ or Ge 4+ for Li + sites; La 3+ sites are Mg 2+ , Ca 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , K + , Ce 4+ or Rb + ; Zr 4+ The site may include at least one selected from the group consisting of Mo 6+ , W 6+ , Sb 5+ , Y 3+ , Nb 5+ or Ta 5+ .

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 치환 도핑 물질 및 제2 치환 도핑 물질은 조성 설계에 따라 단일(single), 이중(double) 또는 삼중(triple) 도핑할 수 있는데 각 자리에 치환됨으로써 Li+ ion diffusion 및 pathway 확대로 이온전도도 향상 효과를 보인다.In one embodiment, the first substitutional doping material and the second substitutional doping material may be single, double, or triple doped according to a compositional design. Li + ion diffusion by substitution at each site And it shows the effect of improving the ion conductivity by expanding the pathway.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 졸 조성물을 준비하는 단계 및 상기 제2 졸 조성물을 준비하는 단계 이후에, 각각, 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 6 시간 내지 24 시간 동안 시효(aging)하는 단계;를 더 포함 것일 수 있다.In one embodiment, after preparing the first sol composition and preparing the second sol composition, respectively, the first sol composition and the second sol composition are aged for 6 hours to 24 hours ( aging) may be further included.

일 실시형태에 있어서, 상기 분말 준비 단계 (130)는, 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 각각 겔화(gelation)한 후 전-하소하여 각각의 분말을 준비하는 단계이다. In one embodiment, the powder preparation step 130 is a step of preparing each powder by pre-calcining after gelation of the first sol composition and the second sol composition, respectively.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물의 겔화(gelation)는, 건조로에서 100 ℃ 내지 200 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 건조하는 것일 수 있다. 상기 건조 온도가 100 ℃ 미만인 경우 상기 제1 졸 조성물 및 제2 졸 조성물의 겔화가 미미하게 이루어지지 않을 수 있고, 200 ℃ 초과인 경우 원하지 않는 반응이 발생할 우려가 있다.In one embodiment, the gelation of the first sol composition and the second sol composition may be dried in a drying furnace at 100°C to 200°C for 3 hours to 12 hours. When the drying temperature is less than 100 °C, gelation of the first sol composition and the second sol composition may not be insignificant, and when the drying temperature is higher than 200 °C, there is a possibility that an unwanted reaction may occur.

일 실시형태에 있어서, 상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 각각 겔화(gelation)한 후 전-하소하여 각각의 분말을 준비하는 단계는, 400 ℃ 내지 500 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 상기 전-하소(pre-calcination) 온도가 400 ℃ 미만인 경우 잔여 용매제나 유기물이 남아 불순물 함량이 높아져 이차상이 발현되어 특성이 저하될 수 있고, 500 ℃ 초과인 경우 겔 상태의 물질이 높은 온도로 인해 타는 문제가 발생할 수 있다. In one embodiment, the step of preparing each powder by pre-calcining after gelation of the first sol composition and the second sol composition, respectively, at 400°C to 500°C for 3 hours to 12 hours it may be performing When the pre-calcination temperature is less than 400 ° C, residual solvents or organic matter remain and the impurity content is high, resulting in the expression of a secondary phase, which may deteriorate properties. Burning problems may occur.

일 실시형태에 있어서, 상기 하소하여 치환 물질-도핑된 LLZO 분말 형성 단계 (140)는, 상기 각각의 분말을 밀링하여 혼합 및 분쇄하고 하소하여 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 형성하는 단계이다.In one embodiment, the calcining step 140 to form a displacement substance-doped LLZO powder is a step of milling the respective powders to mix and pulverize and calcinate to form a displacement substance-doped LLZO powder.

일 실시형태에 있어서, 상기 밀링은, 볼밀(ball mill), 진동밀(vibration mill), 제트밀(jet mill), 비드밀(bead mill) 및 어트리션 밀(attrition mill)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 12 시간 내지 36 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the milling is selected from the group consisting of a ball mill, a vibration mill, a jet mill, a bead mill, and an attrition mill. It may be carried out for 12 hours to 36 hours using at least one method.

바람직하게는, 볼 밀링 방법을 이용하여 24 시간 이상 동안 분쇄하는 것일 수 있다.Preferably, it may be grinding for 24 hours or more using a ball milling method.

일 실시형태에 있어서, 상기 볼 밀링 공정에서 Li 원소가 차지하는 함량보다 1 중량% 내지 30 중량%, 바람직하게는, 10 내지 15 wt% 과량의 Li 을 포함하도록 상기 분말에 포함시킬 수 있다. 이는, Li 의 손실을 보상해 주기 위해 출발 원료로 사용한 Li 원료를 과잉 첨가 하는 것일 수 있다.In one embodiment, in the ball milling process, 1 wt% to 30 wt%, preferably, 10 to 15 wt% excess of Li may be included in the powder than the content of Li element. This may be an excessive addition of the Li raw material used as the starting raw material in order to compensate for the loss of Li.

일 실시형태에 있어서, 상기 하소는, 700 ℃ 내지 950 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 상기 하소 온도가 700 ℃ 미만인 경우 물질간 반응이 이루어지지 않아 합성이 이루어지지 않을 수 있고, 950 ℃ 초과인 경우 Li 의 과도한 휘발로 인해 이차상을 포함하는 불안정한 화학적 조성비를 가지게 되어 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.In an embodiment, the calcination may be performed at 700° C. to 950° C. for 3 hours to 12 hours. If the calcination temperature is less than 700 ℃, the reaction between the materials may not be made, so synthesis may not be made. there may be

일 실시형태에 있어서, 상기 소결하는 단계 (150)는, 상기 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 성형하여 성형체를 형성하고, 상기 성형체를 소결하는 단계이다.In an embodiment, the sintering step 150 is a step of forming a green body by molding the substitution material-doped LLZO powder, and sintering the green body.

일 실시형태에 있어서, 상기 치환 물질-도핑된 LLZO 분말은, 예를 들어, 수압 프레스를 이용하여 3 MPa 내지 100 MPa의 압력으로 상기 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 펠릿(pellet) 형태로 성형하는 것일 수 있다.In one embodiment, the substitution material-doped LLZO powder is, for example, using a hydraulic press at a pressure of 3 MPa to 100 MPa by molding the substitution material-doped LLZO powder in the form of pellets. it could be

일 실시형태에 있어서, 상기 성형체를 소결하는 단계 이전에, 상기 성형체를 200 MPa 내지 300 MPa 의 압력을 가하는 냉간 등압 성형(Cold Isostatic Pressing; CIP), 또는 1000 ℃ 이상 고온에서 10 MPa 내지 20 MPa 의 압력을 가하는 열간 등압 성형(Hot Isostaic Pressing; HIP)을 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, before the step of sintering the compact, cold isostatic pressing (CIP) applying a pressure of 200 MPa to 300 MPa to the compact, or 10 MPa to 20 MPa at a high temperature of 1000 ° C. or higher It may be to perform hot isostatic pressing (HIP) applying pressure.

상기 냉간 등압 성형 및 상기 열간 등압 성형에 의해 상기 성형체를 좀 더 치밀하게 할 수 있다.The compact may be made more dense by the cold isostatic pressing and the hot isostatic pressing.

일 실시형태에 있어서, 상기 소결은, 900 ℃ 내지 1100 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 상기 소결 온도가 900 ℃ 미만인 경우 낮은 소결 온도로 인해 결정화가 제대로 이루어지지 않아 낮은 밀도와 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 1100 ℃ 초과인 경우 Li 이 휘발되면서 공극의 증가로 이온전도도가 감소하고 LLZO 입자 외부에 Li 편석이 일어나 안정적인 입방정(Cubic) LLZO 가 아닌 정방정(tetragonal) LLZO가 형성되는 문제가 있을 수 있다.In one embodiment, the sintering may be performed at 900 °C to 1100 °C for 3 hours to 12 hours. When the sintering temperature is less than 900 ° C, crystallization is not performed properly due to the low sintering temperature, so there may be a problem that low density and properties are lowered, and when it is more than 1100 ° C, Li volatilizes and ionic conductivity decreases due to an increase in voids, There may be a problem in that Li segregation occurs outside the LLZO particles to form a tetragonal LLZO rather than a stable cubic LLZO.

일 실시형태에 있어서, 상기 Li 의 손실을 방지하기 위해 동종의 분말로 성형체를 덮어 최종 소결을 진행해 LLZO 고체전해질을 제조할 수 있다.In one embodiment, in order to prevent the loss of Li, the LLZO solid electrolyte may be prepared by covering the molded body with the same kind of powder and performing final sintering.

일 실시형태에 있어서, 상기 소결 후 제조된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은, AB-도핑된 LLZMO 펠릿인 것일 수 있다.In one embodiment, the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte prepared after the sintering may be AB-doped LLZMO pellets.

일 실시형태에 있어서, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은, 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다:In one embodiment, the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte may be represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Li 7-x AxLa3-yB y Zr2- z MzO12 Li 7-x A x La 3-y B y Zr 2- z M z O 12

(여기에서, 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A는 Li의 치환 도핑 원소, B는 La 치환 도핑 원서, M은 Zr 치환 도핑 원소이고, A, B는, 각각, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 칼륨(K), 세륨(Ce) 및 루비듐(Rb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고, M은, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 니오븀(Nb) 및 탄탈럼(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것임).(where 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A is a Li substitution doping element, B is a La substitution doping application, M is a Zr substitution doping element, A and B are, from the group consisting of aluminum (Al), gallium (Ga), barium (Ba), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), potassium (K), cerium (Ce) and rubidium (Rb), respectively At least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), antimony (Sb), yttrium (Y), niobium (Nb) and tantalum (Ta) to include).

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질 제조 방법에 의하여 졸-겔 방법을 이용하여 각각의 졸(sol) 형태로 합성한 후 분말화한 다음 고상합성법으로 제조함으로써 초기에 La-2-Zr2O7 생성으로 인한 이차상 발생을 억제하여 안정화된 입방정(cubic) 상을 형성할 수 있다. 또한, 혼합 용액에 치환 도핑 물질을 첨가하여 졸(sol) 형태에서 전-하소 (pre-calcination) 공정을 수행함으로써 물질에 포함된 잔여 용매제와 유기물 제거를 통해 불순물 함량을 낮춰 추후 공정에서의 이차상 발현을 억제하여 특성 저하를 방지할 수 있다. According to the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte manufacturing method according to an embodiment of the present invention, it is synthesized in each sol form using the sol-gel method and then powdered and then manufactured by the solid phase synthesis method. It is possible to form a stabilized cubic phase by suppressing the generation of a secondary phase due to the generation of La -2 -Zr 2 O 7 . In addition, by performing a pre-calcination process in the form of a sol by adding a substitution doping material to the mixed solution, the impurity content is lowered through the removal of residual solvents and organic matter contained in the material, thereby secondary in the subsequent process. By inhibiting phase expression, deterioration of properties can be prevented.

본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은, 하기의 화학식 1로 표시된다:A lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to another embodiment of the present invention is represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Li 7-x AxLa3-yB y Zr2- z MzO12 Li 7-x A x La 3-y B y Zr 2- z M z O 12

(여기에서, 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A는 Li의 치환 도핑 원소, B는 La 치환 도핑 원서, M은 Zr 치환 도핑 원소이고, A, B는, 각각, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 칼륨(K), 세륨(Ce) 및 루비듐(Rb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고, M은, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 니오븀(Nb) 및 탄탈럼(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것임).(where 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A is a Li substitution doping element, B is a La substitution doping application, M is a Zr substitution doping element, A and B are, from the group consisting of aluminum (Al), gallium (Ga), barium (Ba), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), potassium (K), cerium (Ce) and rubidium (Rb), respectively At least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), antimony (Sb), yttrium (Y), niobium (Nb) and tantalum (Ta) to include).

일 실시형태에 있어서, 혼합 용액에 첨가할 치환 도핑 물질은 Li+ 자리의 경우 Al3+, Ga3+, Ba2+ 또는 Ge4+; La3+ 자리는 Mg2+, Ca2+, Ba2+, Sr2+, K+, Ce4+ 또는 Rb+; Zr4+ 자리는 Mo6+, W6+, Sb5+, Y3+, Nb5+ 및 Ta5+ 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the substitution doping material to be added to the mixed solution is Al 3+ , Ga 3+ , Ba 2+ or Ge 4+ for Li + sites; La 3+ sites are Mg 2+ , Ca 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , K + , Ce 4+ or Rb + ; Zr 4+ The site may include at least one selected from the group consisting of Mo 6+ , W 6+ , Sb 5+ , Y 3+ , Nb 5+ and Ta 5+ .

일 실시형태에 있어서, 치환 도핑 물질은 조성 설계에 따라 단일(single), 이중(double) 또는 삼중(triple) 도핑할 수 있는데 각 자리에 치환됨으로써 Li+ ion diffusion 및 pathway 확대로 이온전도도 향상 효과를 보인다.In one embodiment, the substitution doping material may be single, double, or triple doped according to the compositional design. By substituting at each site, the effect of improving ion conductivity is improved by Li + ion diffusion and pathway expansion. see.

일 실시형태에 있어서, 상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.In one embodiment, the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte may be prepared by the method of manufacturing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은 이차상이 없는 안정화된 입방정(cubic) 상을 가지는 것일 수 있다.The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention may have a stabilized cubic phase without a secondary phase.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전고체 리튬이차전지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질을 포함하는 전해질층; 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 음극 활물질을 포함하는 음극;을 포함한다.An all-solid-state lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention, an electrolyte layer comprising a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to an embodiment of the present invention; a positive electrode including a positive active material; and an anode including an anode active material.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

졸-겔 방법을 사용하여 Al 및 Ta로 도핑된 LLZO 펠릿의 제조Preparation of LLZO Pellets Doped with Al and Ta Using the Sol-Gel Method

Al 및 Ta로 도핑된 LLZO 고체 전해질을 위한 준비 재료로 리튬나이트레이트 하이드레이트(Lithium nitrate hydrate) (LiNO3 xH2O, 99.999 %, Alfa Aesar), 란타넘 나이트레이트 하이드레이트(lanthanum nitrate hydrate) (La(NO3)3·xH2O, 99.9 %, Sigma Aldrich), 지르코늄 (IV) 프로폭사이드(zirconium(IV) propoxide) (Zr(OC3H7)4, 70 wt. % in 1-propanol, Sigma Aldrich), 탄탈럼 (V) 에톡사이드(tantalum (V) ethoxide) (Ta (OC2H5) 5, 99.98 %, Sigma Aldrich) 및 알루미늄 산화물 (Al2O3, 20 wt. % in isopropanol, Sigma Aldrich)을 사용했다. 원료를 효과적으로 용해하기 위해 1-프로판올 (CH3CH2CH2OH, anhydrous 99.7%, Sigma Aldrich)과 2-메톡시에탄올 (2-MOE, CH3OCH2CH2OH, anhydrous 99.8 %, Sigma Aldrich)의 혼합 용매를 사용했다. 졸-겔 형성을 촉진하기 위해 아세트산 (AC, CH3COOH, Sigma Aldrich)을 킬레이트제로 사용했다. 졸-겔 분말인 LixAlyLa3Zr2-zTazO12의 화학적 조성은 x = 6.2, 6.82, 7.44 및 8.06 mol 및 y = z = 0.2 mol와 같이 다양했다. Lithium nitrate hydrate (LiNO 3 xH 2 O, 99.999 %, Alfa Aesar), lanthanum nitrate hydrate (La(La() NO 3 ) 3 xH 2 O, 99.9 %, Sigma Aldrich), zirconium (IV) propoxide (zirconium(IV) propoxide) (Zr(OC 3 H 7 ) 4 , 70 wt. % in 1-propanol, Sigma Aldrich), tantalum (V) ethoxide (Ta (OC 2 H 5 ) 5, 99.98 %, Sigma Aldrich) and aluminum oxide (Al 2 O 3 , 20 wt. % in isopropanol, Sigma Aldrich) was used. To effectively dissolve the raw materials, 1-propanol (CH 3 CH 2 CH 2 OH, anhydrous 99.7%, Sigma Aldrich) and 2-methoxyethanol (2-MOE, CH 3 OCH 2 CH 2 OH, anhydrous 99.8 %, Sigma Aldrich) ) was used. Acetic acid (AC, CH 3 COOH, Sigma Aldrich) was used as a chelating agent to promote sol-gel formation. The chemical composition of the sol-gel powder Li x Al y La 3 Zr 2-z Ta z O 12 varied as x = 6.2, 6.82, 7.44 and 8.06 mol and y = z = 0.2 mol.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 (Al, Ta) LLZO 펠릿 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다. Figure 2 is a process flow chart for explaining the (Al, Ta) LLZO pellet manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, Al 및 Ta으로 도핑된 LLZO 졸을 겔화하여 분말을 생성한 다음 소결하여 펠릿을 제조 하였다. 12 시간 시효시킨 후 160 ℃의 핫 플레이트에서 9 시간 동안 건조하여 겔화시켰다. 휘발성 성분과 함께 합성된 겔에 남아있는 용액을 제거하기 위해 450 ℃에서 4 시간 동안 예비 소성한 후 950 ℃에서 4 시간 동안 소성 하였다. 소성된 겔을 모르타르(mortar)에서 분쇄하고 24 시간 동안 볼 밀링했다. 그 후, CIP (cold isostatic press)를 적용한 유압 프레스를 사용하여 10 mm 펠릿을 제작하여 300 MPa에서 2 분 동안 펠릿을 프레스했다. 최종 소결 단계는 1100 ℃에서 4 시간 동안 수행되었다. 고온 소결 시 표면의 리튬 손실을 방지하기 위해 펠릿과 동일한 조성의 분말을 펠릿의 상하부에 도포하였다.Referring to FIG. 2, LLZO sol doped with Al and Ta was gelled to produce a powder, and then pellets were prepared by sintering. After aging for 12 hours, the gel was dried on a hot plate at 160 °C for 9 hours. In order to remove the solution remaining in the synthesized gel together with volatile components, it was pre-calcined at 450 °C for 4 hours and then calcined at 950 °C for 4 hours. The calcined gel was ground in a mortar and ball milled for 24 hours. Then, 10 mm pellets were fabricated using a hydraulic press applied with a cold isostatic press (CIP), and the pellets were pressed at 300 MPa for 2 minutes. The final sintering step was carried out at 1100 °C for 4 hours. In order to prevent lithium loss on the surface during high-temperature sintering, powder of the same composition as the pellets was applied to the upper and lower portions of the pellets.

졸-겔 및 슬러리 방법에 의한 LCO 음극의 제조Preparation of LCO negative electrode by sol-gel and slurry method

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 (Al, Ta) LLZO 상의 LCO 음극 증착을 설명하기 위한 공정 순서도이다. 3 is a process flow chart for explaining the LCO cathode deposition on (Al, Ta) LLZO according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, LCO 음극은 두 가지 다른 방법을 사용하여 제작된 다음 셀 측정에 사용되었다. 첫 번째 방법은 0.8 M LiCoO2 (Quintess Co., Korea)를 LLZO 고체 전해질 위에 스핀 코팅했다. LCO로 코팅하기 전에 LLZO 펠릿을 2000 grit paper로 연마하여 표면의 스크래치를 제거한 후 450 ℃에서 5 분간 열처리하여 잔류 유기물을 제거했다. 다음에 LCO 용액을 LLZO 고체 전해질에 고르게 분사하고 500 rpm에서 5 초, 2000 rpm에서 25 초 동안 스핀 코팅했다. 열 응력으로 인한 LCO 코팅 LLZO 전해질의 균열을 방지하기 위해 열처리 단계를, 120 ℃에서 10 분, 300 ℃에서 7 분, 650 ℃에서 5 분 동안 여러 단계를 거쳤다. 스핀 코팅 및 열처리 공정을 10 회 반복 한 후 650 ℃에서 1 시간 동안 최종 열처리하여 LCO 음극을 형성하였다.As shown in Fig. 3, the LCO cathode was fabricated using two different methods and then used for cell measurements. In the first method, 0.8 M LiCoO 2 (Quintess Co., Korea) was spin-coated on the LLZO solid electrolyte. Before coating with LCO, LLZO pellets were polished with 2000 grit paper to remove scratches on the surface, and then heat treatment at 450 ° C. for 5 minutes to remove residual organic matter. Next, the LCO solution was evenly sprayed onto the LLZO solid electrolyte and spin-coated at 500 rpm for 5 s and 2000 rpm for 25 s. To prevent cracking of the LCO-coated LLZO electrolyte due to thermal stress, several heat treatment steps were performed: 120 °C for 10 min, 300 °C for 7 min, and 650 °C for 5 min. After repeating the spin coating and heat treatment process 10 times, the final heat treatment was performed at 650 °C for 1 hour to form an LCO cathode.

두 번째 방법은 음극을 준비하기 위해 LCO 분말을 슬러리 방법을 사용하여 LLZO 펠릿의 표면에 테이프 캐스팅했다. 슬러리는 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) (PVDF, (CH2CF2)n, Sigma Aldrich)에 리튬 코발트 산화물 (LiCoO2, 99.8 %, Sigma Aldrich) 및 전도성 첨가제 카본 블랙 (Alfa Aesar)으로 구성되었다. 이 성분들은 95 : 3 : 2 비율로 혼합되었다. 제조된 고체 분말 (60 중량%)을 N-메틸피롤리딘온(N-methylpyrrolidinone) (NMP, 무수 99.5 %, C5H9NO, Sigma Aldrich)에 12 시간 동안 녹인 후 닥터 블레이드 방법을 사용하여 Al 호일에 코팅 하였다. 획득된 슬러리를 120 ℃에서 5 시간 동안 건조하여 최종 LCO 음극을 얻었다.The second method was to tape-cast LCO powder to the surface of LLZO pellets using the slurry method to prepare the negative electrode. The slurry was mixed with lithium cobalt oxide (LiCoO 2 , 99.8%, Sigma Aldrich) in polyvinylidene fluoride (PVDF, (CH 2 CF 2 ) n , Sigma Aldrich) as binder and conductive additive carbon black (Alfa Aesar) was composed of These ingredients were mixed in a 95:3:2 ratio. The prepared solid powder (60% by weight) was dissolved in N -methylpyrrolidinone (NMP, anhydrous 99.5%, C 5 H 9 NO, Sigma Aldrich) for 12 hours and then Al using a doctor blade method. coated on foil. The obtained slurry was dried at 120 °C for 5 hours to obtain a final LCO negative electrode.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 졸-겔법에 의해 제조된 원료 분말의 SEM 이미지이다. 4 is a SEM image of a raw material powder prepared by a sol-gel method according to an embodiment of the present invention.

도 4의 SEM 이미지 보면, 입자 크기가 평균 200-500 nm 급의 작고 미세한 원료 분말이 제작된 것을 확인할 수 있다.Referring to the SEM image of FIG. 4 , it can be confirmed that small and fine raw material powder having an average particle size of 200-500 nm is produced.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 LLZO 고체전해질 소결체의 광학 이미지이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 LLZO 고체전해질 소결체의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 5 is an optical image of the LLZO solid electrolyte sintered body prepared according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a graph showing the XRD analysis results of the LLZO solid electrolyte sintered body prepared according to the embodiment of the present invention.

도 5 및 도 6을 참조하면, 소결체의 XRD 분석 결과를 보면 제작한 LLZO 가 이차상의 생성 없이 안정적인 입방정(cubic) 상을 형성한 것을 볼 수 있다.5 and 6, looking at the XRD analysis results of the sintered body, it can be seen that the manufactured LLZO forms a stable cubic phase without generation of a secondary phase.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (14)

Li 원료 및 La 원료를 용매에 용해시킨 제1 혼합 용액에 제1 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸(sol) 형태로 합성하여 제1 졸 조성물을 준비하는 단계;
Zr 원료 및 촉매제를 용매에 용해시킨 제2 혼합 용액에 제2 치환 도핑 물질을 첨가한 후 졸 형태로 합성하여 제2 졸 조성물을 준비하는 단계;
상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 각각 겔화(gelation)한 후 전-하소하여 각각의 분말을 준비하는 단계;
상기 각각의 분말을 밀링하여 혼합 및 분쇄하고 하소하여 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 형성하는 단계; 및
상기 치환 물질-도핑된 LLZO 분말을 성형하여 성형체를 형성하고, 상기 성형체를 소결하는 단계;
를 포함하는,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
preparing a first sol composition by adding a first substitution doping material to a first mixed solution in which a Li raw material and a La raw material are dissolved in a solvent and then synthesizing it in a sol form;
preparing a second sol composition by adding a second substitution doping material to a second mixed solution in which a Zr raw material and a catalyst are dissolved in a solvent and then synthesizing it in a sol form;
preparing each powder by pre-calcining after gelation of the first sol composition and the second sol composition, respectively;
milling each of the powders, mixing and pulverizing, and calcining to form a substitution material-doped LLZO powder; and
forming a green body by molding the substitution material-doped LLZO powder, and sintering the green body;
containing,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 제1 치환 도핑 물질은, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 칼륨(K), 세륨(Ce) 및 루비듐(Rb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 제2 치환 도핑 물질은, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 니오븀(Nb) 및 탄탈럼(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
The first substitutional doping material is aluminum (Al), gallium (Ga), barium (Ba), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), potassium (K), cerium (Ce) and rubidium ( Rb) comprising at least one selected from the group consisting of,
The second substitution doping material includes at least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), antimony (Sb), yttrium (Y), niobium (Nb), and tantalum (Ta) sign,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 용매는, n-프로필 알코올, 2-메톡시에탄올, 에탄올, 메탄올, 1-프로판올, 이소-부탄올, tert-부탄올, 1-부탄올, 2-프로판올, 2-부탄올, 1-데칸올, 페놀, 2-부탄온, 에틸아세테이트, 톨루엔 및 헵탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
The solvent is n-propyl alcohol, 2-methoxyethanol, ethanol, methanol, 1-propanol, iso-butanol, tert-butanol, 1-butanol, 2-propanol, 2-butanol, 1-decanol, phenol, 2-butanone, including at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, toluene and heptane,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 촉매제는,
질산, 염산, 황산, 인산, 아세트산, 클로로술폰산, 요오드산, 주석산, 과염소산, 폴리인산, 피로인산, 파라-톨루엔산, 트리클로로아세트산, 포름산, 아세트산 및 시트르산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산성 촉매; 또는
수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화바륨, 암모니아, n-부틸아민, 디-n-부틸아민, 트리-n-부틸아민, 이미다졸 및 과염소산암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 염기성 촉매를 포함하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst is
At least one selected from the group consisting of nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, acetic acid, chlorosulfonic acid, iodic acid, tartaric acid, perchloric acid, polyphosphoric acid, pyrophosphoric acid, para-toluic acid, trichloroacetic acid, formic acid, acetic acid and citric acid acid catalyst; or
At least one basic catalyst selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, barium hydroxide, ammonia, n-butylamine, di-n-butylamine, tri-n-butylamine, imidazole and ammonium perchlorate that is,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 제1 졸 조성물을 준비하는 단계 및 상기 제2 졸 조성물을 준비하는 단계 이후에, 각각,
상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 6 시간 내지 24 시간 동안 시효(aging)하는 단계;
를 더 포함하는,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
After preparing the first sol composition and preparing the second sol composition, respectively,
aging the first sol composition and the second sol composition for 6 hours to 24 hours;
further comprising,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물의 겔화(gelation)는,
건조로에서 100 ℃ 내지 200 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 건조하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
Gelation of the first sol composition and the second sol composition,
It will be dried in a drying furnace at 100 ° C. to 200 ° C. for 3 hours to 12 hours,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 제1 졸 조성물 및 상기 제2 졸 조성물을 각각 겔화(gelation)한 후 전-하소하여 각각의 분말을 준비하는 단계는,
400 ℃ 내지 500 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
The steps of preparing each powder by pre-calcining after gelation of the first sol composition and the second sol composition, respectively,
which is carried out at 400 ° C. to 500 ° C. for 3 hours to 12 hours,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 하소는,
700 ℃ 내지 950 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
The calcination is
Which is carried out at 700 ° C. to 950 ° C. for 3 hours to 12 hours,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 밀링은, 볼밀(ball mill), 진동밀(vibration mill), 제트밀(jet mill), 비드밀(bead mill) 및 어트리션 밀(attrition mill)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 12 시간 내지 36 시간 동안 수행하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
The milling is at least one method selected from the group consisting of a ball mill, a vibration mill, a jet mill, a bead mill, and an attrition mill. It is carried out for 12 hours to 36 hours using
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 성형체를 소결하는 단계 이전에,
상기 성형체를 200 MPa 내지 300 MPa 의 압력을 가하는 냉간 등압 성형(Cold Isostatic Pressing; CIP), 또는
1000 ℃ 이상 고온에서 10 MPa 내지 20 MPa 의 압력을 가하는 열간 등압 성형(Hot Isostaic Pressing; HIP)을 수행하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
Prior to the step of sintering the compact,
Cold Isostatic Pressing (CIP) for applying a pressure of 200 MPa to 300 MPa to the molded body, or
To perform hot isostatic pressing (HIP) applying a pressure of 10 MPa to 20 MPa at a high temperature of 1000 ° C. or higher,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 소결은,
900 ℃ 내지 1100 ℃에서 3 시간 내지 12 시간 동안 수행하는 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법.
According to claim 1,
The sintering is
Which is carried out at 900 ° C. to 1100 ° C. for 3 hours to 12 hours,
A method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
하기의 화학식 1로 표시되는, 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질:
[화학식 1]
Li 7-x AxLa3-yB y Zr2- z MzO12
(여기에서, 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A는 Li의 치환 도핑 원소, B는 La 치환 도핑 원서, M은 Zr 치환 도핑 원소이고, A, B는, 각각, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 칼륨(K), 세륨(Ce) 및 루비듐(Rb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고, M은, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 안티몬(Sb), 이트륨(Y), 니오븀(Nb) 및 탄탈럼(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것임).
A lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Li 7-x A x La 3-y B y Zr 2- z M z O 12
(where 0<x≤1, 0≤y≤1, 0<z≤1, A is a Li substitution doping element, B is a La substitution doping application, M is a Zr substitution doping element, A and B are, from the group consisting of aluminum (Al), gallium (Ga), barium (Ba), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), potassium (K), cerium (Ce) and rubidium (Rb), respectively At least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), antimony (Sb), yttrium (Y), niobium (Nb) and tantalum (Ta) to include).
제12항에 있어서,
상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질은 청구항 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질의 제조방법에 의해 제조된 것인,
리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질.
13. The method of claim 12,
The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte is prepared by the method for preparing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte according to any one of claims 1 to 11,
Lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte.
제12항의 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 고체전해질을 포함하는 전해질층;
양극 활물질을 포함하는 양극; 및
음극 활물질을 포함하는 음극;
을 포함하는,
전고체 리튬이차전지.
An electrolyte layer comprising the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte of claim 12;
a positive electrode comprising a positive electrode active material; and
a negative electrode comprising an anode active material;
comprising,
All-solid-state lithium secondary battery.
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