KR20230082562A - Solid ion conductor compound, electrochemical cell comprising the same, and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
화학식 1로 표시되는 고체이온전도체 화합물, 이를 포함한 전기화학 셀, 및 상기 고체이온전도체 화합물의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a solid ion conductor compound represented by Formula 1, an electrochemical cell including the same, and a method for preparing the solid ion conductor compound.
Description
고체이온전도체 화합물, 이를 포함하는 전기화학 셀, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a solid ion conductor compound, an electrochemical cell including the same, and a manufacturing method thereof.
전기화학 셀, 예를 들어 전고체전지는 전해질로서 고체전해질을 포함한다. 전고체전지는 가연성 유기용매를 포함하지 않으므로 안정성이 우수하다.An electrochemical cell, for example, an all-solid-state battery includes a solid electrolyte as an electrolyte. All-solid-state batteries have excellent stability because they do not contain flammable organic solvents.
종래의 고체전해질 재료들은 리튬 금속에 대해 충분히 안정하지 못하고, 리튬 이온 전도도가 낮다는 한계점이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 황화물계 고체전해질, 할로겐계 고체전해질 및 산화물계 고체전해질이 연구되고 있다.Conventional solid electrolyte materials are not sufficiently stable to lithium metal and have limitations in that lithium ion conductivity is low. In order to solve these problems, sulfide-based solid electrolytes, halogen-based solid electrolytes, and oxide-based solid electrolytes are being studied.
이 중 황화물계 고체전해질 및 산화물계 고체전해질은 높은 이온전도도를 갖는 장점이 있으나, 황화물계 고체전해질은 물과 반응하여 유독가스가 발생하고, 산화물계 고체전해질은 성형성이 떨어진다는 점에서 한계점이 존재한다.Among them, sulfide-based solid electrolytes and oxide-based solid electrolytes have the advantage of having high ionic conductivity, but sulfide-based solid electrolytes react with water to generate toxic gases, and oxide-based solid electrolytes have limitations in that they have poor moldability. exist.
이와 대조적으로, 할로겐계 고체전해질은 물과 반응하여 유독가스를 발생시키지 않고, 성형성도 우수하다는 점에서 주목받고 있다. 하지만, 현재까지 개발된 할로겐계 고체전해질은 이온전도도가 만족스럽지 않거나, 안정성이 부족하다는 한계점을 갖는다.In contrast, halogen-based solid electrolytes are attracting attention in that they do not react with water to generate toxic gases and have excellent moldability. However, halogen-based solid electrolytes developed to date have limitations in that ionic conductivity is not satisfactory or stability is insufficient.
따라서, 높은 이온전도도를 갖으며, 안정성이 개선된 할로겐계 고체전해질에 대한 요구가 여전히 존재하는 실정이다.Therefore, there is still a need for a halogen-based solid electrolyte having high ionic conductivity and improved stability.
우수한 리튬 이온전도도를 갖는 신규의 고체이온전도체 화합물, 이를 포함한 전기화학 셀, 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.It is to provide a novel solid ion conductor compound having excellent lithium ion conductivity, an electrochemical cell including the same, and a manufacturing method thereof.
일 측면에 따라 하기 화학식 1로 표시되는 고체이온전도체 화합물이 제공된다:According to one aspect, a solid ion conductor compound represented by Formula 1 is provided:
<화학식 1><
LiaMbZrcXdTe Li a M b Zr c X d T e
상기 화학식 1 중,In Formula 1,
1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1, 0<b/d<0.03, 0.05<c/d<0.18이고,1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1, 0<b/d<0.03, 0.05<c/d<0.18,
M 원소는 리튬을 제외한, 1종 이상의 1가의 금속 원소이고, Element M is one or more monovalent metal elements other than lithium,
T 원소는 M과 상이한 금속 원소, 전이금속 원소, 전이 후 금속 원소, 준금속 또는 이들의 조합이고,element T is a metal element different from M, a transition metal element, a post-transition metal element, a metalloid, or a combination thereof;
M 원소의 이온 반경(Mr)은 90 pm<Mr≤180 pm이고, The ionic radius (M r ) of element M is 90 pm<M r ≤180 pm,
X는 1종 이상의 할로겐 원소이다.X is one or more halogen elements.
다른 측면에 따라 지르코늄 전구체 화합물, 리튬 전구체 화합물, 금속 M 전구체 화합물을 혼합물을 준비하는 단계로서, 상기 금속 M 원소는 리튬을 제외한 1종 이상의 1가의 금속 원소이고, 상기 금속 M 원소의 이온 반경(Mr)은 90 pm<Mr≤180 pm이고; 및Preparing a mixture of a zirconium precursor compound, a lithium precursor compound, and a metal M precursor compound according to another aspect, wherein the metal M element is one or more monovalent metal elements other than lithium, and the ionic radius of the metal M element (M r ) is 90 pm<M r ≤180 pm; and
상기 혼합물을 고상(solid phase)에서 반응시켜서 고체이온전도체 화합물을 얻는 단계;를 포함하는, 고체이온전도체 화합물의 제조방법이 제공된다.A method for producing a solid ion conductor compound is provided, including the step of reacting the mixture in a solid phase to obtain a solid ion conductor compound.
또 다른 측면에 따라, 양극활물질층을 포함한 양극층; According to another aspect, a positive electrode layer including a positive electrode active material layer;
음극활물질층을 포함한 음극층; 및 A negative electrode layer including a negative electrode active material layer; and
상기 양극층 및 음극층 사이에 개재된 고체전해질층을 포함하고, A solid electrolyte layer interposed between the anode layer and the cathode layer,
상기 양극층 및 고체전해질층 중 적어도 하나가 전술한 고체이온전도체 화합물을 포함한, 전기화학 셀이 제공된다.An electrochemical cell is provided in which at least one of the positive electrode layer and the solid electrolyte layer includes the above-described solid ion conductor compound.
여기서, 상기 전기화학 셀은 예를 들어 전고체 이차전지, 액체전해질 함유 이차전지, 또는 리튬공기전지일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 사용할 수 있는 전기화학 셀이라면 모두 가능하다.Here, the electrochemical cell may be, for example, an all-solid secondary battery, a secondary battery containing a liquid electrolyte, or a lithium-air battery, but is not necessarily limited thereto, and any electrochemical cell usable in the art is possible.
일 측면에 따르면 리튬 이온 전도도 및 리튬 금속에 대한 안정성이 향상된 고체이온전도체 화합물을 포함함에 의하여, 개선된 안정성 및 사이클 특성을 가지는 전기화학 셀이 제공된다.According to one aspect, an electrochemical cell having improved stability and cycle characteristics is provided by including a solid ion conductor compound having improved lithium ion conductivity and stability to lithium metal.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1 및 2에서 제조된 고체이온전도체 화합물에 대한 XRD 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 XRD 스펙트럼 중 비교예 1의 2θ=32.3° 피크의 위치를 기준으로 실시예 1 및 비교예 2의 피크의 시프트 정도를 보여주는 도면이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1 및 2에서 제조된 고체이온전도체 화합물의 결정 격자 상수를 계산하여 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 13 및 비교예 8 및 9의 전고체 이차전지의 초기 충방전 곡선을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 13 및 비교예 8 및 9의 전고체 이차전지의 사이클 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예 13 및 비교예 9의 전고체 이차전지의 초기 임피던스를 평가하여 나타낸 도면이다.
도 7은 일 구현예에 따른 전고체 이차전지의 개략도이다.
도 8은 일 구현예에 따른 전고체 이차전지의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 1a: 전고체 이차전지
10: 양극
11: 양극집전체
12: 양극활물질층
20: 음극
21: 음극집전체
22: 음극활물질층
23: 금속층
30: 고체전해질층
40: 전고체 이차전지1 is a view showing XRD spectra of solid ion conductor compounds prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2;
FIG. 2 is a diagram showing the degree of peak shift of Example 1 and Comparative Example 2 based on the position of the 2θ=32.3° peak of Comparative Example 1 in the XRD spectrum of FIG. 1 .
3 is a view showing calculated crystal lattice constants of the solid ion conductor compounds prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
4 is a diagram showing initial charge and discharge curves of all-solid-state secondary batteries of Example 13 and Comparative Examples 8 and 9;
5 is a diagram showing cycle characteristics of all-solid-state secondary batteries of Example 13 and Comparative Examples 8 and 9;
6 is a diagram showing the evaluation of the initial impedance of the all-solid-state secondary batteries of Example 13 and Comparative Example 9.
7 is a schematic diagram of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment.
8 is a schematic diagram of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment.
<Description of symbols for main parts of drawings>
1, 1a: all-solid-state secondary battery 10: positive electrode
11: positive electrode current collector 12: positive electrode active material layer
20: negative electrode 21: negative electrode current collector
22: negative electrode active material layer 23: metal layer
30: solid electrolyte layer 40: all-solid secondary battery
다양한 구현예가 첨부 도면에 도시되었다. 그러나 본 창의적 사상은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 구현예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 이루어질 수 있도록 제공되며, 기술분야에서 통상의 지식을 가진 이들에게 본 창의적 사상의 범위를 충분히 전달할 것이다. 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.Various implementations are shown in the accompanying drawings. However, this inventive idea may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the implementations described herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the inventive idea to those skilled in the art. Like reference numerals designate like components.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "위에" 있다고 언급될 때, 다른 구성 요소의 바로 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 구성 요소가 개재될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 대조적으로, 구성 요소가 다른 구성 요소의 "직접적으로 위에" 있다고 언급될 때, 그 사이에 구성 요소가 개재하지 않는다.It will be understood that when an element is referred to as being “on” another element, it may be directly on top of the other element, or another element may be interposed therebetween. In contrast, when an element is referred to as being “directly on” another element, there is no intervening element between them.
"제1", "제2", "제3" 등의 용어는 본 명세서에서 다양한 구성 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 구역을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 구성 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 구역은 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안된다. 이들 용어는 하나의 구성 요소, 성분, 영역, 층 또는 구역을 다른 요소, 성분, 영역, 층 또는 구역과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서 이하에서 설명되는 제1 구성요소, 성분, 영역, 층 또는 구역은 본 명세서의 교시를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소, 성분, 영역, 층 또는 구역으로 지칭될 수 있다.Although the terms “first,” “second,” “third,” and the like may be used herein to describe various components, components, regions, layers, and/or regions, these components, components, regions, A layer and/or zone should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or region from another element, component, region, layer or region. Thus, a first component, component, region, layer or region described below could be termed a second component, component, region, layer or region without departing from the teachings herein.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 구현예만을 설명하기 위한 것이며 본 창의적 사상을 제한하려는 것은 아니다. 본원에서 사용된 단수 형태는 내용이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 "적어도 하나"를 포함하는 복수 형태를 포함하고자 한다. "적어도 하나"는 단수로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "및/또는"의 용어는 목록 항목 중 하나 이상의 임의의 모든 조합을 포함한다. 상세한 설명에서 사용된 "포함한다" 및/또는 "포함하는"의 용어는 명시된 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성 요소 및/또는 성분의 존재를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성 요소, 성분 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terms used in this specification are for describing only specific implementations and are not intended to limit the present inventive idea. The singular forms as used herein are intended to include the plural forms including “at least one” unless the context clearly dictates otherwise. “At least one” should not be construed as limiting to the singular. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the listed items. The terms "comprises" and/or "comprising" as used in the Detailed Description specify the presence of specified features, regions, integers, steps, operations, components, and/or components, and one or more other features, regions, integers, or integers. However, it does not exclude the presence or addition of steps, operations, components, components and/or groups thereof.
"밑", "아래쪽", "하부", "위", "위쪽", "상부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어는 하나의 구성 요소 또는 특징의 다른 구성 요소 또는 특징에 대한 관계를 용이하게 기술하기 위하여 여기에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향에 추가하여 사용 또는 작동시 장치의 상이한 방향을 포함하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌다면, 다른 구성 요소 또는 특징의 "밑" 또는 "아래"로 기술된 구성 요소는 다른 구성 요소 또는 특징의 "위"에 배향될 것이다. 따라서 예시적인 용어 "아래"는 위와 아래의 방향 모두를 포괄할 수 있다. 상기 장치는 다른 방향으로 배치될 수 있고(90도 회전되거나 다른 방향으로 회전될 수 있음), 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 용어는 그에 따라 해석될 수 있다.Spatially relative terms such as "below", "below", "lower", "above", "above", "above", etc., are used to facilitate describing the relationship of one component or feature to another component or feature. can be used here for It will be understood that spatially relative terms are intended to include different orientations of the device in use or operation in addition to the orientations shown in the figures. For example, if the device in the figures is turned over, elements described as “beneath” or “beneath” other elements or features will be oriented “above” the other elements or features. Thus, the exemplary term "below" can encompass both directions of up and down. The device may be positioned in other orientations (rotated 90 degrees or rotated in other directions) and the spatially relative terms used herein interpreted accordingly.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 개시가 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 이에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 바와 같은 용어는 관련 기술 및 본 개시 내용의 문맥 내의 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 함이 또한 이해될 것이다. Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. It is also understood that terms as defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with that within the context of the related art and the present disclosure, and not in an idealized or overly formal sense. It will be.
예시적인 구현예들이 이상화된 구현예들의 개략도인 단면도를 참조하여 본 명세서에서 설명된다. 이와 같이, 예를 들어 제조 기술 및/또는 허용 오차와 같은 결과로서 도시의 형상으로부터의 변형이 예상되어야 한다. 따라서 본 명세서에 기술된 실시예들은 본 명세서에 도시된 바와 같은 영역들의 특정 형상들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 예를 들어 제조로부터 야기되는 형상들의 편차들을 포함해야 한다. 예를 들어, 평평한 것으로 도시되거나 기술된 영역은 전형적으로 거칠거나 및/또는 비선형 특징을 가질 수 있다. 더욱이, 예리하게 도시된 각은 둥글 수 있다. 따라서 도면들에 도시된 영역들은 본질적으로 개략적이며, 그 형상들은 영역의 정확한 형상을 도시하기 위한 것이 아니며, 본 청구항의 범위를 제한하려는 것이 아니다.Exemplary implementations are described herein with reference to cross-sectional views that are schematic diagrams of idealized implementations. As such, variations from the illustrated shape should be expected as a result of, for example, manufacturing techniques and/or tolerances. Thus, the embodiments described herein should not be construed as being limited to the specific shapes of regions as shown herein, but should include deviations in shapes resulting, for example, from manufacturing. For example, regions shown or described as flat may typically be rough and/or have non-linear features. Moreover, the angles shown as sharp may be round. Accordingly, the regions depicted in the drawings are schematic in nature and the shapes are not intended to depict the exact shape of the region and are not intended to limit the scope of the claims.
"족"은 국제 순수 및 응용 화학 연맹("IUPAC") 1-18족 족분류 시스템에 따른 원소 주기율표의 그룹을 의미한다."Group" means a group of the Periodic Table of Elements according to the International Union of Pure and Applied Chemistry ("IUPAC") Groups 1-18 grouping system.
특정한 구현예가 기술되었지만, 현재 예상되지 않거나 예상할 수 없는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 균등물이 출원인 또는 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서 출원되고 수정될 수 있는 첨부된 청구범위는 그러한 모든 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적 균등물을 포함하는 것으로 의도된다.While particular embodiments have been described, currently unforeseen or unforeseeable alternatives, modifications, variations, improvements, and substantial equivalents may occur to applicants or those skilled in the art. Accordingly, the appended claims as filed and as may be amended are intended to embrace all such alternatives, modifications, variations, improvements and substantial equivalents.
이하에서 예시적인 하나 이상의 구현예에 따른 고체이온전도체 화합물, 이를 포함하는 전기화학 셀, 및 상기 고체이온전도체 화합물의 제조방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a solid ion conductor compound according to one or more exemplary embodiments, an electrochemical cell including the same, and a method for preparing the solid ion conductor compound will be described in more detail.
[고체이온전도체 화합물][Solid ion conductor compound]
일 측면에 따른 고체이온전도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:The solid ion conductor compound according to one aspect may be represented by
<화학식 1><
LiaMbZrcXdTe Li a M b Zr c X d T e
상기 화학식 1 중, M 원소는 리튬을 제외한 1종 이상의 1가의 금속 원소이고, M 원소의 이온 반경(Mr)은 90pm<Mr≤180pm일 수 있다. 여기서 이온 반경(Mr)은 이온 결정구조에서 단원자 이온의 반경을 의미한다.In
일 구현예에 따르면, 상기 M 원소는 Na, K, Rb, Mo(I), Cu(I), Hg, Ag, Au, Tl, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 M 원소는 Na, K, Cu(I), Ag, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the element M may include Na, K, Rb, Mo(I), Cu(I), Hg, Ag, Au, Tl, or a combination thereof. For example, the element M may include Na, K, Cu(I), Ag, or a combination thereof.
일 구현예에 따르면, 상기 M 원소의 Mr은 90 pm<Mr≤175 pm, 90 pm<Mr≤170 pm, 90 pm<Mr≤165 pm, 90 pm<Mr≤160 pm, 또는 90 pm<Mr≤155 pm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. According to one embodiment, M r of the M element is 90 pm<M r ≤175 pm, 90 pm<M r ≤170 pm, 90 pm<M r ≤165 pm, 90 pm<M r ≤160 pm, or 90 pm<M r ≤155 pm, but is not limited thereto.
상기 M 원소의 Mr은 Li 이온의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 가지며, 전술한 범위를 만족하는 경우에, 고체이온전도체 화합물 내부의 결정 구조의 붕괴 없이 격자 상수를 증가시킬 수 있고, 그 결과 Li 이온 통로가 충분히 확대되어 리튬 이온전도도가 향상되는 효과를 갖는다. M r of the M element has an ionic radius larger than the ionic radius of Li ions, and when the above range is satisfied, the lattice constant can be increased without collapse of the crystal structure inside the solid ion conductor compound, and as a result, Li The ion passage is sufficiently enlarged to have an effect of improving lithium ion conductivity.
일 구현예에 따르면, 상기 M 원소는 상기 고체이온전도체 화합물의 결정 구조 내의 Li 사이트에 치환되거나, Zr 사이트에 치환되거나, 및/또는 빈 격자점에 삽입될 수 있다.According to one embodiment, the M element may be substituted at a Li site, substituted at a Zr site, and/or inserted at an empty lattice point in the crystal structure of the solid ion conductor compound.
상기 M 원소는 1가의 산화수를 가짐으로써, 결정내에 삽입되어도 전하 불균형으로 인한 결정 붕괴를 야기하는 심각한 뒤틀림을 야기하지 않으며, 특정 이온 반경 범위를 만족하는 것에 의하여 과도한 격자 확대에 따른 결정 붕괴를 야기하지 않는다.Since the M element has a monovalent oxidation number, it does not cause severe distortion that causes crystal collapse due to charge imbalance even when inserted into the crystal, and does not cause crystal collapse due to excessive lattice expansion by satisfying a specific ionic radius range.
이에 따라, 결정의 부피 확장에 따른 리튬 이온 통로가 확장되어, 그 결과 M 원소가 치환되지 않은 화합물에 비하여 향상된 리튬 이온 전도도를 갖는 고체이온전도체 화합물이 얻어진다.Accordingly, the lithium ion passage is expanded according to the volume expansion of the crystal, and as a result, a solid ion conductor compound having improved lithium ion conductivity compared to a compound in which M element is not substituted is obtained.
다른 구현예에 따르면, 상기 M 원소는 결정 내 Zr 사이트 등에 치환되지 않고 혼합물로 존재할 수 있다.According to another embodiment, the M element may exist as a mixture without being substituted for the Zr site in the crystal.
상기 M 원소가 고체이온전도체 화합물의 결정 내 격자에 치환되지 않고 혼합물로 존재하는 경우에도 결정 격자 상수 증가 효과를 가짐으로써, 결정 부피의 증가에 따른 리튬 이온전도도 향상 효과를 갖는다.Even when the M element is not substituted in the lattice in the crystal of the solid ion conductor compound and exists as a mixture, it has an effect of increasing the crystal lattice constant, thereby improving lithium ion conductivity according to the increase in crystal volume.
상기 화학식 1 중, 상기 X는 할로겐 원소, 예를 들어 F, Cl, Br 및 I 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In
일 구현예에 따르면, 상기 X는 Cl, Br, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 X는 Cl일 수 있다. X가 Cl을 포함하는 것에 의하여 활성화 에너지가 감소하여 우수한 리튬 이온 전도도가 얻어질 수 있다.According to one embodiment, the X may include Cl, Br, or a combination thereof. For example, the X may be Cl. When X contains Cl, the activation energy is reduced and excellent lithium ion conductivity can be obtained.
다른 구현예에 따르면, 상기 X는 Cl 및 Br을 포함할 수 있다. 상기 고체이온전도체 화합물이 할로겐 원소로서 Cl 및 Br을 포함하는 것에 의하여 활성화 에너지가 감소하고, 화합물 내 비정질상의 비율이 증대됨에 따라 리튬 이온전도도가 더 향상될 수 있다.According to another embodiment, the X may include Cl and Br. Since the solid ion conductor compound includes Cl and Br as halogen elements, activation energy is reduced, and lithium ion conductivity can be further improved as the proportion of the amorphous phase in the compound is increased.
상기 화학식 1 중, T 원소는 M과 상이한 금속 원소, 전이금속 원소, 전이 후 금속 원소, 준금속 원소 또는 이들의 조합일 수 있다.In
일 구현예에 따르면, 상기 T는 B, Be, Mg, Ca, Sr, Se, Y, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po 또는 이들의 1종 이상의 조합일 수 있다.According to one embodiment, the T is B, Be, Mg, Ca, Sr, Se, Y, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os , Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po, or one or more combinations thereof.
예를 들어, 상기 T는 B, Y, Mg, Ca, Sr, Hf, Al, Ga, Bi, Sc, Sb, Ta, Nb, 또는 이들의 1종 이상의 조합일 수 있다.For example, T may be B, Y, Mg, Ca, Sr, Hf, Al, Ga, Bi, Sc, Sb, Ta, Nb, or a combination of one or more thereof.
상기 화학식 1 중, 1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1, 0<b/d<0.03, 0.05<c/d<0.18 일 수 있다.In
일 구현예에 따르면, a는 1.5≤a≤2.5일 수 있다. 예를 들어, 상기 a는 1.6≤a≤2.4, 1.7≤a≤2.3, 1.8≤a≤2.2, 1.9≤a≤2.1, 또는 1.9≤a≤2.0일 수 있다.According to one embodiment, a may be 1.5≤a≤2.5. For example, the a may be 1.6≤a≤2.4, 1.7≤a≤2.3, 1.8≤a≤2.2, 1.9≤a≤2.1, or 1.9≤a≤2.0.
일 구현예에 따르면, b는 0<b<0.5일 수 있다. 예를 들어, 상기 b는 0<b≤0.4, 0<b≤0.3, 0<b≤0.2 또는 0<b≤0.1일 수 있다.According to one embodiment, b may be 0<b<0.5. For example, b may be 0<b≤0.4, 0<b≤0.3, 0<b≤0.2, or 0<b≤0.1.
일 구현예에 따르면, c는 0.1≤c<1.5일 수 있다. 예를 들어, 0.2≤c≤1.4, 0.3≤c≤1.3, 0.4≤c≤1.2, 또는 0.5≤c≤1.1일 수 있다.According to one embodiment, c may be 0.1≤c<1.5. For example, 0.2≤c≤1.4, 0.3≤c≤1.3, 0.4≤c≤1.2, or 0.5≤c≤1.1.
일 구현예에 따르면, d는 d는 5<d<7일 수 있다. 예를 들어, 5.1≤d≤6.9, 5.2≤d≤6.8, 5.3≤d≤6.7, 5.4≤d≤6.6, 5.5≤d≤6.5, 5.6≤d≤6.4, 5.7≤d≤6.3, 5.8≤d≤6.2, 5.9≤d≤6.1일 수 있다.According to one embodiment, d may be 5<d<7. For example, 5.1≤d≤6.9, 5.2≤d≤6.8, 5.3≤d≤6.7, 5.4≤d≤6.6, 5.5≤d≤6.5, 5.6≤d≤6.4, 5.7≤d≤6.3, 5.8≤d≤ 6.2, 5.9≤d≤6.1.
일 구현예에 따르면, e는 0≤e<1일 수 있다. 예를 들어, 0≤e<0.9, 0≤e<0.8, 0≤e<0.7, 0≤e<0.6 0≤e≤0.5, 0<e<1, 0<e<0.9, 0<e<0.8, 0<e<0.7, 0<e<0.6, 또는 0<e≤0.5일 수 있다.According to one embodiment, e may be 0≤e<1. For example, 0≤e<0.9, 0≤e<0.8, 0≤e<0.7, 0≤e<0.6 0≤e≤0.5, 0<e<1, 0<e<0.9, 0<e<0.8 , 0<e<0.7, 0<e<0.6, or 0<e≤0.5.
일 구현예에 따르면, a는 1.5≤a≤2.5이고, b는 0<b<0.5이고, c는 0.1≤c<1.5이고, d는 5<d<7일 수 있다.According to one embodiment, a may satisfy 1.5≤a≤2.5, b may satisfy 0<b<0.5, c may satisfy 0.1≤c<1.5, and d may satisfy 5<d<7.
일 구현예에 따르면, b/d는 0.01≤b/d≤0.02일 수 있다. According to one embodiment, b/d may be 0.01≤b/d≤0.02.
일 구현예에 따르면, c/d는 0.06≤c/d≤0.17일 수 있다.According to one embodiment, c/d may be 0.06≤c/d≤0.17.
일 구현예에 따르면, a/c는 1<a/c<5일 수 있다. 예를 들어, 1<a/c≤4, 1<a/c≤3, 1<a/c≤2.9, 1<a/c≤2.8, 1<a/c≤2.7, 1<a/c≤2.6, 1<a/c≤2.5, 1<a/c≤2.4, 1<a/c≤2.3, 1<a/c≤2.2, 1<a/c≤2.1, 또는 1<a/c<2.1일 수 있다.According to one embodiment, a/c may be 1<a/c<5. For example, 1<a/c≤4, 1<a/c≤3, 1<a/c≤2.9, 1<a/c≤2.8, 1<a/c≤2.7, 1<a/c≤ 2.6, 1<a/c≤2.5, 1<a/c≤2.4, 1<a/c≤2.3, 1<a/c≤2.2, 1<a/c≤2.1, or 1<a/c<2.1 can be
상기 화학식 1 중, a, b, c, d, e, b/d, c/d, a/c가 전술한 범위를 만족하는 경우에 고체이온전도체 화합물의 향상된 리튬이온전도도 및 이를 이용하여 안정한 전기화학 셀의 제작이 가능하다.In
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물은 CuKα 선을 사용한 XRD 스펙트럼에서 회절각 2θ=15° 내지 17°, 30° 내지 32° 및 40° 내지 42°에서 적어도 하나의 회절피크를 가질 수 있다.According to one embodiment, the solid ion conductor compound may have at least one diffraction peak at diffraction angles 2θ = 15 ° to 17 °, 30 ° to 32 ° and 40 ° to 42 ° in the XRD spectrum using CuKα rays. .
예를 들어, 상기 고체이온전도체 화합물은 CuKα 선을 사용한 XRD 스펙트럼에서 회절각 2θ=16.0°±2.0°, 30.4°±2.0°, 31.8°±2.0°, 34.1°±2.0°, 41.3°±2.0° 및 49.4±2.0°에서 회절피크를 가질 수 있다.For example, the solid ion conductor compound has diffraction angles 2θ=16.0°±2.0°, 30.4°±2.0°, 31.8°±2.0°, 34.1°±2.0°, 41.3°±2.0° in the XRD spectrum using CuKα rays. and a diffraction peak at 49.4±2.0°.
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물은 M 금속 원소를 비포함하는 화합물에 비하여 a 및 c 축 격자상수가 증가할 수 있다.According to one embodiment, the a and c-axis lattice constants of the solid ion conductor compound may be increased compared to the compound containing no M metal element.
후술하겠지만, 본 발명의 일 구현예에 따른 고체이온전도체 화합물과 상기 고체이온전도체 화합물의 화학식 1에서 M이 부재하는 화합물의 XRD 그래프를 비교하면, 화학식 1에서 M이 부재하는 고체이온전도체 화합물이 보이는 회절각 2θ=32.5°±0.5°에서의 회절 피크가 회절각 2θ=31.5°±0.5°로 시프트 되는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 회절각 2θ=31.5°±0.5°의 회절피크는 회절각 2θ=32.5°±0.5°에서의 회절 피크에 비하여 증가한 반치폭(FWHM)을 갖습니다. 이러한 피크의 시프트 및 반치폭의 증가는 M 원소의 도입에 따른 결정 격자 상수의 증가로 인한 결정 부피 증가에 의한 것이다.As will be described later, when the XRD graph of the solid ion conductor compound according to one embodiment of the present invention and the compound in which M is absent in
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물은 결정상, 비결정상, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the solid ion conductor compound may include a crystalline phase, an amorphous phase, or a combination thereof.
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물은 제1결정상 및 제2결정상을 포함하고, 상기 제1결정상 및 제2결정상은 동일하거나 상이하고, 상기 제1결정상과 상기 제2결정상 사이에 비정질상을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the solid ion conductor compound includes a first crystalline phase and a second crystalline phase, the first crystalline phase and the second crystalline phase are the same or different, and an amorphous phase is formed between the first crystalline phase and the second crystalline phase. can include more.
상기 고체이온전도체 화합물이 적어도 하나의 결정상 및 비정질상을 포함하고, 상기 결정상들 사이에 비정질상을 포함하는 것에 의하여, 리튬 양이온의 전도성이 향상될 수 있다. 일반적으로 정돈된 결정상에서 우수한 리튬 이온전도도가 얻어지나, 결정상들 사이에 리튬 이온의 이동이 용이한 비정질상을 포함함으로써 리튬 이온전도도가 더욱 향상되는 효과를 갖는다.When the solid ion conductor compound includes at least one crystalline phase and an amorphous phase, and the amorphous phase is included between the crystalline phases, the conductivity of lithium cations may be improved. In general, excellent lithium ion conductivity is obtained in an ordered crystal phase, but the lithium ion conductivity is further improved by including an amorphous phase in which lithium ions move easily between crystal phases.
일 구현예에 따르면, 상기 결정상, 예를 들어 제1결정상 및 제2결정상 중 적어도 하나는 층상암염결정구조를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the crystal phase, for example, at least one of the first crystal phase and the second crystal phase may include a layered rock salt crystal structure.
예를 들어, 상기 층상암염결정구조는 뒤틀린 층상암염결정 구조를 포함할 수 있다.For example, the layered rock salt crystal structure may include a distorted layered rock salt crystal structure.
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물은 결정상으로 C2/m 공간군의 결정 구조, P3m1 공간군의 결정 구조, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the solid ion conductor compound may include a crystal structure of a C2/m space group, a crystal structure of a P3m1 space group, or a combination thereof as a crystal phase.
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물은 상온에서, 예를 들어 25℃에서 2.4 x 10-4 S/cm 이상의 이온전도도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고체이온전도체 화합물은 25℃에서 2.5 x 10-4 S/cm 이상, 3.0 x 10-4 S/cm 이상, 3.5 x 10-4 S/cm 이상, 4.0 x 10-4 S/cm 이상, 4.1 x 10-4 S/cm 이상, 4.2 x 10-4 S/cm 이상, 4.3 x 10-4 S/cm 이상, 4.4 x 10-4 S/cm 이상일 수 있다. According to one embodiment, the solid ion conductor compound may have an ionic conductivity of 2.4 x 10 -4 S/cm or more at room temperature, for example, 25°C. For example, the solid ion conductor compound has 2.5 x 10 -4 S/cm or more, 3.0 x 10 -4 S/cm or more, 3.5 x 10 -4 S/cm or more, 4.0 x 10 -4 S/cm or more at 25°C. cm or more, 4.1 x 10 -4 S/cm or more, 4.2 x 10 -4 S/cm or more, 4.3 x 10 -4 S/cm or more, or 4.4 x 10 -4 S/cm or more.
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물은 LiaNabZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), LiaKbZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), LiaRbbZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), LiaMobZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), LiaCubZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), LiaHgbZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), LiaAgbZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), LiaAubZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), 또는 LiaTlbZrcCldTe (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1)일 수 있고, 이때, T는 Y일 수 있다.According to one embodiment, the solid ion conductor compound is Li a Na b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e <1), Li a K b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), Li a Rb b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), Li a Mo b Zr c Cl d T e (1 <a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), Li a Cu b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b <1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), Li a Hg b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5 , 0<d<7, 0≤e<1), Li a Ag b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0 ≤e<1), Li a Au b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), or Li a Tl b Zr c Cl d T e (1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1), where T is Y can
예를 들어, 상기 고체이온전도체 화합물은 Li1.96Na0.03ZrCl6, Li1.96Na0.04ZrCl6, Li1.9Na0.1ZrCl6, Li2Na0.04Zr0.99Cl6, Li2Na0.1Zr0.98Cl6, Li1.96Cu0.04ZrCl6, Li2Cu0.04Zr0.99Cl6, Li1.96Ag0.04ZrCl6, Li1.96K0.04ZrCl6, Li1.96Na0.04Y0.5Zr0.5Cl6, Li1.9K0.1ZrCl6, Li1.85K0.15ZrCl6, Li2.36Na0.04Zr0.9Cl6, 또는 Li2.45Na0.05Zr0.5Cl6Y0.5 일 수 있다.For example, the solid ion conductor compound is Li 1.96 Na 0.03 ZrCl 6 , Li 1.96 Na 0.04 ZrCl 6 , Li 1.9 Na 0.1 ZrCl 6 , Li 2 Na 0.04 Zr 0.99 Cl 6 , Li 2 Na 0.1 Zr 0.98 Cl 6 , Li 1.96 Cu 0.04 ZrCl 6 , Li 2 Cu 0.04 Zr 0.99 Cl 6 , Li 1.96 Ag 0.04 ZrCl 6 , Li 1.96 K 0.04 ZrCl 6 , Li 1.96 Na 0.04 Y 0.5 Zr 0.5 Cl 6 , Li 1.9 K 0.1 ZrCl 6 , Li 1.85K 0.15 ZrCl 6 , Li 2.36 Na 0.04 Zr 0.9 Cl 6 , or Li 2.45 Na 0.05 Zr 0.5 Cl 6 Y 0.5 .
[고체이온전도체 화합물의 제조방법][Method of producing solid ion conductor compound]
일 측면에 따른 고체이온전도체 화합물의 제조 방법은, 지르코늄 전구체 화합물, 리튬 전구체 화합물, 금속 M 전구체 화합물을 혼합하여 혼합물을 준비하는 단계; 및 상기 혼합물을 고상(solid phase)에서 반응시켜서 고체이온전도체 화합물을 얻는 단계;를 포함한다. 고체이온전도체 화합물은 전술한 고체이온전도체 화합물이다.A method for preparing a solid ion conductor compound according to an aspect includes preparing a mixture by mixing a zirconium precursor compound, a lithium precursor compound, and a metal M precursor compound; and obtaining a solid ion conductor compound by reacting the mixture in a solid phase. The solid ion conductor compound is the aforementioned solid ion conductor compound.
상기 리튬 전구체 화합물은 리튬할로겐화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 리튬할로겐화물은 LiF, LiCl, LiBr, LiI, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬할로겐화물은 LiCl, LiBr, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The lithium precursor compound may include a lithium halide. For example, the lithium halide may include LiF, LiCl, LiBr, LiI, or combinations thereof. For example, the lithium halide may include LiCl, LiBr, or a combination thereof.
상기 지르코늄 전구체 화합물은 지르코늄 할로겐화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 지르코늄 할로겐화물은 ZrF4, ZrCl4. ZrBr4, ZrI4, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 지르코늄 할로겐화물은 ZrCl4, ZrBr4, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The zirconium precursor compound may include a zirconium halide. For example, zirconium halides are ZrF 4 , ZrCl 4 . ZrBr 4 , ZrI 4 , or a combination thereof. For example, the zirconium halide may include ZrCl 4 , ZrBr 4 , or a combination thereof.
상기 M 전구체 화합물은 Na, K, Rb, Mo(I), Cu(I), Hg, Ag, Au 및 Tl 중에서 선택된 1종 이상의 금속 M의 할로겐화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 M 전구체 화합물은 NaCl, KCl, RbCl, CuCl, HgCl, AgCl, AuCl, TlCl, NaBr, KBr, RbBr, CuBr, HgBr, AgBr, AuBr, TlBr, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 M 전구체 화합물은 NaCl, KCl, CuCl, AgCl, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The M precursor compound may include a halide of at least one metal M selected from Na, K, Rb, Mo(I), Cu(I), Hg, Ag, Au, and Tl. For example, the M precursor compound may include NaCl, KCl, RbCl, CuCl, HgCl, AgCl, AuCl, TlCl, NaBr, KBr, RbBr, CuBr, HgBr, AgBr, AuBr, TlBr, or a combination thereof. . For example, the M precursor compound may include NaCl, KCl, CuCl, AgCl, or a combination thereof.
일 구현예에 따르면, 상기 리튬할로겐화물 및 지르코늄할로겐화물은 화학량론비 1:1 내지 5:1의 비율로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬할로겐화물 및 지르코늄할로겐화물은 화학량론비 1:1 내지 4.5:1, 1:1 내지 4:1, 1:1 내지 3.5:1, 1:1 내지 3:1, 1.1:1 내지 2.9:1, 1.2:1 내지 2.8:1, 1.3:1 내지 2.7:1, 1.4:1 내지 2.6:1, 1.5:1 내지 2.5:1, 1.6:1 내지 2.4:1, 1.7:1 내지 2.3:1, 1.8:1 내지 2.2:1, 또는 1.9:1 내지 2.1:1일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment, the lithium halide and the zirconium halide may be mixed in a stoichiometric ratio of 1:1 to 5:1. For example, the lithium halide and the zirconium halide have a stoichiometric ratio of 1:1 to 4.5:1, 1:1 to 4:1, 1:1 to 3.5:1, 1:1 to 3:1, 1.1:1 to 2.9:1, 1.2:1 to 2.8:1, 1.3:1 to 2.7:1, 1.4:1 to 2.6:1, 1.5:1 to 2.5:1, 1.6:1 to 2.4:1, 1.7:1 to 2.3 :1, 1.8:1 to 2.2:1, or 1.9:1 to 2.1:1, but is not limited thereto.
일 구현예에 따르면, 상기 M 전구체 화합물 및 지르코늄할로겐화물은 화학량론비 0.01:1 내지 1:1의 비율로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 상기 M 전구체 화합물 및 지르코늄할로겐화물은 화학량론비 0.01:1 내지 0.5:1, 0.01:1 내지 0.3:1의 비율로 혼합될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment, the M precursor compound and the zirconium halide may be mixed in a stoichiometric ratio of 0.01:1 to 1:1. For example, the M precursor compound and zirconium halide may be mixed at a stoichiometric ratio of 0.01:1 to 0.5:1 or 0.01:1 to 0.3:1, but is not limited thereto.
일 구현예에 따르면, 상기 혼합물은 T 전구체 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 T 전구체 화합물은 T 원소는 M과 상이한 금속 원소, 전이금속 원소, 또는 전이 후 금속 원소의 할로겐화물일 수 있다. 예를 들어, T 전구체 화합물은 Y, Mg, Ca, Sr, Hf, Al, Ga, Bi, Sc, Sb, Ta, 또는 Nb의 할로겐화물일 수 있다. T 전구체 화합물의 예로는 YCl3, YBr3, MgCl2, MgBr2, CaCl2, 및 CaBr2 등이 있다.According to one embodiment, the mixture may further include a T precursor compound. In the T precursor compound, the T element may be a metal element different from M, a transition metal element, or a halide of a post-transition metal element. For example, the T precursor compound may be a halide of Y, Mg, Ca, Sr, Hf, Al, Ga, Bi, Sc, Sb, Ta, or Nb. Examples of T precursor compounds include YCl 3 , YBr 3 , MgCl 2 , MgBr 2 , CaCl 2 , and CaBr 2 .
일 구현예에 따르면, 상기 혼합물을 고상에서 반응시켜 고체이온전도체 화합물을 얻는 단계가, 상기 혼합물을 건조 및 불활성 분위기에서 500rpm에서 48시간 동안 볼밀 혼합을 수행하는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of obtaining a solid ion conductor compound by reacting the mixture in a solid phase may include performing ball mill mixing of the mixture at 500 rpm for 48 hours in a dry and inert atmosphere.
일 구현예에 따르면, 상기 볼밀 혼합은 제1 시간 동안 수행되고, 이후에 제2 시간 동안의 휴지기를 가질 수 있다. 여기서 제1 시간 및 제2 시간은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 시간은 제2 시간의 2배 이상의 시간 예를 들어 3배의 시간일 수 있다. 이와 같이, 볼밀 혼합 과정에 휴지 기간을 가짐으로써 고체이온전도체 화합물이 결정상 및 비정질상의 혼합물로서 얻어질 수 있다.According to one embodiment, the ball mill mixing may be performed for a first time and then have a rest period for a second time. Here, the first time and the second time may be the same as or different from each other. For example, the first time may be two or more times the second time, for example, three times the time. In this way, by having a rest period in the ball mill mixing process, the solid ion conductor compound can be obtained as a mixture of a crystalline phase and an amorphous phase.
일 구현예에 따르면, 상기 고체이온전도체 화합물의 제조방법은 실온에서 수행되며, 결정화를 위한 소성 단계를 포함하지 않는다. 예를 들어, 상기 고체이온전도체 화합물의 제조방법은 상온(25℃)에서 수행될 수 있다.According to one embodiment, the method for preparing the solid ion conductor compound is performed at room temperature and does not include a sintering step for crystallization. For example, the method for preparing the solid ion conductor compound may be performed at room temperature (25° C.).
일반적인 고체이온전도체 화합물의 제조방법은 원료를 혼합한 후 열처리하여 결정화하는 단계를 포함하지만, 본 발명의 고체이온전도체 화합물의 제조방법은 고상 혼합 단계 이후에 별도의 결정화 단계를 포함하지 않음으로써, Zr 및 M 금속을 포함하고 결정상 및 비정질상을 가지며 결정상의 부피 증가에 따른 리튬이온전도도 향상 효과를 갖는 고체이온전도체 화합물을 얻을 수 있다.A general method for producing a solid ion conductor compound includes a step of crystallizing by heat treatment after mixing raw materials, but the method for preparing a solid ion conductor compound of the present invention does not include a separate crystallization step after the solid phase mixing step, so that Zr And it is possible to obtain a solid ion conductor compound containing metal M, having a crystalline phase and an amorphous phase, and having an effect of improving lithium ion conductivity according to an increase in the volume of the crystalline phase.
상기 불활성 분위기는 불활성 기체를 포함하는 분위기이다. 불활성 기체는 예를 들어 질소, 아르곤 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 불활성 가스로 사용하는 것이라면 모두 가능하다.The inert atmosphere is an atmosphere containing an inert gas. The inert gas is, for example, nitrogen, argon, etc., but is not necessarily limited thereto, and any one used as an inert gas in the art is possible.
[전기화학 셀][Electrochemical cell]
다른 일구현예에 따른 전기화학 셀은, 양극활물질층을 포함한 양극층; 음극활물질층을 포함한 음극층; 및 양극층 및 음극층 사이에 개재되는 고체전해질층을 포함하며, 상기 양극층 및 고체전해질층 중 적어도 하나의 층은 전술한 고체이온전도체 화합물을 포함할 수 있다. 전기화학 셀이 상기 고체이온전도체 화합물을 포함함에 의하여 전기화학 셀의 리튬 이온 전도성 및 화학적 안정성이 향상된다.An electrochemical cell according to another embodiment includes a cathode layer including a cathode active material layer; A negative electrode layer including a negative electrode active material layer; and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and at least one of the positive electrode layer and the solid electrolyte layer may include the above-described solid ion conductor compound. By including the solid ion conductor compound in the electrochemical cell, lithium ion conductivity and chemical stability of the electrochemical cell are improved.
전기화학 셀은 예를 들어 전고체 이차전지, 액체전해질 함유 이차전지, 또는 리튬공기전지일 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 사용할 수 있는 전기화학 셀이라면 모두 가능하다.The electrochemical cell may be, for example, an all-solid secondary battery, a secondary battery containing a liquid electrolyte, or a lithium-air battery, but is not necessarily limited thereto, and any electrochemical cell usable in the art is possible.
이하에서, 전고체 이차전지를 예시적으로 설명한다.Hereinafter, an all-solid-state secondary battery will be described as an example.
[전고체 이차전지: 제1 타입][All-solid-state secondary battery: 1st type]
전술한 고체이온전도체 화합물을 포함할 수 있다.It may include the above solid ion conductor compound.
전고체 이차전지는 예를 들어 양극활물질층을 포함하는 양극층; 음극활물질층을 포함하는 음극층; 및 양극층 및 음극층 사이에 배치되는 고체전해질층을 포함하며, 양극활물질층 및 고체전해질층 중 적어도 하나가 전술한 고체이온전도체 화합물을 포함할 수 있다.An all-solid-state secondary battery may include, for example, a cathode layer including a cathode active material layer; A negative electrode layer including a negative electrode active material layer; and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and at least one of the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer may include the above-described solid ion conductor compound.
일 구현예에 따른 전고체 이차전지는 다음과 같이 준비될 수 있다.An all-solid-state secondary battery according to one embodiment may be prepared as follows.
(고체전해질층)(solid electrolyte layer)
먼저, 고체전해질층이 준비된다.First, a solid electrolyte layer is prepared.
고체전해질층은 전술한 고체이온전도체 화합물과 바인더를 혼합 및 건조하여 제조하거나, 화학식 1로 표시되는 고체이온전도체 화합물의 분말을 일정한 형태로 1 ton 내지 10ton의 압력으로 압연하여 제조할 수 있다. 전술한 고체이온전도체 화합물이 고체전해질로 사용된다.The solid electrolyte layer may be prepared by mixing and drying the above-described solid ion conductor compound and a binder, or by rolling the powder of the solid ion conductor compound represented by
고체전해질의 평균 입경은 예를 들어 0.5um 내지 20um 일 수 있다. 고체전해질이 이러한 평균 입경을 가짐에 의하여 소결체 형성 과정에서 결착성이 향상되어 고체전해질 입자의 이온전도도 및 수명 특성이 향상될 수 있다.An average particle diameter of the solid electrolyte may be, for example, 0.5 um to 20 um. When the solid electrolyte has such an average particle diameter, the binding property is improved during the formation of the sintered body, and thus the ionic conductivity and lifespan characteristics of the solid electrolyte particles can be improved.
고체전해질층의 두께는 10um 내지 200um 일 수 있다. 고체전해질층이 이러한 두께를 가짐에 의하여 리튬 이온의 충분한 이동 속도가 보장되고 결과적으로 높은 이온전도도가 얻어질 수 있다.The thickness of the solid electrolyte layer may be 10um to 200um. By having such a thickness of the solid electrolyte layer, a sufficient movement rate of lithium ions is ensured, and as a result, high ionic conductivity can be obtained.
고체전해질층은 전술한 고체이온전도체 화합물 외에 종래의 황화물계 고체전해질 및/또는 산화물계 고체전해질 등의 고체전해질을 더 포함할 수 있다.The solid electrolyte layer may further include a solid electrolyte such as a conventional sulfide-based solid electrolyte and/or an oxide-based solid electrolyte in addition to the above-described solid ion conductor compound.
종래의 황화물(sulfide)계 고체전해질은, 예컨대 황화 리튬, 황화 규소, 황화 인, 황화 붕소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 종래의 황화물계 고체전해질 입자는 Li2S, P2S5, SiS2, GeS2, B2S3 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 종래의 황화물계 고체전해질 입자는 Li2S 또는 P2S5일 수 있다. 종래의 황화물계 고체전해질 입자는 다른 무기 화합물에 비해 높은 리튬 이온 전도도를 갖는 것으로 알려져있다. 예를 들어, 종래의 황화물계 고체전해질은 Li2S 및 P2S5를 포함한다. 종래의 황화물계 고체전해질을 구성하는 황화물 고체전해질 재료가 Li2S-P2S5를 포함하는 경우, Li2S 대 P2S5 의 혼합 몰비는 예를 들면 약 50:50 내지 약 90:10의 범위일 수 있다. 또한, Li3PO4, 할로겐, 할로겐 화합물, Li2+2xZn1-xGeO4("LISICON"), Li3+yPO4-xNx("LIPON"), Li3.25Ge0.25P0.75S4("ThioLISICON"), Li2O-Al2O3-TiO2-P2O5("LATP") 등을 Li2S-P2S5, SiS2, GeS2, B2S3, 또는 이들의 조합의 무기 고체전해질에 첨가하여 제조된 무기 고체전해질이 종래의 황화물 고체전해질로서 사용될 수 있다. 종래의 황화물 고체전해질 재료의 비제한적인 예들은 Li2S-P2S5; Li2S-P2S5-LiX (X는 할로겐 원소임); Li2S-P2S5-Li2O; Li2S-P2S5-Li2O-LiI; Li2S-SiS2; Li2S-SiS2-LiI; Li2S-SiS2-LiBr; Li2S-SiS2-LiCl; Li2S-SiS2-B2S3-LiI; Li2S-SiS2-P2S5-LiI; Li2S-B2S3; Li2S -P2S5-ZmSn(m 및 n은 양의 수이고, Z는 Ge, Zn 또는 G임); Li2S-GeS2; Li2S-SiS2-Li3PO4; 및 Li2S-SiS2-LipMOq(상기 식에서, p 및 q는 양의 수이고, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga 또는 In 임)을 포함한다. 이와 관련하여, 종래의 황화물계 고체전해질 재료는 황화물계 고체전해질 물질의 원료 시작 물질(예를 들면, Li2S, P2S5, 등)을 용융 담금질법(melt quenching method), 기계적 밀링법 등에 의해 처리함으로써 제조될 수 있다. 또한, 소성(calcinations) 공정이 상기 처리 후에 수행될 수 있다.A conventional sulfide-based solid electrolyte may include, for example, lithium sulfide, silicon sulfide, phosphorus sulfide, boron sulfide, or a combination thereof. Conventional sulfide-based solid electrolyte particles may include Li 2 S, P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , B 2 S 3 or a combination thereof. Conventional sulfide-based solid electrolyte particles may be Li 2 S or P 2 S 5 . Conventional sulfide-based solid electrolyte particles are known to have higher lithium ion conductivity than other inorganic compounds. For example, a conventional sulfide-based solid electrolyte includes Li 2 S and P 2 S 5 . When the sulfide solid electrolyte material constituting the conventional sulfide-based solid electrolyte includes Li 2 SP 2 S 5 , the mixing molar ratio of Li 2 S to P 2 S 5 is, for example, about 50:50 to about 90:10. range can be In addition, Li 3 PO 4 , halogen, halogen compounds, Li 2+2x Zn 1-x GeO 4 (“LISICON”), Li 3+y PO 4-x N x ( “LIPON”), Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 ("ThioLISICON"), Li 2 O—Al 2 O 3 -TiO 2 -P 2 O 5 ( "LATP"), and the like as Li 2 SP 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , B 2 S 3 , or An inorganic solid electrolyte prepared by adding a combination thereof to an inorganic solid electrolyte can be used as a conventional sulfide solid electrolyte. Non-limiting examples of conventional sulfide solid electrolyte materials include Li 2 SP 2 S 5 ; Li 2 SP 2 S 5 -LiX (X is a halogen element); Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O; Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI; Li 2 S-SiS 2 ; Li 2 S-SiS 2 -LiI; Li 2 S-SiS 2 -LiBr; Li 2 S-SiS 2 -LiCl; Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI; Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI; Li 2 SB 2 S 3 ; Li 2 S -P 2 S 5 -Z m S n (m and n are positive numbers, Z is Ge, Zn or G); Li 2 S-GeS 2 ; Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 ; and Li 2 S-SiS 2 -Li p MO q (wherein p and q are positive numbers and M is P, Si, Ge, B, Al, Ga or In). In this regard, a conventional sulfide-based solid electrolyte material is a raw material starting material (eg, Li 2 S, P 2 S 5 , etc.) of a sulfide-based solid electrolyte material is melt quenched (melt quenching method), mechanical milling method etc. can be produced by processing. Also, calcinations may be performed after the treatment.
고체전해질층에 포함되는 바인더는, 예를 들면, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌 (polyethylene), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 등이나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 고체전해질층의 바인더는 양극층과 음극층의 바인더와 동종이거나 다를 수 있다.The binder included in the solid electrolyte layer, for example, styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polyvinyl alcohol It is not limited to the like or these, and all are possible as long as they are used as binders in the art. The binder of the solid electrolyte layer may be the same as or different from the binders of the positive electrode layer and the negative electrode layer.
(양극층)(anode layer)
다음으로, 양극층이 준비된다.Next, an anode layer is prepared.
양극층은 집전체 상에 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 형성시켜 제조할 수 있다. 양극활물질의 평균 입경은 예를 들어 2um 내지 10um일 수 있다. The cathode layer may be prepared by forming a cathode active material layer containing a cathode active material on a current collector. The average particle diameter of the cathode active material may be, for example, 2 um to 10 um.
양극활물질은 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬전이금속산화물, 전이금속황화물 등일 수 있다. 예를 들어, 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는, LiaA1-bB1 bD1 2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bB1 bO2-cD1 c(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bB1 bO4-cD1 c(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobB1 cD1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobB1 cO2-αF1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobB1 cO2-αF1 α (상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbB1 cD1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbB1 cO2-αF1 α(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbB1 cO2-αF1 2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O2; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. 상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B1 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D1 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F1 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다. 예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1-xMnxO2x(0<x<1), Ni1-x-yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), Ni1-x-yCoxAlyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2, TiS3, FeS3 등이다. Any positive electrode active material may be used without limitation as long as it is commonly used in a secondary battery. For example, it may be a lithium transition metal oxide or a transition metal sulfide. For example, one or more types of complex oxides of lithium and a metal selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof may be used, and specific examples include, Li a A 1-b B 1 b D 1 2 (In the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, and 0 ≤ b ≤ 0.5); Li a E 1-b B 1 b O 2-c D 1 c (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE 2-b B 1 b O 4-c D 1 c (wherein 0 ≤ b ≤ 0.5 and 0 ≤ c ≤ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b B 1 c D 1 α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Co b B 1 c O 2-α F 1 α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Co b B 1 c O 2-α F 1 α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B 1 c D 1 α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Mn b B 1 c O 2-α F 1 α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B 1 c O 2-α F 1 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a CoG b O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a MnG b O 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 2 ; LiIO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); A compound represented by any one of the chemical formulas of LiFePO 4 may be used. In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B 1 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D 1 O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F 1 F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or combinations thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or combinations thereof. For example, LiCoO 2 , LiMn x O 2x (x=1, 2), LiNi 1-x Mn x O 2x (0<x<1), Ni 1-xy Co x Mn y O 2 (0≤x≤ 0.5, 0≤y≤0.5), Ni 1-xy Co x Al y O 2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFePO 4 , TiS 2 , FeS 2 , TiS 3 , FeS 3 , and the like.
이러한 화합물 표면에 코팅층이 부가된 화합물의 사용도 가능하며, 상술한 화합물과 코팅층이 부가된 화합물의 혼합물의 사용도 가능하다. 이러한 화합물의 표면에 부가되는 코팅층은 예를 들어 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함한다. 이러한 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질이다. 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물이다. 코팅층 형성 방법은 양극활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 범위 내에서 선택된다. 코팅 방법은 예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등이다. 구체적인 코팅 방법은 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.It is also possible to use a compound in which a coating layer is added to the surface of such a compound, and it is also possible to use a mixture of the above-mentioned compound and a compound in which a coating layer is added. The coating layer applied to the surface of such a compound includes, for example, a coating element compound of an oxide, a hydroxide, an oxyhydroxide of a coating element, an oxycarbonate of a coating element, or a hydroxycarbonate of a coating element. The compound constituting the coating layer is amorphous or crystalline. The coating elements included in the coating layer include Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or mixtures thereof. The coating layer formation method is selected within a range that does not adversely affect the physical properties of the cathode active material. The coating method is, for example, spray coating, dipping method or the like. Since a specific coating method can be well understood by those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted.
양극활물질은 예를 들어 상술한 리튬전이금속산화물 중 층상암염형(layered rock salt type) 구조를 갖는 전이금속산화물의 리튬염을 포함한다. "층상 암염형 구조"는 예를 들어 입방정 암염형(cubic rock salt type) 구조의 <111> 방향으로 산소 원자층과 금속 원자층이 교대로 규칙적으로 배열하고, 이에 의하여 각각의 원자층이 이차원 평면을 형성하고 있는 구조이다. "입방정 암염형 구조"는 결정 구조의 일종인 염화나트륨형(NaCl type) 구조를 나타내며, 구체적으로는 양이온 및 음이온의 각각 형성하는 면심 입방 격자(face centered cubic lattice, fcc)가 서로 단위 격자(unit lattice)의 능(ridge)의 1/2 만큼 어긋나 배치된 구조를 나타낸다. 이러한 층상암염형 구조를 갖는 리튬전이금속산화물은, 예를 들어, LiNixCoyAlzO2 (NCA) (0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1) 또는 LiNix'Coy'Mnz'O2 (NCM) (0 < x' < 1, 0 < y' < 1, 0 < z' < 1, x' + y' + z' = 1) 등의 삼원계 리튬전이금속산화물이다. 양극활물질이 층상암염형 구조를 갖는 삼원계 리튬전이금속산화물을 포함하는 경우, 전고체 이차전지(1)의 에너지(energy) 밀도 및 열안정성이 더욱 향상된다.The cathode active material includes, for example, a lithium salt of a transition metal oxide having a layered rock salt type structure among the above-described lithium transition metal oxides. "Layered rock salt structure" means, for example, that an oxygen atom layer and a metal atom layer are arranged alternately and regularly in the <111> direction of a cubic rock salt type structure, whereby each atomic layer is formed on a two-dimensional plane. It is a structure that forms "Cubic rock salt structure" refers to a NaCl type structure, which is a type of crystal structure, and specifically, face centered cubic lattice (fcc) formed by positive and negative ions, respectively, unit lattice ) shows a structure displaced by 1/2 of the ridge. A lithium transition metal oxide having such a layered rock salt structure is, for example, LiNi x Co y Al z O 2 (NCA) (0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1) or LiNi x' Co y' Mn z' O 2 (NCM) (0 <x'< 1, 0 <y'< 1, 0 <z'< 1, x' + y' + z' = 1) is a ternary lithium transition metal oxide such as the like. When the cathode active material includes a ternary lithium transition metal oxide having a layered rock salt structure, energy density and thermal stability of the all-solid-state
일 구현예에 따르면, 상기 양극층은 LiNixCoyAlzO2 또는 LiNix'Coy'Mnz'O2로 표시되는 양극활물질을 포함하고, 이때 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1이고, 0 < x' < 1, 0 < y' < 1, 0 < z' < 1, x' + y' + z' = 1이며, 상기 양극활물질의 표면 중 일부 또는 전부가 리튬이온전도체 화합물로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬이온전도체 화합물은 Li2ZrO3 화합물일 수 있다.According to one embodiment, the positive electrode layer includes a positive electrode active material represented by LiNi x Co y Al z O 2 or LiNi x' Co y' Mn z' O 2 , where 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1, 0 <x'< 1, 0 <y'< 1, 0 <z'< 1, x' + y' + z' = 1, Part or all of the surface of the cathode active material may be coated with a lithium ion conductor compound. For example, the lithium ion conductor compound may be a Li 2 ZrO 3 compound.
양극활물질은 양극 활물질의 피복층 재료로서 공지된 임의의 재료로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 양극활물질의 피복층은 Li2O-ZrO2 (LZO)일 수 있다.The positive electrode active material may be coated with any material known as a material for the coating layer of the positive electrode active material. For example, the coating layer of the cathode active material may be Li 2 O-ZrO 2 (LZO).
양극활물질이 예를 들어 NCA 또는 NCM 등의 삼원계 리튬전이금속산화물로서 니켈(Ni)을 포함하는 경우, 전고체 이차전지의 용량 밀도를 상승시켜 충전 상태에서 양극활물질의 금속 용출의 감소가 가능하다. 결과적으로, 전고체 이차전지의 충전 상태에서의 사이클(cycle) 특성이 향상된다.When the cathode active material includes, for example, nickel (Ni) as a ternary lithium transition metal oxide such as NCA or NCM, it is possible to increase the capacity density of an all-solid-state secondary battery and reduce metal elution of the cathode active material in a charged state. . As a result, cycle characteristics of the all-solid-state secondary battery in a charged state are improved.
양극활물질의 형상은, 예를 들어, 진구, 타원 구형 등의 입자 형상이다. 양극활물질의 입경은 특별히 제한되지 않으며, 종래의 전고체 이차전지의 양극활물질에 적용 가능한 범위이다. 양극층의 양극활물질의 함량도 특별히 제한되지 않고, 종래의 전고체 이차전지의 양극층에 적용 가능한 범위이다. 양극활물질층에서 양극활물질의 함량은 예를 들어 50 내지 95 중량%일 수 있다.The shape of the positive electrode active material is, for example, a particle shape such as a spherical sphere or an elliptical sphere. The particle size of the positive electrode active material is not particularly limited, and is within a range applicable to the positive electrode active material of a conventional all-solid-state secondary battery. The content of the positive electrode active material in the positive electrode layer is also not particularly limited, and is within a range applicable to the positive electrode layer of a conventional all-solid-state secondary battery. The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer may be, for example, 50 to 95% by weight.
양극활물질층은 전술한 고체이온전도체 화합물을 추가적으로 포함할 수 있다. The positive electrode active material layer may additionally include the above-described solid ion conductor compound.
양극활물질층은 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 예를 들어 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene) 등이다.The cathode active material layer may include a binder. The binder is, for example, styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, or the like.
양극활물질층은 도전재를 포함할 수 있다. 도전재는 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 켓젠(Ketjen) 블랙, 탄소 섬유, 금속 분말 등이다.The cathode active material layer may include a conductive material. The conductive material is, for example, graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, metal powder or the like.
양극활물질층은 상술한 양극활물질, 고체전해질, 바인더, 도전재 외에 예를 들어 필러(filler), 코팅제, 분산제, 이온 전도성 보조제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.The cathode active material layer may further include additives such as a filler, a coating agent, a dispersant, and an ion conductive auxiliary agent in addition to the above-described cathode active material, solid electrolyte, binder, and conductive material.
양극활물질층이 포함할 수 있는 필러, 코팅제, 분산제, 이온 전도성 보조제 등으로는 일반적으로 전고체 이차전지의 전극에 사용되는 공지의 재료를 사용할 수 있다.As fillers, coating agents, dispersants, ion conductivity aids, etc. that may be included in the cathode active material layer, known materials generally used in electrodes of solid-state secondary batteries may be used.
양극집전체는 예를 들어 알루미늄(Al), 인듐(In), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 게르마늄(Ge), 리튬(Li) 또는 이들의 합금으로 이루어진 판상체(plate) 또는 호일(foil) 등을 사용한다. 양극 집전체는 생략 가능하다.The cathode current collector is, for example, aluminum (Al), indium (In), copper (Cu), magnesium (Mg), stainless steel, titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), A plate or foil made of zinc (Zn), germanium (Ge), lithium (Li) or an alloy thereof is used. The positive electrode current collector may be omitted.
양극집전체는 금속 기재의 일면 또는 양면 상에 배치되는 카본층을 더 포함할 수 있다. 금속 기재 상에 카본층이 추가적으로 배치됨에 의하여 금속 기재의 금속이 양극층이 포함하는 고체전해질에 의하여 부식되는 것을 방지하고 양극활물질층층과 양극집전체 사이의 계면 저항을 감소시킬 수 있다. 카본층의 두께는 예를 들어 1um 내지 5um 일 수 있다. 카본층의 두께가 지나치게 얇으면 금속 기재와 고체전해질의 접촉을 완전히 차단하기 어려울 수 있다. 카본층의 두께가 지나치게 두꺼우면 전고체 이차전지의 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 카본층은 비정질 탄소, 결정질 탄소 등을 포함할 수 있다.The cathode current collector may further include a carbon layer disposed on one side or both sides of the metal substrate. By additionally disposing the carbon layer on the metal substrate, it is possible to prevent the metal of the metal substrate from being corroded by the solid electrolyte included in the positive electrode layer and to reduce interface resistance between the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector. The thickness of the carbon layer may be, for example, 1 um to 5 um. If the thickness of the carbon layer is too thin, it may be difficult to completely block contact between the metal substrate and the solid electrolyte. If the thickness of the carbon layer is too thick, the energy density of the all-solid-state secondary battery may decrease. The carbon layer may include amorphous carbon, crystalline carbon, and the like.
(음극층)(cathode layer)
다음으로, 음극층이 준비된다.Next, the cathode layer is prepared.
음극층은 양극활물질 대신에 음극활물질이 사용된다는 것을 제외하고는 양극층과 동일한 방법으로 제조될 수 있다. 음극층은 음극집전체 상에 음극활물질을 포함하는 음극활물질층을 형성시켜 제조할 수 있다. The negative electrode layer may be manufactured in the same manner as the positive electrode layer, except that the negative electrode active material is used instead of the positive electrode active material. The negative electrode layer may be prepared by forming a negative electrode active material layer containing the negative electrode active material on the negative electrode current collector.
음극활물질층이 전술한 고체이온전도체 화합물을 추가적으로 포함할 수 있다.The negative electrode active material layer may additionally include the above-described solid ion conductor compound.
음극활물질은 리튬 금속, 리튬 금속 합금 또는 이들의 조합일 수 있다.The anode active material may be lithium metal, a lithium metal alloy, or a combination thereof.
음극활물질층은 리튬 금속, 리튬 금속 합금 또는 이들의 조합 외에 종래의 음극활물질을 더 포함할 수 있다. 종래의 음극활물질은 예를 들어, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 리튬과 합금가능한 금속은 예를 들어 Ag, Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 전이금속 산화물은 예를 들어 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다. 비전이금속 산화물은 예를 들어 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다. 탄소계 재료는 예를 들어 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 결정질 탄소는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연일 수 있으며, 상기 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 소성된 코크스 등일 수 있다.The anode active material layer may further include a conventional anode active material in addition to lithium metal, a lithium metal alloy, or a combination thereof. Conventional anode active materials may include, for example, at least one selected from the group consisting of metals alloyable with lithium, transition metal oxides, non-transition metal oxides, and carbon-based materials. Metals alloyable with lithium are, for example, Ag, Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb Si-Y alloys (wherein Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a
도 7를 참조하면, 일 구현예에 따른 전고체 이차전지(40)는 고체전해질층(30)과 고체전해질층(30)의 일면에 배치된 양극층(10), 고체전해질층(30)의 다른 일면에 배치된 음극층(20)을 포함한다. 양극층(30)은 고체전해질층(30)과 접하는 양극활물질층(12) 및 양극활물질층(12)과 접하는 양극집전체(11)를 포함하고, 음극층(20)은 고체전해질층(30)과 접하는 음극활물질층(22) 및 음극활물질층(22)과 접하는 음극집전체(21)를 포함한다. 전고체 이차전지(40)는 예를 들어, 고체전해질층(30)의 양면에 양극활물질층(12) 및 음극활물질층(22)을 형성시키고, 양극활물질층(12) 및 음극활물질층(22)상에 양극집전체(11) 및 음극집전체(21)를 각각 형성시켜 완성된다. 다르게는, 전고체 이차전지(40)는 예를 들어 음극집전체(21) 상에 음극활물질층(22), 고체전해질층(30), 양극활물질층(12), 양극집전체(11)를 순차적으로 적층시켜 완성된다.Referring to FIG. 7 , an all-solid-state
[전고체 이차전지: 제2 타입][All-solid-state secondary battery: 2nd type]
도 7 내지 8를 참조하면, 전고체 이차전지(1, 1a)는 예를 들어 양극집전체(11) 상에 배치된 양극활물질층(12)을 포함하는 양극층(10); 음극집전체(21) 상에 배치된 음극활물질층(22)을 포함하는 음극층(20); 및 양극층(10) 및 음극층(20) 사이에 배치되는 전해질층(30)을 포함하며, 양극활물질층(12) 및/또는 전해질층(30)이 전술한 고체이온전도체 화합물을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 7 to 8 , the all-solid-state
다른 일구현예에 따른 전고체 이차전지는 다음과 같이 준비될 수 있다.An all-solid-state secondary battery according to another embodiment may be prepared as follows.
양극층은 및 고체전해질층은 상술한 전고체 이차전지와 동일하게 제조된다.The positive electrode layer and the solid electrolyte layer are manufactured in the same manner as in the above-described all-solid-state secondary battery.
(음극층)(cathode layer)
다음으로, 음극층이 준비된다.Next, the cathode layer is prepared.
도 7 내지 8를 참조하면, 음극층(20)은 음극집전체(21) 및 음극집전체(21) 상에 배치된 음극활물질층(22)을 포함하며, 음극활물질층(22)은 예를 들어 음극활물질 및 바인더를 포함한다.7 to 8, the
음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 입자 형태를 가진다. 입자 형태를 가지는 음극활물질의 평균 입경은 예를 들어, 4um 이하, 3um 이하, 2um 이하, 1um 이하, 또는 900nm 이하이다. 입자 형태를 가지는 음극활물질의 평균 입경은 예를 들어, 10nm 내지 4um 이하, 10nm 내지 3um 이하, 10nm 내지 2um 이하, 10nm 내지 1um 이하, 또는 10nm 내지 900nm 이하이다. 음극활물질이 이러한 범위의 평균 입경을 가짐에 의하여 충방전 시에 리튬의 가역적인 흡장(absorbing) 및/또는 방출(desorbing)이 더욱 용이할 수 있다. 음극활물질의 평균 입경은, 예를 들어, 레이저식 입도 분포계를 사용하여 측정한 메디안(median) 직경(D50)이다.The anode active material included in the anode
음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 탄소계 음극활물질 및 금속 또는 준금속 음극활물질 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.The anode active material included in the anode
탄소계 음극활물질은 특히 비정질 탄소(amorphous carbon)이다. 비정질 탄소는 예를 들어 카본 블랙(carbon black)(CB), 아세틸렌 블랙(acetylene black)(AB), 퍼니스 블랙(furnace black)(FB), 켓젠 블랙(ketjen black)(KB), 그래핀(graphene) 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 비정질 탄소로 분류되는 것이라면 모두 가능하다. 비정질 탄소는 결정성을 가지지 않거나 결정성이 매우 낮은 탄소로서 결정성 탄소 또는 흑연계 탄소와 구분된다.The carbon-based negative electrode active material is particularly amorphous carbon. Amorphous carbon is, for example, carbon black (CB), acetylene black (AB), furnace black (FB), ketjen black (KB), graphene ), etc., but are not necessarily limited to these, and all are possible as long as they are classified as amorphous carbon in the art. Amorphous carbon has no crystallinity or very low crystallinity, and is distinguished from crystalline carbon or graphite-based carbon.
금속 또는 준금속 음극활물질은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하는 금속 음극활물질 또는 준금속 음극활물질로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 예를 들어, 니켈(Ni)은 리튬과 합금을 형성하지 않으므로 금속 음극활물질이 아니다.Metal or metalloid cathode active materials include gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), silicon (Si), silver (Ag), aluminum (Al), bismuth (Bi), tin (Sn), and zinc (Zn). ), but is not necessarily limited thereto, and can be used as a metal anode active material or a semi-metal anode active material forming an alloy or compound with lithium in the art. For example, nickel (Ni) is not a metal anode active material because it does not form an alloy with lithium.
음극활물질층(22)은 이러한 음극활물질 중에서 일종의 음극활물질을 포함하거나, 복수의 서로 다른 음극활물질의 혼합물을 포함한다. 예를 들어, 음극활물질층(22)은 비정질 탄소만을 포함하거나, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함한다. 다르게는, 음극활물질층(22)은 비정질 탄소와 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상과의 혼합물을 포함한다. 비정질 탄소와 금 등의 혼합물의 혼합비는 중량비로서 예를 들어 10:1 내지 1:2, 5:1 내지 1:1, 또는 4:1 내지 2:1 이나 반드시 이러한 범위로 한정되지 않으며 요구되는 전고체 이차전지(1)의 특성에 따라 선택된다. 음극활물질이 이러한 조성을 가짐에 의하여 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다.The anode
음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 예를 들어 비정질 탄소로 이루어진 제1 입자 및 금속 또는 준금속으로 이루어진 제2 입자의 혼합물을 포함한다. 금속 또는 준금속은 예를 들어 예를 들어, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn) 및 아연(Zn) 등을 포함한다. 준금속은 다르게는 반도체이다. 제2 입자의 함량은 혼합물의 총 중량을 기준으로 8 내지 60 중량%, 10 내지 50중량%, 15 내지 40 중량%, 또는 20 내지 30 중량%이다. 제2 입자가 이러한 범위의 함량을 가짐에 의하여 예를 들어 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상된다.The anode active material included in the anode
음극활물질층(22)이 포함하는 바인더는 예를 들어 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene), 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 바인더는 단독 또는 복수의 서로 다른 바인더로 구성될 수 있다.The binder included in the negative
음극활물질층(22)이 바인더를 포함함에 의하여 음극활물질층(22)이 음극집전체(21) 상에 안정화된다. 또한, 충방전 과정에서 음극활물질층(22)의 부피 변화 및/또는 상대적인 위치 변경에도 불구하고 음극활물질층(22)의 균열이 억제된다. 예를 들어, 음극활물질층(22)이 바인더를 포함하지 않는 경우, 음극활물질층(22)이 음극집전체(21)로부터 쉽게 분리되는 것이 가능하다. 음극집전체(21)로부터 음극활물질층(22)이 이탈함에 의하여 음극집전체(21)가 노출된 부분에서, 음극집전체(21)가 고체전해질층(30)과 접촉함에 의하여, 단락이 발생할 가능성이 증가한다. 음극활물질층(22)은 예를 들어 음극활물질층(22)을 구성하는 재료가 분산된 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하고, 건조하여 제작된다. 바인더를 음극활물질층(22)에 포함시킴에 의하여 슬러리 중에 음극활물질의 안정적인 분산이 가능하다. 예를 들어, 스크린 인쇄법으로 슬러리를 음극집전체(21) 상에 도포하는 경우, 스크린의 막힘(예를 들어, 음극 활물질의 응집체에 의한 막힘)을 억제하는 것이 가능하다.As the negative
음극활물질층(22)은 종래의 전고체 이차전지(1)에 사용되는 첨가제 예를 들어 필러, 코팅제, 분산제, 이온 전도성 보조제 등을 더 포함하는 것이 가능하다.The negative electrode
음극활물질층(22)의 두께는 예를 들어 양극활물질층(12) 두께의 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 또는 5% 이하이다. 음극활물질층(22)의 두께는 예를 들어 1um 내지 20um, 2um 내지 10um, 또는 3um 내지 7um이다. 음극활물질층(22)의 두께가 지나치게 얇으면, 음극활물질층(22)과 음극집전체(21) 사이에 형성되는 리튬 덴드라이트가 음극활물질층(22)을 붕괴시켜 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다. 음극활물질층(22)의 두께가 지나치게 증가하면 전고체 이차전지(1)의 에너지 밀도가 저하되고 음극활물질층(22)에 의한 전고체 이차전지(1)의 내부 저항이 증가하여 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다.The thickness of the negative electrode
음극활물질층(22)의 두께가 감소하면 예를 들어 음극활물질층(22)의 충전 용량도 감소한다. 음극활물질층(22)의 충전 용량은 예를 들어 양극활물질층(12)의 충전용량에 비하여 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 2% 이하이다. 음극활물질층(22)의 충전 용량은 예를 들어 양극활물질층(12)의 충전용량에 비하여 0.1% 내지 50%, 0.1% 내지 40%, 0.1% 내지 30%, 0.1% 내지 20%, 0.1% 내지 10%, 0.1% 내지 5%, 또는 0.1% 내지 2% 이다. 음극활물질층(22)의 충전 용량이 지나치게 작으면, 음극활물질층(22)의 두께가 매우 얇아지므로 반복되는 충방전 과정에서 음극활물질층(22)과 음극집전체(21) 사이에 형성되는 리튬 덴드라이트가 음극활물질층(22)을 붕괴시켜 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다. 음극활물질층(22)의 충전 용량이 지나치게 증가하면 전고체 이차전지(1)의 에너지 밀도가 저하되고 음극활물질층(22)에 의한 전고체 이차전지(1)의 내부 저항이 증가하여 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 향상되기 어렵다.When the thickness of the negative
양극활물질층(12)의 충전 용량은 양극활물질의 충전 용량 밀도(mAh/g)에 양극활물질층(12)중 양극활물질의 질량을 곱하여 얻어진다. 양극활물질이 여러 종류 사용되는 경우, 양극활물질마다 충전 용량 밀도 ㅧ 질량 값을 계산하고, 이 값의 총합이 양극활물질층(12)의 충전 용량이다. 음극활물질층(22)의 충전 용량도 같은 방법으로 계산된다. 즉, 음극활물질층(22)의 충전 용량은 음극활물질의 충전 용량 밀도(mAh/g)에 음극활물질층(22) 중 음극활물질의 질량을 곱함하여 얻어진다. 음극활물질이 여러 종류 사용되는 경우, 음극활물질마다 충전 용량 밀도 ㅧ 질량 값을 계산하고, 이 값의 총합이 음극활물질층(22)의 용량이다. 여기서, 양극활물질 및 음극활물질의 충전 용량 밀도는 리튬 금속을 상대 전극으로 사용한 전고체 반전지(half-cell)을 이용하여 추정된 용량이다. 전고체 반전지(half-cell)를 이용한 충전 용량 측정에 의해 양극활물질층(12)과 음극활물질층(22)의 충전 용량이 직접 측정된다. 측정된 충전 용량을 각각 활물질의 질량으로 나누면, 충전 용량 밀도가 얻어진다. 다르게는, 양극활물질층(12)과 음극활물질층(22)의 충전 용량은 1 사이클 번째 충전시에 측정되는 초기 충전 용량일 수 있다.The charge capacity of the positive electrode
도 8를 참조하면, 전고체 이차전지(1a)는 예를 들어 음극집전체(21)와 음극활물질층(22) 사이에 배치되는 금속층(23)을 더 포함할 수 있다. 금속층(23)은 리튬 또는 리튬 합금을 포함한다. 따라서, 금속층(23)은 예를 들어 리튬 저장고(reservoir)로서 작용한다. 리튬 합금은, 예를 들어, Li-Al 합금, Li-Sn 합금, Li-In 합금, Li-Ag 합금, Li-Au 합금, Li-Zn 합금, Li-Ge 합금, Li-Si 합금 등이나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬 합금으로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 금속층(23)은 이러한 합금 중 하나 또는 리튬으로 이루어질 수 있거나, 여러 종류의 합금으로 이루어진다.Referring to FIG. 8 , the all-solid-state
금속층(23)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 1um 내지 1000um, 1um 내지 500um, 1um 내지 200um, 1um 내지 150um, 1um 내지 100um, 또는 1um 내지 50um이다. 금속층(23)의 두께가 지나치게 얇으면, 금속층(23)에 의한 리튬 저장고(reservoir) 역할을 수행하기 어렵다. 금속층(23)의 두께가 지나치게 두꺼우면 전고체 이차전지(1)의 질량 및 부피가 증가하고 사이클 특성이 오히려 저하될 가능성이 있다. 금속층(23)은, 예를 들어, 이러한 범위의 두께를 갖는 금속 호일일 수 있다.The thickness of the
전고체 이차전지(1a)에서 금속층(23)은 예를 들어 전고체 이차전지(1)의 조립 전에 음극집전체(21)와 음극활물질층(22) 사이에 배치되거나 전고체 이차전지(1)의 조립 후에 충전에 의하여 음극집전체(21)(21, 21a, 21b)와 음극활물질층(22) 사이에 석출된다. 전고체 이차전지(1a)의 조립 전에 음극집전체(21)와 음극활물질층(22) 사이에 금속층(23)이 배치되는 경우, 금속층(23)이 리튬을 포함하는 금속층이므로 리튬 저장고(reservoir)로서 작용한다. 예를 들어, 전고체 이차전지(1a)의 조립 전에 음극집전체(21)와 음극활물질층(22) 사이에 리튬 호일이 배치된다. 이에 의해, 금속층(23)을 포함하는 전고체 이차전지(1a)의 사이클 특성이 더욱 향상된다. 전고체 이차전지(1a)의 조립 후에 충전에 의하여 금속층(23)이 석출되는 경우, 전고체 이차전지(1a)의 조립 시에 금속층(23)을 포함하지 않으므로 전고체 이차전지(1a)의 에너지 밀도가 증가한다. 예를 들어, 전고체 이차전지(1)의 충전시, 음극활물질층(22)의 충전 용량을 초과하여 충전한다. 즉, 음극활물질층(22)을 과충전한다. 충전 초기에는 음극활물질층(22)에 리튬을 흡장된다. 음극활물질층(22)이 포함하는 음극활물질은 양극층(10)에서 이동해온 리튬 이온과 합금 또는 화합물을 형성한다. 음극활물질층(22)의 용량을 초과하여 충전을 하면, 예를 들어 음극활물질층(22)의 후면, 즉 음극집전체(21)와 음극활물질층(22) 사이에 리튬이 석출되고, 석출된 리튬에 의해 금속층(23)에 해당하는 금속층이 형성된다. 금속층(23)은 주로 리튬(즉, 금속 리튬)으로 구성되는 금속층이다. 이러한 결과는 예를 들어 음극활물질층(22)에 포함되는 음극활물질이 리튬과 합금 또는 화합물을 형성하는 물질로 구성됨에 의하여 얻어진다. 방전시에는 음극활물질층(22) 및 금속층(23), 즉 금속층의 리튬이 이온화되어 양극층(10) 방향으로 이동한다. 따라서, 전고체 이차전지(1a)에서 리튬을 음극활물질로 사용하는 것이 가능하다. 또한, 음극활물질층(22)이 금속층(23)을 피복하기 때문에, 금속층(23)층의 보호층 역할을 하는 동시에, 리튬 덴드라이트(dendrite)의 석출 성장을 억제하는 역할을 수행한다. 따라서, 전고체 이차전지(1a)의 단락 및 용량 저하를 억제하고, 결과적으로 전고체 이차전지(1a)의 사이클 특성을 향상시킨다. 또한, 전고체 이차전지(1a)의 조립 후에 충전에 의하여 금속층(23)이 배치되는 경우, 음극집전체(21)와 음극활물질층(22) 및 이들 사이의 영역은 예를 들어 전고체 이차전지(1a)의 초기 상태 또는 방전 후 상태에서 리튬(Li)을 포함하지 않는 Li-프리(free) 영역이다.In the all-solid-state secondary battery (1a), the
음극집전체(21)은 예를 들어 리튬과 반응하지 않는, 즉, 합금 및 화합물을 모두 형성하지 않는 재료로 구성된다. 음극집전체(21)를 구성하는 재료는 예를 들어 구리(Cu), 스테인리스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 전극집전체로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 음극집전체(21)는 상술한 금속 중 1 종으로 구성되거나, 2 종 이상의 금속의 합금 또는 피복 재료로 구성될 수 있다. 음극집전체(21)는, 예를 들면, 판상 또는 박상(foil) 형태이다.The negative electrode
전고체 이차전지(1)는 예를 들어 음극집전체(21) 상에 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함하는 박막(thin film)을 더 포함할 수 있다. 박막은 음극집전체(21)와 상기 음극활물질층(22) 사이에 배치된다. 박막은 예를 들어 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함한다. 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소는, 예를 들어, 금, 은, 아연, 주석, 인듐, 규소, 알루미늄, 비스무스 등이나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소라면 모두 가능하다. 박막은 이들 금속 중 하나로 구성되거나, 여러 종류의 금속의 합금으로 구성된다. 박막이 음극집전체(21) 상에 배치됨에 의하여, 예를 들어 박막(24)과 음극활물질층(22) 사이에 석출되는 금속층(23)의 석출 형태가 더 평탄화되며, 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 더욱 향상될 수 있다.The all-solid-state
박막의 두께는 예를 들어 1nm 내지 800nm, 10nm 내지 700nm, 50nm 내지 600nm, 또는 100nm 내지 500nm이다. 박막의 두께가 1nm 미만이 되는 경우 박막에 의한 기능이 발휘되기 어려울 수 있다. 박막의 두께가 지나치게 두꺼우면, 박막 자신이 리튬을 흡장하여 음극에서 리튬의 석출량이 감소하여 전고체 전지의 에너지 밀도가 저하되고, 전고체 이차전지(1)의 사이클 특성이 저하될 수 있다. 박막은 예를 들어 진공 증착법, 스퍼터링 법, 도금법 등에 의해 음극 집전체(21, 21a, 21b) 상에 배치될 수 있으나 반드시 이러한 방법으로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 박막을 형성할 수 있는 방법이라면 모두 가능하다.The thickness of the thin film is, for example, 1 nm to 800 nm, 10 nm to 700 nm, 50 nm to 600 nm, or 100 nm to 500 nm. When the thickness of the thin film is less than 1 nm, it may be difficult to exhibit the function of the thin film. If the thickness of the thin film is excessively thick, the thin film itself occludes lithium and the amount of lithium precipitated from the negative electrode decreases, thereby reducing the energy density of the all-solid-state battery and deteriorating cycle characteristics of the all-solid-state
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 창의적 사상이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 창의적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 창의적 사상의 범위가 한정되는 것이 아니다.Through the following Examples and Comparative Examples, this creative idea will be explained in more detail. However, the examples are for exemplifying the present creative idea, and the scope of the present creative idea is not limited only to them.
(고체이온전도체 화합물의 제조)(Manufacture of solid ion conductor compound)
실시예 1Example 1
Ar 분위기의 글러브 박스(glove box) 안에서 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl을 화학량론비 1:1.96:0.04의 비율로 플레너터리 밀(planetary ball mill)에 투입하고 지르코니아(YSZ) 볼을 투입한 후, Ar 분위기의 500 rpm으로 15분간 분쇄 및 혼합한 후, 5분간 휴지기간을 갖는 사이클을 48시간 동안 반복적으로 진행하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었다. 이어서, XRD 분석을 위하여 얻어진 고체이온전도체 화합물을 단축 압력(uniaxial pressure) 300 MPa로 프레스(press)하여 두께 약 1 mm 및 직경 약 13 mm의 펠렛(pellet)을 준비하였다.In an Ar atmosphere glove box, zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl were added to a planetary ball mill at a stoichiometric ratio of 1: 1.96: 0.04, and zirconia After introducing (YSZ) balls, after grinding and mixing for 15 minutes at 500 rpm in an Ar atmosphere, a cycle having a rest period of 5 minutes was repeatedly performed for 48 hours to obtain a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 below. got it Subsequently, the solid ion conductor compound obtained for XRD analysis was pressed at a uniaxial pressure of 300 MPa to prepare pellets having a thickness of about 1 mm and a diameter of about 13 mm.
실시예 2Example 2
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl의 화학량론비를 1:1.90:0.1로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Except for changing the stoichiometric ratio of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor to 1: 1.90: 0.1, using the same method as in Example 1 to obtain the composition shown in Table 1 below. A solid ion conductor compound was obtained, and pellets were prepared by molding it.
실시예 3Example 3
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl의 화학량론비를 0.99:2:0.04로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Except for changing the stoichiometric ratio of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl to 0.99: 2: 0.04, using the same method as in Example 1 to obtain the composition shown in Table 1 below. A solid ion conductor compound was obtained, and pellets were prepared by molding it.
실시예 4Example 4
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl의 화학량론비를 0.98:2:0.1로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Except for changing the stoichiometric ratio of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl to 0.98: 2: 0.1, using the same method as in Example 1 to obtain the composition shown in Table 1 below. A solid ion conductor compound was obtained, and pellets were prepared by molding it.
실시예 5Example 5
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 CuCl의 화학량론비를 0.99:2:0.04로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Instead of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl, the stoichiometric ratio of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor CuCl was changed to 0.99:2:0.04. Except, using the same method as in Example 1 to obtain a solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1, to prepare a pellet by molding it.
실시예 6Example 6
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 CuCl의 화학량론비를 0.99:2:0.04로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Instead of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl, the stoichiometric ratio of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor CuCl was changed to 0.99:2:0.04. Except, using the same method as in Example 1 to obtain a solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1, to prepare a pellet by molding it.
실시예 7Example 7
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 AgCl의 화학량론비를 1:1.96:0.04로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Instead of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor, the stoichiometric ratio of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and AgCl as a metal M precursor was changed to 1:1.96:0.04. Except, using the same method as in Example 1 to obtain a solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1, to prepare a pellet by molding it.
실시예 8Example 8
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 KCl의 화학량론비를 1:1.96:0.04로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Instead of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl, the stoichiometric ratio of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor KCl was changed to 1:1.96:0.04. Except, using the same method as in Example 1 to obtain a solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1, to prepare a pellet by molding it.
실시예 9Example 9
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 KCl의 화학량론비를 1:1.90:0.1로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Instead of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl, the stoichiometric ratio of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor KCl was changed to 1:1.90:0.1 Except, using the same method as in Example 1 to obtain a solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1, to prepare a pellet by molding it.
실시예 10Example 10
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 KCl의 화학량론비를 1:1.85:0.15로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Except for changing the stoichiometric ratio of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and KCl as a metal M precursor to 1: 1.85: 0.15, using the same method as in Example 1 to obtain the composition shown in Table 1 below. A solid ion conductor compound was obtained, and pellets were prepared by molding it.
실시예 11Example 11
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl의 화학량론비를 0.9:2.36:0.04로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Except for changing the stoichiometric ratio of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl to 0.9: 2.36: 0.04, using the same method as in Example 1 to obtain the composition shown in Table 1 below. A solid ion conductor compound was obtained, and pellets were prepared by molding it.
실시예 12Example 12
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 금속 M 전구체인 NaCl, 금속 T 전구체인 YCl3의 화학량론비를 0.5:2.45:0.05:0.5로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.The same method as in Example 1 was used, except that the stoichiometric ratio of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, NaCl as a metal M precursor, and YCl 3 as a metal T precursor was changed to 0.5:2.45:0.05:0.5. Thus, a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 was obtained, and pellets were prepared by molding it.
비교예 1Comparative Example 1
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 리튬전구체인 LiCl 및 지르코늄전구체인 ZrCl4를 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물이 얻어지는 화학량론비로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다. Instead of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor, LiCl as a lithium precursor and ZrCl 4 as a zirconium precursor were changed to the stoichiometric ratio at which the solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1 was obtained. Then, using the same method as in Example 1, a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 was obtained, and pellets were prepared by molding it.
비교예 2Comparative Example 2
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 리튬전구체인 LiCl 및 홀뮴전구체인 HoCl3를 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물이 얻어지는 화학량론비로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Instead of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor, LiCl as a lithium precursor and HoCl 3 as a holmium precursor were changed to the stoichiometric ratio at which the solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1 was obtained. Then, using the same method as in Example 1, a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 was obtained, and pellets were prepared by molding it.
비교예 3Comparative Example 3
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 CsCl을 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물이 얻어지는 화학량론비로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.Instead of zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and metal M precursor NaCl, zirconium precursor ZrCl 4 , lithium precursor LiCl, and CsCl were changed to a stoichiometric ratio at which the solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 was obtained. Except for one, solid ion conductor compounds having the composition shown in Table 1 were obtained using the same method as in Example 1, and pellets were prepared by molding them.
비교예 4Comparative Example 4
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl을 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻기 위한 화학량론비로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor, ZrCl as a zirconium precursor 4 , LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor to obtain a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 Except for changing the stoichiometric ratio for the solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1 using the same method as in Example 1, to obtain a solid ion conductor compound, it was molded to prepare a pellet.
비교예 5Comparative Example 5
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl을 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻기 위한 화학량론비로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor, ZrCl as a zirconium precursor 4 , LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor to obtain a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 Except for changing the stoichiometric ratio for the solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1 using the same method as in Example 1, to obtain a solid ion conductor compound, it was molded to prepare a pellet.
비교예 6Comparative Example 6
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl을 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻기 위한 화학량론비로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다.ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor, ZrCl as a zirconium precursor 4 , LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor to obtain a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 Except for changing the stoichiometric ratio for the solid ion conductor compound of the composition shown in Table 1 using the same method as in Example 1, to obtain a solid ion conductor compound, it was molded to prepare a pellet.
비교예 7Comparative Example 7
지르코늄전구체인 ZrCl4, 리튬전구체인 LiCl, 및 금속 M 전구체인 NaCl 대신에, 지르코늄전구체인 ZrCl4, 및 리튬전구체인 LiCl을 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻기 위한 화학량론비로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 표 1에 기재된 조성의 고체이온전도체 화합물을 얻었고, 이를 성형하여 펠렛을 준비하였다. Instead of ZrCl 4 as a zirconium precursor, LiCl as a lithium precursor, and NaCl as a metal M precursor, ZrCl 4 as a zirconium precursor and LiCl as a lithium precursor were changed to a stoichiometric ratio to obtain a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 Except for that, using the same method as in Example 1, a solid ion conductor compound having the composition shown in Table 1 was obtained, and pellets were prepared by molding it.
(전고체 이차전지의 제조) (Manufacture of all-solid-state secondary battery)
실시예 13Example 13
(양극층 제조)(Anode layer manufacturing)
양극활물질로서 LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 (NCM)를 Li2ZrO3 (LZO)로 코팅하여 LZO-NCM 양극활물질을 준비하였다. 고체 전해질로서 실시예 1에서 제조된 고체이온전도체 화합물의 펠릿을 분쇄하여 분말을 준비하였다. 도전제로서 탄소나노섬유(CNF)를 준비하였다. 이러한 재료를 LZO-NCM 양극활물질:고체전해질:도전제 = 60:52:5의 중량비로 혼합하여 양극 합제를 준비하였다.As a cathode active material, LiNi 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 O 2 (NCM) was coated with Li 2 ZrO 3 (LZO) to prepare an LZO-NCM cathode active material. Powder was prepared by pulverizing the pellets of the solid ion conductor compound prepared in Example 1 as a solid electrolyte. Carbon nanofibers (CNF) were prepared as a conductive agent. A cathode mixture was prepared by mixing these materials in a weight ratio of LZO-NCM cathode active material:solid electrolyte:conductor = 60:52:5.
(고체전해질 분말의 준비)(Preparation of solid electrolyte powder)
실시예 1에서 제조된 고체이온전도체 화합물을 마노 유발(agate mortar)을 사용하여 분쇄하여 고체전해질 분말을 준비하였다.Solid electrolyte powder was prepared by pulverizing the solid ion conductor compound prepared in Example 1 using an agate mortar.
또한, 공지의 고체전해질(Li6PS5Cl; Mitsui사로부터 구입)을 준비하였다.In addition, a known solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl; purchased from Mitsui) was prepared.
(음극층 제조)(cathode layer manufacturing)
음극으로서 두께 20 um의 금속 리튬 호일을 준비하였다.A metal lithium foil having a thickness of 20 um was prepared as an anode.
(전고체 이차전지의 제조)(Manufacture of all-solid-state secondary battery)
SUS 하부 전극 상에 음극층, 공지의 고체전해질, 실시예 1로부터 제조된 고체전해질 분말 및 양극 합제를 순서대로 적층한 후, 일측 press로 300 MPa의 압력으로 3분간 프레스하여 전고체 이차전지를 준비하였다.After sequentially stacking the negative electrode layer, the known solid electrolyte, the solid electrolyte powder prepared in Example 1, and the positive electrode mixture on the SUS lower electrode, press it for 3 minutes at a pressure of 300 MPa with one side press to prepare an all-solid secondary battery. did
비교예 8Comparative Example 8
(양극층 제조)(Anode layer manufacturing)
양극활물질로서 LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 (NCM)를 Li2ZrO3 (LZO)로 코팅하여 LZO-NCM 양극활물질을 준비하였다. 고체 전해질로서 비교예 1에서 제조된 고체이온전도체 화합물의 펠릿을 분쇄하여 분말을 준비하였다. 도전제로서 탄소나노섬유(CNF)를 준비하였다. 이러한 재료를 양극활물질 : 고체전해질 : 도전제 = 60:52:5의 중량비로 혼합하여 양극 합제를 준비하였다.As a cathode active material, LiNi 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 O 2 (NCM) was coated with Li 2 ZrO 3 (LZO) to prepare an LZO-NCM cathode active material. Powder was prepared by pulverizing the pellets of the solid ion conductor compound prepared in Comparative Example 1 as a solid electrolyte. Carbon nanofibers (CNF) were prepared as a conductive agent. A positive electrode mixture was prepared by mixing these materials in a weight ratio of positive electrode active material: solid electrolyte: conductive agent = 60:52:5.
(고체전해질 분말의 준비)(Preparation of solid electrolyte powder)
비교예 1에서 제조된 고체이온전도체 화합물을 마노 유발(agate mortar)을 사용하여 분쇄하여 고체전해질 분말을 준비하였다.Solid electrolyte powder was prepared by pulverizing the solid ion conductor compound prepared in Comparative Example 1 using an agate mortar.
또한, 공지의 고체전해질(Li6PS5Cl; Mitsui사로부터 구입)을 준비하였다.In addition, a known solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl; purchased from Mitsui) was prepared.
(음극층 제조)(cathode layer manufacturing)
음극으로서 두께 20 um의 금속 리튬 호일을 준비하였다.A metal lithium foil having a thickness of 20 um was prepared as an anode.
(전고체 이차전지의 제조)(Manufacture of all-solid-state secondary battery)
SUS 하부 전극 상에 음극층, 공지의 고체전해질, 비교예 1로부터 제조된 고체전해질 분말 및 양극 합제를 순서대로 적층한 후, 냉간 등방압 가압 장치(CIP)로 300 MPa의 압력으로 3분간 프레스하여 전고체 이차전지를 준비하였다.A negative electrode layer, a known solid electrolyte, the solid electrolyte powder prepared in Comparative Example 1, and a positive electrode mixture were sequentially laminated on the SUS lower electrode, and then pressed for 3 minutes at a pressure of 300 MPa with a cold isostatic pressing device (CIP). An all-solid-state secondary battery was prepared.
비교예 9Comparative Example 9
(양극층 제조)(Anode layer manufacturing)
양극활물질로서 LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 (NCM)를 Li2ZrO3 (LZO)로 코팅하여 LZO-NCM 양극활물질을 준비하였다. 고체 전해질로서 공지의 고체전해질(Li6PS5Cl; Mitsui사로부터 구입)을 준비하였다. 도전제로서 탄소나노섬유(CNF)를 준비하였다. 이러한 재료를 양극활물질 : 고체전해질 : 도전제 = 60:52:5의 중량비로 혼합하여 양극 합제를 준비하였다.As a cathode active material, LiNi 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 O 2 (NCM) was coated with Li 2 ZrO 3 (LZO) to prepare an LZO-NCM cathode active material. As a solid electrolyte, a known solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl; purchased from Mitsui) was prepared. Carbon nanofibers (CNF) were prepared as a conductive agent. A positive electrode mixture was prepared by mixing these materials in a weight ratio of positive electrode active material: solid electrolyte: conductive agent = 60:52:5.
(고체전해질 분말의 준비)(Preparation of solid electrolyte powder)
공지의 고체전해질(Li6PS5Cl; Mitsui사로부터 구입)을 준비하였다.A known solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl; purchased from Mitsui) was prepared.
(음극층 제조)(cathode layer manufacturing)
음극으로서 두께 20 um의 금속 리튬 호일을 준비하였다.A metal lithium foil having a thickness of 20 um was prepared as an anode.
(전고체 이차전지의 제조)(Manufacture of all-solid-state secondary battery)
SUS 하부 전극 상에 음극층, 공지의 고체전해질 및 양극 합제를 순서대로 적층한 후, 냉간 등방압 가압 장치(CIP)로 300 MPa의 압력으로 3분간 프레스하여 전고체 이차전지를 준비하였다.An all-solid-state secondary battery was prepared by sequentially stacking a negative electrode layer, a known solid electrolyte, and a positive electrode mixture on the SUS lower electrode, and then pressing at a pressure of 300 MPa for 3 minutes using a cold isostatic pressing device (CIP).
평가예 1: X선 회절 실험Evaluation Example 1: X-ray diffraction experiment
실시예 1 및 비교예 1 및 2에서 제조된 고체이온전도체 화합물을 마노 유발(agate mortar)을 사용하여 분쇄하여 분말을 준비한 후, 분말 XRD 스펙트럼을 측정하여 그 결과를 도 1에 나타내었으며, 비교예 1 기준으로 2θ=32.3° 피크의 위치 및 반치전폭(FWHM)의 변화를 도 2에 나타냈고, 결정 구조의 격자 상수를 계산하여 도 3에 나타내었다.After preparing powder by pulverizing the solid ion conductor compounds prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 using an agate mortar, the powder XRD spectrum was measured and the results are shown in FIG. 1, Comparative Example 1, the position of the 2θ = 32.3 ° peak and the change in full width at half maximum (FWHM) are shown in FIG. 2, and the lattice constant of the crystal structure is calculated and shown in FIG.
도 1 내지 도 3를 참고하면, 실시예 1 및 비교예 1 모두 동일한 P3m1 공간군의 결정 구조를 포함하고 있음을 알 수 있으며, Na 도핑에 따라 격자 상수가 증가하여 격자 부피가 약 19% 증가함을 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 1 to 3, it can be seen that both Example 1 and Comparative Example 1 have the same crystal structure of the P3m1 space group, and the lattice constant increases with Na doping, resulting in an increase in lattice volume by about 19%. was able to confirm
평가예 2: 이온전도도 측정Evaluation Example 2: Measurement of ionic conductivity
실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 7에서 제조된 고체이온전도체 화합물을 마노 유발(agate mortar)을 사용하여 분쇄하여 분말을 준비한 후, 분말을 4 ton/cm2의 압력으로 2분간 프레스하여 두께 약 1mm 및 직경 약 13mm의 펠렛(pellet) 시편을 준비하였다. 준비된 시편의 양면에 백금(Pt)을 스퍼터링하여 두께 10um 및 직경 13mm의 백금(Pt) 전극을 각각 배치하여 대칭셀(symmetry cell)을 준비하였다. 대칭셀의 준비는 Ar 분위기의 글로버박스에서 진행되었다.After preparing powder by pulverizing the solid ion conductor compounds prepared in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 7 using an agate mortar, the powder was pressed at a pressure of 4 ton/cm 2 for 2 minutes to obtain a thickness A pellet specimen with a diameter of about 1 mm and a diameter of about 13 mm was prepared. A symmetry cell was prepared by sputtering platinum (Pt) on both sides of the prepared specimen and placing platinum (Pt) electrodes having a thickness of 10 μm and a diameter of 13 mm, respectively. The preparation of the symmetric cell was carried out in an Ar atmosphere glover box.
백금 전극이 양면에 배치된 시편에 대하여 임피던스 분석기(VMP-3)를 사용하여 2-프로브(probe)법으로 펠렛의 임피던스를 측정하였다. 주파수 범위는 1Hz 내지 1MHz, 진폭 전압은 20 mV였다. Ar 분위기의 25℃에서 측정하였다. 임피던스 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)의 원호(arc)로부터 저항치를 구하고 시편의 면적과 두께를 고려하여 이온전도도를 계산하였다. 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The impedance of the pellets was measured by a two-probe method using an impedance analyzer (VMP-3) for the specimens with platinum electrodes disposed on both sides. The frequency range was 1 Hz to 1 MHz, and the amplitude voltage was 20 mV. It was measured at 25°C in an Ar atmosphere. The resistance value was obtained from the arc of the Nyguist plot for the impedance measurement results, and the ionic conductivity was calculated considering the area and thickness of the specimen. The measurement results are shown in Table 1 below.
하기 표 1을 참고하면, Zr을 포함하지 않는 비교예 2 및 Zr을 포함하나 M 원소를 포함하지 않는 비교예 1에 비하여, 본원 발명은 최대 10배 향상된 이온전도도를 보였다. 뿐만 아니라, 실시예에서 사용한 M 원소에 비해 큰 이온 반경을 갖는 원소를 포함한 비교예 3에 비해 우수한 이온전도도를 보였다.Referring to Table 1 below, compared to Comparative Example 2 not containing Zr and Comparative Example 1 containing Zr but not containing element M, the present invention showed up to 10 times improved ionic conductivity. In addition, it showed excellent ionic conductivity compared to Comparative Example 3 including an element having a larger ionic radius than the element M used in Examples.
또한, M 원소의 몰비(b) 및 할로겐 원소의 몰비(d)의 비율(b/d) 및 Zr 원소의 몰비(c) 및 할로겐 원소의 몰비(d)의 비율 (c/d)과 관련하여, b/d와 c/d의 범위가 각각 0<b/d<0.03, 0.05<c/d<0.18을 만족하는 실시예의 조성은 이러한 범위를 만족하지 않는 비교예 1, 2 및 4 내지 7에 비하여 우수한 이온전도도를 보였다.In addition, in relation to the ratio (b / d) of the molar ratio (b) of the M element and the molar ratio (d) of the halogen element, and the ratio (c / d) of the molar ratio (c) of the Zr element and the molar ratio (d) of the halogen element , the compositions of examples in which the ranges of b / d and c / d satisfy 0 <b / d <0.03 and 0.05 <c / d <0.18, respectively, in Comparative Examples 1, 2, and 4 to 7 that do not satisfy these ranges In comparison, it showed excellent ionic conductivity.
이러한 결과는 M 원소의 이온 반경과 함께, M 원소 및 할로겐 원소의 몰비의 비율 및 Zr 원소와 할로겐 원소의 몰비의 비율이 함께 이온전도도에 영향을 미친다는 점을 시사한다.These results suggest that together with the ionic radius of the M element, the ratio of the molar ratio of the M element and the halogen element and the ratio of the molar ratio of the Zr element and the halogen element affect the ionic conductivity.
(Li a M b Zr c X d T e ) Furtherance
(Li a M b Zr c X d T e )
(S cm-1)ionic conductivity
(S cm -1 )
평가예 3: 사이클 평가Evaluation Example 3: Cycle evaluation
실시예 13, 및 비교예 8 및 9에서 제작한 전고체 이차전지의 충방전 특성을 다음의 충방전 시험에 의해 평가하였다. The charge and discharge characteristics of the all-solid-state secondary batteries prepared in Example 13 and Comparative Examples 8 and 9 were evaluated by the following charge and discharge test.
충방전 시험의 제1 사이클은 전지 전압이 4.2V가 될 때까지 0.1C의 정전류 및 4.2V 정전압으로 0.1C 전류값이 될 때까지 충전하였다. 이어서, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 방전을 실시하였다.In the first cycle of the charge/discharge test, the battery was charged with a constant current of 0.1C and a constant voltage of 4.2V until the battery voltage reached 4.2V until a current value of 0.1C was reached. Subsequently, discharging was performed at a constant current of 0.1 C until the battery voltage reached 2.5 V.
초기 효율은 하기 표 2에 나타내었고, 초기 충방전 곡선은 도 4에 나타내었다.Initial efficiencies are shown in Table 2 below, and initial charge/discharge curves are shown in FIG. 4 .
표 2 및 도 4를 참고하면, 비교예 8 및 9에 비해 실시예 13의 초기 효율이 향상되었음을 알 수 있다.Referring to Table 2 and FIG. 4, it can be seen that the initial efficiency of Example 13 is improved compared to Comparative Examples 8 and 9.
초기효율 평가 이후에, 전지 전압이 4.2V가 될 때까지 0.1C의 정전류 및 4.2V 정전압으로 0.1C 전류값이 될 때까지 충전하였다. 이어서, 전지 전압이 2.5V가 될 때까지 0.1C의 정전류로 방전을 실시하였다. 이러한 충방전 사이클을 20회 수행하였다. 각 사이클에서의 용량을 측정하여 도 5에 나타내었다.After the initial efficiency evaluation, the battery was charged with a constant current of 0.1C and a constant voltage of 4.2V until the battery voltage reached 4.2V until a current value of 0.1C was reached. Subsequently, discharging was performed at a constant current of 0.1 C until the battery voltage reached 2.5 V. Twenty such charge/discharge cycles were performed. The capacity in each cycle was measured and shown in FIG. 5 .
도 5를 참고하면, 비교예 8 및 9은 용량이 점차적으로 또는 현격히 감소하고 있는 추세를 보이나, 실시예 13의 전고체전지는 쿨롱 효율이 99.7%를 상회하는 것으로, 용량이 거의 일정하게 유지되는 것을 확인되었다. Referring to FIG. 5, Comparative Examples 8 and 9 show a trend in which the capacity gradually or significantly decreases, but the all-solid-state battery of Example 13 has a coulombic efficiency exceeding 99.7%, indicating that the capacity is maintained almost constant. Confirmed.
평가예 4: 계면저항 평가Evaluation Example 4: Interfacial Resistance Evaluation
실시예 13 및 비교예 9의 전고체전지에 대하여 임피던스 분석기(VMP-3)를 이용하여 2-프로브(probe)법에 따라 25℃, 106 Hz 내지 0.1 MHz 주파수 범위에서 20 mV의 전압 바이어스를 주고 저항을 측정함으로써 초기 임피던스를 평가하였다. 이들 결과인 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 도 6에 나타내었다. For the all-solid-state batteries of Example 13 and Comparative Example 9, a voltage bias of 20 mV was applied at 25° C. in the frequency range of 10 6 Hz to 0.1 MHz according to the 2-probe method using an impedance analyzer (VMP-3). The initial impedance was evaluated by measuring the resistance. These results, Nyquist plots, are shown in FIG. 6 .
도 6을 참조하면, 실시예 13의 전고체전지는 비교예 9의 기존 황화물계 고체전해질을 적용한 전고체전지 대비 양극계면 저항이 낮아 이온전도가 원활한 것이 확인되었다.Referring to FIG. 6, it was confirmed that the all-solid-state battery of Example 13 had a low anode interface resistance compared to the all-solid-state battery to which the existing sulfide-based solid electrolyte of Comparative Example 9 was applied, and that ion conduction was smooth.
이상에서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
Claims (20)
<화학식 1>
LiaMbZrcXdTe
상기 화학식 1 중,
1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1, 0<b/d<0.03, 0.05<c/d<0.18이고,
M 원소는 리튬을 제외한, 1종 이상의 1가의 금속 원소이고,
T 원소는 M과 상이한 금속 원소, 전이금속 원소, 전이 후 금속 원소, 준금속 또는 이들의 조합이고,
M 원소의 이온 반경(Mr)은 90 pm<Mr≤180 pm이고,
X는 1종 이상의 할로겐 원소이다.A solid ion conductor compound represented by Formula 1:
<Formula 1>
Li a M b Zr c X d T e
In Formula 1,
1<a<3.5, 0<b<1.5, 0<c<1.5, 0<d<7, 0≤e<1, 0<b/d<0.03, 0.05<c/d<0.18,
Element M is one or more monovalent metal elements other than lithium,
element T is a metal element different from M, a transition metal element, a post-transition metal element, a metalloid, or a combination thereof;
The ionic radius (M r ) of element M is 90 pm<M r ≤180 pm,
X is one or more halogen elements.
상기 M은 Na, K, Rb, Mo(I), Cu(I), Hg, Ag, Au, Tl, 또는 이들의 조합을 포함한, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
Wherein M is Na, K, Rb, Mo(I), Cu(I), Hg, Ag, Au, Tl, or a solid ion conductor compound including a combination thereof.
상기 T는 B, Be, Mg, Ca, Sr, Se, Y, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po 또는 이들의 1종 이상의 조합인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
T is B, Be, Mg, Ca, Sr, Se, Y, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir , Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po or a combination of one or more thereof, the solid ion conductor compound.
상기 X는 Cl, Br 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The X is a solid ion conductor compound comprising Cl, Br or a combination thereof.
상기 Mr은 90 pm<Mr≤160 pm인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The M r is 90 pm<M r ≤160 pm, the solid ionic conductor compound.
a는 1.5≤a≤2.5이고, b는 0<b<0.5이고, c는 0.1≤c<1.5이고, d는 5<d<7인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
a is 1.5≤a≤2.5, b is 0<b<0.5, c is 0.1≤c<1.5, and d is 5<d<7, a solid ionic conductor compound.
e는 0<e<1인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
e is 0<e<1, a solid ionic conductor compound.
0.01≤b/d≤0.02인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
0.01≤b/d≤0.02, a solid ionic conductor compound.
0.06≤c/d≤0.17인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
0.06≤c/d≤0.17, a solid ionic conductor compound.
1<a/c<5인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
1<a/c<5, a solid ionic conductor compound.
상기 고체이온전도체 화합물은 CuKα 선을 사용한 XRD 스펙트럼에서 회절각 2θ=15° 내지 17°, 30° 내지 32° 및 40° 내지 42°에서 적어도 하나의 회절피크를 갖는, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The solid ion conductor compound has at least one diffraction peak at diffraction angles 2θ = 15 ° to 17 °, 30 ° to 32 ° and 40 ° to 42 ° in the XRD spectrum using CuKα line, solid ion conductor compound.
상기 고체이온전도체 화합물은 CuKα 선을 사용한 XRD 스펙트럼에서 회절각 2θ=16.0°±2.0°, 30.4°±2.0°, 31.8°±2.0°, 34.1°±2.0°, 41.3°±2.0° 및 49.4±2.0°에서 회절피크를 갖는, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The solid ion conductor compound had diffraction angles of 2θ = 16.0 ° ± 2.0 °, 30.4 ° ± 2.0 °, 31.8 ° ± 2.0 °, 34.1 ° ± 2.0 °, 41.3 ° ± 2.0 ° and 49.4 ± 2.0 ° in the XRD spectrum using CuKα rays. A solid ionic conductor compound having a diffraction peak at °.
상기 고체이온전도체 화합물은 결정상, 비결정상, 또는 이의 조합을 포함하는, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The solid ion conductor compound is a solid ion conductor compound comprising a crystalline phase, an amorphous phase, or a combination thereof.
상기 결정상은 층상암염결정구조를 포함하는, 고체이온전도체 화합물.According to claim 13,
The crystal phase is a solid ion conductor compound comprising a layered rock salt crystal structure.
상기 결정상은 C2/m 공간군의 결정, P3m1 공간군의 결정, 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체이온전도체 화합물.According to claim 13,
The crystalline phase comprises a crystal of the C2 / m space group, a crystal of the P3m1 space group, or a combination thereof, the solid ion conductor compound.
상기 고체이온전도체 화합물은 M 금속 원소를 비포함하는 화합물에 비하여 a 및 c 축 격자상수가 증가한, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The solid ion conductor compound has increased a and c axis lattice constants compared to the compound containing no M metal element.
상기 고체이온전도체 화합물은 25℃에서 2.4 x 10-4 S/cm 이상의 이온전도도를 갖는, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The solid ion conductor compound has an ion conductivity of 2.4 x 10 -4 S / cm or more at 25 ° C, a solid ion conductor compound.
상기 고체이온전도체 화합물은 Li1.96Na0.03ZrCl6, Li1.96Na0.04ZrCl6, Li1.9Na0.1ZrCl6, Li2Na0.04Zr0.99Cl6, Li2Na0.1Zr0.98Cl6, Li1.96Cu0.04ZrCl6, Li2Cu0.04Zr0.99Cl6, Li1.96Ag0.04ZrCl6, Li1.96K0.04ZrCl6, Li1.96Na0.04Y0.5Zr0.5Cl6, Li1.9K0.1ZrCl6, Li1.85K0.15ZrCl6, Li2.36Na0.04Zr0.9Cl6, 또는 Li2.45Na0.05Zr0.5Cl6Y0.5 인, 고체이온전도체 화합물.According to claim 1,
The solid ion conductor compounds are Li 1.96 Na 0.03 ZrCl 6 , Li 1.96 Na 0.04 ZrCl 6 , Li 1.9 Na 0.1 ZrCl 6 , Li 2 Na 0.04 Zr 0.99 Cl 6 , Li 2 Na 0.1 Zr 0.98 Cl 6 , Li 1.96 Cu 0.04 ZrCl 6 , Li 2 Cu 0.04 Zr 0.99 Cl 6 , Li 1.96 Ag 0.04 ZrCl 6 , Li 1.96 K 0.04 ZrCl 6 , Li 1.96 Na 0.04 Y 0.5 Zr 0.5 Cl 6 , Li 1.9 K 0.1 ZrCl 6 , Li 1.85 K 0.15 Zr Cl 6 , Li 2.36 Na 0.04 Zr 0.9 Cl 6 , or Li 2.45 Na 0.05 Zr 0.5 Cl 6 Y 0.5 , a solid ionic conductor compound.
상기 혼합물을 고상(solid phase)에서 반응시켜서 고체이온전도체 화합물을 얻는 단계;를 포함하는, 고체이온전도체 화합물의 제조방법.A step of preparing a mixture of a zirconium precursor compound, a lithium precursor compound, and a metal M precursor compound, wherein the metal M element is one or more monovalent metal elements other than lithium, and the ionic radius (M r ) of the metal M element is 90 pm<M r ≤180 pm; and
A method for producing a solid ion conductor compound, comprising: reacting the mixture in a solid phase to obtain a solid ion conductor compound.
상기 혼합물을 고상에서 반응시켜 고체이온전도체 화합물을 얻는 단계가,
상기 혼합물을 건조 및 비활성 분위기에서 볼밀 혼합을 수행하는 것을 포함하는, 고체이온전도체 화합물의 제조방법.According to claim 19,
The step of reacting the mixture in a solid phase to obtain a solid ion conductor compound,
Method for producing a solid ionic conductor compound comprising performing a ball mill mixing of the mixture in a dry and inert atmosphere.
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