KR20230084865A - All solid state electrode layer - Google Patents

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KR20230084865A
KR20230084865A KR1020210172990A KR20210172990A KR20230084865A KR 20230084865 A KR20230084865 A KR 20230084865A KR 1020210172990 A KR1020210172990 A KR 1020210172990A KR 20210172990 A KR20210172990 A KR 20210172990A KR 20230084865 A KR20230084865 A KR 20230084865A
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electrode layer
solid
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김주영
이영기
강석훈
신동옥
이명주
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전고체 전극층은 이종의 전극 구조를 적층하여 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전고체 전극층은 이온 확산 기반 전극층과, 상기 이온 확산 기반 전극층 상에 적층되며, 고체 전해질 및 활물질을 포함하는 복합 전극층을 포함할 수 있다.An all-solid electrode layer according to an embodiment of the present invention may be formed by stacking heterogeneous electrode structures. An all-solid electrode layer according to an embodiment of the present invention may include an ion diffusion-based electrode layer and a composite electrode layer stacked on the ion diffusion-based electrode layer and including a solid electrolyte and an active material.

Description

전고체 전극층{ALL SOLID STATE ELECTRODE LAYER}All solid electrode layer {ALL SOLID STATE ELECTRODE LAYER}

본 발명은 전고체 전극층에 관한 것으로, 특히 서로 다른 특성을 가지는 이종의 전극 구조를 가지는 전고체 전극층에 관한 것이다.The present invention relates to an all-solid-state electrode layer, and more particularly to an all-solid-state electrode layer having heterogeneous electrode structures having different characteristics.

일반적으로, 리튬 이온 이차전지는 에너지 밀도가 다른 전지와 비교하여 높기 때문에 휴대용 전자기기 외에 에너지 저장용 시스템((ESS, energy storage system), 전기 자동차용 이차전지 등 중대형 이차 전지에 대한 연구 및 수요가 크게 증가하고 있다.In general, since lithium ion secondary batteries have a higher energy density than other batteries, research and demand for medium and large-sized secondary batteries such as energy storage systems (ESS, energy storage systems) and secondary batteries for electric vehicles in addition to portable electronic devices are increasing. is increasing significantly.

리튬 이온 이차전지에 사용되는 액체 전해질은 높은 가연성, 휘발성 및 누액으로 인한 폭발에 대한 안전성 문제가 있어, 액체 전해질을 대신하여 고체 전해질을 이용하여 전고체 이차전지의 연구 및 개발이 진행되고 있다.Liquid electrolytes used in lithium ion secondary batteries have high flammability, volatility, and safety problems against explosion due to leakage, and therefore, research and development of all-solid secondary batteries are being conducted using solid electrolytes instead of liquid electrolytes.

하지만, 종래 전고체 이차전지는 액체 전해질이 함유되지 않기 때문에 전고체 전극층에는 이온 전도를 담당해 줄 수 있는 성분을 필요로 하게 된다.However, since the conventional all-solid-state secondary battery does not contain a liquid electrolyte, the all-solid electrode layer needs a component capable of conducting ion conduction.

또한, 종래 전고체 이차전지의 고체 전해질은 고체 성분으로 이루어져 있기 때문에 고체간 계면, 즉 고체 전해질 입자간 혹은 전고체 전극층과의 고체전해질 막과의 접촉면 등에서 높은 접촉 저항을 발생시키게 된다. 따라서, 액체전해질을 사용하는 이차전지에 대비해서, 전고체 전극 내 높은 저항이 발생하게 되며 전극 성능에 악영향을 준다.In addition, since the solid electrolyte of the conventional all-solid-state secondary battery is composed of solid components, high contact resistance is generated at the interface between solids, that is, the contact surface between the solid electrolyte particles or the solid electrode layer and the solid electrolyte film. Therefore, compared to a secondary battery using a liquid electrolyte, high resistance occurs in an all-solid electrode, which adversely affects electrode performance.

본 발명의 목적은 리튬 이온을 전극에 효과적으로 전달하기 위한 전고체 전극층을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an all-solid-state electrode layer for effectively delivering lithium ions to the electrode.

또한, 본 발명의 목적은 전극 내 저항을 최소화하며, 활물질의 리튬 이온의 저장 능력을 극대화할 수 있는 전고체 전극층을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to provide an all-solid electrode layer capable of minimizing resistance in the electrode and maximizing the lithium ion storage capacity of the active material.

또한, 본 발명의 목적은 전고체 이차전지의 성능을 향상시키기 위한 전고체 전극층을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to provide an all-solid-state electrode layer for improving the performance of an all-solid-state secondary battery.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전고체 전극층은 이온 확산 기반 전극층과, 상기 이온 확산 기반 전극층 상에 적층되며, 고체 전해질 및 활물질을 포함하는 복합 전극층을 포함할 수 있다An all-solid electrode layer according to the present invention for achieving the above object may include an ion diffusion-based electrode layer and a composite electrode layer laminated on the ion diffusion-based electrode layer and including a solid electrolyte and an active material.

본 발명에 따르면, 본 발명은 서로 다른 이종의 전극을 형성함으로써, 이온을 전극에 효과적으로 전도 및 확산시켜 고출력, 고용량의 전고체 전극을 구현할 수 있다.According to the present invention, by forming different types of electrodes, it is possible to effectively conduct and diffuse ions to the electrodes to implement a high-output and high-capacity all-solid-state electrode.

또한, 본 발명은 활물질을 탄소계, 금속계, 황화물계 소재를 사용함으로써, 최적의 계면 특성을 가지는 전고체 전극을 구현할 수 있다.In addition, the present invention can implement an all-solid-state electrode having optimal interfacial characteristics by using a carbon-based, metal-based, or sulfide-based material as an active material.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전고체 이차전지의 구조를 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 전고체 이차전지의 제1 전고체 전극층을 중심으로 나타낸 개략 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 전고체 전극층을 제조하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 5는 실시예 1에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 ESD 이미지이다.
도 6은 실시예 2에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 7은 실시예 2에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 ESD 이미지이다.
도 8은 실시예 1에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 비교예 1에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교예 2에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 1와 비교예 1,2에 대한 부피당 용량을 비교한 도면이다.
도 12는 실시예 2에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view centering on a first all-solid-state electrode layer of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating a process of manufacturing an all-solid-state electrode layer according to an embodiment.
4 is a SEM image showing a cross section of the all-solid electrode layer according to Example 1.
5 is an ESD image showing a cross section of an all-solid-state electrode layer according to Example 1;
6 is a SEM image showing a cross section of an all-solid electrode layer according to Example 2.
7 is an ESD image showing a cross section of an all-solid electrode layer according to Example 2;
8 is a graph showing charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Example 1;
9 is a graph showing charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Comparative Example 1;
10 is a graph showing charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Comparative Example 2;
11 is a diagram comparing capacity per volume for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
12 is a graph showing charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Example 2;

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

비록 "제1" 또는 "제2" 등이 다양한 구성요소를 서술하기 위해서 사용되나, 이러한 구성요소는 상기와 같은 용어에 의해 제한되지 않는다. 상기와 같은 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.Although "first" or "second" is used to describe various elements, these elements are not limited by the above terms. Such terms may only be used to distinguish one component from another. Therefore, the first component mentioned below may also be the second component within the technical spirit of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 또는 단계가 하나 이상의 다른 구성요소 또는 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 의미를 내포한다.Terms used in this specification are for describing embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" or "comprising" implies that a stated component or step does not preclude the presence or addition of one or more other components or steps.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein may be interpreted as meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and when describing with reference to the drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전고체 이차전지의 구조를 나타낸 개략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 전고체 이차전지(1000)는 제1 집전체층(100)과, 제1 전고체 전극층(200)과, 고체 전해질층(300)과, 제2 전고체 전극층(400)과, 제2 집전제층(500)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , an all-solid secondary battery 1000 according to an embodiment includes a first current collector layer 100, a first all-solid electrode layer 200, a solid electrolyte layer 300, and a second all-solid An electrode layer 400 and a second current collector layer 500 may be included.

제1 집전체층(100)은 전자를 외부로 전달할 수 있다. 제1 집전체층(100)은 전고체 이차전지(1000)의 전체 골격을 유지시킬 수 있다. 제1 집전체층(100)은 전고체 이차전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가질 수 있다.The first current collector layer 100 may transfer electrons to the outside. The first current collector layer 100 may maintain the entire skeleton of the all-solid-state secondary battery 1000 . The first current collector layer 100 may have high conductivity without causing chemical change of the all-solid-state secondary battery.

제1 집전체층(100)으로는 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 철(Fe), 티타늄(Ti), 스테인리스 스틸(stainless steel), 또는 소성 탄소를 포함할 수 있다. 또는 제1 집전체층(100)으로 알루미늄(Al)이나 스테인리스 스틸(stainless steel)의 표면에 니켈(Ni), 카본(C), 티타늄(Ti), 또는 은(Ag)으로 표면 처리한 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제2 집전체층(500)은 제1 집전체층(100)과 대향 배치될 수 있다. 제2 집전체층(500)의 재질은 제1 집전체층(100)과 동일할 수 있다.The first current collector layer 100 includes nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), aluminum (Al), iron (Fe), titanium (Ti), stainless steel, or fired carbon. can include Alternatively, as the first current collector layer 100, the surface of aluminum (Al) or stainless steel is treated with nickel (Ni), carbon (C), titanium (Ti), or silver (Ag) It can, but is not limited to this. The second current collector layer 500 may face the first current collector layer 100 . The material of the second current collector layer 500 may be the same as that of the first current collector layer 100 .

제1 전고체 전극층(200)은 제1 집전체층(100) 상에 적층될 수 있다. 제1 전고체 전극층(200)은 이온 확산 기반 전극층(222)과 복합 전극층(226)을 포함할 수 있다. 제1 전고체 전극층(200)은 양극 또는 음극일 수 있다. 제2 전고체 전극층(400)은 제1 전고체 전극층(200)과 대향 배치될 수 있다. 제2 전고체 전극층(400)은 음극 또는 양극일 수 있다. 제1 전고체 전극층(200) 및 제2 전고체 전극층(400)의 구조는 추후에 상세히 설명하기로 한다.The first all-solid electrode layer 200 may be stacked on the first current collector layer 100 . The first all-solid electrode layer 200 may include an ion diffusion-based electrode layer 222 and a composite electrode layer 226 . The first all-solid-state electrode layer 200 may be an anode or a cathode. The second all-solid-state electrode layer 400 may face the first all-solid-state electrode layer 200 . The second all-solid electrode layer 400 may be a cathode or an anode. Structures of the first all-solid-state electrode layer 200 and the second all-solid-state electrode layer 400 will be described in detail later.

고체 전해질층(300)은 제1 전고체 전극층(200)과 제2 전고체 전극층(400) 사이에 배치될 수 있다. 고체 전해질층(300)은 제1 전고체 전극층(200)과 제2 전고체 전극층(400)에 이온(예를 들어, 리튬 이온)을 전달하는 역할을 한다.The solid electrolyte layer 300 may be disposed between the first all-solid electrode layer 200 and the second all-solid electrode layer 400 . The solid electrolyte layer 300 serves to transfer ions (eg, lithium ions) to the first all-solid electrode layer 200 and the second all-solid electrode layer 400 .

고체 전해질층(300)은 황화물계 소재, 산화물계 소재, 할로겐계 소재, 고분자계 소재, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 황화물계 소재는 Li4-xGe1-xPxS4(LGPS), Li3PS4 glass-ceramic, Li7P3S11 glass-ceramic(LPS), Li4SnS4, 및 Li6P5SX (X= I, Br, Cl) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 산화물계 소재는 Li3xLa2/3-x

Figure pat00001
1/3-2xTiO3 (LLTO), Li1+xTi2-xMx(PO4)3 (M=Al, Ga, In, Sc), 및 Li7La3Zr2O12(LLZO) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 할로겐계 소재는 Li3ErX6, Li3GdX6, Li3YX6, Li3YX6, 및 Li3InCl6 (X=I, Cl, Br) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 고분자계 소재는 젤 전해질 또는 고분자 전해질일 수 있고, 고분자 매트릭스 내에 해리된 리튬 염이 존재하는 형태일 수 있다. 고분자계 소재는 폴리테트라플루오로데틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리아크리로나이트릴(polyacrylonitrile), 하이드로프로필 셀롤로오스(hydroxypropyl cellulose), 카복시메틸셀루로오스(Carboxymethyl cellulose), 스탈렌-부타디엔(Styrene-butadiene), 나이트릴-부타디엔(Nitrile-butadiene rubber), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 및 폴리아크릴릭애씨드(polyacrylic acid) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 리튬 염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li, LiC(CF3SO2)3, 및 LiC4BO8 중 어느 하나를 포함할 수 있다. The solid electrolyte layer 300 may include a sulfide-based material, an oxide-based material, a halogen-based material, a polymer-based material, or a mixture thereof. Sulfide-based materials include Li 4-x Ge 1-x P x S 4 (LGPS), Li 3 PS 4 glass-ceramic, Li 7 P 3 S 11 glass-ceramic (LPS), Li 4 SnS 4 , and Li 6 P It may contain any one of 5 SX (X=I, Br, Cl). Oxide-based materials are Li 3x La 2/3-x
Figure pat00001
1/3-2x TiO 3 (LLTO), Li 1+x Ti 2-x M x (PO 4 ) 3 (M=Al, Ga, In, Sc), and Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) may include any one of them. The halogen-based material may include any one of Li 3 ErX 6 , Li 3 GdX 6 , Li 3 YX 6 , Li 3 YX 6 , and Li 3 InCl 6 (X=I, Cl, Br). The polymer-based material may be a gel electrolyte or a polymer electrolyte, and may have a form in which a dissociated lithium salt exists in a polymer matrix. Polymer-based materials include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), poly(ethylene oxide), polyacrylonitrile, hydropropyl cellulose ( hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene, nitrile-butadiene rubber, polyacrylate, and polyacrylic acid may include any one of them. Lithium salts are LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li, LiC(CF 3 SO 2 ) 3 , and LiC 4 BO 8 .

고체 전해질층(300)의 기계적 특성을 향상시키기 위해 고체 전해질층(300)은 고분자 바인더 또는 고분자 분리막을 포함할 수 있다.In order to improve the mechanical properties of the solid electrolyte layer 300, the solid electrolyte layer 300 may include a polymer binder or a polymer separator.

한편, 제1 전고체 전극층(200) 및 제2 전고체 전극층(400)은 고체 전해질층(300)으로부터 전달된 이온을 전도 및 확산할 수 있다. 제1 전고체 전극층(200) 및 제2 전고체 전극층(400) 중 적어도 하나는 본 발명에서는 제시하는 이온 확산 기반 전극층과 복합 전극층이 적층된 형태를 포함하며, 다른 하나는 이온 확산 기반 전극층, 복합 전극층 혹은 금속 층으로 구성될 수 있다. 금속 층은 사용하고자 하는 이온 종류와 동일하며, 리튬 이온 기반 전고체 이차전지에서는 리튬 금속 혹은 리튬 금속이 포함된 금속이 사용될 수 있다. 경우에 따라 제1 전고체 전극층(200) 및 제2 전고체 전극층(400)이 모두 본 발명의 적층된 전극층으로 구성될 수 있다.Meanwhile, the first all-solid electrode layer 200 and the second all-solid electrode layer 400 may conduct and diffuse ions transferred from the solid electrolyte layer 300 . At least one of the first all-solid-state electrode layer 200 and the second all-solid-state electrode layer 400 includes a stacked form of an ion diffusion-based electrode layer and a composite electrode layer proposed in the present invention, and the other is an ion diffusion-based electrode layer and a composite electrode layer. It may consist of an electrode layer or a metal layer. The metal layer is the same as the type of ion to be used, and lithium metal or a metal containing lithium metal may be used in a lithium ion-based all-solid-state secondary battery. In some cases, both the first all-solid-state electrode layer 200 and the second all-solid-state electrode layer 400 may be composed of the laminated electrode layers of the present invention.

도 2는 실시예에 따른 전고체 이차전지의 제1 전고체 전극층을 중심으로 나타낸 개략 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view centering on a first all-solid-state electrode layer of an all-solid-state secondary battery according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 실시예에 따른 제1 전고체 전극층(200)은 이온 확산 기반 전극층(222)과 복합 전극층(226)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the first all-solid-state electrode layer 200 according to the embodiment may include an ion diffusion-based electrode layer 222 and a composite electrode layer 226 .

이온 확산 기반 전극층(222)은 제1 집전체층(100)의 상면과 접하도록 형성될 수 있다. 복합 전극층(226)은 고체 전해질층(300)의 하면과 접하도록 형성될 수 있다.The ion diffusion-based electrode layer 222 may be formed to contact the upper surface of the first current collector layer 100 . The composite electrode layer 226 may be formed to contact the lower surface of the solid electrolyte layer 300 .

이온 확산 기반 전극층(222)은 활물질(224)을 포함할 수 있다. 활물질(224)은 양극용 활물질 또는 음극용 활물질이 사용될 수 있다. 활물질(224)은 탄소계 소재, 금속계 소재, 황화물계 소재 혹은 이들을 혼합하여 사용될 수 있다. The ion diffusion-based electrode layer 222 may include an active material 224 . As the active material 224 , an active material for a positive electrode or an active material for a negative electrode may be used. The active material 224 may be a carbon-based material, a metal-based material, a sulfide-based material, or a mixture thereof.

실시예는 활물질(224)로 탄소계 소재, 금속계 소재, 황화물계 소재 혹은 이들을 혼합하여 사용함으로써 제1 전고체 전극층(200) 내에서 이온의 이동이 가능하게 하여 전고체 이차전지(1000)의 성능을 향상시킬 수 있다.The embodiment enables movement of ions in the first all-solid-state electrode layer 200 by using a carbon-based material, a metal-based material, a sulfide-based material, or a mixture thereof as the active material 224, thereby improving the performance of the all-solid-state secondary battery 1000 can improve

탄소계 소재에는 천연흑연, 인조흑연, 하드카본, 소프트카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀, 또는 맥센을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 금속계 소재에는 리튬, 게르마늄 또는 주석을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 황화물계 소재에는 황, 이황화몰리브덴, 이황화타이타늄 또는 이황화텡스텐을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.Carbon-based materials may include natural graphite, artificial graphite, hard carbon, soft carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, or maxene, but are not limited thereto. The metal-based material may include lithium, germanium, or tin, but is not limited thereto. Sulfide-based materials may include, but are not limited to, sulfur, molybdenum disulfide, titanium disulfide, or tungsten disulfide.

이온 확산 기반 전극층(222)은 고분자 바인더를 더 포함할 수 있다. 고분자 바인더는 활물질을 고정시키고 제1 집전체층(100)과 안정적으로 접착시킬 수 있다. 고분자 바인더는 수계, 또는 비수계의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 바인더는 폴리테트라플루오로데틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리아크리로나이트릴(polyacrylonitrile), 하이드로프로필 셀롤로오스(hydroxypropyl cellulose), 카복시메틸셀루로오스(Carboxymethyl cellulose), 스탈렌-부타디엔(Styrenebutadiene), 나이트릴-부타디엔(Nitrile-butadiene rubber), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 및 폴리아크릴릭애씨드(polyacrylic acid) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The ion diffusion-based electrode layer 222 may further include a polymer binder. The polymer binder may fix the active material and stably adhere to the first current collector layer 100 . The polymeric binder may include an aqueous or non-aqueous material. For example, polymeric binders include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), poly(ethylene oxide), polyacrylonitrile, hydropropyl cell Hydroxypropyl cellulose, Carboxymethyl cellulose, Styrene-butadiene, Nitrile-butadiene rubber, polyacrylate, and polyacrylic acid ) may include at least one of them.

이온 확산 기반 전극층(222)의 활물질(224)과 고분자 바인더의 무게 비는 80:20 내지 100:0을 포함할 수 있다. 즉, 활물질(224)의 무게 대비 상기 고분자 바인더의 무게는 1/4배 이하일 수 있다. 활물질(224)이 입자간 접착 특성이 우수한 재질로 사용된 경우 고분자 바인더는 사용되지 않을 수 있다.A weight ratio of the active material 224 of the ion diffusion-based electrode layer 222 to the polymer binder may be 80:20 to 100:0. That is, the weight of the polymer binder relative to the weight of the active material 224 may be less than 1/4 times. When the active material 224 is used as a material having excellent adhesion between particles, a polymer binder may not be used.

이온 확산 기반 전극층(222)은 도전재를 더 포함할 수 있다. 도전재는 제1 전고체 전극층(200)에 전자 전도성을 부여할 수 있다. 도전재로는 그라파이트, 하드/소프트 카본, 탄소 섬유, 카본 나노튜브, 선형 카본, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 및 케첸 블랙 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 도전재는 제1 전고체 전극층(200)의 무게 기준으로 5% 이내로 사용될 수 있다.The ion diffusion-based electrode layer 222 may further include a conductive material. The conductive material may impart electronic conductivity to the first all-solid electrode layer 200 . The conductive material may include at least one of graphite, hard/soft carbon, carbon fiber, carbon nanotube, linear carbon, carbon black, acetylene black, and Ketjen Black, but is not limited thereto. The conductive material may be used within 5% of the weight of the first all-solid-state electrode layer 200 .

복합 전극층(226)은 이온 확산 기반 전극층(222) 상에 적층될 수 있다. 복합 전극층(226)은 고체 전해질(228)과 활물질(224)을 포함할 수 있다.A composite electrode layer 226 may be deposited on the ion diffusion based electrode layer 222 . The composite electrode layer 226 may include a solid electrolyte 228 and an active material 224 .

고체 전해질(228)은 서로 연결된 입자 구조를 가질 수 있다. 고체 전해질(228)은 고체 전해질층(300)의 하면과 접촉될 수 있다. 고체 전해질(228)은 고체 전해질층(300)의 이온을 효과적으로 전도시킬 수 있게 된다. The solid electrolyte 228 may have a particle structure connected to each other. The solid electrolyte 228 may contact the lower surface of the solid electrolyte layer 300 . The solid electrolyte 228 can effectively conduct ions of the solid electrolyte layer 300 .

고체 전해질(228)은 황화물계 소재, 산화물계 소재, 할로겐계 소재, 고분자계 소재, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 황화물계 소재는 Li4-xGe1-xPxS4(LGPS), Li3PS4 glass-ceramic, Li7P3S11 glass-ceramic(LPS), Li4SnS4, 및 Li6P5SX (X= I, Br, Cl) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 산화물계 물질은 Li3xLa2/3-x

Figure pat00002
1/3-2xTiO3 (LLTO), Li1+xTi2-xMx(PO4)3 (M=Al, Ga, In, Sc), 및 Li7La3Zr2O12(LLZO) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 할로겐계 소재는 Li3ErX6, Li3GdX6, Li3YX6, Li3YX6, 및 Li3InCl6 (X=I, Cl, Br) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 고분자계 소재는 젤 전해질 또는 고분자 전해질일 수 있고, 고분자 매트릭스 내에 해리된 리튬 염이 존재하는 형태일 수 있다. 고분자계 소재는 폴리테트라플루오로데틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)), 폴리아크리로나이트릴(polyacrylonitrile), 하이드로프로필 셀롤로오스(hydroxypropyl cellulose), 카복시메틸셀루로오스(Carboxymethyl cellulose), 스탈렌-부타디엔(Styrene-butadiene), 나이트릴-부타디엔(Nitrile-butadiene rubber), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 및 폴리아크릴릭애씨드(polyacrylic acid) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The solid electrolyte 228 may include a sulfide-based material, an oxide-based material, a halogen-based material, a polymer-based material, or a mixture thereof. Sulfide-based materials include Li 4-x Ge 1-x P x S 4 (LGPS), Li 3 PS 4 glass-ceramic, Li 7 P 3 S 11 glass-ceramic (LPS), Li 4 SnS 4 , and Li 6 P It may contain any one of 5 SX (X=I, Br, Cl). Oxide-based materials are Li 3x La 2/3-x
Figure pat00002
1/3-2x TiO 3 (LLTO), Li 1+x Ti 2-x M x (PO 4 ) 3 (M=Al, Ga, In, Sc), and Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) may include any one of them. The halogen-based material may include any one of Li 3 ErX 6 , Li 3 GdX 6 , Li 3 YX 6 , Li 3 YX 6 , and Li 3 InCl 6 (X=I, Cl, Br). The polymer-based material may be a gel electrolyte or a polymer electrolyte, and may have a form in which a dissociated lithium salt exists in a polymer matrix. Polymer-based materials include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), poly(ethylene oxide), polyacrylonitrile, hydropropyl cellulose ( hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene, nitrile-butadiene rubber, polyacrylate, and polyacrylic acid may include any one of them.

활물질(224)은 고체 전해질(228) 사이의 공간에 형성될 수 있다. 활물질(224)은 리튬 이온 이차 전지에서 활용되는 활물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 활물질(224)로는 천연 흑연, 인조흑연, Li4Ti5O12, 하드카본, 실리콘/카본 복합체, 실리콘, 리튬 금속, LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, Li2MnO3, LiNixMnyCozO2(x+y+z=1) 또는 LiNiCoAlO2을 포함할 수 있다. The active material 224 may be formed in a space between the solid electrolytes 228 . As the active material 224 , an active material utilized in a lithium ion secondary battery may be used. For example, the active material 224 includes natural graphite, artificial graphite, Li 4 Ti 5 O 12 , hard carbon, silicon/carbon composite, silicon, lithium metal, LiCoO 2 , LiFePO 4 , LiMn 2 O 4 , Li 2 MnO 3 , LiNi x Mn y Co z O 2 (x+y+z=1) or LiNiCoAlO 2 .

복합 전극층(226) 내의 고체 전해질(228)과 활물질(224)의 무게 비는 50:50 내지 5:95를 포함할 수 있다. 즉, 상기 고체 전해질(228)의 무게 대비 상기 활물질(224)의 무게는 1배 내지 19배일 수 있다.A weight ratio of the solid electrolyte 228 and the active material 224 in the composite electrode layer 226 may range from 50:50 to 5:95. That is, the weight of the active material 224 compared to the weight of the solid electrolyte 228 may be 1 to 19 times.

복합 전극층(226) 내에는 고분자 바인더 및 도전재가 더 포함될 수 있다. 고분자 바인더와 도전재는 제1 전고체 전극층(200)의 무게 기준으로 각각 5% 내로 사용될 수 있다.A polymer binder and a conductive material may be further included in the composite electrode layer 226 . The polymer binder and the conductive material may each be used within 5% based on the weight of the first all-solid-state electrode layer 200 .

복합 전극층(226)에서 사용되는 고분자 바인더 및 도전재의 재질은 이온 확산 기반 전극층(222)에서 사용된 고분자 바인더 및 도전재의 재질과 동일할 수 있다.Materials of the polymer binder and conductive material used in the composite electrode layer 226 may be the same as those of the polymer binder and conductive material used in the ion diffusion-based electrode layer 222 .

실시예에 따른 제1 전고체 전극층(200)은 아래와 같이 제조될 수 있다. 제2 전고체 전극층(400)의 제조 과정도 제1 전고체 전극층(200)의 제조 방법과 동일하므로, 제2 전고체 전극층(400)의 제조 과정은 생략하기로 한다.The first all-solid-state electrode layer 200 according to the embodiment may be manufactured as follows. Since the manufacturing process of the second all-solid-state electrode layer 400 is the same as the manufacturing method of the first all-solid-state electrode layer 200, the manufacturing process of the second all-solid-state electrode layer 400 will be omitted.

도 3은 실시예에 따른 전고체 전극층을 제조하는 과정을 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a process of manufacturing an all-solid-state electrode layer according to an embodiment.

도 2 및 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 전고체 전극층의 제조 방법은 집전체 층에 이온 확산 기반 전극층을 형성하는 단계(S100)와, 이온 확산 기반 전극층을 가압하는 단계(S200)와, 이온 확산 기반 전극층 상에 복합 전극층을 형성하는 단계(S300)와, 이혼 확산 기반 전극층 및 복합 전극층을 가압하는 단계(S400)를 포함할 수 있다. 2 and 3, the manufacturing method of the all-solid-state electrode layer according to the embodiment includes forming an ion diffusion-based electrode layer on a current collector layer (S100), pressing the ion diffusion-based electrode layer (S200), Forming a composite electrode layer on the ion diffusion-based electrode layer (S300) and pressing the divorced diffusion-based electrode layer and the composite electrode layer (S400) may be included.

먼저, 활물질(224), 고분자 바인더, 용매 및 도전재를 이용하여 슬러리를 제조할 수 있다. 슬러리 내의 활물질(224)과 고분자 바인더의 함량은 무게 비 기준 80:20 내지 100:0일 수 있다. 즉, 활물질(224)의 무게 대비 상기 고분자 바인더의 무게는 1/4배 이하일 수 있다. 활물질(224)의 함량이 많게 되면 높은 에너지 밀도 구현이 가능한 효과가 있다. 여기서, 슬러리의 점도는 용매의 함량으로 조절될 수 있으며, 100cP 내지 10000cP 에서 선택될 수 있다.First, a slurry may be prepared using the active material 224, a polymer binder, a solvent, and a conductive material. The content of the active material 224 and the polymer binder in the slurry may be 80:20 to 100:0 based on a weight ratio. That is, the weight of the polymer binder relative to the weight of the active material 224 may be less than 1/4 times. When the content of the active material 224 is high, there is an effect of enabling high energy density. Here, the viscosity of the slurry may be adjusted by the amount of the solvent, and may be selected from 100 cP to 10000 cP.

상기와 같이 형성된 슬러리를 제1 집전체층(100) 상에 도포하여 이온 확산 기반 전극층(222)을 형성할 수 있다. 이온 확산 기반 전극층(222)의 형성을 마치면 이온 확산 기반 전극층(222)에 잔존하는 용매를 제거하기 위해 50도 내지 100도에서 열풍 건조 또는 진공 건조를 수행할 수 있다.An ion diffusion-based electrode layer 222 may be formed by applying the slurry formed as described above on the first current collector layer 100 . After the formation of the ion diffusion-based electrode layer 222 is finished, hot air drying or vacuum drying may be performed at 50 degrees to 100 degrees to remove the solvent remaining in the ion diffusion-based electrode layer 222 .

제1 집전층(100) 상에 이온 확산 기반 전극층(222)에 형성되면, 이온 확산 기반 전극층(222)을 가압하는 단계(S200)를 수행할 수 있다. 단계(S200)는 활물질(224) 입자들 간 밀접하게 접합시킬 수 있다. 여기서, 이온 확산 기반 전극층(222)을 가압하는 압력은 100MPa 내지 700MPa 일 수 있으며, 300MPa 내지 600MPa의 압력이 가해질 수 있다. 여기서, 이온 확산 기반 전극층(222)을 가압하는 단계(S200)는 경우에 따라 생략될 수도 있다.When the ion diffusion-based electrode layer 222 is formed on the first current collecting layer 100, the step of pressing the ion diffusion-based electrode layer 222 (S200) may be performed. In step S200, particles of the active material 224 may be intimately bonded. Here, the pressure for pressing the ion diffusion-based electrode layer 222 may be 100 MPa to 700 MPa, and a pressure of 300 MPa to 600 MPa may be applied. Here, the step of pressing the ion diffusion-based electrode layer 222 ( S200 ) may be omitted in some cases.

이어서, 이온 확산 기반 전극층(222) 상에 복합 전극층(226)을 형성하는 단계(S300)를 수행할 수 있다. 먼저, 고체 전해질(228) 및 활물질(224)을 혼합하여 제조할 수 있다. 추가적으로 고분자 바인더, 용매 및 도전재를 더 포함할 수 있다. 고체 전해질(228)과 활물질(224)의 무게 비는 50:50 내지 5:95를 포함할 수 있다. 즉, 상기 고체 전해질(228)의 무게 대비 상기 활물질(224)의 무게는 1배 내지 19배일 수 있다. 고분자 바인더와 도전재는 전체 전극 무게 기준 각각 5% 내로 사용될 수 있다. 용매는 이온 확산 기반 전극층 제조 방법과 동일하게 슬러리의 점도 조절을 위해 조정될 수 있다.Next, forming the composite electrode layer 226 on the ion diffusion-based electrode layer 222 (S300) may be performed. First, it may be prepared by mixing the solid electrolyte 228 and the active material 224. Additionally, a polymer binder, a solvent, and a conductive material may be further included. The weight ratio of the solid electrolyte 228 and the active material 224 may include 50:50 to 5:95. That is, the weight of the active material 224 compared to the weight of the solid electrolyte 228 may be 1 to 19 times. A polymer binder and a conductive material may be used within 5% of each based on the total weight of the electrode. The solvent may be adjusted to adjust the viscosity of the slurry in the same way as in the ion diffusion-based electrode layer preparation method.

고체 전해질(228)로 산화물계 소재를 사용할 경우, 고체 전해질(228)과 활물질(224) 사이에 계면 저항이 높기 때문에 복합 전극층(226)의 제조한 이후 열처리 공정을 수행하여 계면 저항을 감소시킬 수 있다. 열처리 공정은 200도 내지 1000도에서 선택되어 진행될 수 있다.When an oxide-based material is used as the solid electrolyte 228, since the interface resistance is high between the solid electrolyte 228 and the active material 224, the interface resistance can be reduced by performing a heat treatment process after manufacturing the composite electrode layer 226. there is. The heat treatment process may be performed by selecting from 200 degrees to 1000 degrees.

이어서, 이온 확산 기반 전극층(222)과 복합 전극층(226)을 가압하는 단계(S400)를 수행할 수 있다. 이온 확산 기반 전극층(222)와 복합 전극층(226)을 가압하는 압력은 100MPa 내지 700MPa 일 수 있으며, 300MPa 내지 600MPa의 압력이 가해질 수 있다.Subsequently, a step ( S400 ) of pressing the ion diffusion-based electrode layer 222 and the composite electrode layer 226 may be performed. A pressure for pressing the ion diffusion-based electrode layer 222 and the composite electrode layer 226 may be 100 MPa to 700 MPa, and a pressure of 300 MPa to 600 MPa may be applied.

단계(S400)는 활물질(224) 간, 활물질(224)과 고체 전해질(228) 간, 고체 전해질(228) 간 밀접한 계면 형성이 가능하여 이온의 이동이 원활하게 수행될 수 있다.In step S400, close interfaces can be formed between the active materials 224, between the active materials 224 and the solid electrolyte 228, and between the solid electrolytes 228, so that ions can move smoothly.

상기와 같이 단계(S400)를 마치면, 실시예에 따른 제1 전고체 전극층(200)의 제조를 완료할 수 있다.When step S400 is completed as described above, manufacturing of the first all-solid-state electrode layer 200 according to the embodiment may be completed.

이하에서는 실시예에 따른 전고체 전극층과 비교예에 따른 전고체 전극층의 특성을 비교한다.Hereinafter, characteristics of the all-solid-state electrode layer according to the embodiment and the all-solid-state electrode layer according to the comparative example are compared.

[실시예 1][Example 1]

실시예 1에서는 흑연 활물질을 기반으로 전고체 전극층을 제조하였다. 이온 확산 기반 전극층의 고분자 바인더로는 폴리불화비닐리덴을 메틸피롤리돈에 10wt% 녹여 사용하였다. 슬러리 내 흑연/폴리불화비닐리덴은 무게 비 기준 98:2로 구성되었다.In Example 1, an all-solid electrode layer was prepared based on a graphite active material. Polyvinylidene fluoride dissolved in 10 wt% of methylpyrrolidone was used as a polymer binder for the ion diffusion-based electrode layer. Graphite/polyvinylidene fluoride in the slurry consisted of 98:2 by weight.

또한, 슬러리의 균일한 혼합을 위해 탈포 믹서(Planetary Mixer)를 통해 1500rpm에서 20분간 혼합하였다. 여기에, 용매인 메틸피롤리돈을 추가적으로 넣어 슬러리의 점도를 조절하였으며, 슬러리의 점도는 500cP 이다.In addition, for uniform mixing of the slurry, it was mixed for 20 minutes at 1500 rpm through a defoaming mixer (Planetary Mixer). Here, the solvent methylpyrrolidone was additionally added to adjust the viscosity of the slurry, and the viscosity of the slurry was 500 cP.

이온 확산 기반 전극층의 두께는 닥터 블레이드의 도포 두께를 통해 조절하였으며, 100도 열풍 건조를 통해 메틸피롤리돈 용매를 제거하였다. 그 후, 이온 확산 기반 전극층 상에 복합 전극층을 제조하기 위한 슬러리 도포 공정을 진행하였다. 복합 전극층을 제조하기 위한 슬러리는 흑연/Li6PS5Cl/나이트릴-부타디엔이 무게 비 기준 59:39:2로 구성되었다. 용매로는 자일렌이 사용되었다. 복합 전극층은 이온 확산 기반 전극층의 도포 방법과 동일한 도포 방법을 사용하였다. 전고체 전극층 내 이온 확산 기반 전극층과 복합 전극층의 면적당 이론용량은 각각 2.32, 2.04mAh/cm2로, 전체 면적당 이론용량은 4.36mAh/cm2 이다. 활물질 간의 밀접한 계면 접촉을 위해서 400MPa로 가압하였다.The thickness of the ion diffusion-based electrode layer was adjusted through the application thickness of the doctor blade, and the methylpyrrolidone solvent was removed through 100 degree hot air drying. After that, a slurry coating process for preparing a composite electrode layer was performed on the ion diffusion-based electrode layer. The slurry for preparing the composite electrode layer was composed of graphite/Li 6 PS 5 Cl/nitrile-butadiene in a weight ratio of 59:39:2. Xylene was used as the solvent. The composite electrode layer used the same coating method as that of the ion diffusion-based electrode layer. The theoretical capacities per area of the ion diffusion-based electrode layer and the composite electrode layer in the all-solid electrode layer were 2.32 and 2.04 mAh/cm 2 , respectively, and the theoretical capacities per total area were 4.36 mAh/cm 2 . For intimate interfacial contact between the active materials, the pressure was applied at 400 MPa.

도 4는 실시예에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 5는 실시예에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 EDS 이미지이다.4 is an SEM image showing a cross-section of an all-solid-state electrode layer according to an embodiment, and FIG. 5 is an EDS image showing a cross-section of an all-solid-state electrode layer according to an embodiment.

도 4에 도시된 바와 같이, 전고체 전극층(200)은 2개의 층으로 이루어짐을 확인할 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 전고체 전극층(200)의 복합 전극 층 내에는 고체 전해질과 활물질의 구성 원소인 C, P, S, Cl가 고르게 검출된 것을 알 수 있다. 또한, 이온 확산 기반 전극층에는 활물질의 구성 원소인 C 만 검출된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4 , it can be confirmed that the all-solid electrode layer 200 is composed of two layers. In addition, as shown in FIG. 5, it can be seen that C, P, S, and Cl, which are constituent elements of the solid electrolyte and the active material, are evenly detected in the composite electrode layer of the all-solid electrode layer 200. In addition, it can be seen that only C, a constituent element of the active material, was detected in the ion diffusion-based electrode layer.

충방전 특성을 분석하기 위해, 반쪽 전지를 제조하였다. 반쪽 전지의 고체 전해질층으로는 Li6PS5Cl이 활용되었다. 즉, Li6PS5Cl 입자를 고르게 분산한 후, 400MPa로 가압하여, 펠렛(pellet) 형태로 제조하였다. 이후, 실시예의 전고체 전극층을 고체 전해질층의 한쪽 면에 붙인 후, 400MPa로 가압하여 일체화하였다. 고체 전해질층의 반대쪽 면에는 300μm의 리튬 금속이 대극으로 사용되었다.To analyze charge/discharge characteristics, half cells were prepared. Li 6 PS 5 Cl was used as the solid electrolyte layer of the half cell. That is, after uniformly dispersing the Li 6 PS 5 Cl particles, they were pressurized at 400 MPa to form pellets. Then, after attaching the all-solid electrode layer of Example to one side of the solid electrolyte layer, it was integrated by pressing at 400 MPa. On the opposite side of the solid electrolyte layer, 300 μm of lithium metal was used as a counter electrode.

전극층 성능 평가를 위해, 컷 오프(cut-off) 전압을 0.01V와 2V로 조절하여 진행하였다. 또한, 확산 속도 향상을 위해 60

Figure pat00003
반쪽 전지를 구동하여 충방전 결과를 측정하였다. 방전 조건은 정전류(constant current)/정전압(constant voltage) 조건으로 실시되었으며, 비교예와 동일한 방전 조건을 위해 정전압 과정은 정전류에서 소요되는 시간 대비 1/10 시간만 허용하여 진행되었다. 예를 들면, 10시간의 방전이 예상되는 0.1C-rate의 충방전율에서는 1시간 동안만 정전압 과정이 진행되었다. 충전 조건은 정전류 기반으로 2V까지 진행하는 것으로 하였다. 흑연의 이론용량인 372mAh/g을 기준으로 0.1C-rate의 충방전율, 1C-rate의 충방전율에서 각각 3회 평가를 진행하였다. For the electrode layer performance evaluation, the cut-off voltage was adjusted to 0.01V and 2V. In addition, 60
Figure pat00003
The half cell was driven to measure the charge/discharge result. The discharge condition was performed under a constant current/constant voltage condition, and for the same discharge condition as the comparative example, the constant voltage process was performed by allowing only 1/10 of the time required for the constant current. For example, at a charge/discharge rate of 0.1 C-rate where a discharge of 10 hours is expected, a constant voltage process was performed for only 1 hour. The charging condition was to proceed up to 2V based on a constant current. Based on the theoretical capacity of graphite, 372mAh/g, evaluation was conducted three times at a charge/discharge rate of 0.1C-rate and a charge/discharge rate of 1C-rate, respectively.

[비교예 1][Comparative Example 1]

비교예 1에서는 면적당 이론 용량이 3.98mAh/cm2를 가지는 복합 전극층을 제조하였다. 복합 전극층의 제조법은 실시예 1에서의 복합 전극층을 제조하는 방법과 동일하게 수행되었으며, 실시예 1과 동일한 조건에서 충방전 평가가 진행되었다. In Comparative Example 1, a composite electrode layer having a theoretical capacity per area of 3.98 mAh/cm 2 was prepared. The manufacturing method of the composite electrode layer was performed in the same manner as the manufacturing method of the composite electrode layer in Example 1, and the charge/discharge evaluation was conducted under the same conditions as in Example 1.

[비교예 2][Comparative Example 2]

비교예 2에서는 면적당 이론용량이 4.20mAh/cm2를 가지는 이온 확산 기반 전극층을 제조하였다. 이온 확산 기반 전극층의 제조법은 실시예 1의 이온 확산 기반 전극층을 제조하는 방법과 동일하며, 실시예 1과 동일한 조건에서 충방전 평가가 진행되었다.In Comparative Example 2, an ion diffusion-based electrode layer having a theoretical capacity per area of 4.20 mAh/cm 2 was prepared. The manufacturing method of the ion diffusion-based electrode layer is the same as the manufacturing method of the ion diffusion-based electrode layer of Example 1, and the charge/discharge evaluation was performed under the same conditions as in Example 1.

[실시예 2][Example 2]

실시예 2에서는 실리콘과 흑연 활물질을 기반으로 복합 전극층을 제조하였다. 실리콘은 3579 mAh/g의 높은 이론 용량을 가지는 소재로, 고밀도 이차전지 구현에 유리하다. 이온 확산 기반 전극층은 실시예 1과 동일한 방법으로 제조되었으며, 복합 전극층에 실리콘 활물질을 활용하였다. 복합 전극층의 제조용 슬러리는 실리콘/Li6PS5Cl/나이트릴-부타디엔이 무게 비 기준 49:49:2로 구성되었으며, 실시예1과 동일하게 이온 확산 기반 전극층 상에 도포되었다. 제조된 전고체 전극층 내 이온 확산 기반 전극층과 복합 전극층의 면적당 이론용량은 각각 2.42, 5.53mAh/cm2로, 전체 면적당 이론용량은 6.26mAh/cm2 이었다. 활물질 간의 밀접한 계면 접촉을 위해서 400MPa로 가압하였다.In Example 2, a composite electrode layer was prepared based on silicon and graphite active materials. Silicon is a material having a high theoretical capacity of 3579 mAh/g, and is advantageous for realizing a high-density secondary battery. An ion diffusion-based electrode layer was prepared in the same manner as in Example 1, and a silicon active material was used for the composite electrode layer. The slurry for preparing the composite electrode layer was composed of silicon/Li 6 PS 5 Cl/nitrile-butadiene in a weight ratio of 49:49:2, and was applied on the ion diffusion-based electrode layer in the same manner as in Example 1. The theoretical capacities per area of the ion diffusion-based electrode layer and the composite electrode layer in the prepared all-solid electrode layer were 2.42 and 5.53 mAh/cm 2 , respectively, and the theoretical capacities per total area were 6.26 mAh/cm 2 . For intimate interfacial contact between the active materials, the pressure was applied at 400 MPa.

도 6은 실시예 2에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 7은 실시예 2에 따른 전고체 전극층의 단면을 나타낸 EDS 이미지이다.6 is an SEM image showing a cross section of an all-solid-state electrode layer according to Example 2, and FIG. 7 is an EDS image showing a cross section of the all-solid-state electrode layer according to Example 2.

도 6에 도시된 바와 같이, 실시예 2에 따른 전고체 전극층은 2개의 층으로 이루어짐을 확인할 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 전고체 전극층과 같이 Si와 C가 분리되어 분포된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be confirmed that the all-solid electrode layer according to Example 2 is composed of two layers. In addition, as shown in FIG. 7, it can be seen that Si and C are separated and distributed like the all-solid electrode layer of Example 1.

도 8은 실시예 1에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 비교예 1에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이고, 도 10은 비교예 2에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 실시예 1와 비교예 1,2에 대한 부피당 용량을 비교한 도면이고, 도 12는 실시예 2에 따른 전고체 전극층을 구비하는 전고체 이차전지의 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Example 1, and FIG. 9 is a graph showing the charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Comparative Example 1. 10 is a graph showing the charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Comparative Example 2, and FIG. 11 is a comparison of capacity per volume for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 12 is a graph showing charging and discharging results of an all-solid-state secondary battery having an all-solid-state electrode layer according to Example 2.

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 0.1C-rate의 충방전율의 충방전 평가 결과, 모두 300mAh/g이상의 용량을 구현하였음을 알 수 있다. 실시예 1의 전고체 전극층은 높은 로딩량에도 불구하고, 350mAh/g이상의 용량을 구현하였다.As shown in FIGS. 8 to 10 , as a result of the charge/discharge evaluation of the charge/discharge rate of 0.1 C-rate in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, it can be seen that all of them implemented a capacity of 300 mAh/g or more. The all-solid-state electrode layer of Example 1 realized a capacity of 350 mAh/g or more despite a high loading amount.

도 11에 도시된 바와 같이, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 부피당 구현용량은 0.1C-rate의 충방전율에서는 이온 확산 기반 전극층과 복합 전극층이 적층된 실시예 1의 전고체 전극층은 529.1mAh/cm3로 이온 확산 기반 전극층의 562.7mAh/cm3보다 다소 낮지만, 1C-rate의 충방전율에서 전고체 전극층은 308.8mAh/cm3를 구현하여 다른 전극층(복합 전극층: 237.3mAh/cm3, 이온 확산 기반 전극층: 231.7mAh/cm3) 대비 우수한 성능을 보였다. 이를 통해 실시예 1의 전고체 전극층의 경우, 낮은 율속의 충방전에서는 복합 전극 대비 높은 성능을 구현할 수 있으며, 높은 율속의 충방전에서는 다른 전극 구조 대비 우수한 출력 특성을 보일 수 있음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 11, the implemented capacity per volume of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 is the all-solid electrode layer of Example 1 in which the ion diffusion-based electrode layer and the composite electrode layer are laminated at a charge/discharge rate of 0.1 C-rate. At 529.1mAh/cm 3 , it is slightly lower than the 562.7mAh/cm 3 of the ion diffusion-based electrode layer, but at a charge/discharge rate of 1C-rate, the all-solid-state electrode layer implements 308.8mAh/cm 3 , compared to other electrode layers (composite electrode layer: 237.3mAh/cm). 3 , ion diffusion-based electrode layer: 231.7mAh/cm 3 ) showed excellent performance. Through this, in the case of the all-solid-state electrode layer of Example 1, it can be confirmed that high performance can be implemented compared to the composite electrode at low rate charging and discharging, and excellent output characteristics can be exhibited compared to other electrode structures at high rate charging and discharging.

도 12에 도시된 바와 같이, 실시예 2의 경우, 높은 이론용량을 가지는 실리콘을 복합 전극층에 활용하여 보다 높은 면적당 용량 구현이 가능하였다. 도 13에서 확인할 수 있는 것과 같이 5.83mAh/cm2의 면적당 용량이 구현되었으며, 이를 도 11의 전극 두께로 환산하면 1300mAh/cm3의 부피당 용량에 해당됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 12 , in the case of Example 2, it was possible to realize a higher area capacity by using silicon having a high theoretical capacity for the composite electrode layer. As can be seen in FIG. 13, an area capacity of 5.83 mAh/cm 2 was implemented, and when converted to the electrode thickness of FIG. 11, it can be seen that this corresponds to a capacity per volume of 1300 mAh/cm 3 .

이상에서와 같이 본 발명에 따른 전고체 전극층은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.As described above, the all-solid-state electrode layer according to the present invention is not limited to the configuration and method of the embodiments described above, but all or part of each embodiment so that various modifications can be made in the above embodiments. May be configured by selectively combining.

100: 제1 집전체층
200: 제1 전고체 전극층
222: 이온 확산 기반 전극층
226: 복합 전극층
300: 고체 전해질층
400: 제2 전고체 전극층
500: 제2 집전체층
100: first collector layer
200: first all-solid electrode layer
222: ion diffusion based electrode layer
226: composite electrode layer
300: solid electrolyte layer
400: second all-solid electrode layer
500: second collector layer

Claims (1)

이온 확산 기반 전극층; 및
상기 이온 확산 기반 전극층 상에 적층되며, 고체 전해질 및 활물질을 포함하는 복합 전극층;
을 포함하는 전고체 전극층.
an ion diffusion based electrode layer; and
a composite electrode layer laminated on the ion diffusion-based electrode layer and including a solid electrolyte and an active material;
All-solid electrode layer comprising a.
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