KR20230098397A - 내구성이 개선된 전고체전지 - Google Patents

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KR20230098397A
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Abstract

리튬(Li)의 불균일 성장으로 인한 석출을 방지하여 내구성이 개선된 전고체전지에 관한 것으로써, 일 구현예에 따른 전고체 전지는, 음극의 상측부에 배치되어, 고체전해질층의 측부와 접하는 엣지부를 포함하므로 기존의 전고체전지에서 불균일하게 석출될 수 있는 불균일 리튬, 특히 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 석출될 수 있는 불균일 리튬을 억제할 수 있는 특징이 있다.

Description

내구성이 개선된 전고체전지{All-solid-state battery with improved durability}
리튬(Li)의 불균일 성장으로 인한 석출을 방지하여 내구성이 개선된 전고체전지에 관한 것이다.
전고체전지는 양극 집전체에 접합된 양극 복합층과 음극 집전체에 접합된 음극 복합층, 그리고 양극 복합층과 음극 복합층 사이에 고체 전해질이 배치된 3단 적층체로 구성되어 있다.
일반적으로 전고체전지 음극층을 활물질(흑연)과 고체전해질 복합 형태로 사용하는 것은 음극층 내의 이온전도도를 확보하기 위함이다. 그러나 이로 인해 리튬이온전지(Lithum Ion Battery; LIB) 전해액 대비 비중이 큰 고상전해질이 음극 내 활물질 비율을 저감시키게 되어 결과적으로 전고체전지의 에너지밀도는 LIB보다 낮아지는 문제점이 있다.
위의 문제를 극복하고 전고체전지의 에너지밀도를 향상시키기 위해 최근 금속 리튬을 적용하는 연구도 진행되고 있다. 그러나 계면 접합, 덴드라이트 성장 등의 연구적 기술 문제부터 가격, 대면적화 등의 산업적 기술 문제까지 상용화를 위해 극복해야 할 장애물이 많이 존재하고 있다.
최근에는 음극을 삭제하고 Li을 음극 집전체쪽에 직접 석출시키는 저장형 전지 방식의 Anodeless 타입 전지에 대한 연구도 진행되고 있으나, 이러한 방식의 저장형 전지는 Li의 불균일 석출로 인한 비가역성 반응이 점점 증가하여 매우 좋지 못한 내구 특성을 보이는 문제점이 존재하였다.
대한민국 공개특허공보 제10-2020-0129382호
상기 문제를 해결하기 위한 목적은 다음과 같다.
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치한 고체전해질층을 포함하는 전고체전지에 있어서, 음극의 상측부에 배치되어, 고체전해질층의 측부와 접하는 엣지부를 포함하고, 상기 음극의 상측부는 고체전해질층과 음극이 접하지 않는 부분인 것을 특징으로 하는 전고체 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지는 음극층; 상기 음극층 상에 위치하고 고체전해질을 포함하는 고체전해질층; 및 상기 고체전해질층 상에 위치하는 양극층;을 포함하고, 상기 고체전해질층의 측면에 위치하고 상기 고체전해질층에 비해 리튬이온 전도도가 낮은 엣지부;를 포함할 수 있다.
상기 음극층은 음극 집전체층; 및 상기 음극 집전체 상에 위치하고 탄소재 및 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속을 포함하는 복합층;을 포함할 수 있다.
상기 금속은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 고체전해질층은 그 면적이 상기 음극층에 비해 좁고, 상기 고체전해질층의 측면과 상기 음극층의 일면에 의해 구획되는 공간에 상기 엣지부가 위치할 수 있다.
상기 엣지부의 리튬이온 전도도는 상기 고체전해질층의 리튬이온 전도도의 0.5% 내지 30%일 수 있다.
상기 엣지부는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoro ethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 양극층은 그 면적이 상기 고체전해질층에 비해 넓고, 상기 양극층의 가장자리부가 상기 엣지부와 접하는 것일 수 있다.
상기 양극층의 가장자리부의 면적은 상기 양극층의 전체 면적의 10% 이하일 수 있다.
상기 복합층의 두께는 30㎛ 이하일 수 있다.
상기 고체전해질층의 두께는 50㎛ 이하일 수 있다.
상기 전고체 전지는 전류밀도가 6.5mAh/cm2 이하인 것일 수 있다.
일 구현예에 따른 전고체 전지는, 음극층의 상측부에 배치되어, 고체전해질층의 측부와 접하는 엣지부를 포함하므로 기존의 전고체전지에서 불균일하게 석출될 수 있는 불균일 리튬, 특히 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 석출될 수 있는 불균일 리튬을 억제할 수 있는 특징이 있다.
도 1은 충방전 전후의 종래 전고체 전지의 단면도이다.
도 2는 충방전 전후의 종래 기능층이 삽입된 종래 전고체 전지의 단면도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 전고체전지의 단면도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 전고체 전지 내 양극과 고체전해질층, 그리고 엣지부를 확대한 단면도이다.
도 5는 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따른 전고체전지의 셀 성능 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 실시예 1에 따른 전고체전지(도 6a), 및 비교예 1에 따른 전고체전지(도 6b)의 충방전 후의 리튬석출여부를 확인할 수 있는 단면도이다.
이상의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
도 1은 충방전 전후의 종래 전고체 전지의 단면도이다. 이를 참고하면, 충방전 시 리튬이 음극 쪽에 석출되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 종래 전고체전지는 충방전이 수행됨에 따라 석출되는 리튬이 고체전해질과 접촉하여 부반응 발생할 수 있고 이에 따라 전고체전지의 전반적인 성능 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
도 2는 충방전 전후의 종래 기능층이 삽입된 종래 전고체 전지의 단면도이다. 이를 참고하면, 기능층의 도입으로 리튬과 고체전해질의 직접 접촉을 방지할 수 있고, 기능층의 리튬 이동 보조 역할로 인해 석출 리튬 방향이 집전체쪽으로 제어되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 리튬이 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 석출 및 성장하는 문제 발생할 수 있다. 이는, 리튬이 석출되는 모서리 부분은 고체/기상 간 계면을 형성하여 고체/고체 계면을 갖는 내부 대비 표면 에너지가 상대적으로 큰데, 이때 리튬이 석출될 경우, 열역학적으로 높은 표면 에너지를 안정시키기 위해 석출되는 리튬이 모서리 방향으로 성장하는 것이다. 이에 따라, 종래 전구체 전지가 기능층을 삽입하더라도, 전고체전지의 내구성, 및 효율 저하되거나 단락 유발될 수 있는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치한 고체전해질층을 포함하는 전고체전지에 있어서, 음극의 상측부에 배치되어, 고체전해질층의 측부와 접하는 엣지부를 포함하는 전고체전지의 경우, 기존의 전고체전지에서 불균일하게 석출될 수 있는 불균일 리튬, 특히 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 석출될 수 있는 불균일 리튬을 억제할 수 있는 특징을 확인하고 이를 완성하였다.
도 3은 일 구현예에 따른 전고체 전지(1)의 단면도이다. 이를 참고하면, 상기 전고체 전지(1)는 양극층(10), 음극층(20), 및 상기 양극층(10)과 음극층(20) 사이에 위치한 고체전해질층(30)을 포함하고, 상기 고체전해질층(30)의 층면에 위치하는 엣지부(40)를 포함할 수 있다.
상기 양극층(10)은 전고체전지에서 사용할 수 있는 통상의 양극을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 양극활물질, 고체전해질, 및 도전재 등을 포함할 수 있다.
상기 양극층(10) 상에는 양극 집전체층(미도시)이 위치할 수 있다. 상기 양극 집전체층은 알루미늄 호일, SUS 호일(SUS foil), 프라이머-코팅된 포일(Primer-coated foil), 프라이머-처리된 포일(primer-treated foil), 또는 펀칭 포일(Punching foil) 등일 수 있다.
상기 양극활물질은 전고체전지에서 사용할 수 있는 통상의 양극활물질로써, 산화물 활물질 또는 황화물 활물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 활물질은 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiVO2, Li1 + xNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2 등의 암염층형 활물질, LiMn2O4, Li(Ni0.5Mn1.5)O4 등의 스피넬형 활물질, LiNiVO4, LiCoVO4 등의 역스피넬형 활물질, LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4, LiNiPO4 등의 올리빈형 활물질, Li2FeSiO4, Li2MnSiO4 등의 규소 함유 활물질, LiNi0 . 8Co(0.2-x)AlxO2(0＜x＜0.2)과 같이 천이 금속의 일부를 이종 금속으로 치환한 암염층형형 활물질, Li1 + xMn2 -x- yMyO4(M은 Al, Mg, Co, Fe, Ni, Zn 중 적어도 일종이며 0＜x+y＜2)와 같이 천이 금속의 일부를 이종 금속으로 치환한 스피넬형 활물질, Li4Ti5O12 등의 티탄산 리튬일 수 있다. 또한, 상기 황화물 활물질은 구리 쉐브렐, 황화철, 황화 코발트, 황화 니켈 등일 수 있다.
상기 고체전해질은 리튬이온의 전도를 담당하는 구성으로서, 산화물계 고체전해질 또는 황화물계 고체전해질일 수 있다. 다만, 리튬이온 전도도가 높은 황화물계 고체전해질을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 고체전해질은 하기 화학식 1에 따른 고체전해질일 수 있다.
[화학식 1]
LaMbPcSdXe
(상기 화학식 1에서, L은 알칼리 금속들로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소이고, M은 B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소이고, X는 F, Cl, Br, I 및 O로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 원소이고, 0≤a≤12이고, 0≤b≤6이고, 0≤c≤6이고, 0≤d≤12이고, 0≤e≤9임)
더 바람직하게는, Li6PS5Cl, Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiI, Li2S-P2S5-LiCl, Li2S-P2S5-LiBr, 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(단, m, n는 양의 수, Z는 Ge, Zn, Ga 중 하나), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LixMOy(단, x, y는 양의 수, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga, In 중 하나), Li10GeP2S12 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 전기전도성 향상을 위해 도전재를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 카본블랙(Carbon black), 전도성 흑연(Conducting graphite), 에틸렌 블랙(Ethylene black), 그래핀(Graphene) 등을 포함할 수 있다.
상기 음극층(20)은 음극 집전체층(21) 및 상기 음극 집전체층(21) 상에 위치하는 복합층(22)을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체층(21)은 구리 포일, 또는 니켈 포일 등일 수 있다.
상기 복합층(22)은 탄소재 및 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속을 포함할 수 있다.
상기 탄소재는 카본블랙 및 CNT로 이루어진 군으로 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 고체전해질층(30)은 리튬이온 전도도가 높은 황화물계 고체전해질을 포함할 수 있다. 상기 황화물계 고체전해질은 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiI, Li2S-P2S5-LiCl, Li2S-P2S5-LiBr, 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(단, m, n는 양의 수, Z는 Ge, Zn, Ga 중 하나), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LixMOy(단, x, y는 양의 수, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga, In 중 하나), Li10GeP2S12 등을 포함할 수 있다.
상기 고체전해질층(30)은 그 면적이 상기 음극층(20)에 비해 좁은 것일 수 있다. 상기 고체전해질층(30)의 측면과 상기 음극층(20)의 상기 고체전해질층(30) 측의 일면에 의해 구획되는 공간에 상기 엣지부(40)가 위치할 수 있다.
특히, 상기 엣지부(40)는 고체전해질층보다 리튬이온 전도도가 낮은 것이 특징이다. 이를 통해, 가장자리 부분에 형성되는 고체/기체상 간 계면의 표면 에너지를 낮춰 가장자리 방향(바깥방향)으로 리튬이 성장하는 거동을 낮춰 리튬이 불균일하게 석출되는 것을 억제할 수 있다. 특히, 음극층(20)과 고체전해질층(30) 사이에서 가장자리 방향으로 석출될 수 있는 불균일 리튬을 억제할 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 엣지부(40)의 리튬이온 전도도는, 고체전해질층(30)의 리튬이온 전도도의 0.5% 내지 30%일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 엣지부(40)의 리튬이온 전도도가 너무 낮으면 이온성 전도체/부도체 계면에서 리튬 석출이 발생되는 단점이 있고, 엣지부(40)의 리튬이온 전도도가 너무 높으면 기존처럼 가장자리 부분으로 리튬이 석출 성장하는 단점이 있다.
도 4는 일 구현예에 따른 전고체 전지(1) 내 양극층(10)과 고체전해질층(30), 그리고 엣지부(40)를 확대한 단면도이다. 이를 참고하면, 상기 양극층(10)은 그 면적이 상기 고체전해질층(30)에 비해 넓고, 상기 양극층(10)의 가장자리부가 상기 엣지부(40)와 접할 수 있다.
상기 양극층(10)의 전체 면적 중 상기 양극층(10)이 상기 엣지부(40)와 접하는 가장자리부의 면적은 약 10% 이하, 또는 5% 이하, 또는 3% 이하, 또는 1% 이하일 수 있다. 상기 엣지부(40)와 양극층(10)이 접하는 부분이 너무 짧으면 가장자리측으로 리튬 석출되는 단점이 있고, 반대로 위 부분이 너무 길면 음극층(20)과 고체전해질층(30)의 계면에 리튬이 석출될 가능성이 높아 석출된 리튬이 고체전해질층(30)과 접촉 및 부반응이 발생하여 전고체전지의 성능이 저하되는 단점이 있다.
이에 제한되지 않지만 상기 양극층(10)의 가장자리부는 상기 양극층(10)의 측단부로부터 중심부를 향해 약 3mm까지의 공간을 의미할 수 있다.
또한, 일 구현예에 따른 전고체전지를 충방전시켰을 경우, 석출될 수 있는 리튬에 영향을 줄 수 있는 복합층(22), 고체전해질층(30)의 두께 등을 조절할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 복합층(22)의 두께는 30μm 이하일 수 있고, 바람직하게는, 5μm 내지 20μm일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 복합층(22)의 두께가 너무 얇으면 충방전 중 복합층(22)의 부피 팽창으로 크랙이 생기며 내구가 불안정해지는 단점이 있고, 복합층(22)의 두께가 너무 두꺼우면 에너지 밀도가 낮아지는 단점이 있다.
일 실시예에 따른 고체전해질층(30)의 두께는 50μm 이하일 수 있고, 바람직하게는, 30μm 내지 50μm일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 고체전해질층(30)의 두께가 너무 얇으면 충방전 중 복합층(22)의 부피 팽창으로 전해질 크랙이 발생하여 내구가 급락하는 단점이 있고, 고체전해질층(30)의 두께가 너무 두꺼우면 에너지 밀도가 낮아지는 단점이 있다.
또한, 리튬 석출 거동에 영향을 줄 수 있는 전체적인 이용량의 조절을 통해 석출될 수 있는 리튬을 조절할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 전고체 전지의 전류밀도는 6.5mAh/cm2 이하일 수 있고, 바람직하게는, 2 mAh/cm2 내지 6.5 mAh/cm2일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 전류밀도가 너무 낮으면 에너지 밀도가 낮은 단점이 있고, 전류밀도가 너무 높으면 양극층(10)의 저항 증가로 셀 내부 저항이 높아지는 단점이 있다.
즉, 일 구현예에 따른 전고체전지는 상기 특성을 만족하는 엣지부(40)가 고체전해질층(30)의 측부와 접하도록 음극층(20)의 상측부에 배치되어 있고, 추가적으로 복합층(22) 등의 두께 조절 등을 통해 기존의 전고체전지에서 불균일하게 석출될 수 있는 불균일 리튬, 특히 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 석출될 수 있는 불균일 리튬을 억제할 수 있는 특징이 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 전고체전지 제조
양극층은 양극활물질로 NCM을 포함한다.
또한, 음극층은 음극 집전체 상에 Ag를 포함하는 복합층을 포함한다. 상기 복합층의 두께는 10um이다.
또한, 고체전해질층으로 하기 표 1에 따른 조성으로 고체전해질 조성물을 준비한 다음, 이를 이용하여 슬러리를 하기 표 1과 같이 준비한 후, 결과적으로 하기 표 1과 같은 리튬이온 전도도를 갖고, 두께가 50um인 고체전해질층을 준비하였다.
이때, 고체전해질은 Li6PS5Br0 . 5Cl0 . 5 였고, 분산제는 LPN22980 였으며, 용매는 헥실 부티레이트 였다.
또한, 엣지부를 하기 표 1과 같이 조성물을 준비하고, 이를 표 1과 같이 슬러리를 준비한 다음, 결과적으로, 하기 표 1과 같은 리튬이온 전도도를 갖는 엣지부를 준비하였다.
비교예 1 : 전고체전지 제조
실시예 1과 비교했을 때,
엣지부를 부도체로 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전고체전지를 제조하였다.
비교예 2 : 전고체전지 제조
실시예 1과 비교했을 때,
엣지부를 포함시키지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 전고체전지를 제조하였다.
구분 고체전해질층 실시예 1
(엣지부)		 비교예 1
(엣지부)
조성물 고체전해질
조성물		 고체전해질 (%) 95.86% 95.86% -
바인더 (%) 3.84% 3.84% -
분산제 (%) 0.30% 0.30% -
용매 수분량 (ppm) 20 500 -
슬러리 설계 고형분 (%) 56.31 56.31 -
D50 (㎛) 2.99 2.99 -
Width 4.7 4.7 -
고체전해질층 수분 (ppm) 0 9487 -
이온전도도 (mS/cm) 2.09 0.715 -
험예 1 : 전고체전지의 셀 성능 분석
실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 따라 전고체전지를 제조한 후, 셀 성능을 분석하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5을 참고하면, 비교예 2에 따른 전고체전지는 쇼트(Short)가 발생하여상대적으로 셀 성능이 저하된 것을 확인할 수 있는 반면, 실시예 1에 따른 전고체전지의 셀 성능이 향상 및 개선됨을 확인할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 실시예 1에 따른 전고체전지(도 6a), 및 비교예 1에 따른 전고체전지(도 6b)의 충방전 후의 리튬석출여부를 확인할 수 있는 단면도이다.
도 6a를 참고하면, 실시예 1에 따른 전고체전지는 고체전해질층의 이온전도도보다 대략 1/3 낮은 엣지부를 음극층의 상측부에 배치시킴으로써 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 석출될 수 있는 불균일 리튬을 억제시킬 수 있으므로 결과적으로 셀 성능이 향상 및 개선된 것임을 확인할 수 있었다.
반면, 도 6b를 참고하면, 비교예 1에 따른 전고체전지는 부도체인 엣지부를 음극의 상측부에 배치시키더라도, 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 불균일 리튬이 석출됨으로써 실시예 1의 전고체전지에 비해 셀 성능이 저하됨을 확인할 수 있었다.
즉, 일 구현예에 따른 전고체전지는 음극층의 상측부에 배치되어, 고체전해질층의 측부와 접하는 엣지부를 포함하고, 특히 상기 엣지부는 리튬이온 전도도, 및 엣지부와 양극의 하측부와 접하는 부분의 길이 등 구체적인 특성을 만족하는 것을 특징으로 하는바, 기존의 전고체전지에서 불균일하게 석출될 수 있는 불균일 리튬, 특히 전극과 고체전해질층 사이 모서리방향으로 석출될 수 있는 불균일 리튬을 억제할 수 있는 특징이 있다.
1 : 전고체전지
10 : 양극층, 20 : 음극층, 21: 음극 집전체층, 22: 복합층,
30 : 고체전해질, 40 : 엣지부

Claims (11)

  1. 음극층;
    상기 음극층 상에 위치하고 고체전해질을 포함하는 고체전해질층; 및
    상기 고체전해질층 상에 위치하는 양극층;을 포함하고,
    상기 고체전해질층의 측면에 위치하고 상기 고체전해질층에 비해 리튬이온 전도도가 낮은 엣지부;를 포함하는 전고체 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극층은
    음극 집전체층; 및 상기 음극 집전체 상에 위치하고 탄소재 및 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속을 포함하는 복합층;을 포함하는 전고체 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 은(Ag), 알루미늄(Al), 비스무스(Bi), 주석(Sn), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 전고체 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고체전해질층은 그 면적이 상기 음극층에 비해 좁고, 상기 고체전해질층의 측면과 상기 음극층의 일면에 의해 구획되는 공간에 상기 엣지부가 위치하는 전고체 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엣지부의 리튬이온 전도도는 상기 고체전해질층의 리튬이온 전도도의 0.5% 내지 30%인 전고체 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엣지부는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoro ethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 전고체 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양극층은 그 면적이 상기 고체전해질층에 비해 넓고, 상기 양극층의 가장자리부가 상기 엣지부와 접하는 것인 전고체 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 양극층의 가장자리부의 면적은 상기 양극층의 전체 면적의 10% 이하인 전고체 전지.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 복합층의 두께는 30μm 이하인 것인 전고체 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고체전해질층의 두께는 50μm 이하인 것인 전고체 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    전류밀도는 6.5mAh/cm2 이하인 것인 전고체 전지.
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