KR20230099910A - MANUFACTURING METHOD OF HYBRID TYPE LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3 AND LLZ(Li7La3Zr2O12) FOR ALL SOLID BATTERY USING WET/DRYING MILLING METHOD - Google Patents

MANUFACTURING METHOD OF HYBRID TYPE LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3 AND LLZ(Li7La3Zr2O12) FOR ALL SOLID BATTERY USING WET/DRYING MILLING METHOD Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정성 측면에서 궁극적인 기술개발 목표인 전고체전지, 특히 전고체 전지의 핵심 기술인 고체전해질 제조에 관한 것으로서 자세하게는 기존에 사용되는 nasicon(na super-ionic conductor, β-alumina, na3zr2si2po12, nazr2(po4)3) 혹은 ltap(li1.5ti1.5al0.5(po4)3) 혹은 가넷구조를 (garnet structure) 대체할 수 있는 ltap(li1.5ti1.5al0.5(po4)3)/llz(li7la3zr2o12) 하이브리드 고체산화물 전해질 제조에 관한 것이다. The present invention relates to an all-solid-state battery, which is the ultimate technology development goal in terms of stability, and particularly to the manufacture of a solid electrolyte, which is a core technology of all-solid-state batteries. (po4)3) or ltap (li1.5ti1.5al0.5 (po4)3) or ltap (li1.5ti1.5al0.5 (po4)3) / llz (li7la3zr2o12 that can replace the garnet structure) ) to prepare a hybrid solid oxide electrolyte.

Description

습/건식 반응법을 이용한 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12) 하이브리드 고체산화물 전해질 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD OF HYBRID TYPE LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3 AND LLZ(Li7La3Zr2O12) FOR ALL SOLID BATTERY USING WET/DRYING MILLING METHOD}Manufacturing method of LTAP (Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12) hybrid solid oxide electrolyte using wet/dry reaction method {MANUFACTURING METHOD OF HYBRID TYPE LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3 AND LLZ(Li7La3Zr2O12) FOR ALL SOLID BATTERY USING WET/DRYING MILLING METHOD}

본 발명은 안정성 측면에서 궁극적인 기술개발 목표인 전고체전지, 특히 전고체 전지의 핵심 기술인 고체전해질 제조에 관한 것으로서 자세하게는 기존에 사용되는 NASICON(Na super-ionic conductor, β-alumina, Na3Zr2Si2PO12, NaZr2(PO4)3) 혹은 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3) 혹은 가넷구조를(Garnet structure) 대체할 수 있는 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3)/LLZ(Li7La3Zr2O12) 하이브리드 고체산화물 전해질 제조에 관한 것이다.The present invention relates to an all-solid-state battery, which is the ultimate technology development goal in terms of stability, and in particular to the manufacture of a solid electrolyte, which is a core technology of all-solid-state batteries. 2 Si 2 PO 12 , NaZr 2 (PO 4 ) 3 ) or LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) or LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 ( It relates to the preparation of a PO 4 ) 3 )/LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) hybrid solid oxide electrolyte.

전고체 이차전지(All-Solid-State Battery)는 이상에서 설명한 전지의 구성요소 가운데 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것을 말한다. 이렇게 되면 전극과 전해질등 모든 전지의 요소가 고체이기 때문에 명실상부한 전고체 전지가 된다. 전해질의 형태에 따라 고분자 전해질을 사용하는 경우와 세라믹 전해질을 사용하는 경우가 있는데, 고체 전해질을 사용하면 안전성, 고에너지 밀도, 고출력, 장수명 등 전지의 성능 관점에서 유리하고, 제조공정의 단순화, 전지의 대형화/콤펙트화 및 저가화 등의 관점에서도 유리한 것으로 알려지면서 최근 관심이 고조되고 있다. 리튬이온전도성 고체전해질 후보 소재 중 페로브스카이트 구조의 Li3xLal/3-2xTiO3 (LLTO) 소재는 기계적 강도 및 대기 중 화학적 안정성이 우수하여 전해질 제작이 용이한 장점이 있다. 일반적으로 LLTO 소재는 1x10-3 S/cm 수준의 높은 bulk (grain/domain 내부) 전도도를 보이지만, 매우 높은 계면저항으로 인하여 total 전도도가 저하되는 문제가 있다. LLZO는 열처리 온도에 따라서 정방정계(tetragonal phase) 구조 또는 입방계(cubic phase) 구조를 가지는데, 입방 구조가 10-4 S/cm 이상의 이온전도도를 보여주는 반면, 정방정계 구조는 ~10-6 S/cm 정도의 전도도를 가지는 것으로 보고되어 있다. 한편, 산화물 계열은 물질 안정성은 높지만, 이온 전도율이 낮다. 고온의 열처리 공정이 필수적이라는 것도 단점이다. 폴리머 계열은 우리가 이미 쓰고 있는 리튬폴리머전지 기술을 바탕으로 한다는 장점이 있다. Bosch의 SEEO가 폴리머 계열 고체 전해질(DryLyte)를 개발했다. 황화물 계열은 이온 전도율이 높고, 온도 변화에도 안정적이며, 리튬 금속(음극재)과도 안정적이다. 황(S)이 포함되어 있어 수분과 산소에 취약한 것이 문제지만, 황화물 계열 고체 전해질은 많은 장점으로 인해 양산에 가장 앞서 있다. Toyota, Murata(Sony 인수), 도쿄공업대 등 일본에서 황화물 계열 연구가 활발히 진행되고 있는 현실이다.An all-solid-state secondary battery refers to a battery in which a liquid electrolyte is replaced with a solid electrolyte among the battery components described above. In this case, since all elements of the battery, such as electrodes and electrolytes, are solid, it becomes an all-solid-state battery in name and reality. Depending on the type of electrolyte, a polymer electrolyte or a ceramic electrolyte may be used. Using a solid electrolyte is advantageous in terms of battery performance such as safety, high energy density, high power, and long lifespan, and simplification of the manufacturing process, battery Interest is rising recently as it is known to be advantageous from the viewpoints of large/compact and low cost. Among lithium ion conductive solid electrolyte candidate materials, the perovskite structure of Li 3x Lal/ 3-2x TiO 3 (LLTO) material has excellent mechanical strength and chemical stability in the air, so it is easy to manufacture the electrolyte. In general, LLTO materials show high bulk (grain/domain internal) conductivity of the level of 1x10 -3 S/cm, but there is a problem in that total conductivity is lowered due to very high interfacial resistance. LLZO has a tetragonal phase structure or a cubic phase structure depending on the heat treatment temperature. The cubic structure shows an ionic conductivity of 10 -4 S/cm or more, while the tetragonal structure shows ~10 -6 S It has been reported to have a conductivity of the order of /cm. On the other hand, oxide-based materials have high material stability, but low ionic conductivity. Another disadvantage is that a high-temperature heat treatment process is essential. The polymer series has the advantage of being based on the lithium polymer battery technology that we are already using. Bosch's SEEO has developed a polymer-based solid electrolyte (DryLyte). The sulfide series has high ionic conductivity, is stable against temperature changes, and is also stable with lithium metal (cathode material). Sulfur (S) is included, so it is a problem that it is vulnerable to moisture and oxygen, but sulfide-based solid electrolytes are most advanced in mass production due to many advantages. Sulfide-related research is being actively conducted in Japan, such as Toyota, Murata (acquired by Sony), and Tokyo Institute of Technology.

본 발명의 일측면은 하이브리드 타입의 전고체 전지용 고체 전해질 분말에 관한 것으로서, 기존 NASICON(Na super-ionic conductor, β-alumina, Na3Zr2Si2PO12, NaZr2(PO4)3) 혹은 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3) 혹은 LLZ(Li7La3Zr2O12)에 비해 이온전도도가 향상, Ti 환원문제 및 Li 손실 문제가 해결 되고 산업적 적용이 가능하도록 대량 생산이 가능한 고체 전해질을 제공하고, 간단하면서도 용이하게 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12)고체 전해질 물질을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.One aspect of the present invention relates to a solid electrolyte powder for a hybrid type all-solid-state battery, which is conventional NASICON (Na super-ionic conductor, β-alumina, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , NaZr 2 (PO 4 ) 3 ) or Compared to LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) or LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), ionic conductivity is improved, Ti reduction and Li loss problems are solved, and mass production for industrial application is possible It is intended to provide a solid electrolyte capable of this, and to provide a method for preparing a simple and easy LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 /LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte material.

본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 않는다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above. Additional tasks of the present invention are described throughout the specification, and those skilled in the art will have no difficulty in understanding the additional tasks of the present invention from the contents described in the specification of the present invention.

본 발명에 따른 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12)하이브리드 산화물은 Li2CO3, La2O3, ZrO2 분말을 동일 몰비의 중량으로 혼합하는 단계;The LTAP(Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 /LLZ(Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) hybrid oxide according to the present invention contains Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 powders in the same molar ratio by weight mixing with;

혼합된 분말에 La2O3 리튬의 손실을 막기위해 10wt% 증량하여 투입하는 단계 ;Injecting La 2 O 3 in an increased amount of 10 wt% to prevent loss of lithium in the mixed powder;

혼합된 분말을 2-propanol 바울에 넣어 습식으로 밀링하여 반응하는 단계;Putting the mixed powder into a 2-propanol bowl and reacting by wet milling;

습식화되어 sol로 형성된 반응물을 건조하는 단계;drying the wetted reactant formed into sol;

건조된 분말을 2단 후열처리하는 단계 및 분쇄하는 단계를 통해 LLZ(Li7La3Zr2O12) 산화물을 제조하는 단계;Preparing LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) oxide through two-stage heat treatment and pulverization of the dried powder;

를 통해 LLZ 분말을 제조하고, 그 후속으로LLZ powder is prepared through, and subsequently

TiCl4(99%, Aldrich) 용액을 증류수와 혼합하여 TiO(OH)2를 형성하는 단계;mixing a TiCl 4 (99%, Aldrich) solution with distilled water to form TiO(OH) 2 ;

침전된 TiO(OH)2 침전물을 필터링하고 Nitric acid(65%, aldrich)로 세척하는 단계 ;Filtering the precipitated TiO(OH) 2 precipitate and washing with Nitric acid (65%, aldrich);

Nitric add 세척을 통해 제조된 TiO2NO3 -에 구연산(Citric acid monohydrate, C6H8O7)으로 안정화 시키는 단계;Stabilizing TiO 2 NO 3 - prepared through nitric add washing with citric acid monohydrate (C 6 H 8 O 7 );

안정화된 TiO2NO3 -에 LiNO3와 Al(NO3)3.H2O를 첨가하여 염(salt)을 제조하는 단계;preparing a salt by adding LiNO 3 and Al(NO 3 )3.H 2 O to the stabilized TiO 2 NO 3 ;

제조된 염(용액)에 NH4H2PO4를 첨가하여 졸을 형성하는 단계;forming a sol by adding NH 4 H 2 PO 4 to the prepared salt (solution);

형성된 졸을 교반하여 gel을 형성하는 단계;stirring the formed sol to form a gel;

형성된 겔을 건조 및 열처리하고 분쇄하는 단계를 통해 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3) 산화물을 제조LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) oxide is prepared by drying, heat-treating, and pulverizing the formed gel

하여 LLZ 분말과 LTAP 분말을 제조하는 단계Steps for preparing LLZ powder and LTAP powder by

제조된 분말을 열처리하여 원형 혹은 사각의 펠릿을 제조하는 단계;Heat-treating the prepared powder to produce round or square pellets;

제조된 펠릿을 다시 고온 열처리하여 최종적으로 필름 형태의 하이브리드 타입의 필름형 고체산화물 전해질을 제조하는 단계;Heat-treating the prepared pellets at high temperature again to finally prepare a hybrid type film-type solid oxide electrolyte in the form of a film;

제조된 하이브리드 고체전해질 중, LTAP은 양극전극 대면으로, LLZ는 음극 리튬 대면 전극으로 사용하는 단계;Among the prepared hybrid solid electrolytes, using LTAP as a positive electrode and LLZ as a negative electrode facing lithium;

를 통해 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12)하이브리드 산화물 고체 전해질을 제공한다.Through LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 /LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) hybrid oxide solid electrolyte is provided.

본 발명에서 제공하는 전고체 전지용 고체전해질 물질은 기존 고체전해질 물질인 NASICON(Na super-ionic conductor, β-alumina, Na3Zr2Si2PO12, NaZr2(PO4)3) 혹은 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3) 혹은 LLZ(Li7La3Zr2O12)에 비해 10배 이상의 이온전도도를 가지고 있어, 전고체 전지의 문제점인 전기전도도를 향상시킬 수 있으며 양극과 음극에 대면 전극으로 사용하는 물질을 다르게 사용함으로서, 리튬의 손실 및 이온전도도 상실 문제가 없으며, 균일한 구형 형태를 통해 전극/전해질 계면 상태를 향상시켜 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전고체 전지용 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12)하이브리드 고체전해질 제조 방법을 제공할 수 있다.The solid electrolyte material for an all-solid-state battery provided by the present invention is a conventional solid electrolyte material, NASICON (Na super-ionic conductor, β-alumina, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , NaZr 2 (PO 4 ) 3 ) or LTAP (Li It has ionic conductivity 10 times higher than 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) or LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), so it can improve electrical conductivity, which is a problem of all-solid-state batteries, and can be used for positive and negative electrodes. LTAP for an all-solid-state battery (LTAP) that can improve battery performance by improving the electrode/electrolyte interface state through a uniform spherical shape without the problem of loss of lithium and loss of ionic conductivity by using different materials for the face electrode. A method for preparing a Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 /LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) hybrid solid electrolyte may be provided.

도1은 본 발명에 의해 제조된 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3)와 LLZ(Li7La3Zr2O12) 의 XRD 결과
도2는 본 발명에 의해 제조된 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12)의 SEM 사진
도3은 본 발명에 의해 제조된 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12)의 이온전도도 결과
1 is an XRD result of LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) and LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) prepared according to the present invention.
Figure 2 is a SEM picture of LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 /LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) prepared by the present invention
3 is an ionic conductivity result of LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 /LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) prepared according to the present invention.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시 예일뿐, 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.The present invention will be described in detail through the following examples, but these are only preferred examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the description of these examples.

Li2CO3 5g과 La2O3 9g, 그리고 ZrO2 5g을 지르코늄 옥사이드(ZrO2)로 구성된 바울(bowl)에 넣고 2-propanol 50ml의 2-propanol과 함께 400rpm으로 6시간동안 wet milling을 실시한다. 이 때 Li2CO3와 La2O3, ZrO2의 비율은 몰비로 0.2~0.5:0.2~0.4:0.1~0.6이 바람직하다. 이 때 각가의 몰 비가 0.2:0.2:0.1 이하인 경우, Li2CO3와 La2O3의 과결합으로 인해 LLZ가 생성되지 않으며, 0.5:0.4:0.6 이상인 경우, ZrO2의 석출로 인해 불순물이 형성되어 LLZ안에 침입형으로 ZrO2가 석출되어 이온전도도를 감소시키기 때문에 제어한다.Put 5 g of Li 2 CO 3 , 9 g of La 2 O 3 , and 5 g of ZrO 2 in a bowl made of zirconium oxide (ZrO2), and perform wet milling with 50 ml of 2-propanol at 400 rpm for 6 hours. . At this time, the ratio of Li 2 CO 3 to La 2 O 3 and ZrO 2 is preferably 0.2 to 0.5:0.2 to 0.4:0.1 to 0.6 in terms of molar ratio. At this time, when each molar ratio is 0.2:0.2:0.1 or less, LLZ is not generated due to overbonding of Li 2 CO 3 and La 2 O 3 , and when it is 0.5:0.4:0.6 or more, impurities are formed due to precipitation of ZrO 2 . Formed and interstitial ZrO 2 is precipitated in LLZ to reduce ionic conductivity.

한편, 제조된 Sol은 60~120℃에서 1~24시간 동안 건조하여 분말을 수득한다. 이 때 온도가 60도 미만이고 4시간 이하인 경우, sol이 건조하지 못해 하이드레이트(hydrate)가 잔존하여 LLZ가 형성되지 않으며, 120℃ 이상 24시간 이상 가열하는 경우, 입자 성장이 일어나 LLZ 열처리 時 과다한 입자 성장으로 인해 전기전도도가 저하하기 때문에 제어하도록 한다.On the other hand, the prepared Sol is dried at 60 to 120 ° C. for 1 to 24 hours to obtain a powder. At this time, if the temperature is less than 60 degrees and less than 4 hours, sol does not dry and hydrates remain, so LLZ is not formed. Since the electrical conductivity decreases due to growth, it is controlled.

한편, 제조된 분말은 그레인바운데리(grain boundary) 성장을 통한 이온 전도도 향상을 위해 1단계 열처리를 실시한다. 이 때, 바람직하게는 700~1100℃로 4~8시간 동안 열처리를 실시한다. 700℃, 4시간 이하인 경우, 각각의 그레인들이 입자 성장이 원활하게 이루어지지 않아 이온전도도 향상이 불가능 하며, 1100℃, 8시간 이상으로 가열한 경우, 입자 성장이 조대화되어 2차 열처리 時, 급격한 입자성장에 의해 최종 고체전해질 필름(film) 제조 時, 압력에 의한 필름들의 결합이 어려워 지기 때문에 제한하도록 한다.Meanwhile, the prepared powder is subjected to one-step heat treatment to improve ionic conductivity through grain boundary growth. At this time, heat treatment is preferably performed at 700 to 1100 ° C for 4 to 8 hours. When heated to 700℃ for 4 hours or less, grain growth does not occur smoothly, making it impossible to improve ionic conductivity. When heated to 1100℃ for 8 hours or longer, grain growth becomes coarse, resulting in rapid secondary heat treatment. When producing the final solid electrolyte film due to particle growth, it is limited because the bonding of the films by pressure becomes difficult.

열처리가 끝난 분말은 다시 2단 열처리를 실시한다. 이 때, 바람직하게는 1150~1350℃에서 4~8시간 동안 열처리를 실시한다. 2단 열처리의 이유는, 1단계 열처리를 통해 각각의 입자가 성장된 후, 고온에서의 열처리를 통해, 입자 성장을 촉진하고, 이온 전도도가 향상될 수 있으며, 이온전도도가 최적인 정방방계(tetragonal Structure)를 형성시키기 위해 실시한다.After the heat treatment, the powder is subjected to two-stage heat treatment again. At this time, heat treatment is preferably performed at 1150 to 1350 ° C for 4 to 8 hours. The reason for the two-stage heat treatment is that after each particle is grown through the first-stage heat treatment, heat treatment at a high temperature promotes particle growth, improves ionic conductivity, and is a tetragonal system in which ionic conductivity is optimal. structure).

한편 제조된 분말은 10mm 지름에 4mm의 펠렛 형태로 제작하여 이온차단 전극(ion blocking electrode)로 백금 혹은 구리 전극을 건식 증착시키고, 교류전압을 인가하여 임피던스를 측정한다. 이 때 진폭은 5~10mV, 측정 주파수 범위는 0.1Hz~1MHz 범위로 설정한다. 측정된 임피던스 궤적의 반원이 실수축과 만나는 교점으로부터 벌크전해질의 저항(Rb)을 구하고 아래의 수식과 같이 샘플의 넓이(A)와 두께(t)로부터 이온전도도(σ)를 구한다.Meanwhile, the prepared powder is manufactured in the form of pellets with a diameter of 10 mm and a diameter of 4 mm, and a platinum or copper electrode is dry deposited as an ion blocking electrode, and an AC voltage is applied to measure the impedance. At this time, the amplitude is set to 5 to 10 mV, and the measurement frequency range is set to 0.1 Hz to 1 MHz. The resistance (Rb) of the bulk electrolyte is obtained from the intersection point where the semicircle of the measured impedance trajectory meets the real axis, and the ionic conductivity ( σ ) is obtained from the area (A) and thickness (t) of the sample as in the formula below.

Figure pat00001
Figure pat00001

타이타늄 테트라클로라이드(TiCl4, Aldrich) 40ml와 증류수 280ml를 증류수가 담겨져 있는 반응기에 TiCl4를 초당 4ml씩 천천히 떨어트려 TiO(OH)2 침전물을 제조한다. 이 때 TiCl4의 첨가속도는 2~10ml/min가 바람직하고 보다 바람직하게는 3~6ml/min가 바람직하다. 첨가속도가 2ml이하인 경우, 반응 속도가 느려져 침전이 이루어지지 않고 TiCl4의 완전분해가 이루어지기 때문에 지양하여야 하며, 10ml이상인 경우, TiCl4와 증류수간의 급격한 반응으로 인해 염산가스가 폭발적으로 배출되어 수율이 저하하기 때문에 지양하도록 한다. 한편, 반응에 의해 생긴 침전물은 325mech 필터를 통해 필터링한다. 이 때 필터링 세척액으로 Nitric acid(65%, aldrich)를 사용한다. 세척을 통해 제조된 TiO2NO3 -에 구연산(Citric acid monohydrate, C6H8O7)을 첨가하여, 1차 졸상태의 TiO2NO3 -를 안정화시킨다. 이 때 구연산 이외, 클루카르산, 글루콘산, 글루크론산, 글리세린산 등 하이드록실기(-OH)fmf 가지는 다염기 카복실산을 사용할 수 있다. 1차 졸상태의 TiO2NO3 -를 안정화시키는 이유는 2차적으로 염용액을 제조할 때 급격한 반응 온도 상승을 제어하기 위해 안정화 시킨다.40 ml of titanium tetrachloride (TiCl 4 , Aldrich) and 280 ml of distilled water are slowly dropped at a rate of 4 ml per second in TiCl 4 into a reactor containing distilled water to prepare TiO(OH) 2 precipitate. At this time, the addition rate of TiCl 4 is preferably 2 to 10 ml/min, more preferably 3 to 6 ml/min. If the addition rate is less than 2ml , it should be avoided because the reaction rate is slowed down and precipitation does not occur and TiCl 4 is completely decomposed. It should be avoided because it deteriorates. Meanwhile, the precipitate produced by the reaction is filtered through a 325mech filter. At this time, Nitric acid (65%, aldrich) is used as a filtering cleaning solution. Citric acid monohydrate (C 6 H 8 O 7 ) is added to TiO 2 NO 3 - prepared through washing to stabilize TiO 2 NO 3 - in a primary sol state. In this case, other than citric acid, polybasic carboxylic acids having a hydroxyl group (-OH), such as glucaric acid, gluconic acid, glucuronic acid, and glyceric acid, may be used. The primary reason for stabilizing TiO 2 NO 3 - in the sol state is secondary stabilization to control the rapid rise in reaction temperature when preparing a salt solution.

한편, 안정화된 TiO2NO3 -에 각각 5ml의 LiNO3와 Al(NO3)3.H2O를 첨가하여 염(salt)요액을 제조한다. 이 때, LiNO3와 Al(NO3)3.H2O의 양은 화학양론(Stoichiometry)에 의거하여 TiO2NO3 -가 반응할 수 있는 화학양론에 따라 첨가한다. 한편, 제조된 염용액에 10ml의 NH4H2PO4를 첨가하여 졸을 형성시키고, 형성된 졸을 20분에서 1.5시간동안 교반하여 젤을 형성시킨다. 이 때 교반시간이 20분 이하이면 졸 상태가 겔로 변화하지 않아 최종적으로 분말을 형성할 수 없으며, 1.5시간 이상 교반할 경우, 내부에 분말의 결합이 분해되어 결정구조를 형성할 수 없기 때문에 제어하도록 한다. 형성된 겔은 80~120℃에서 30분에서 2시간 건조시켜 수분을 제거한 후, 600~1000℃에서 2~6시간 열처리한다. 이 때 건조시간이 80℃이하로 30분 이하인 경우, 분말 내부의 수분이 충분히 제거될 수 없으며, 120℃에서 2시간 이상 건조시킬 경우, 공급되는 열 에너지에 의해 분말의 결정화가 가속화되어 결정 성장이 이루어지기 때문에 제어하도록 한다. 한편, 건조가 끝난 분말은 결정구조 형성을 위해 열처리하며, 600℃, 2시간 이하로 열처리한 경우, 분말의 결정화가 이루어지지 않아 이온전도도가 저하하며, 1000℃에서 6시간 이상 열처리할 경우, 결정화 후, 결정 성장이 이루어져 이온전도도가 저하하기 때문에 제어하도록 한다. 한편, 열처리가 끝난 분말은 볼 밀을 통해 분쇄하여 최종 분말을 수득한다. 이 때 볼밀은 제트 밀, 플라나터리밀, 어트리터, 스펙스 (Zet mill, Planatery, Attritor, Spex) 중 하나 혹은 그 이상을 사용할 수 있으며, 볼 밀 속도는 100~500rpm 보다 바람직하게는 200~300rpm으로 30분~2시간, 보다 바람직하게는 40분~1시간 동안 볼밀하여 분말을 수득한다. 볼밀 속도가 100rpm, 30분 이하인 경우, 분말이 충분히 분쇄되지 않아 불균일한 입도로 인해 이온전도도가 감소하기 때문에 제한하며, 500rpm, 2시간 이상 볼 밀한 경우, 입자사이즈가 급격히 작아져 입자간 뭉침현상으로 이온전도도가 저하하기 때문에 제한하도록 한다.Meanwhile, a salt solution was prepared by adding 5 ml of each of LiNO 3 and Al(NO 3 ) 3. H 2 O to the stabilized TiO 2 NO 3 - . At this time, the amount of LiNO 3 and Al(NO 3 ) 3. H 2 O is added according to the stoichiometry capable of reacting with TiO 2 NO 3 - based on stoichiometry. Meanwhile, 10 ml of NH 4 H 2 PO 4 was added to the prepared salt solution to form a sol, and the formed sol was stirred for 20 minutes to 1.5 hours to form a gel. At this time, if the stirring time is less than 20 minutes, the sol state does not change to a gel and finally powder cannot be formed. do. The formed gel is dried at 80 to 120 ° C for 30 minutes to 2 hours to remove moisture, and then heat-treated at 600 to 1000 ° C for 2 to 6 hours. At this time, if the drying time is less than 30 minutes at 80 ℃ or less, the moisture inside the powder cannot be sufficiently removed, and if it is dried for more than 2 hours at 120 ℃, the crystallization of the powder is accelerated by the supplied heat energy, resulting in crystal growth. Control it because it is done. On the other hand, the dried powder is heat-treated to form a crystal structure. When heat-treated at 600 ° C for 2 hours or less, crystallization of the powder does not occur and the ion conductivity decreases. When heat-treated at 1000 ° C for 6 hours or more, crystallization After that, since crystal growth is made and the ion conductivity is lowered, it is controlled. Meanwhile, the heat-treated powder is pulverized through a ball mill to obtain a final powder. At this time, the ball mill may use one or more of jet mill, planetary mill, attritor, and spex (Zet mill, Planatery, Attritor, Spex), and the ball mill speed is preferably 200 to 300 rpm rather than 100 to 500 rpm. A powder is obtained by ball milling for 30 minutes to 2 hours, more preferably 40 minutes to 1 hour. If the ball mill speed is 100 rpm for 30 minutes or less, the powder is not sufficiently pulverized and the ionic conductivity decreases due to the uneven particle size, so it is limited. Since the ionic conductivity decreases, it should be limited.

한편, 각각 제조된 LLZ와 LTAP은 200~600℃, 보다 바람직하게는 400~500℃에서 5분에서 2시간, 보다 바람직하게는 10분에서 1시간 동안 열처리하고 그 과정을 2회 반복한다. 이 때 온도가 200℃미만 5분 이하인 경우, 고체전해질 분말이 입자 성장을 하지 않아 계면 자체가 저항으로 작용하여 이온전도도가 낮아지는 문제점이 있으며, 600℃ 2시간 이상 열처리하면 분말의 입자 성장이 조대화 되어, 최종 후열처리 時 입자 성장이 너무 커지는 문제점이 있기 때문에 제한하도록 한다.On the other hand, each prepared LLZ and LTAP is heat treated at 200 to 600 ° C, more preferably 400 to 500 ° C for 5 minutes to 2 hours, more preferably 10 minutes to 1 hour, and the process is repeated twice. At this time, when the temperature is less than 200 ℃ for 5 minutes or less, there is a problem that the solid electrolyte powder does not grow particles, and the interface itself acts as resistance to lower the ion conductivity. Conversely, it is limited because there is a problem in that the grain growth becomes too large during the final post-heat treatment.

한편, 열처리가 끝난 분말은 각각 20~100MPa 보다 바람직하게는 30~60MPa의 압력으로 1분에서 30분동안 압력을 가해 구형 혹은 사각형의 펠렛형태로 제작한다. 이 때 압력이 20MPa 이하로 1분미만 압력을 가하면 펠렛의 강도가 떨어져 쉽게 깨짐현상이 나타나기 때문에 제한하도록 하며, 100MPa로 30분 이상 압력을 가하면 입자 자체에서 압력에 의한 박리현상이 일어나기 때문에 제한하도록 한다.On the other hand, the heat-treated powder is produced in the form of spherical or square pellets by applying pressure for 1 to 30 minutes at a pressure of 20 to 100 MPa, preferably 30 to 60 MPa, respectively. At this time, if the pressure is less than 20MPa for less than 1 minute, the strength of the pellet decreases and it is easily broken, so it is limited. .

한편, 제조된 각각의 펠릿을 바인더와 압력을 통해 접합시켜 최종적으로 하이브리드 고체전해질을 제조한다. 이 때 사용되는 바인더는 스프레이 혹은 닥터블레이드법, 스핀코팅법 등을 사용하여 각각의 펠릿에 코팅하며, 이 때 코팅방법은 제한되지 않는다. 이 때 사용할 수 있는 바인더는 PEO 고체전해질 바인더는 PEO, ACN 및 LiC104를 포함하는 혼합 용액을 사용할 수 있으며, 전도성 물질은 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethylene oxide), 폴리에틸렌글리콜 (Polyethylene glycol), 폴리프로필렌옥사이드 (Polypropylene oxide), 폴리포스파젠 (Polyphosphazene), 폴리실록산(Polysiloxane) 및 그들의 공중합체 중에서 선택된 1종이상을 포함할 수 있다.On the other hand, each manufactured pellet is bonded with a binder through pressure to finally prepare a hybrid solid electrolyte. The binder used at this time is coated on each pellet using a spray, doctor blade method, spin coating method, etc., and the coating method is not limited at this time. As for the binder that can be used at this time, a mixed solution containing PEO, ACN, and LiC104 may be used as a PEO solid electrolyte binder, and a conductive material may be polyethylene oxide, polyethylene glycol, or polypropylene oxide. ), polyphosphazene, polysiloxane, and copolymers thereof.

한편, 바인더와 전도성물질이 코팅된 각각의 전극은 다시 20~100MPa 보다 바람직하게는 30~60MPa의 압력으로 1분에서 30분동안 압력을 가해 구형 혹은 사각형의 펠렛 형태로 제작한다. 이 때 압력이 20MPa 이하로 1분미만 압력을 가하면 펠렛의 강도가 떨어져 쉽게 깨짐현상이 나타나기 때문에 제한하도록 하며, 100MPa로 30분 이상 압력을 가하면 입자 자체에서 압력에 의한 박리현상이 일어나기 때문에 제한하도록 한다.On the other hand, each of the electrodes coated with the binder and the conductive material is made into spherical or square pellets by applying pressure for 1 to 30 minutes at a pressure of 30 to 60 MPa more preferably than 20 to 100 MPa. At this time, if the pressure is less than 20MPa for less than 1 minute, the strength of the pellet decreases and it is easily broken, so it is limited. .

도 1은 JCPDS의 LLZ(Li7La3Zr2O12), LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3) 결정구조와 본 발명에 의해 제조된 LLZ(Li7La3Zr2O12) 분말 및 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3)의 XRD 회절패턴을 분석한 결과를 볼 수 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 제조된 분말은 각각 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3와 LLZ(Li7La3Zr2O12) 정방정계 결정구조를 가지고 있음을 확인할 수 있다.1 shows the crystal structures of LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) and LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) of JCPDS and LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 prepared by the present invention). ) powder and LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) XRD diffraction pattern analysis results can be seen. As can be seen from the results, it can be confirmed that the prepared powders have LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 and LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) tetragonal crystal structures, respectively.

도2은 본 발명에 의해 제조된 전극의 Cross section SEM 사진이며 입자크기 4~6um의 구형을 띄고 있고, LTAP과 LLZ가 각각 계면층을 통해 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 이온전도도 향상을 위해서는 구형을 가진 입자가 용이하므로, 본 발명에 의해 제조된 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3/LLZ(Li7La3Zr2O12) 의 이온전도도가 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.Figure 2 is a cross section SEM picture of the electrode manufactured according to the present invention, and it has a spherical particle size of 4 ~ 6um, and it can be confirmed that LTAP and LLZ are formed through the interfacial layer, respectively. Since spherical particles are easy to improve ionic conductivity, the ion conductivity of LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 /LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) prepared according to the present invention can be improved. can confirm that it can.

한편, 도 3는 본 발명에 의해 제조된 분말의 이온전도도 측정결과를 나타내고 있으며, 고체전해질 샘플의 지름으로부터 구해진 넓이와 두께, 벌크전해질의 저항을 수식에 대입하여 5.58x10-4 (Ω· cm)-1 의 이온전도도 값이 측정되었으며, 기존 NASICON(10-5(Ω· cm)-1과 대비하여 이온전도도가 10배 이상 향상되었음을 확인할 수 있다.On the other hand, Figure 3 shows the results of measuring the ionic conductivity of the powder prepared according to the present invention, the area and thickness obtained from the diameter of the solid electrolyte sample, and the resistance of the bulk electrolyte are substituted into the formula to obtain 5.58x10 -4 ( Ω cm) The ionic conductivity value of -1 was measured, and it can be confirmed that the ionic conductivity has improved more than 10 times compared to the existing NASICON (10 -5 ( Ω cm) -1 .

Claims (5)

Li2CO3, La2O3, ZrO2 분말을 동일 몰비의 중량으로 혼합하는 단계;
혼합된 분말에 La2O3를 리튬의 손실을 막기위해 10wt% 증량하여 투입하는 단계 ;
혼합된 분말을 2-propanol 바울에 넣어 습식으로 밀링하여 반응하는 단계;
습식화되어 sol로 형성된 반응물을 건조하는 단계;
건조된 분말을 2단 후열처리하는 단계 및 분쇄하는 단계;
를 통해 LLZ 분말을 제조하고, 그 후속으로
TiCl4(99%, Aldrich) 용액을 증류수와 혼합하여 TiO(OH)2를 형성하는 단계;
침전된 TiO(OH)2 침전물을 필터링하고 Nitric acid(65%, aldrich)로 세척하는 단계 ;
Nitric acid 세척을 통해 제조된 TiO2NO3 -에 구연산(Citric acid monohydrate, C6H8O7)으로 안정화 시키는 단계;
안정화된 TiO2NO3 -에 LiNO3와 Al(NO3)3.H2O를 첨가하여 염(salt)을 제조하는 단계;
제조된 염(용액)에 NH4H2PO4를 첨가하여 졸을 형성하는 단계;
형성된 졸을 교반하여 gel을 형성하는 단계;
형성된 겔을 건조 및 열처리하고 분쇄하는 단계를 통해 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3) 산화물을 제조
하여 LLZ 분말과 LTAP 분말을 제조하는 단계
제조된 분말을 열처리하여 원형 혹은 사각의 펠릿을 제조하는 단계;
제조된 펠릿을 다시 고온 열처리하여 최종적으로 필름 형태의 하이브리드 타입의 필름형 고체산화물 전해질을 제조하는 단계;
제조된 하이브리드 고체전해질 중, LTAP은 양극전극 대면으로, LLZ는 음극 리튬 대면 전극으로 사용하는 단계;
를 통해 LTAP(Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3)/LLZ(Li7La3Zr2O12)하이브리드 산화물 전고체 전지용 고체 전해질 제조방법
mixing Li 2 CO 3 , La 2 O 3 , and ZrO 2 powders in the same molar ratio by weight;
Adding La 2 O 3 to the mixed powder in an increased amount of 10 wt % to prevent loss of lithium;
Putting the mixed powder into a 2-propanol bowl and reacting by wet milling;
drying the wetted reactant formed into sol;
Step of heat-treating the dried powder in two stages and grinding;
LLZ powder is prepared through, and subsequently
mixing a TiCl 4 (99%, Aldrich) solution with distilled water to form TiO(OH) 2 ;
Filtering the precipitated TiO(OH) 2 precipitate and washing with Nitric acid (65%, aldrich);
Stabilizing TiO 2 NO 3 - prepared through Nitric acid washing with citric acid (Citric acid monohydrate, C 6 H 8 O 7 );
preparing a salt by adding LiNO 3 and Al(NO 3 )3.H 2 O to stabilized TiO 2 NO 3 ;
forming a sol by adding NH 4 H 2 PO 4 to the prepared salt (solution);
stirring the formed sol to form a gel;
LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 ) oxide is prepared by drying, heat-treating, and pulverizing the formed gel
Steps for preparing LLZ powder and LTAP powder by
Heat-treating the prepared powder to produce round or square pellets;
Heat-treating the prepared pellets at high temperature again to finally prepare a hybrid type film-type solid oxide electrolyte in the form of a film;
Among the prepared hybrid solid electrolytes, using LTAP as a positive electrode and LLZ as a negative electrode facing lithium;
LTAP (Li 1.5 Ti 1.5 Al 0.5 (PO 4 ) 3 )/LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) solid electrolyte manufacturing method for hybrid oxide all-solid-state battery through
청구항 1에 있아서,
습식 밀링에 사용되는 물질은 2-프로판올(2-propanol, 2-Propanol), 디메틸카르비놀(dimethylcarbinol, Dimethylcarbinol), β-히드록시프로판(β-hydroxypropane, β-Oxy-propan), 2-히드록시프로판(2-hydroxypropane, 2-Oxypropan) 중 하나 혹은 그 이상의 혼합으로 이루어진 물질을 사용하는 고체 전해질 제조방법,
The method of claim 1,
Materials used in wet milling are 2-propanol (2-Propanol), dimethylcarbinol (Dimethylcarbinol), β-hydroxypropane (β-Oxy-propan), 2-hydroxy A solid electrolyte manufacturing method using a material consisting of one or more mixtures of propane (2-hydroxypropane, 2-Oxypropan),
청구항 1에 있어서,
Li2CO3와 La2O3, ZrO2의 비율은 몰비로 0.2~0.5:0.2~0.4:0.1~0.6로 혼합하고, 리튬 손실을 억제하기 위해 Li2CO3를 중량비로 5~20wt% 첨가하여 습식 밀링하는 고체 전해질 제조방법
The method of claim 1,
A solid electrolyte manufacturing method in which Li2CO3, La2O3, and ZrO2 are mixed at a molar ratio of 0.2 to 0.5:0.2 to 0.4:0.1 to 0.6, and wet milling is performed by adding 5 to 20 wt% of Li2CO3 in a weight ratio to suppress lithium loss
청구항 1에 있어서,
습식밀링 후 얻어진 Sol을 60~120℃에서 1~24시간 동안 건조하여 분말을 수득하여 고체전해질을 제조 하는 방법
The method of claim 1,
A method of producing a solid electrolyte by drying the sol obtained after wet milling at 60 to 120 ° C for 1 to 24 hours to obtain a powder
청구항 1에 있어서, 1단계 열처리를 700~1100℃로 4~8시간 동안 열처리를 실시하고, 다시 2단 열처리를 실시하며, 이 때, 1150~1350℃에서 4~8시간 동안 열처리하여 고체전해질을 제조하는 방법The method according to claim 1, wherein the first heat treatment is performed at 700 to 1100 ° C for 4 to 8 hours, followed by a second heat treatment, and at this time, heat treatment is performed at 1150 to 1350 ° C for 4 to 8 hours to obtain a solid electrolyte. manufacturing method
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