KR20230118028A - Lithium sulfide, solid electrolyte for secondary battery including the same and method of preparing the same - Google Patents

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KR20230118028A KR1020230011489A KR20230011489A KR20230118028A KR 20230118028 A KR20230118028 A KR 20230118028A KR 1020230011489 A KR1020230011489 A KR 1020230011489A KR 20230011489 A KR20230011489 A KR 20230011489A KR 20230118028 A KR20230118028 A KR 20230118028A
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Abstract

티오우레아, 이황화탄소 및 이소티오시아네이트계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 황(S) 원료를 리튬 염기와 반응시켜 생성된 반응물로부터 황화리튬을 얻을 수 있다. 따라서, 고순도의 황화리튬을 저비용으로 제조할 수 있으며, 공정의 안정성 및 생산성이 향상될 수 있다. 또한, 상술한 황화리튬을 포함하는 이차전지용 고체전해질 및 리튬 이차 전지가 제공된다.Lithium sulfide may be obtained from a reactant produced by reacting a sulfur (S) raw material including at least one of thiourea, carbon disulfide, and isothiocyanate-based compounds with a lithium base. Accordingly, high-purity lithium sulfide can be produced at low cost, and stability and productivity of the process can be improved. In addition, a solid electrolyte for a secondary battery containing the above-described lithium sulfide and a lithium secondary battery are provided.

Description

황화리튬, 이를 포함하는 이차전지용 고체 전해질 및 이의 제조방법{LITHIUM SULFIDE, SOLID ELECTROLYTE FOR SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME AND METHOD OF PREPARING THE SAME}Lithium sulfide, a solid electrolyte for a secondary battery containing the same and a method for manufacturing the same

본 발명은 황화리튬의 제조방법, 황화리튬, 황화리튬을 포함하는 이차전지용 고체 전해질에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 황 원료 및 리튬 염을 이용한 황화리튬의 제조방법, 이로부터 제조된 황화리튬 및 이를 포함하는 이차전지용 고체 전해질에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing lithium sulfide, lithium sulfide, and a solid electrolyte for a secondary battery containing lithium sulfide. More specifically, it relates to a method for producing lithium sulfide using a sulfur source and lithium salt, a lithium sulfide prepared therefrom, and a solid electrolyte for a secondary battery including the same.

황화리튬(Li2S)은 천연 광산물로서는 산출되지 않아 자연으로부터 얻어지지 않으며, 합성을 통해 황회리튬을 수득할 필요가 있다. 황화리튬의 제조방법으로는 기체를 사용하는 건식법(dry process)과 용매를 사용하는 습식법(wet process) 등이 있다. Lithium sulfide (Li 2 S) is not produced as a natural mineral product and is not obtained from nature, and it is necessary to obtain lithium sulfide through synthesis. Methods for producing lithium sulfide include a dry process using a gas and a wet process using a solvent.

건식법의 예로서, 황화수소나 황 증기 등의 가스상 황원을 금속 리튬 또는 수산화리튬(LiOH)과 직접 반응시키는 방법 등이 있다. 그러나, 건식법의 경우, 가스상 황원의 관리를 위한 설비 및 공정이 추가적으로 발생하여 생산성이 저하될 수 있으며, 비용이 증가할 수 있다. 또한, 가스상 황원의 누출을 방지하고 안정성을 유지하기 위해 원료의 대량 취급이 어려워 황화리튬의 대량 생산에 적합하지 않다.As an example of the dry method, there is a method of directly reacting a gaseous sulfur source such as hydrogen sulfide or sulfur vapor with metallic lithium or lithium hydroxide (LiOH). However, in the case of the dry method, equipment and processes for managing gaseous sulfur sources may be additionally generated, which may decrease productivity and increase costs. In addition, it is not suitable for mass production of lithium sulfide because it is difficult to handle large quantities of raw materials in order to prevent leakage of gaseous sulfur sources and maintain stability.

습식법의 예로서, 황산 리튬(Li2SO4)을 불활성 가스 분위기 혹은 진공 하에서 유기물, 카본 블랙, 흑연 등의 탄소로 가열 환원하는 방법, 황화수소리튬에탄올화물(2LiSHㆍC2H5OH)을 수소 기류 중에서 가열 분해하는 방법 등이 있다. 그러나, 습식법의 경우, 용매 및 황화수소의 휘발을 억제하기 위해 압력용기가 필요하며 황화수소의 취급 및 운반을 위해 배관 및 고압반응기가 필요할 수 있다. 따라서, 제조를 위한 설비 및 장비가 대형화되고, 비용이 증가할 수 있다.As an example of the wet method, lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) is heated and reduced to carbon such as organic matter, carbon black, graphite, etc. under an inert gas atmosphere or vacuum, and lithium hydrogen sulfide ethanol (2LiSH C 2 H 5 OH) is converted to hydrogen There is a method of heating and decomposing in an air stream. However, in the case of the wet method, a pressure vessel is required to suppress volatilization of the solvent and hydrogen sulfide, and piping and a high-pressure reactor may be required for handling and transporting hydrogen sulfide. Accordingly, facilities and equipment for manufacturing may become large, and costs may increase.

예를 들면, 황화리튬은 이차 전지의 고체 전해질 재료로서 사용될 수 있다. 이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 전동 공구, 카메라, 캠코더, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등과 같은 휴대용 전자 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같은 대형 운송 수단의 동력원으로 이차 전지가 적용되고 있다.For example, lithium sulfide can be used as a solid electrolyte material for secondary batteries. A secondary battery is a battery capable of repeating charging and discharging and is widely used as a power source for portable electronic devices such as power tools, cameras, camcorders, mobile phones, and notebook computers. In addition, secondary batteries are being applied as power sources for large vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles.

이차전지에 사용되는 전해질로서 비수계 전해액이 사용되고 있으나, 전해액의 휘발 및 누출, 또는 전해액으로 인한 단락 및 발화 등의 안정성 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 최근에는 이차 전지의 전해질로서 고체 전해질이 사용되고 있으며, 황화물계 고체 전해질로서 황화리튬이 적용되고 있다.Although a non-aqueous electrolyte is used as an electrolyte used in a secondary battery, stability problems such as volatilization and leakage of the electrolyte, or short circuit and ignition due to the electrolyte may occur. Therefore, recently, a solid electrolyte has been used as an electrolyte for a secondary battery, and lithium sulfide has been applied as a sulfide-based solid electrolyte.

이에 따라, 제조의 설비구축 및 운영을 위한 비용을 저감하며, 황화수소 등의 가스 누출을 억제하고, 고순도의 황화리튬을 생산할 수 있는 제조 방법의 개발이 요구된다.Accordingly, it is required to develop a manufacturing method capable of reducing manufacturing facility construction and operation costs, suppressing gas leaks such as hydrogen sulfide, and producing high-purity lithium sulfide.

예를 들면, 일본특허공보 특개평09-278423호는 수산화리튬 및 가스상 황원을 이용한 황화리튬의 제조방법을 개시하고 있다. 예를 들면, 일본특허공보 특개2010-163356호는 수산화리튬, 탄화수소계 유기용매 및 황화수소 가스를 이용한 황화리튬의 제조방법을 개시하고 있다.For example, Japanese Patent Laid-Open No. 09-278423 discloses a method for producing lithium sulfide using lithium hydroxide and a gaseous sulfur source. For example, Japanese Patent Publication No. 2010-163356 discloses a method for producing lithium sulfide using lithium hydroxide, a hydrocarbon-based organic solvent, and hydrogen sulfide gas.

일본특허공보 특개평09-278423호Japanese Patent Publication No. 09-278423 일본특허공보 특개2010-163356호Japanese Patent Publication No. 2010-163356

본 발명의 일 과제는 향상된 안정성 및 저비용으로 황화리튬을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for producing lithium sulfide with improved stability and low cost.

본 발명의 일 과제는 고순도의 황화리튬을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide high purity lithium sulfide.

본 발명의 일 과제는 고순도의 황화리튬을 포함하는 이차전지용 고체 전해질 및 이차전지를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a solid electrolyte for a secondary battery and a secondary battery containing high purity lithium sulfide.

예시적인 실시예들에 따르면, 티오우레아, 이황화탄소 및 이소티오시아네이트계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 황(S) 원료를 리튬 염기와 반응시킬 수 있다. 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응물로부터 황화리튬을 수득할 수 있다.According to exemplary embodiments, a sulfur (S) raw material including at least one of thiourea, carbon disulfide, and isothiocyanate-based compounds may be reacted with a lithium base. Lithium sulfide may be obtained from a reactant of the sulfur (S) raw material and the lithium base.

일부 실시예들에 있어서, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기는 수용액 하에서 반응할 수 있다.In some embodiments, the sulfur (S) raw material and the lithium base may react in an aqueous solution.

일부 실시예들에 있어서, 상기 반응물을 포함하는 수용액을 건조하여 상기 반응물로부터 황화리튬을 수득할 수 있다.In some embodiments, lithium sulfide may be obtained from the reactant by drying an aqueous solution containing the reactant.

일부 실시예들에 있어서, 상기 반응물은 LiSH를 포함할 수 있다.In some embodiments, the reactant may include LiSH.

일부 실시예들에 있어서, 상기 황화리튬을 유기용매에 용해시키고, 상기 황화리튬이 용해된 유기용매를 여과하고, 여과된 유기용매를 증류 제거할 수 있다.In some embodiments, the lithium sulfide may be dissolved in an organic solvent, the organic solvent in which the lithium sulfide is dissolved may be filtered, and the filtered organic solvent may be distilled off.

일 실시예에 있어서, 상기 유기용매에 대한 상기 리튬 염기의 용해도는 상기 유기용매에 대한 상기 황화리튬의 용해도보다 낮을 수 있다.In one embodiment, the solubility of the lithium base in the organic solvent may be lower than the solubility of the lithium sulfide in the organic solvent.

일 실시예에 있어서, 상기 유기용매는 탄소수 1 내지 6의 알코올을 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic solvent may include alcohol having 1 to 6 carbon atoms.

일 실시예에 있어서, 상기 리튬 염기는 LiH, LiOH, Li2CO3 및 탄소수 1 내지 10의 리튬 알콕사이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 알콕사이드는 LiOR2(R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬기)로 표시될 수 있다.In one embodiment, the lithium base may include at least one of LiH, LiOH, Li 2 CO 3 , and a lithium alkoxide having 1 to 10 carbon atoms. For example, lithium alkoxide can be represented by LiOR 2 (R 2 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms).

일부 실시예들에 있어서, 상기 이소티오시아네이트계 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.In some embodiments, the isothiocyanate-based compound may be represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 1 내지 12의 알킬기, 탄소수 1 내지 12의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 12의 알케닐기, 탄소수 2 내지 12의 알키닐기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알킬기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알케닐기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알키닐기, 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 탄소수 6 내지 12의 할로아릴기 또는 탄소수 7 내지 12의 아릴알킬기일 수 있다.In Formula 1, R 1 is an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a haloalkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 12 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 12 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 12 carbon atoms, and a carbon atom having 3 to 12 carbon atoms. It may be a cycloalkenyl group of 12, a cycloalkynyl group of 3 to 12 carbon atoms, an aryl group of 6 to 12 carbon atoms, a haloaryl group of 6 to 12 carbon atoms, or an arylalkyl group of 7 to 12 carbon atoms.

일부 실시예들에 있어서, 상기 이소티오시아네이트계 화합물은 하기 화학식 2 내지 화학식 11로 표시되는 화합물들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments, the isothiocyanate-based compound may include at least one of compounds represented by Formulas 2 to 11 below.

[화학식 2][Formula 2]

[화학식 3][Formula 3]

[화학식 4][Formula 4]

[화학식 5][Formula 5]

[화학식 6][Formula 6]

[화학식 7][Formula 7]

[화학식 8][Formula 8]

[화학식 9][Formula 9]

[화학식 10][Formula 10]

[화학식 11][Formula 11]

일부 실시예들에 있어서, 상기 황(S) 원료는 이황화탄소를 포함하며, 상기 리튬 염기의 함량은 상기 황(S) 원료 1몰에 대하여 3.5몰 내지 5.5몰일 수 있다.In some embodiments, the sulfur (S) raw material includes carbon disulfide, and the content of the lithium base may be 3.5 moles to 5.5 moles based on 1 mole of the sulfur (S) raw material.

일 실시예에 있어서, 상기 황(S) 원료는 이황화탄소를 포함하며, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응은 20℃ 내지 45℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the sulfur (S) raw material includes carbon disulfide, and the reaction between the sulfur (S) raw material and the lithium base may be performed at 20 ° C to 45 ° C.

일부 실시예들에 있어서, 상기 황(S) 원료는 티오우레아 또는 이소티오시아네이트계 화합물을 포함하며, 상기 리튬 염기의 함량은 상기 황(S) 원료 1몰에 대하여 1.5몰 내지 2.5몰일 수 있다.In some embodiments, the sulfur (S) raw material includes a thiourea or isothiocyanate-based compound, and the content of the lithium base may be 1.5 to 2.5 moles based on 1 mole of the sulfur (S) raw material. .

일 실시예에 있어서, 상기 황(S) 원료는 티오우레아 또는 이소티오시아네이트계 화합물을 포함하며, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응은 20℃ 내지 100℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the sulfur (S) raw material includes a thiourea or isothiocyanate-based compound, and the reaction of the sulfur (S) raw material and the lithium base may be performed at 20 ° C to 100 ° C.

일부 실시예들에 있어서, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기를 반응기 내에서 반응시키면서 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응에 의해 발생한 가스를 상기 반응기의 외부로 배출시킬 수 있다.In some embodiments, while the sulfur (S) raw material and the lithium base are reacted in the reactor, a gas generated by the reaction of the sulfur (S) raw material and the lithium base may be discharged to the outside of the reactor.

일 실시예에 있어서, 상기 반응기는 상기 가스를 상기 반응기의 외부로 배출시키는 가스 배출구를 포함할 수 있다.In one embodiment, the reactor may include a gas outlet through which the gas is discharged to the outside of the reactor.

일 실시예에 있어서, 상기 반응기의 외부로 가스가 배출되지 않을 때, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응을 종결시킬 수 있다.In one embodiment, when gas is not discharged to the outside of the reactor, the reaction of the sulfur (S) raw material and the lithium base may be terminated.

예시적인 실시예들에 따른 황화리튬은 상술한 방법으로 제조될 수 있다.Lithium sulfide according to exemplary embodiments may be manufactured by the above-described method.

에시적인 실시예들에 따른 이차전지용 고체 전해질은 상술한 방법으로 제조된 황화리튬을 포함할 수 있다.A solid electrolyte for a secondary battery according to exemplary embodiments may include lithium sulfide prepared by the above-described method.

예시적인 실시예들에 따른 이차전지는 양극, 상기 양극과 대향하는 음극, 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되며 상술한 황화리튬을 포함하는 고체 전해질층을 포함할 수 있다.A secondary battery according to example embodiments may include a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode and containing the aforementioned lithium sulfide.

본 발명의 실시예들에 따르면 리튬 원료와 황(S) 원료를 반응시켜 황화리튬을 제조할 수 있다. 황(S) 원료는 티오우레아, 이황화탄소 및 이소티오시아네이트계 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 제조 공정 중 황화수소 등의 유독 가스가 사용되지 않아 가스의 저장, 수송 및 투입을 위한 설비나 장비가 요구되지 않는다. 따라서, 저비용으로 고순도의 황화리튬을 대량 생산할 수 있으며, 환경 및 안정상 위험을 억제할 수 있다.According to embodiments of the present invention, lithium sulfide may be produced by reacting a lithium source and a sulfur (S) source. The sulfur (S) raw material may include at least one of thiourea, carbon disulfide, and isothiocyanate-based compounds. Therefore, toxic gases such as hydrogen sulfide are not used during the manufacturing process, and therefore, facilities or equipment for storing, transporting, and introducing gases are not required. Therefore, high-purity lithium sulfide can be mass-produced at low cost, and environmental and safety risks can be suppressed.

리튬 원료로 리튬 염기를 사용할 수 있다. 리튬 염기는 발화성 및 흡습성이 적어 취급이 용이할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 황화리튬을 유기용매를 이용하여 선택적으로 추출 및 정제할 수 있다. 따라서, 황화리튬의 순도가 향상될 수 있다.A lithium base may be used as a lithium source. Lithium base may be easy to handle due to low ignitability and low hygroscopicity. In one embodiment, lithium sulfide may be selectively extracted and purified using an organic solvent. Thus, the purity of lithium sulfide can be improved.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 황화리튬의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.1 is a process flow chart illustrating a method for manufacturing lithium sulfide according to exemplary embodiments.

본 발명의 실시예들에 따르면, 리튬 소스 및 황 소스를 이용하여 황화리튬을 제조할 수 있다. 또한, 상술한 방법으로 제조된 황화리튬을 포함하는 이차전지용 고체 전해질 및 이차 전지가 제공될 수 있다.According to embodiments of the present invention, lithium sulfide may be produced using a lithium source and a sulfur source. In addition, a solid electrolyte for a secondary battery and a secondary battery including lithium sulfide prepared by the above-described method may be provided.

이하에서, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

본 명세서에 사용된 화학식으로 표시되는 화합물의 이성질체가 있는 경우에는, 해당 화학식으로 표시되는 화합물은 그 이성질체까지 포함하는 대표 화학식을 의미한다.When there are isomers of a compound represented by a chemical formula used in this specification, the compound represented by the chemical formula means a representative chemical formula including the isomer.

본 명세서에서 사용된 용어 "X계 화합물"은 X 화합물, 또는 X 화합물의 유도체를 의미할 수 있다. As used herein, the term “X compound” may refer to a compound X or a derivative of a compound X.

<황화리튬의 제조방법><Method for producing lithium sulfide>

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 황화리튬의 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.1 is a process flow chart illustrating a method for manufacturing lithium sulfide according to exemplary embodiments.

예시적인 실시예들에 따르는 황화리튬의 제조방법은 하기의 S10, S20 및/또는 S30으로 기재된 단계, 공정 또는 작용을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하기의 S10, S20 및 S30의 공정들 중 일부가 순차적으로 수행될 수 있으며, 혹은 전부가 순차적으로 수행될 수 있고, 공정 조건에 따라 변경되어 실시될 수도 있다.A method for producing lithium sulfide according to exemplary embodiments may include steps, processes, or actions described as S10, S20, and/or S30 below. For example, some of the following processes S10, S20, and S30 may be sequentially performed, or all of them may be sequentially performed, and may be changed according to process conditions.

도 1을 참조하면, 리튬 원료 및 황(S) 원료를 반응시킬 수 있다(예를 들면, S10 단계).Referring to FIG. 1, a lithium raw material and a sulfur (S) raw material may be reacted (eg, step S10).

상기 황(S) 원료는 티오우레아(CH4N2S), 이황화탄소(CS2) 및/또는 이소티오시아네이트(isothiocyanate)계 화합물을 포함할 수 있다. The sulfur (S) raw material may include thiourea (CH 4 N 2 S), carbon disulfide (CS 2 ), and/or isothiocyanate-based compounds.

황 원소의 소스로서 황화수소를 사용하지 않음에 따라, 제조 설비의 구축 및 작동을 위한 비용이 저감되며, 환경 및 안정상 위해가 억제될 수 있다. 예를 들면, 황화수소 등의 가스상 황원을 황 원소의 소스로 사용하는 경우, 보관, 운송 및 반응을 위한 용기 및 배관이 필요하여 제조를 위한 비용이 증가할 수 있다. 또한, 가스상 황원의 누출 및 휘발로 인해 안정상 문제가 발생할 수 있으며, 황화리튬의 순도 및 수율이 저하될 수 있다.As hydrogen sulfide is not used as a source of elemental sulfur, costs for construction and operation of manufacturing facilities are reduced, and environmental and safety hazards can be suppressed. For example, when a gaseous sulfur source such as hydrogen sulfide is used as a source of elemental sulfur, production costs may increase because containers and pipes for storage, transport, and reaction are required. In addition, safety problems may occur due to leakage and volatilization of the gaseous sulfur source, and the purity and yield of lithium sulfide may be reduced.

상기 리튬 원료로서 리튬 염기(base)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 리튬 원료는 수용액 상태에서 염기성을 갖는 리튬 함유 알칼리 물질일 수 있다.A lithium base may be used as the lithium source. For example, the lithium raw material may be a lithium-containing alkali material having basicity in an aqueous solution state.

리튬 염기는 낮은 발화성 및 흡습성을 가지므로 취급이 용이할 수 있다. 따라서, 공정성 및 경제성이 개선될 수 있으며, 황화리튬의 대량 생산이 가능할 수 있다.Lithium base has low pyrophoric and hygroscopicity, so handling can be easy. Accordingly, processability and economic feasibility may be improved, and mass production of lithium sulfide may be possible.

또한, 리튬 염기는 상기 황 원료들과 높은 반응성을 가지고 있어 황화리튬의 순도 및 생산성이 향상될 수 있다.In addition, since the lithium base has high reactivity with the sulfur raw materials, the purity and productivity of lithium sulfide can be improved.

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 리튬 염기는 LiH, LiOH, Li2CO3 및 탄소수 1 내지 10의 리튬 알콕사이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬 알콕사이드는 LiOR2로 표시될 수 있다. R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 2 내지 10의 알케닐기, 탄소수 2 내지 10의 알키닐기일 수 있다.In example embodiments, the lithium base may include at least one of LiH, LiOH, Li 2 CO 3 , and a lithium alkoxide having 1 to 10 carbon atoms. For example, lithium alkoxide can be represented by LiOR 2 . R 2 may be an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, or an alkynyl group having 2 to 10 carbon atoms.

바람직하게는, 상기 리튬 염기로서 LiOH 또는 Li2CO3를 사용할 수 있다. 이 경우, 황화리튬의 순도 및 수율은 높게 유지하면서 저비용으로 대량생산이 가능할 수 있다.Preferably, LiOH or Li 2 CO 3 may be used as the lithium base. In this case, mass production may be possible at low cost while maintaining high purity and yield of lithium sulfide.

일부 실시예들에 있어서, 상기 이소티오시아네이트계 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.In some embodiments, the isothiocyanate-based compound may be represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 1 내지 12의 알킬기, 탄소수 1 내지 12의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 12의 알케닐기, 탄소수 2 내지 12의 알키닐기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알킬기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알케닐기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알키닐기, 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 탄소수 6 내지 12의 할로아릴기 또는 탄소수 7 내지 12의 아릴알킬기일 수 있다.In Formula 1, R 1 is an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a haloalkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 12 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 12 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 12 carbon atoms, and a carbon atom having 3 to 12 carbon atoms. It may be a cycloalkenyl group of 12, a cycloalkynyl group of 3 to 12 carbon atoms, an aryl group of 6 to 12 carbon atoms, a haloaryl group of 6 to 12 carbon atoms, or an arylalkyl group of 7 to 12 carbon atoms.

상술한 알킬기, 할로알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 시클로알키닐기, 아릴기, 할로아릴기 및 아릴알킬기는 적어도 하나의 수소원자가 치환기로 치환될 수 있다. 예를 들면, 상기 치환기는 히드록시기, 할로겐 원자, 아미노기, 니트로기, 설피닐기, 설포닐기, 설파닐기, 카르복실기, 포스핀설파이드기, 포스핀옥사이드기, 실릴기, 옥시기, 카보닐기, 에스테르기 등을 들 수 있다. In the aforementioned alkyl group, haloalkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, cycloalkenyl group, cycloalkynyl group, aryl group, haloaryl group and arylalkyl group, at least one hydrogen atom may be substituted with a substituent. For example, the substituent is a hydroxy group, a halogen atom, an amino group, a nitro group, a sulfinyl group, a sulfonyl group, a sulfanyl group, a carboxyl group, a phosphine sulfide group, a phosphine oxide group, a silyl group, an oxy group, a carbonyl group, an ester group, etc. can be heard

상기 치환기들 중 아미노기, 포스핀설파이드기, 포스핀옥사이드기, 설피닐기, 설포닐기, 설파닐기, 실릴기, 옥시기, 카보닐기, 에스테르기 등의 다가(multivalent)의 치환기는 다른 결합 사이트가 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 2 내지 10의 알케닐기, 탄소수 2 내지 10의 알키닐기, 탄소수 3 내지 10의 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 10의 아릴기로 더 치환될 수 있다.Among the above substituents, multivalent substituents such as an amino group, a phosphine sulfide group, a phosphine oxide group, a sulfinyl group, a sulfonyl group, a sulfanyl group, a silyl group, an oxy group, a carbonyl group, and an ester group have different binding sites having carbon atoms It may be further substituted with an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 10 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms.

상기 이소티오시아네이트계 화합물이 상기 화학식 1로 표시되는 화합물일 경우, 리튬 염기와의 반응성이 보다 향상될 수 있다. 따라서, 황화리튬의 생산성 및 순도가 보다 개선될 수 있다.When the isothiocyanate-based compound is a compound represented by Formula 1, reactivity with a lithium base may be further improved. Thus, productivity and purity of lithium sulfide can be further improved.

바람직하게는, 상기 화학식 1 중 R1은 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6의 할로알킬기, 탄소수 3 내지 10의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 10의 아릴기 또는 탄소수 6 내지 10의 아릴알킬기일 수 있다. 이 경우, 이소티오시아네이트계 화합물의 탄소수 및 입체효과(steric effect)가 적절히 조절되어 리튬 염기와의 반응성이 보다 향상될 수 있다. 또한, 후술할 유기용매에 대한 용해성이 증가하여 황화리튬의 순도가 향상될 수 있다.Preferably, R 1 in Formula 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a haloalkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, or an arylalkyl group having 6 to 10 carbon atoms. can In this case, the carbon number and steric effect of the isothiocyanate-based compound are appropriately controlled, so that the reactivity with the lithium base can be further improved. In addition, the purity of lithium sulfide may be improved by increasing the solubility in an organic solvent to be described later.

보다 바람직하게는, 상기 이소티오시아네이트계 화합물은 하기 화학식 2 내지 화학식 11로 표시되는 화합물들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.More preferably, the isothiocyanate-based compound may include at least one of the compounds represented by Formulas 2 to 11 below.

[화학식 2][Formula 2]

[화학식 3][Formula 3]

[화학식 4][Formula 4]

[화학식 5][Formula 5]

[화학식 6][Formula 6]

[화학식 7][Formula 7]

[화학식 8][Formula 8]

[화학식 9][Formula 9]

[화학식 10][Formula 10]

[화학식 11][Formula 11]

예시적인 실시예들에 따르면, 리튬 염기 및 황 원료의 반응은 수용액 조건에서 진행될 수 있다. 예를 들어, 리튬 염기 및 황 원료를 물을 함유한 용매에 혼합하여 반응시킬 수 있다.According to exemplary embodiments, the reaction between the lithium base and the sulfur raw material may be performed in an aqueous solution. For example, a lithium base and a sulfur raw material may be mixed in a solvent containing water and reacted.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수용액의 용매로서 물을 단독으로 사용할 수 있다. 이 경우, 리튬 염기 및 황 원료가 수용액 내에서 균일하게 혼합될 수 있으며, 리튬 염기 및 황 원료 간 반응성이 보다 개선될 수 있다.In some embodiments, water alone may be used as the solvent of the aqueous solution. In this case, the lithium base and the sulfur source may be uniformly mixed in the aqueous solution, and the reactivity between the lithium base and the sulfur source may be further improved.

일부 실시예들에 있어서, 황 원료가 이황화탄소인 경우 수용액의 용매로서 물 및 에테르계 용매의 혼합 용액을 사용할 수 있다. 에테르계 용매는 이황화탄소에 대한 높은 용해성을 가지고 있어 수용액 내에서의 반응성이 보다 개선될 수 있다.In some embodiments, when the sulfur source is carbon disulfide, a mixed solution of water and an ether-based solvent may be used as a solvent of the aqueous solution. Ether-based solvents have high solubility in carbon disulfide, so their reactivity in aqueous solutions can be further improved.

예를 들면, 상기 에테르계 용매는 에틸메틸에테르, 디에틸에테르, 이소프로필에테르, 글리콜디메틸에테르, 글리콜디에틸에테르, 테트라하이드로퓨란 등을 포함할 수 있다.For example, the ether-based solvent may include ethyl methyl ether, diethyl ether, isopropyl ether, glycol dimethyl ether, glycol diethyl ether, tetrahydrofuran, and the like.

일 실시예에 있어서, 황화리튬은 하기 반응식 1에서 예시된 바와 같이 이황화탄소 및 리튬 염기(예를 들어, LiOH)의 반응을 통해 수득될 수 있다.In one embodiment, lithium sulfide may be obtained through the reaction of carbon disulfide and a lithium base (eg, LiOH) as illustrated in Scheme 1 below.

<반응식 1><Scheme 1>

일부 실시예들에 있어서, 황(S) 원료가 이황화탄소인 경우, 리튬 염기 및 황 원료의 반응은 이황화탄소의 끓는점 이하의 온도에서 진행될 수 있다. 예를 들면, 리튬 염기 및 황 원료의 반응 온도는 20℃ 내지 45℃일 수 있다. 상기 범위 내에서 황 원료의 분해를 방지하면서 반응성이 보다 향상될 수 있다.In some embodiments, when the source of sulfur (S) is carbon disulfide, the reaction between the lithium base and the source sulfur may proceed at a temperature below the boiling point of carbon disulfide. For example, the reaction temperature of the lithium base and the sulfur raw material may be 20 °C to 45 °C. Reactivity can be further improved while preventing decomposition of the sulfur raw material within the above range.

일부 실시예들에 있어서, 황(S) 원료가 이황화탄소인 경우, 상기 리튬 염기의 함량은 상기 황(S) 원료 1몰에 대하여 3.5몰 내지 5.5몰일 수 있다. In some embodiments, when the sulfur (S) raw material is carbon disulfide, the amount of the lithium base may be 3.5 to 5.5 moles based on 1 mole of the sulfur (S) raw material.

상기 범위 내에서 공정의 효율 및 황화리튬의 수득률이 향상될 수 있으며, 공정의 경제성이 개선될 수 있다. 예를 들면, 리튬 염기의 함량이 이황화탄소 1몰에 대하여 3.5몰 미만인 경우, 이황화탄소의 반응률이 저하될 수 있다. 예를 들면, 리튬 염기의 함량이 이황화탄소 1몰에 대하여 5.5몰 초과인 경우, 미반응한 리튬 염기의 잔존량이 증가할 수 있다.Within the above range, the efficiency of the process and the yield of lithium sulfide may be improved, and the economics of the process may be improved. For example, when the content of the lithium base is less than 3.5 mol with respect to 1 mol of carbon disulfide, the reaction rate of carbon disulfide may decrease. For example, when the content of the lithium base is greater than 5.5 mol with respect to 1 mol of carbon disulfide, the remaining amount of unreacted lithium base may increase.

일 실시예에 있어서, 황화리튬은 하기 반응식 2에서 예시된 바와 같이 이소티오시아네이트계 화합물 및 리튬 염기(예를 들어, LiOH)의 반응을 통해 수득될 수 있다.In one embodiment, lithium sulfide may be obtained through the reaction of an isothiocyanate-based compound and a lithium base (eg, LiOH) as illustrated in Scheme 2 below.

<반응식 2><Scheme 2>

일 실시예에 있어서, 황화리튬은 하기 반응식 3에서 예시된 바와 같이 티오우레아 및 리튬 염기(예를 들어, LiOH)의 반응을 통해 수득될 수 있다.In one embodiment, lithium sulfide can be obtained through the reaction of thiourea and a lithium base (eg, LiOH) as illustrated in Scheme 3 below.

<반응식 3><Scheme 3>

일부 실시예들에 있어서, 상기 황(S) 원료가 티오우레아 및/또는 이소티오시아네이트계 화합물인 경우, 리튬 염기 및 황 원료의 반응 온도는 20℃ 내지 100℃일 수 있으며, 예를 들면, 20℃ 내지 90℃, 또는 20℃ 내지 60℃일 수 있다.In some embodiments, when the sulfur (S) raw material is a thiourea and/or isothiocyanate-based compound, the reaction temperature of the lithium base and the sulfur raw material may be 20 ° C to 100 ° C, for example, 20°C to 90°C, or 20°C to 60°C.

예를 들면, 티오우레아 또는 이소티오시아네이트계 화합물은 리튬 염기와 가수분해 반응하여 이산화탄소, 암모니아 또는 아민 등의 가스를 발생시킬 수 있다. 반응온도가 상술한 범위 내로 조절됨에 따라, 가스 발생량이 조절될 수 있으며 반응 효율 및 안정성이 보다 개선될 수 있다.For example, a thiourea or isothiocyanate-based compound may generate gases such as carbon dioxide, ammonia, or amine through a hydrolysis reaction with a lithium base. As the reaction temperature is adjusted within the above range, the amount of gas generated can be controlled and the reaction efficiency and stability can be further improved.

일부 실시예들에 있어서, 상기 황(S) 원료가 티오우레아 및/또는 이소티오시아네이트계 화합물인 경우, 상기 리튬 염기의 함량은 상기 황(S) 원료 1몰에 대하여 1.5몰 내지 2.5몰일 수 있다. In some embodiments, when the sulfur (S) raw material is a thiourea and/or isothiocyanate-based compound, the amount of the lithium base may be 1.5 to 2.5 moles based on 1 mole of the sulfur (S) raw material. there is.

상기 범위 내에서 공정의 효율 및 황화리튬의 수득률이 향상될 수 있으며, 공정의 경제성이 개선될 수 있다. 예를 들면, 리튬 염기의 함량이 티오우레아 또는 이소티오시아네이트계 화합물 1몰에 대하여 1.5몰 미만인 경우, 미반응된 황 원료의 양이 증가할 수 있으며 황화리튬의 수율이 저하될 수 있다. 예를 들면, 리튬 염기의 함량이 티오우레아 또는 이소티오시아네이트계 화합물 1몰에 대하여 2.5몰 초과인 경우, 리튬 염기가 반응물 내에 잔류하여 황화리튬의 순도가 저하될 수 있다.Within the above range, the efficiency of the process and the yield of lithium sulfide may be improved, and the economics of the process may be improved. For example, when the content of the lithium base is less than 1.5 moles based on 1 mole of the thiourea or isothiocyanate-based compound, the amount of unreacted sulfur raw material may increase and the yield of lithium sulfide may decrease. For example, when the content of the lithium base is greater than 2.5 moles with respect to 1 mole of the thiourea or isothiocyanate-based compound, the lithium base may remain in the reactant and the purity of lithium sulfide may decrease.

일부 실시예들에 있어서, 상기 리튬 염기 및 상기 황 원료의 반응은 반응기 내에서 진행될 수 있다. In some embodiments, the reaction of the lithium base and the sulfur raw material may proceed in a reactor.

일 실시예에 있어서, 상기 반응은 열린계(open system) 상태에서 진행될 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬 염기 및 상기 황 원료를 반응시키면서 상기 반응에 의해 발생한 가스를 반응기 외부로 배출/제거할 수 있다. 따라서, 반응 안정성 및 효율이 보다 향상될 수 있다. 예를 들면, 이산화탄소, 암모니아 및 아민 등의 가스에 의해 리튬 염기 및 황 원료의 반응 속도가 감소할 수 있으며, 부반응이 발생하거나 반응기가 팽창하여 안정성이 저하될 수 있다.In one embodiment, the reaction may proceed in an open system state. For example, gas generated by the reaction may be discharged/removed to the outside of the reactor while the lithium base and the sulfur raw material are reacted. Thus, reaction stability and efficiency can be further improved. For example, gas such as carbon dioxide, ammonia, and amine may reduce the reaction rate of the lithium base and the sulfur raw material, and side reactions may occur or the reactor may expand, resulting in deterioration in stability.

일 실시예에 있어서, 상기 반응기는 상기 리튬 염기 및 상기 황 원료의 반응에 의해 발생한 가스를 상기 반응기의 외부로 배출시키는 가스 배출구를 포함할 수 있다.In one embodiment, the reactor may include a gas outlet through which gas generated by the reaction of the lithium base and the sulfur raw material is discharged to the outside of the reactor.

일 실시예에 있어서, 상기 반응기 외부로 상기 가스가 배출되는지 여부를 관찰하여 반응 종결 시점을 선택/조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응기의 외부로 가스가 배출되지 않을 때 상기 황 원료 및 상기 리튬 염기의 반응을 종결할 수 있다.In one embodiment, the reaction termination point may be selected/adjusted by observing whether or not the gas is discharged to the outside of the reactor. For example, the reaction of the sulfur raw material and the lithium base may be terminated when no gas is discharged to the outside of the reactor.

예를 들면, 상기 반응기의 가스 배출구를 튜브 등을 통해 톨루엔 등의 용매가 담기 용기에 연결할 수 있다. 용기에서 기포가 발생하는지 여부를 관찰하여 가스 발생 여부를 확인할 수 있다.For example, a gas outlet of the reactor may be connected to a container containing a solvent such as toluene through a tube or the like. Gas generation can be confirmed by observing whether bubbles are generated in the container.

일 실시예에 있어서, 가스 발생 여부는 추가 가열하면서 확인할 수 있다. 예를 들면, 반응기를 20℃ 내지 60℃의 온도로 가열하면서 기포의 발생 여부를 확인할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가스 발생 여부는 반응기를 상기 황 원료 및 리튬 염기의 반응 온도보다 높은 온도로 서서히 승온시키면서 확인할 수 있다. 이 경우, 반응 완료 여부를 보다 정확하게 확인할 수 있다.In one embodiment, gas generation can be confirmed while additional heating. For example, while heating the reactor at a temperature of 20 ° C to 60 ° C, it is possible to check whether bubbles are generated. In one embodiment, gas generation can be confirmed while slowly raising the temperature of the reactor to a temperature higher than the reaction temperature of the raw material sulfur and lithium base. In this case, it is possible to more accurately confirm whether or not the reaction is complete.

리튬 염기 및 황 원료의 반응물로부터 황화리튬(Li2S)을 수득할 수 있다(예를 들면, S20 단계).Lithium sulfide (Li 2 S) may be obtained from a reaction product of a lithium base and a sulfur source (eg, step S20).

예를 들면, 리튬 염기 및 황 원료의 반응물을 추가적으로 반응시켜 황화리튬으로 전환시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 반응물의 종류에 따라 산화 반응, 환원 반응, 탈수 반응, 중합 반응 등이 수행될 수 있다.For example, it may be converted into lithium sulfide by additionally reacting a reactant of a lithium base and a sulfur source. For example, an oxidation reaction, a reduction reaction, a dehydration reaction, a polymerization reaction, and the like may be performed depending on the type of the reactant.

일 실시예에 있어서, 상기 리튬 염기 및 상기 황 원료의 반응물은 LiSH를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬 염기 및 상기 황 원료의 반응으로 형성된 LiSH를 황화리튬으로 전환시킬 수 있다. LiSH는 수용액 상태에서 탈수 공정에 의해 용이하게 황화리튬으로 전환될 수 있다. 따라서, 공정의 중간 생성물로 LiSH가 형성됨에 따라, 추가적인 전환 공정 없이도 수용액을 증발시키는 동시에 황화리튬이 높은 수율로 합성될 수 있다.In one embodiment, the reactant of the lithium base and the sulfur raw material may include LiSH. For example, LiSH formed by the reaction of the lithium base and the sulfur source may be converted into lithium sulfide. LiSH can be easily converted into lithium sulfide by a dehydration process in an aqueous solution. Therefore, as LiSH is formed as an intermediate product of the process, lithium sulfide can be synthesized in high yield while evaporating the aqueous solution without an additional conversion process.

일 실시예에 있어서, 건조 공정을 통해 상기 반응물이 용해된 수용액을 증발시키면서 황화리튬이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 건조 공정은 진공 건조 또는 가열 건조로 수행될 수 있다. 수용액이 증발되면서 LiSH가 탈수 축합되어 황화리튬이 형성될 수 있다.In one embodiment, lithium sulfide may be formed while evaporating an aqueous solution in which the reactant is dissolved through a drying process. For example, the drying process may be performed by vacuum drying or heat drying. As the aqueous solution evaporates, LiSH may dehydrate and condense to form lithium sulfide.

일 실시예에 있어서, 상기 건조 공정의 온도는 25℃ 내지 100℃일 수 있으며, 예를 들면, 50℃ 내지 100℃, 50℃ 내지 90℃ 또는 60℃ 내지 85℃일 수 있다. 상기 범위 내에서 수용액이 완전히 증발되면서도 반응물의 황화리튬으로의 전환율이 높아질 수 있다. 또한, 부반응, 역반응 및 황화리튬의 분해로 인한 수득률 저하를 방지할 수 있다.In one embodiment, the temperature of the drying process may be 25 °C to 100 °C, for example, 50 °C to 100 °C, 50 °C to 90 °C, or 60 °C to 85 °C. Within the above range, the conversion rate of the reactant into lithium sulfide may be increased while the aqueous solution is completely evaporated. In addition, a decrease in yield due to side reactions, reverse reactions, and decomposition of lithium sulfide can be prevented.

예시적인 실시예들에 따르면, 황화리튬을 유기용매를 이용하여 추출할 수 있다(예를 들면, S30 단계).According to exemplary embodiments, lithium sulfide may be extracted using an organic solvent (eg, step S30).

일부 실시예들에 있어서, 상기 황화리튬을 유기용매에 용해시킬 수 있다. In some embodiments, the lithium sulfide may be dissolved in an organic solvent.

예를 들면, 리튬 염기 및 황 원료의 반응물을 황화리튬으로 전환시킨 후, 수용액을 증발시켜 황화리튬을 포함하는 고체 혼합물을 수득할 수 있다. 상기 고체 혼합물을 상기 유기용매와 혼합할 수 있다.For example, after converting a reactant of a lithium base and a sulfur source into lithium sulfide, the aqueous solution may be evaporated to obtain a solid mixture containing lithium sulfide. The solid mixture may be mixed with the organic solvent.

일 예에 있어서, 상기 고체 혼합물에는 미반응물이 더 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 미반응물은 반응하지 않은 리튬 염기 및 황 원료를 포함할 수 있으며, 황화리튬으로 전환되지 않은 리튬 염기 및 황 원료의 반응물을 포함할 수도 있다.In one example, the solid mixture may further include an unreacted material. For example, the unreacted material may include an unreacted lithium base and a sulfur source, or may include a reactant of a lithium base and a sulfur source that are not converted into lithium sulfide.

일부 실시예들에 있어서, 상기 유기용매로서 황화리튬에 대한 용해도가 리튬 염기에 대한 용해도보다 큰 용매를 사용할 수 있다. 이에 따라, 황화리튬에 대한 선택적인 용해가 가능할 수 있으며, 황화리튬의 순도 및 수율이 보다 향상될 수 있다.In some embodiments, a solvent having a higher solubility in lithium sulfide than a lithium base may be used as the organic solvent. Accordingly, selective dissolution of lithium sulfide may be possible, and the purity and yield of lithium sulfide may be further improved.

일 실시예에 있어서, 상기 유기용매는 황화리튬에 대한 용해도가 황 원료 및 LiSH 등의 반응물에 대한 용해도보다 클 수 있다.In one embodiment, the solubility of the organic solvent in lithium sulfide may be greater than the solubility in reactants such as raw material sulfur and LiSH.

일 실시예에 있어서, 상기 유기용매는 탄소수 1 내지 6의 알코올계 용매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, t-부탄올, 이소부탄올, n-펜탄올, 2-메틸-1-부탄올, 3-메틸-1-부탄올, n-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 3-메틸-1-펜타올, 4-메틸-1-펜탄올 등을 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic solvent may include an alcohol-based solvent having 1 to 6 carbon atoms. For example, the organic solvent is methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, t-butanol, isobutanol, n-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, n-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 3-methyl-1-pentanol, 4-methyl-1-pentanol, and the like.

상술한 알코올계 용매는 LiOH, Li2CO3 등의 리튬 염기 및 티오우레아, 이황화탄소 및 이소티오시아네이트 등의 황 원료에 대하여 낮은 용해성을 가지며, 황화리튬에 대하여는 높은 용해성을 가지고 있다. 또한, 상술한 알코올계 용매는 황화리튬 및 리튬 염기와의 화학적 반응성이 없어 부반응 없이 황화리튬을 선택적으로 추출할 수 있으며, 상대적으로 낮은 끓는점을 가지고 있어 추출 후 쉽게 제거될 수 있다.The above-described alcohol-based solvent has low solubility in lithium bases such as LiOH and Li 2 CO 3 and sulfur raw materials such as thiourea, carbon disulfide, and isothiocyanate, and high solubility in lithium sulfide. In addition, the above-described alcohol-based solvent has no chemical reactivity with lithium sulfide and a lithium base, so that lithium sulfide can be selectively extracted without side reactions, and has a relatively low boiling point, so it can be easily removed after extraction.

일 실시예에 있어서, 상기 유기용매로 에탄올을 사용할 수 있다. 에탄올은 황화리튬에 대한 높은 용해성, 낮은 반응성 및 끓는점을 가지고 있어 공정의 반응 효율 및 황화리튬의 수득률, 순도 등이 보다 개선될 수 있다.In one embodiment, ethanol may be used as the organic solvent. Since ethanol has high solubility, low reactivity and boiling point for lithium sulfide, the reaction efficiency of the process and the yield and purity of lithium sulfide can be further improved.

일부 실시예들에 있어서, 상기 황화리튬이 용해된 유기용매를 여과하여 유기용매 내에 잔류하는 고체 화합물을 제거할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 여과 공정은 유기용매 내에 고체 화합물, 예를 들어 흰색 분말이 관찰되지 않을 때까지 반복적으로 수행될 수 있다.In some embodiments, the solid compound remaining in the organic solvent may be removed by filtering the organic solvent in which the lithium sulfide is dissolved. In one embodiment, the filtration process may be performed repeatedly until a solid compound, for example, a white powder, is not observed in the organic solvent.

일부 실시예들에 있어서, 상기 여과된 유기용매를 증류 제거할 수 있다. 이에 따라, 고순도의 황화리튬이 수득될 수 있다.In some embodiments, the filtered organic solvent may be distilled off. Thus, high-purity lithium sulfide can be obtained.

일 실시예에 있어서, 상기 증류 제거 공정은 가열 건조 공정 또는 진공 건조 공정으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 증류 제거 공정은 진공 건조 공정으로 수행될 수 있다. 이 경우, 열처리에 의한 황화리튬의 분해 및 순도 저하를 방지할 수 있다.In one embodiment, the distillation removal process may be performed by a heat drying process or a vacuum drying process. For example, the distillation removal process may be performed as a vacuum drying process. In this case, decomposition of lithium sulfide and decrease in purity due to heat treatment can be prevented.

상기 여과된 유기용매를 증류 제거하고 남은 고체 화합물을 회수하여 황화리튬을 수득할 수 있다.Lithium sulfide may be obtained by distilling off the filtered organic solvent and recovering the remaining solid compound.

<이차전지용 고체 전해질 및 이차전지><Solid electrolyte for secondary battery and secondary battery>

본 발명의 실시예들에 따른 이차전지용 고체 전해질은 상술한 황화리튬을 포함할 수 있다. 황화리튬은 높은 이온 전도도 및 안정성을 가지고 있어 고체 전해질의 전기화학적 특성이 보다 향상될 수 있다.A solid electrolyte for a secondary battery according to embodiments of the present invention may include the above-described lithium sulfide. Lithium sulfide has high ionic conductivity and stability, so the electrochemical properties of the solid electrolyte can be further improved.

일부 실시예들에 있어서, 상기 이차전지용 고체 전해질은 상술한 황화리튬 외에 다른 전해질을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 이차전지용 고체 전해질은 황화물계 전해질, 산화물계 전해질 또는 고분자 전해질을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the solid electrolyte for the secondary battery may further include an electrolyte other than the above-described lithium sulfide. For example, the solid electrolyte for a secondary battery may further include a sulfide-based electrolyte, an oxide-based electrolyte, or a polymer electrolyte.

일부 실시예들에 있어서, 상기 황화물계 전해질은 Li, P, 및 S를 포함하는 LPS계 고체 전해질, Li, P, Ge 및 S를 포함하는 LGPS계 고체 전해질, 또는 Li, Si, P, S 및 Cl을 포함하는 LSiPSCl계 고체 전해질일 수 있다.In some embodiments, the sulfide-based electrolyte is an LPS-based solid electrolyte including Li, P, and S, an LGPS-based solid electrolyte including Li, P, Ge, and S, or Li, Si, P, S and It may be an LSiPSCl-based solid electrolyte containing Cl.

예를 들면, 상기 황화물계 전해질로서 Li2S-P2S5, Li10GeP2S12, Li10SnP2S12, Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3, Li10(Si0.5Ge0.5)P2S12, Li10(Ge0.5Sn0.5)P2S12, Li10(Si0.5Sn0.5)P2S12, Li10GeP2S11.7O0.3, Li9.6P3S12, Li9P3S9O3, Li10.35Ge1.35P1.65S12, Li10.35Si1.35P1.65S12, Li9.81Sn0.81P2.19S12, Li9.42Si1.02P2.1S9.96O2.04, Li6PS5Cl 등이 사용될 수 있다. For example, as the sulfide-based electrolyte, Li 2 SP 2 S 5 , Li 10 GeP 2 S 12 , Li 10 SnP 2 S 12 , Li 9.54 Si 1.74 P 1.44 S 11.7 Cl 0.3 , Li 10 (Si 0.5 Ge 0.5 )P 2 S 12 , Li 10 (Ge 0.5 Sn 0.5 )P 2 S 12 , Li 10 (Si 0.5 Sn 0.5 )P 2 S 12 , Li 10 GeP 2 S 11.7 O 0.3 , Li 9.6 P 3 S 12 , Li 9 P 3 S 9 O 3 , LI 10.35 GE 1.35 p 1.65 s 12 , LI 10.35 SI 1.35 p 1.65 s 12 , Li 9.81 s 0.81 p 2.19 S 12 , LI 9.42 SI 1.02 p 2.1 s 9.96 o 2.04 can be used

일부 실시예들에 있어서, 산화물계 전해질은 산소를 함유하는 이온 전도성 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 산화물계 고체전해질의 예로서, LLTO계 화합물, Li6La2CaTa2O12, Li6La2CaNb2O12, Li2Nd3TeSbO12, Li3BO2.5N0.5, Li9SiAlO8, LAGP계 화합물, LATP계 화합물, Li1+xTi2-xAlxSiy(PO4)3-y(0≤x≤1, 0≤y≤1), LiAlxZr2-x(PO4)3(0≤x≤1, 0≤y≤1), LiTixZr2-x(PO4)3(여기에서, 0≤x≤1, 0≤y≤1), LISICON계 화합물, LIPON계 화합물, 페로브스카이트계 화합물, 나시콘계 화합물, 및 LLZO계 화합물 등을 들 수 있다.In some embodiments, the oxide-based electrolyte may include an ion-conducting compound containing oxygen. For example, as examples of the oxide-based solid electrolyte, LLTO-based compounds, Li 6 La 2 CaTa 2 O 12 , Li 6 La 2 CaNb 2 O 12 , Li 2 Nd 3 TeSbO 12 , Li 3 BO 2.5 N 0.5 , Li 9 SiAlO 8 , LAGP-based compound, LATP-based compound, Li 1+x Ti 2-x Al x Si y (PO 4 ) 3-y (0≤x≤1, 0≤y≤1), LiAl x Zr 2- x (PO 4 ) 3 (0≤x≤1, 0≤y≤1), LiTi x Zr 2-x (PO 4 ) 3 (here, 0≤x≤1, 0≤y≤1), LISICON series compounds, LIPON-based compounds, perovskite-based compounds, Nasicon-based compounds, and LLZO-based compounds, and the like.

일 실시예에 있어서, 상기 이차전지용 고체 전해질은 Al2O3, ZnO2, Ce2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, MnO2, MgO, WO2, V2O5 등의 금속 산화물을 더 포함할 수도 있다.In one embodiment, the solid electrolyte for the secondary battery is a metal oxide such as Al 2 O 3 , ZnO 2 , Ce 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , MnO 2 , MgO, WO 2 , V 2 O 5 may further include.

일부 실시예들에 있어서, 상기 이차전지용 고체 전해질 중 황화리튬의 함량은 10중량% 이상일 수 있으며, 예를 들어 20중량% 이상, 30중량% 이상, 50중량% 이상 또는 70중량% 이상일 수 있다.In some embodiments, the content of lithium sulfide in the solid electrolyte for a secondary battery may be 10% by weight or more, for example, 20% by weight or more, 30% by weight or more, 50% by weight or more, or 70% by weight or more.

일부 실시예들에 있어서, 상기 이차전지용 고체 전해질 중 황화리튬의 함량은 100중량% 이하, 90중량% 이하 또는 80중량% 이하일 수 있다.In some embodiments, the content of lithium sulfide in the solid electrolyte for a secondary battery may be 100% by weight or less, 90% by weight or less, or 80% by weight or less.

일부 실시예들에 있어서, 상기 이차전지용 고체 전해질은 상술한 황화리튬으로 구성될 수 있다.In some embodiments, the solid electrolyte for the secondary battery may be composed of the above-described lithium sulfide.

본 발명의 실시예들에 따른 이차전지는 양극, 상기 양극과 대향하는 음극, 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치된 고체 전해질층을 포함할 수 있다.A secondary battery according to embodiments of the present invention may include a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode.

일 실시예에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있으며, 예를 들면, 전해액을 포함하지 않는 전고체(All-solid) 전지일 수 있다. 전고체 전지는 전해질로서 액체 전해질을 사용하지 않아 높은 안정성을 가질 수 있다.In one embodiment, the secondary battery may be a lithium secondary battery, and may be, for example, an all-solid battery that does not contain an electrolyte solution. An all-solid-state battery can have high stability because it does not use a liquid electrolyte as an electrolyte.

 또한, 상기 리튬 이차전지는 원통형, 각형, 코인형 또는 파우치형 타입으로 제조될 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차전지는 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 분류될 수 있다.In addition, the lithium secondary battery may be manufactured in a cylindrical, prismatic, coin or pouch type. In addition, the lithium secondary battery may be classified into a bulk type and a thin film type according to the size.

일부 실시예들에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함할 수 있다.In some embodiments, the cathode may include a cathode current collector and a cathode active material layer formed on the cathode current collector.

상기 양극 집전체는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.The cathode current collector may include stainless steel, nickel, aluminum, titanium, copper, or an alloy thereof, and may include, for example, aluminum or an aluminum alloy.

상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 화합물을 포함할 수 있다. The cathode active material layer may include a cathode active material. The cathode active material may include a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium.

일 실시예에 있어서, 상기 양극 활물질로서 리튬 함유 전이금속 산화물, 즉, 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 구리 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 망간 복합 산화물, 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물 등을 들 수 있다.In one embodiment, as the cathode active material, lithium-containing transition metal oxides, that is, lithium cobalt-based oxide, lithium manganese-based oxide, lithium copper oxide, lithium nickel-based oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium-nickel-manganese-cobalt system oxide etc. are mentioned.

예를 들면, 상기 양극활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2(O<y<1), LiCo1-yMnyO2(O<y<1), LiNi1-yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4(0<z<2), LiMn2-zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, the cathode active material is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li(Ni a Co b Mn c ) O 2 (0<a<1, 0<b<1, 0<c< 1, a+b+c=1), LiNi 1-y Co y O 2 (O<y<1), LiCo 1-y Mn y O 2 (O<y<1), LiNi 1-y Mn y O 2 (O≤y<1), Li(Ni a Co b Mn c )O 4 (0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn 2 -z Ni z O 4 (0<z<2), LiMn 2-z Co z O 4 (0<z<2), LiCoPO 4 and LiFePO 4 It may include at least one selected from the group consisting of.

일 실시예에 있어서, 상기 양극 활물질층은 바인더, 도전재 및/또는 상술한 고체 전해질을 포함할 수 있다.In one embodiment, the positive electrode active material layer may include a binder, a conductive material, and/or the above-described solid electrolyte.

예를 들면, 상기 바인더로서 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔러버, 아크릴레이티드스티렌-부타디엔러버, 에폭시 수지, 나일론 등이 사용될 수 있다.For example, as the binder, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers containing ethylene oxide, polyvinyl Pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, and the like may be used.

상기 도전재는 양극에 도전성을 부여할 수 있다. 예를 들면, 상기 도전재로서 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 들 수 있다.The conductive material may impart conductivity to the anode. Examples of the conductive material include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, metal powder such as copper, nickel, aluminum, and silver, and metal fiber.

일부 실시예들에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 형성된 음극 활물질층을 포함할 수 있다.In some embodiments, the negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative active material layer formed on the negative electrode current collector.

상기 음극 집전체는 금, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.The anode current collector may include gold, stainless steel, nickel, aluminum, titanium, copper, or an alloy thereof, and may include, for example, copper or a copper alloy.

상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 음극활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 물질을 포함할 수 있다.The anode active material layer may include an anode active material. The negative electrode active material may include a material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions.

일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질로서 탄소계 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 실리콘계 화합물 또는 전이 금속 산화물 등을 들 수 있다.In one embodiment, a carbon-based material, lithium metal, an alloy of lithium metal, a silicon-based compound, or a transition metal oxide may be used as the negative electrode active material.

상기 탄소계 물질은 결정질 탄소 또는 비정질 탄소를 포함할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로서 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있다. 상기 비정질 탄소의 예로서 소프트 카본(soft carbon), 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물 또는 소성된 코크스 등을 들 수 있다.The carbon-based material may include crystalline carbon or amorphous carbon. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, platy, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite. Examples of the amorphous carbon include soft carbon, hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, and the like.

상기 리튬 금속의 합금으로는 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속과 리튬의 합금이 사용될 수 있다.The lithium metal alloy is at least selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn. An alloy of one metal and lithium may be used.

상기 실리콘계 화합물의 예로서 Si 또는 SiOx(0<x<2) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 실리콘계 화합물은 실리콘 카바이드, 흑연 입자의 표면에 실리콘이 코팅된 물질, 또는 흑연 입자의 표면에 실리콘 및 카본이 동시에 코팅된 물질 등을 포함할 수 있다.Examples of the silicon-based compound include Si or SiO x (0<x<2). In addition, the silicon-based compound may include silicon carbide, a material in which silicon is coated on the surface of graphite particles, or a material in which silicon and carbon are simultaneously coated on the surface of graphite particles.

상기 전이 금속 산화물의 예로서, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다.Examples of the transition metal oxide include vanadium oxide and lithium vanadium oxide.

일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질층은 바인더, 도전재 및/또는 상술한 고체 전해질을 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the negative active material layer may further include a binder, a conductive material, and/or the above-described solid electrolyte.

예를 들면, 상기 음극 활물질층은 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔러버, 아크릴레이티드스티렌-부타디엔러버, 에폭시 수지, 나일론 등의 바인더를 더 포함할 수 있다.For example, the negative electrode active material layer may include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, a polymer including ethylene oxide, Binders such as polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, and nylon can include more.

예를 들면, 상기 음극 활물질층은 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등의 도전재를 더 포함할 수 있다.For example, the negative electrode active material layer may further include a conductive material such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder such as copper, nickel, aluminum, silver, or metal fiber. there is.

고체 전해질층은 양극 및 음극의 접촉, 및 단락을 방지하며, 양극 및 음극 사이에서 리튬 이온의 이동을 매개할 수 있다. 따라서, 양극 및 음극이 액체 전해질에 함침되지 않더라도 리튬 이온 전도성이 확보될 수 있다.The solid electrolyte layer prevents contact and short circuit between the positive electrode and the negative electrode, and can mediate the movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. Therefore, lithium ion conductivity can be secured even if the positive electrode and the negative electrode are not impregnated with the liquid electrolyte.

일 실시예에 있어서, 양극 및 음극 사이에는 분리막이 배치되지 않을 수 있다. 따라서, 리튬 이차전지의 비가역 용량의 증가를 방지할 수 있으며, 전기화학적 특성이 보다 향상될 수 있다.In one embodiment, a separator may not be disposed between the positive electrode and the negative electrode. Therefore, an increase in the irreversible capacity of the lithium secondary battery can be prevented, and electrochemical characteristics can be further improved.

일부 실시예들에 있어서, 상기 고체 전해질층은 상술한 고체 전해질을 포함할 수 있다. 황화리튬은 높은 반응 안정성 및 리튬 이온 전도도를 가지고 있어, 리튬 이차전지의 수명 및 출력 특성이 보다 향상될 수 있다.In some embodiments, the solid electrolyte layer may include the above-described solid electrolyte. Lithium sulfide has high reaction stability and lithium ion conductivity, so the lifespan and output characteristics of a lithium secondary battery can be further improved.

예를 들면, 상기 고체 전해질층은 상기 양극 및 상기 음극과 직접 접촉함에 따라, 전극과의 반응에 의해 고체 전해질이 산화 또는 환원되거나 내부 결정 구조가 붕괴될 수 있다. 또한, 접촉 저항의 증가로 인해 리튬 이차전지의 이온전도도가 저하될 수 있다.For example, as the solid electrolyte layer directly contacts the positive electrode and the negative electrode, the solid electrolyte may be oxidized or reduced or an internal crystal structure may be destroyed by a reaction with the electrodes. In addition, the ion conductivity of the lithium secondary battery may decrease due to the increase in contact resistance.

예시적인 실시예들에 따르면, 고체 전해질이 상술한 방법으로 제조된 황화리튬을 포함함에 따라, 전극에 대한 높은 반응 안정성 및 낮은 접촉 저항을 가질 수 있다. 따라서, 고용량 및 향상된 안정성을 갖는 리튬 이차전지가 제공될 수 있다.According to exemplary embodiments, as the solid electrolyte includes lithium sulfide prepared by the above-described method, it may have high reaction stability and low contact resistance for an electrode. Thus, a lithium secondary battery having high capacity and improved stability can be provided.

일 실시예에 있어서, 상기 고체 전해질층은 상술한 리튬 이차전지용 고체 전해질 외에 다른 전해질을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 고체 전해질층은 황화물계 전해질, 산화물계 전해질 또는 고분자 전해질을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the solid electrolyte layer may further include other electrolytes in addition to the above-described solid electrolyte for a lithium secondary battery. For example, the solid electrolyte layer may further include a sulfide-based electrolyte, an oxide-based electrolyte, or a polymer electrolyte.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, experimental examples including specific examples are presented to aid understanding of the present invention, but these are only illustrative of the present invention and do not limit the scope of the appended claims, and within the scope and spirit of the present invention It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications to the embodiments are possible, and it is natural that these changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

실시예Example

실시예 1Example 1

<반응식 4><Scheme 4>

상기 반응식 4에 예시된 바와 같이 이황화탄소 및 리튬 염기로부터 황화리튬을 수득하였다.As illustrated in Scheme 4 above, lithium sulfide was obtained from carbon disulfide and lithium base.

구체적으로, 2구 250mL 둥근 바닥 플라스크에 마그네틱 바 및 물 100g을 넣고, CS2 (0.1mol, 7.6g) 및 LiOH.H2O (0.4mol, 16.4g)을 투입하여 25℃에서 1시간 동안 교반하여 녹였다. 상기 플라스크의 한쪽 입구에는 온도계를 설치하고, 다른 입구에는 고무마개로 막고 반응 시 발생하는 가스가 휘발제거 되도록 고무마개에 주사바늘을 꽂아 두었다. 이 후, 25℃에서 24시간 동안 교반하였다.Specifically, a magnetic bar and 100 g of water were placed in a two-necked 250 mL round bottom flask, CS 2 (0.1 mol, 7.6 g) and LiOH . H 2 O (0.4 mol, 16.4 g) was added and dissolved by stirring at 25 °C for 1 hour. A thermometer was installed at one inlet of the flask, and the other inlet was blocked with a rubber stopper, and an injection needle was inserted into the rubber stopper to volatilize and remove gas generated during the reaction. Thereafter, the mixture was stirred at 25° C. for 24 hours.

플라스크에서 고무마개를 뺀 후 진공펌프를 연결였다. 이 후, 물을 증류 제거하여 고체상의 LiSH 및 Li2CO3를 얻었다. 플라스크의 온도를 80℃까지 승온하고 추가적으로 진공펌프를 연결하여, H2O를 가열 증류 제거하고 Li2S 및 Li2CO3가 혼합된 흰색 파우더의 고체 혼합물을 수득하였다.After removing the rubber stopper from the flask, a vacuum pump was connected. Thereafter, water was distilled off to obtain solid LiSH and Li 2 CO 3 . The temperature of the flask was raised to 80° C. and a vacuum pump was additionally connected to remove H 2 O by heating and distillation to obtain a solid mixture of white powder in which Li 2 S and Li 2 CO 3 were mixed.

얻어진 Li2S 혼합물에 에탄올 50g을 투입하고, 1시간 동안 교반하여, Li2S를 선택적으로 용해하였다. 이후, 글라스 필터를 이용하여 에탄올에 용해되지 않은 고체를 제거하고, 얻어진 에탄올 용액을 진공 건조하여 Li2S 10.6g (63% 수율)을 얻었다.50 g of ethanol was added to the obtained Li 2 S mixture and stirred for 1 hour to selectively dissolve Li 2 S. Thereafter, solids not dissolved in ethanol were removed using a glass filter, and the obtained ethanol solution was vacuum-dried to obtain 10.6 g of Li 2 S (63% yield).

실시예 2Example 2

LiOH.H2O (0.4mol, 16.4g) 대신에 Li2CO3 (0.2mol, 14.8g)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 진행하여, Li2S 10.1g (60% 수율)을 얻었다.LiOH . 10.1 g of Li 2 S (60% yield) was obtained in the same manner as in Example 1, except that Li 2 CO 3 (0.2 mol, 14.8 g) was used instead of H 2 O (0.4 mol, 16.4 g). .

실시예 3Example 3

<반응식 5><Scheme 5>

상기 반응식 5에 예시된 바와 같이 이소티오시아네이트 및 리튬 염기로부터 황화리튬을 수득하였다.As illustrated in Scheme 5 above, lithium sulfide was obtained from isothiocyanate and lithium base.

2구 250mL 둥근 바닥 플라스크에 마그네틱 바 및 물 100g을 넣고, 메틸이소티오시아네이트 (0.1mol, 7.3g) 및 LiOH.H2O (0.2mol, 8.2g)을 투입하여 25℃에서 1시간 동안 교반하여 녹였다. 상기 플라스크의 한쪽 입구에는 온도계를 설치하고, 다른 입구에는 고무마개로 막고 반응 시 발생하는 메틸아민 가스가 휘발제거 되도록 고무마개에 주사바늘을 꽂아 두었다. 주사바늘을 튜브와 연결시키고 튜브의 일단을 톨루엔이 채워진 비이커에 연결하였다. 이 후, 25℃에서 24시간 동안 교반하고, 50℃에서 추가 가열하여 기체가 발생 여부를 확인하였다.A magnetic bar and 100 g of water were added to a two-necked 250 mL round bottom flask, methylisothiocyanate (0.1 mol, 7.3 g) and LiOH . H 2 O (0.2 mol, 8.2 g) was added and dissolved by stirring at 25 °C for 1 hour. A thermometer was installed at one inlet of the flask, and the other inlet was blocked with a rubber stopper, and an injection needle was inserted into the rubber stopper to volatilize and remove methylamine gas generated during the reaction. An injection needle was connected to the tube and one end of the tube was connected to a beaker filled with toluene. Thereafter, the mixture was stirred at 25° C. for 24 hours and additionally heated at 50° C. to confirm whether or not gas was generated.

기체가 발생하지 않는 것을 확인한 후, 플라스크에서 고무마개를 빼고 진공펌프를 연결하였다. 이 후, 물을 증류 제거하여, 고체상의 LiSH 및 Li2CO3를 얻었다. 플라스크의 온도를 80℃까지 승온하고 추가적으로 진공펌프를 연결하여, H2O를 가열 증류 제거하고 Li2S 및 Li2CO3가 혼합된 흰색 파우더의 고체 혼합물을 수득하였다.After confirming that no gas was generated, the rubber stopper was removed from the flask and a vacuum pump was connected. Thereafter, water was distilled off to obtain solid LiSH and Li 2 CO 3 . The temperature of the flask was raised to 80° C. and a vacuum pump was additionally connected to remove H 2 O by heating and distillation to obtain a solid mixture of white powder in which Li 2 S and Li 2 CO 3 were mixed.

얻어진 Li2S 혼합물에 에탄올 50g을 투입하고, 1시간 동안 교반하여, Li2S를 선택적으로 용해하였다. 이후, 글라스 필터를 이용하여 에탄올에 용해되지 않은 고체를 제거하고, 얻어진 에탄올 용액을 진공 건조하여 Li2S 5.3g (63% 수율)을 얻었다.50 g of ethanol was added to the obtained Li 2 S mixture and stirred for 1 hour to selectively dissolve Li 2 S. Thereafter, solids not dissolved in ethanol were removed using a glass filter, and the obtained ethanol solution was vacuum-dried to obtain 5.3 g of Li 2 S (63% yield).

실시예 4Example 4

LiOH.H2O (0.2mol, 8.2g) 대신에 Li2CO3 (0.1mol, 7.4g)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 진행하여, Li2S 5.1g (55% 수율)을 얻었다.LiOH . Li 2 S 5.1g (55% yield) was obtained in the same manner as in Example 3, except that Li 2 CO 3 (0.1 mol, 7.4 g) was used instead of H 2 O (0.2 mol, 8.2 g). .

실시예 5Example 5

<반응식 6><Scheme 6>

상기 반응식 6에 예시된 바와 같이 티오우레아 및 리튬 염기로부터 황화리튬을 수득하였다.Lithium sulfide was obtained from thiourea and lithium base as illustrated in Scheme 6 above.

2구 250mL 둥근 바닥 플라스크에 마그네틱 바 및 물 100g을 넣고, 티오우레아 (0.1mol, 7.6g) 및 LiOH.H2O (0.2mol, 8.2g)을 투입하여 25℃에서 1시간 동안 교반하여 녹였다. 상기 플라스크의 한쪽 입구에는 온도계를 설치하고, 다른 입구에는 고무마개로 막고 반응 시 발생하는 이산화탄소 및 암모니아가 휘발제거 되도록 고무마개에 주사바늘을 꽂아 두었다. 주사바늘을 튜브와 연결시키고 튜브의 일단을 톨루엔이 채워진 비이커에 연결하였다. 이 후, 25℃에서 24시간 동안 교반하고, 50℃에서 추가 가열하여 기체가 발생 여부를 확인하였다.A magnetic bar and 100 g of water were added to a two-necked 250 mL round bottom flask, thiourea (0.1 mol, 7.6 g) and LiOH . H 2 O (0.2 mol, 8.2 g) was added and dissolved by stirring at 25 °C for 1 hour. A thermometer was installed at one inlet of the flask, and the other inlet was blocked with a rubber stopper, and an injection needle was inserted into the rubber stopper to volatilize and remove carbon dioxide and ammonia generated during the reaction. An injection needle was connected to the tube and one end of the tube was connected to a beaker filled with toluene. Thereafter, the mixture was stirred at 25° C. for 24 hours and additionally heated at 50° C. to confirm whether or not gas was generated.

기체가 발생하지 않는 것을 확인한 후, 플라스크에서 고무마개를 빼고 진공펌프를 연결하였다. 이 후, 물을 증류 제거하여, 고체상의 LiSH를 얻었다. 플라스크의 온도를 80℃까지 승온하고 추가적으로 진공펌프를 연결하여, H2O를 가열 증류 제거하고 Li2S, LiOH 및 티오우레아가 혼합된 흰색 파우더의 고체 혼합물을 수득하였다.After confirming that no gas was generated, the rubber stopper was removed from the flask and a vacuum pump was connected. Thereafter, water was distilled off to obtain solid LiSH. The temperature of the flask was raised to 80° C. and a vacuum pump was additionally connected to distill H 2 O by heating to obtain a solid mixture of white powder in which Li 2 S, LiOH and thiourea were mixed.

얻어진 Li2S 혼합물에 에탄올 50g을 투입하고, 1시간 동안 교반하여, Li2S를 선택적으로 용해하였다. 이후, 글라스 필터를 이용하여 에탄올에 용해되지 않은 고체를 제거하고, 얻어진 에탄올 용액을 진공 건조하여 Li2S 4.8g (52% 수율)을 얻었다.50 g of ethanol was added to the obtained Li 2 S mixture and stirred for 1 hour to selectively dissolve Li 2 S. Thereafter, solids not dissolved in ethanol were removed using a glass filter, and the obtained ethanol solution was vacuum-dried to obtain 4.8 g of Li 2 S (52% yield).

실시예 6Example 6

LiOH.H2O (0.2mol, 8.2g) 대신에 Li2CO3 (0.1mol, 7.4g)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 진행하여, Li2S 5.1g (55% 수율)을 얻었다.LiOH . Li 2 S 5.1g (55% yield) was obtained in the same manner as in Example 5, except that Li 2 CO 3 (0.1 mol, 7.4 g) was used instead of H 2 O (0.2 mol, 8.2 g). .

실시예들을 참조하면, 제조 공정 중 황화수소 등의 유독 가스가 사용되지 않으며, 반응 과정에서 황화수소 등이 발생하지 않는다. 따라서, 황화수소의 운반, 제거 및 취급을 위한 추가적인 설비나 장치 등이 요구되지 않아, 비용이 감소할 수 있으며 안전사고의 위험이 저감될 수 있다.Referring to the embodiments, toxic gases such as hydrogen sulfide are not used during the manufacturing process, and hydrogen sulfide is not generated during the reaction. Therefore, additional facilities or devices for transporting, removing, and handling hydrogen sulfide are not required, so costs can be reduced and the risk of safety accidents can be reduced.

또한, 수용액 및 유기용매를 사용하는 습식법을 사용함에 따라, 낮은 온도 및 압력에서도 황화리튬을 합성할 수 있다. 또한, 리튬 소스 및 황 소스를 용액 상태에서 반응시킴에 따라, 취급이 용이하며 제조 공정의 반응성 및 수율이 향상될 수 있다.In addition, by using a wet method using an aqueous solution and an organic solvent, lithium sulfide can be synthesized even at low temperature and pressure. In addition, as the lithium source and the sulfur source are reacted in a solution state, handling is easy and the reactivity and yield of the manufacturing process can be improved.

또한, 공정 과정에서 발생하는 부산물들을 쉽게 제거할 수 있으며, 황화리튬을 선택적으로 분리할 수 있어 황화리튬의 순도가 보다 높아질 수 있다. 따라서, 고순도의 황화리튬을 저비용으로 대량 생산할 수 있다.In addition, by-products generated in the process can be easily removed, and lithium sulfide can be selectively separated, so that the purity of lithium sulfide can be higher. Therefore, high-purity lithium sulfide can be mass-produced at low cost.

Claims (20)

티오우레아, 이황화탄소 및 이소티오시아네이트계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 황(S) 원료를 리튬 염기와 반응시키는 단계; 및
상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응물을 황화리튬으로 전환하는 단계를 포함하는, 황화리튬의 제조 방법.
reacting a sulfur (S) source containing at least one of thiourea, carbon disulfide, and isothiocyanate-based compounds with a lithium base; and
A method for producing lithium sulfide comprising the step of converting the reactant of the sulfur (S) raw material and the lithium base into lithium sulfide.
청구항 1에 있어서, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기는 수용액 하에서 반응하는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the sulfur (S) raw material and the lithium base react in an aqueous solution. 청구항 2에 있어서, 상기 반응물을 황화리튬으로 전환하는 단계는 상기 반응물을 포함하는 수용액을 건조하는 것을 포함하는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 2, wherein the converting the reactant into lithium sulfide comprises drying an aqueous solution containing the reactant. 청구항 1에 있어서, 상기 반응물은 LiSH를 포함하는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the reactant includes LiSH. 청구항 1에 있어서, 상기 황화리튬을 유기용매에 용해시키고, 상기 황화리튬이 용해된 유기용매를 여과하고, 여과된 유기용매를 증류 제거하는 단계를 더 포함하는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 1, further comprising dissolving the lithium sulfide in an organic solvent, filtering the organic solvent in which the lithium sulfide is dissolved, and distilling off the filtered organic solvent. 청구항 5에 있어서, 상기 유기용매에 대한 상기 리튬 염기의 용해도는 상기 유기용매에 대한 상기 황화리튬의 용해도보다 낮은, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 5, wherein the solubility of the lithium base in the organic solvent is lower than that of the lithium sulfide in the organic solvent. 청구항 5에 있어서, 상기 유기용매는 탄소수 1 내지 6의 알코올계 용매를 포함하는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 5, wherein the organic solvent includes an alcohol-based solvent having 1 to 6 carbon atoms. 청구항 1에 있어서, 상기 리튬 염기는 LiH, LiOH, Li2CO3 및 탄소수 1 내지 10의 리튬 알콕사이드 중 적어도 하나를 포함하는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the lithium base includes at least one of LiH, LiOH, Li 2 CO 3 and a lithium alkoxide having 1 to 10 carbon atoms. 청구항 1에 있어서, 상기 이소티오시아네이트계 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는, 황화리튬의 제조 방법:
[화학식 1]

(상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 1 내지 12의 알킬기, 탄소수 1 내지 12의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 12의 알케닐기, 탄소수 2 내지 12의 알키닐기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알킬기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알케닐기, 탄소수 3 내지 12의 시클로알키닐기, 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 또는 탄소수 7 내지 12의 아릴알킬기임).
The method according to claim 1, wherein the isothiocyanate-based compound is represented by Formula 1 below:
[Formula 1]

(In Formula 1, R 1 is an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a haloalkyl group having 1 to 12 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 12 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 12 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 12 carbon atoms, or a carbon atom 3 cycloalkenyl group of 12 to 12, cycloalkynyl group of 3 to 12 carbon atoms, aryl group of 6 to 12 carbon atoms, or arylalkyl group of 7 to 12 carbon atoms).
청구항 1에 있어서, 상기 이소티오시아네이트계 화합물은 하기 화학식 2 내지 화학식 11로 표시되는 화합물들 중 적어도 하나를 포함하는, 황화리튬의 제조 방법:
[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

[화학식 6]

[화학식 7]

[화학식 8]

[화학식 9]

[화학식 10]

[화학식 11]
.
The method of claim 1, wherein the isothiocyanate-based compound includes at least one of compounds represented by Formulas 2 to 11 below:
[Formula 2]

[Formula 3]

[Formula 4]

[Formula 5]

[Formula 6]

[Formula 7]

[Formula 8]

[Formula 9]

[Formula 10]

[Formula 11]
.
청구항 1에 있어서, 상기 황(S) 원료는 이황화탄소를 포함하며, 상기 리튬 염기의 함량은 상기 황(S) 원료 1몰에 대하여 3.5몰 내지 5.5몰인, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the sulfur (S) raw material includes carbon disulfide, and the content of the lithium base is 3.5 to 5.5 mol based on 1 mole of the sulfur (S) raw material. 청구항 11에 있어서, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응은 20℃ 내지 45℃에서 수행되는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 11, wherein the reaction of the sulfur (S) raw material and the lithium base is performed at 20 ° C to 45 ° C. 청구항 1에 있어서, 상기 황(S) 원료는 티오우레아 또는 이소티오시아네이트계 화합물을 포함하며, 상기 리튬 염기의 함량은 상기 황(S) 원료 1몰에 대하여 1.5몰 내지 2.5몰인, 황화리튬의 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the sulfur (S) raw material includes a thiourea or isothiocyanate-based compound, the content of the lithium base is 1.5 to 2.5 moles of lithium sulfide based on 1 mole of the sulfur (S) raw material manufacturing method. 청구항 13에 있어서, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응은 20℃ 내지 100℃에서 수행되는, 황화리튬의 제조 방법.The method according to claim 13, wherein the reaction of the sulfur (S) raw material and the lithium base is performed at 20 ° C to 100 ° C, the method for producing lithium sulfide. 청구항 1에 있어서, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기를 반응기 내에서 반응시키면서 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응에 의해 발생한 가스를 상기 반응기의 외부로 배출시키는, 황화리튬의 제조 방법.The production of lithium sulfide according to claim 1, wherein the sulfur (S) raw material and the lithium base are reacted in a reactor while a gas generated by the reaction of the sulfur (S) raw material and the lithium base is discharged to the outside of the reactor. method. 청구항 15에 있어서, 상기 반응기는 상기 가스를 상기 반응기의 외부로 배출시키는 가스 배출구를 포함하는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 15, wherein the reactor includes a gas outlet through which the gas is discharged to the outside of the reactor. 청구항 15에 있어서, 상기 반응기의 외부로 가스가 배출되지 않을 때, 상기 황(S) 원료 및 상기 리튬 염기의 반응을 종결시키는, 황화리튬의 제조 방법.The method of claim 15, wherein the reaction between the sulfur (S) raw material and the lithium base is terminated when gas is not discharged to the outside of the reactor. 청구항 1에 따른 방법으로 제조된 황화리튬.Lithium sulfide prepared by the method according to claim 1. 청구항 18에 따른 황화리튬을 포함하는, 이차전지용 고체 전해질.A solid electrolyte for a secondary battery comprising the lithium sulfide according to claim 18. 양극;
상기 양극과 대향하는 음극; 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되며, 청구항 18에 따른 황화리튬을 포함하는 고체 전해질층을 포함하는, 이차 전지.
anode;
a cathode facing the anode; and
A secondary battery comprising a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode and containing the lithium sulfide according to claim 18 .
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