KR20230124793A - Method for fabrication of metal-coated carbon composite material and anode for a solid state battery using the same - Google Patents

Method for fabrication of metal-coated carbon composite material and anode for a solid state battery using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법은, 카본 나노입자들을 용매에 분산시켜 혼합물을 제조하는 제1단계와; 상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가하여 상기 카본 나노입자들에 상기 금속함유 전구체로부터 환원된 금속나노입자가 피복되도록 하되, 상기 카본 나노입자들 100중량%에 대하여 상기 금속 나노입자들이 1~50중량% 로 상기 카본 나노입자들에 피복되도록, 상기 금속함유 전구체의 양을 조절하는 제2단계를 구비한다.The present invention relates to a method for manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles and a negative electrode for an all-solid-state battery manufactured using the same. A first step of preparing a mixture by dispersing the nanoparticles in a solvent; A metal-containing precursor is added to the mixture so that the carbon nanoparticles are coated with the metal nanoparticles reduced from the metal-containing precursor, but the amount of the metal nanoparticles is 1 to 50% by weight based on 100% by weight of the carbon nanoparticles. A second step of adjusting the amount of the metal-containing precursor so as to be coated on the carbon nanoparticles is provided.

Description

금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극{Method for fabrication of metal-coated carbon composite material and anode for a solid state battery using the same}Method for fabrication of metal-coated carbon composite material and anode for a solid state battery using the same}

본 발명은 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 카본 나노입자에 금속나노입자를 일정수준으로 피복시켜 복합재료를 구성함에 의해 이차전지의 음극재료로 사용함에 있어, 카본나노입자들에 피복되는 금속나노입자의 사이즈를 카본 나노입자가 분산된 혼합물의 온도제어 또는 점도제어를 통해 조절하고, 최소의 함량으로 원하는 성능을 확보하면서도 비용절감을 할 수 있는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles and an anode for an all-solid-state battery manufactured using the same, and more specifically, to a composite material by coating carbon nanoparticles with metal nanoparticles at a certain level. When used as an anode material for a secondary battery by the configuration, the size of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles is adjusted through temperature control or viscosity control of the mixture in which the carbon nanoparticles are dispersed, and the desired performance is achieved with the minimum content. It relates to a method for manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, which can reduce costs while securing, and an anode for an all-solid-state battery manufactured using the same.

충방전이 가능한 이차 전지는 휴대폰, 노트북 등의 소형 전자기기뿐만 아니라 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 대형 운송수단에도 사용된다. 그에 따라 더 높은 안정성과 높은 에너지 밀도가 요구되고 있다.Secondary batteries that can be charged and discharged are used not only for small electronic devices such as mobile phones and laptop computers, but also for large vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles. Accordingly, higher stability and higher energy density are required.

일반적인 이차 전지는 대부분 액체전해질을 기반으로 셀을 구성하고 있으므로 온도변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상시에 안전사고의 위험성이 존재하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 개선하고 안전성을 높이기 위해, 안전하고 간소한 형태의 셀로 제조할 수 있는 고체전해질을 이용하는 전고체 전지가 최근 큰 각광을 받고 있다.Since most of the general secondary batteries are composed of liquid electrolyte-based cells, there is a problem in that there is a risk of safety accidents when the battery is damaged, such as expansion of the battery due to temperature change or leakage due to external shock. In order to improve these problems and increase safety, an all-solid-state battery using a solid electrolyte that can be manufactured in a safe and simple type of cell has recently been in the limelight.

전고체 전지는 고체전해질을 이용하기 때문에 구조적으로 단단하고 전해질이 훼손된다고 하여도 형태를 유지할 수 있기에 안전성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. Since all-solid-state batteries use a solid electrolyte, they are structurally hard and can maintain their shape even if the electrolyte is damaged, so they have the advantage of improving safety.

이러한 전고체 전지의 음극제조에 있어서, 종래의 경우에는 전고체 전지의 음극으로 에너지 밀도를 향상시키기 위해 리튬금속을 사용하여 왔다. In manufacturing the negative electrode of such an all-solid-state battery, in the conventional case, lithium metal has been used as the negative electrode of the all-solid-state battery to improve energy density.

그러나, 리튬 금속을 전고체전지의 음극으로 사용할 경우, 덴드라이트(dendrite)의 성장으로 인한 쿨롱(coulombic) 효율(또는 충방전 효율)의 감소 및 단락(short circuit) 현상이 발생하는 문제점이 있어 이를 해결하고자 하는 노력이 있어 왔다. However, when lithium metal is used as an anode of an all-solid-state battery, there are problems in that coulombic efficiency (or charge/discharge efficiency) decreases and short circuit occurs due to the growth of dendrites. Efforts have been made to resolve it.

덴드라이트는 리튬금속 표면에 나뭇가지 모양으로 쌓이는 결정체로 리튬이온의 이동을 방해하여 충방전 효율 저하와 전고체 전지의 수명 단축을 초래하는 것으로 알려져 있다.Dendrites are crystals that accumulate on the surface of lithium metal in the shape of branches and are known to hinder the movement of lithium ions, resulting in reduced charge and discharge efficiency and shortened lifespan of all-solid-state batteries.

이러한 덴드라이트(dendrite)를 억제하기 위한 종래의 방법으로는 리튬 금속에 보호층을 형성하여 덴드라이트 성장을 억제하거나, Li-In 합금을 적용하는 방법이 알려져 있으나, 두 방법 모두 수분에 취약한 리튬 금속을 사용해야 하므로, 공정상의 문제가 존재하며, 충, 방전과정에서 리튬 금속의 부피팽창으로 인한 수명 단축의 문제점이 있다. As a conventional method for suppressing such dendrite, a method of suppressing dendrite growth by forming a protective layer on lithium metal or applying a Li-In alloy is known. Since it is necessary to use, there is a problem in the process, and there is a problem of shortening the life due to the volume expansion of the lithium metal during the charging and discharging process.

따라서, 리튬 금속을 음극재로 사용하지 않으면서도 충방전 효율의 저하가 발생되지 않고 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보할 수 있는 음극재에 대한 요구가 있어왔다.Accordingly, there has been a demand for an anode material capable of securing stability and having a high energy density without deterioration in charge/discharge efficiency without using lithium metal as an anode material.

대한민국 공개특허공보 10-2019-0041736(2019.04.23.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0041736 (2019.04.23.)

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles capable of overcoming the above conventional problems and a negative electrode for an all-solid-state battery manufactured using the same.

본 발명의 다른 목적은 카본 나노입자에 피복되는 금속나노입자의 사이즈나 균일도를 카본 나노입자가 분산된 혼합물의 온도제어 또는 점도제어를 통해 조절할 수 있는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to manufacture a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles capable of controlling the size or uniformity of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles through temperature control or viscosity control of a mixture in which the carbon nanoparticles are dispersed. It is to provide a method and a negative electrode for an all-solid-state battery manufactured using the same.

본 발명의 또 다른 목적은 전고체 전지에서, 음극과 전해질의 계면에서의 불안정성을 극복하고 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보할 수 있는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is a method for manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles capable of overcoming instability at the interface between an anode and an electrolyte, having a high energy density, and securing stability in an all-solid-state battery, and using the same It is to provide a negative electrode for an all-solid-state battery manufactured by.

본 발명의 또 다른 목적은 리튬 금속을 음극재로 사용하지 않으면서도 충방전 효율의 저하가 발생되지 않고 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보할 수 있는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전고체 전지용 음극을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is a method for manufacturing a carbon structured composite material coated with metal nanoparticles, which has high energy density and can secure stability without deterioration in charge/discharge efficiency without using lithium metal as an anode material. And to provide a negative electrode for an all-solid-state battery manufactured using the same.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법은, 카본 나노입자들을 용매에 분산시켜 혼합물을 제조하는 제1단계와; 상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가하여 상기 카본 나노입자들에 상기 금속함유 전구체로부터 환원된 금속나노입자가 피복되도록 하되, 상기 카본 나노입자들 100중량%에 대하여 상기 금속 나노입자들이 1~50중량% 로 상기 카본 나노입자들에 피복되도록, 상기 금속함유 전구체의 양을 조절하는 제2단계를 구비하고, 상기 혼합물은 온도(℃)와 점도(cP)의 상관관계를 나타내는 하기 수학식을 만족하고, 상기 혼합물의 점도제어 또는 온도제어를 통해 상기 제2단계에서 상기 카본 나노입자들에 피복되는 상기 금속 나노입자들의 평균사이즈를 조절한다.According to the embodiment of the present invention for achieving some of the above technical problems, a method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles according to the present invention comprises a first step of preparing a mixture by dispersing the carbon nanoparticles in a solvent. step; A metal-containing precursor is added to the mixture so that the carbon nanoparticles are coated with the metal nanoparticles reduced from the metal-containing precursor, but the amount of the metal nanoparticles is 1 to 50% by weight based on 100% by weight of the carbon nanoparticles. and a second step of adjusting the amount of the metal-containing precursor so as to be coated on the carbon nanoparticles, and the mixture satisfies the following equation representing a correlation between temperature (° C.) and viscosity (cP), The average size of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles in the second step is controlled by controlling the viscosity or temperature of the mixture.

상기 혼합물의 온도가 20~40℃가 되도록 하여 상기 혼합물의 점도를 제어함에 의해, 상기 제2단계에서 상기 카본 나노입자들에 피복되는 상기 금속 나노입자들의 평균 사이즈가 1~100nm로 조절되도록 할 수 있다.By controlling the viscosity of the mixture by setting the temperature of the mixture to 20 to 40 ° C, the average size of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles in the second step can be adjusted to 1 to 100 nm. there is.

상기 제2단계는 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 테일러 흐름 방식 또는 전자빔을 조사하는 전자빔 조사방식을 이용하여, 상기 금속함유 전구체로부터 금속나노입자들을 환원시켜 상기 카본 나노입자들에 피복되도록 할 수 있다.In the second step, the metal nanoparticles may be reduced from the metal-containing precursor to be coated on the carbon nanoparticles by using a Taylor flow method using a Kuett-Taylor reactor or an electron beam irradiation method using an electron beam.

상기 제2단계에서, 상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가시에 환원제가 함께 첨가될 수 있다.In the second step, when the metal-containing precursor is added to the mixture, a reducing agent may be added together.

상기 환원제는 수소화붕소나트륨(NaBH4), 하이드라진(N2H4), 아스코르브산(C6H8O6), 하이드로퀴논(C6H6O2), 시트르산(C6H8O7) 및 글루코스(C6H12O6)로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The reducing agent is sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (N 2 H 4 ), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), hydroquinone (C 6 H 6 O 2 ), citric acid (C 6 H 8 O 7 ) And it may be at least one selected from the group consisting of glucose (C 6 H 12 O 6 ).

상기 제2단계 이후에, 금속 나노입자들이 피복된 카본 나노입자들을 상기 혼합물로부터 분리하여 건조 및 소성하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the second step, a step of separating the carbon nanoparticles coated with the metal nanoparticles from the mixture, drying and firing the mixture may be further included.

상기 소성은, 비활성이나 환원성 기체의 분위기에서 300℃ ~ 800℃로 1시간 ~ 24시간 동안 수행될 수 있다.The firing may be performed at 300 ° C to 800 ° C for 1 hour to 24 hours in an inert or reducing gas atmosphere.

상기 카본 나노입자들은 카본블랙, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 및 탄소나노튜브 중 선택된 적어도 하나로 구성될 수 있다.The carbon nanoparticles may be composed of at least one selected from carbon black, graphene, activated carbon, carbon fiber, acetylene black, ketjen black, and carbon nanotubes.

상기 카본 나노입자들은 평균 사이즈가 1~500nm 일 수 있다. The carbon nanoparticles may have an average size of 1 to 500 nm.

상기 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤, 글리세롤, 및 테트라하이드로 퓨란 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 적어도 2종의 혼합물일 수 있다. The solvent may be any one selected from distilled water, methanol, ethanol, propanol, butanol, acetone, glycerol, and tetrahydrofuran, or a mixture of at least two of them.

상기 금속함유 전구체는 수용성 전구체로 금속의 산화물염, 옥시수산화물염, 염화물염, 탄산염, 초산염, 시트르산염, 니트로실질산염, 질산염, 수산화염, 옥살산염, 카르복실산염, 황산염 중에서 적어도 하나가 선택되거나, 지용성 전구체로 탄화수소가 포함된 알콕시 전구체 및 암모늄 전구체 중에서 적어도 하나가 선택될 수 있다.The metal-containing precursor is a water-soluble precursor, and at least one is selected from oxide salts, oxyhydroxide salts, chloride salts, carbonates, acetates, citrates, nitrosilnitrates, nitrates, hydroxides, oxalates, carboxylates, and sulfates of metals. , At least one of an alkoxy precursor and an ammonium precursor containing a hydrocarbon may be selected as a lipophilic precursor.

상기 금속함유 전구체에 함유되는 금속은, 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속일 수 있다.The metal contained in the metal-containing precursor is silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), iridium (Ir), osmium (Os), rhodium (Rh) and ruthenium (Ru). It may be at least one selected metal.

상기 금속함유 전구체는 은(Ag)을 함유한 실버 전구체 일 수 있다.The metal-containing precursor may be a silver precursor containing silver (Ag).

상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료는 전고체 전지용 음극을 형성할 수 있다.The composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles may form an anode for an all-solid-state battery.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따른 전고체 전지용 음극은, 음극 집전체와; 상기 음극 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 구비하고, 상기 음극 활물질층에는, 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 하나의 청구항에 따라 제조된 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료가 포함된다.A negative electrode for an all-solid-state battery according to another embodiment of the present invention for achieving some of the above technical problems includes a negative electrode current collector; An anode active material layer formed on the anode current collector is provided, and the anode active material layer includes a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles manufactured according to any one of claims 1 to 13.

상기 음극 활물질층은 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료를 상기 음극 집전체의 표면에 일정두께로 증착하는 방법으로 형성될 수 있다.The negative electrode active material layer may be formed by depositing a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles on the surface of the negative electrode current collector to a predetermined thickness.

상기 음극 활물질층은 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 분말이나 슬러리를 압착하여 상기 음극 집전체의 표면에 층상구조로 형성될 수 있다.The negative electrode active material layer may be formed in a layered structure on the surface of the negative electrode current collector by compressing powder or slurry of a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles.

상기 음극 활물질층에는 고체전해질과 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료가 분산된 구조를 가질 수 있다.The negative electrode active material layer may have a structure in which a solid electrolyte and a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles are dispersed.

상기 고체전해질은 유기계 고체 전해질, 무기계 고체전해질 및 황화물계 고체전해질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The solid electrolyte may include at least one of an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and a sulfide-based solid electrolyte.

상기 고체전해질은 황화물계 고체전해질일 수 있다.The solid electrolyte may be a sulfide-based solid electrolyte.

본 발명에 따르면, 카본 나노입자에 피복되는 금속나노입자의 사이즈나 균일도를 카본 나노입자가 분산된 혼합물의 온도제어 또는 점도제어를 통해 조절할 수 있으며, 특정 온도범위 또는 특정 점도범위에서 균일하면서도 원하는 사이즈를 가지는 금속 나노입자가 카본 나노입자에 적절한 범위로 피복되도록 하여 전고체 전지용 음극재로 제조하는 것이 가능한 장점이 있다. According to the present invention, the size or uniformity of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles can be adjusted by controlling the temperature or viscosity of the mixture in which the carbon nanoparticles are dispersed. There is an advantage in that it is possible to manufacture a negative electrode material for an all-solid-state battery by coating the carbon nanoparticles with the metal nanoparticles having an appropriate range.

또한, 리튬금속을 음극재로 사용함이 없이 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료를 이용하여 전고체 전지용 음극을 구성하는 것이 가능하고, 리튬의 결정핵생성 에너지(nucleation energy) 감소와 리튬이온이 음극 집전체에 전착, 탈착되는 과정에서 분리(isolated)되는 리튬을 최소화하여 덴드라이트 생성을 억제할 수 있는 장점이 있다. 또한, 음극과 고체전해질의 계면에서의 불안정성을 극복하여, 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보한 전고체전지가 가능할 수 있게 된다. 특히 황화물계 전고체전지의 불안정성은 양극과 전해질의 계면, 음극과 전해질의 계면에서 주로 발생하기 때문에, 음극과 전해질의 계면에서의 불안정성을 극복하여, 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보한 전고체전지가 가능하게 된다. In addition, it is possible to construct an anode for an all-solid-state battery using a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles without using lithium metal as an anode material, and it is possible to reduce the nucleation energy of lithium and to generate lithium ion There is an advantage in suppressing dendrite generation by minimizing isolated lithium in the process of being electrodeposited and desorbed on the negative electrode current collector. In addition, by overcoming the instability at the interface between the cathode and the solid electrolyte, an all-solid-state battery having high energy density and securing stability is possible. In particular, since the instability of a sulfide-based all-solid-state battery mainly occurs at the interface between the positive electrode and the electrolyte and the interface between the negative electrode and the electrolyte, an all-solid-state battery that has high energy density and secures stability by overcoming the instability at the interface between the negative electrode and the electrolyte. becomes possible

도 1은 본 발명에 따른 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조를 위한 공정 순서도이고,
도 2는 카본 나노입자들의 TEM(Transmission Electron Microscopy)사진이고,
도 3은 금속 나노입자가 피복된 카본 나노입자들을 포함하는 복합재료의 TEM사진이고,
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 TEM사진이고,
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 TEM사진이고,
도 6은 비교예에 따라 제조된 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 TEM사진이고,
도 7은 실시예1, 실시예2, 비교예의 복합재료에서 피복된 금속나노입자의 입자분포도를 나타낸 그래프이고,
도 8은 본 발명에 따른 전고체 전지의 개략적 단면도이고,
도 9는 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료를 음극소재로 사용한 전고체 전지의 충방전 효율(coulombic efficiencey)을 나타낸 그래프이다.
1 is a process flow chart for manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles according to the present invention;
2 is a TEM (Transmission Electron Microscopy) photograph of carbon nanoparticles,
3 is a TEM photograph of a composite material including carbon nanoparticles coated with metal nanoparticles;
4 is a TEM photograph of a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles prepared in Example 1;
5 is a TEM photograph of a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles prepared in Example 2;
6 is a TEM photograph of a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles prepared according to Comparative Example;
7 is a graph showing the particle distribution of metal nanoparticles coated in the composite materials of Example 1, Example 2, and Comparative Example;
8 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to the present invention;
9 is a graph showing the charge/discharge efficiency of an all-solid-state battery using a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles as an anode material.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이 상세히 설명될 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail without any intention other than to provide a thorough understanding of the present invention to those skilled in the art to which the present invention belongs.

도 1은 본 발명에 따른 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조를 위한 공정 순서도이다.1 is a process flow chart for manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료는 혼합물 제조단계(S110), 피복단계(S120) 및 건조 및 소성단계(S130)를 통해 제조된다.As shown in FIG. 1, the composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles according to the present invention is prepared through a mixture preparation step (S110), a coating step (S120), and a drying and firing step (S130).

상기 혼합물 제조단계(S110)는 카본 나노입자들을 용매에 분산시켜 혼합물을 제조하는 단계이다.The mixture preparation step (S110) is a step of preparing a mixture by dispersing carbon nanoparticles in a solvent.

상기 카본 나노입자들 각각은 도 2에 도시된 TEM(Transmission Electron Microscopy)사진에 나타난 바와 같이, 구형이나 타원형 구조를 가질 수 있고, 평균 직경이 1~500nm 의 범위 내에서 사이즈가 정해질 수 있다. 상기 카본 나노입자들은 다양한 상업적 공급원으로부터 얻거나 통상의 기술자에게 잘 알려진 방법으로 제조될 수 있다. As shown in the TEM (Transmission Electron Microscopy) photograph shown in FIG. 2, each of the carbon nanoparticles may have a spherical or elliptical structure, and may have an average diameter within a range of 1 to 500 nm. The carbon nanoparticles can be obtained from various commercial sources or prepared by methods well known to those skilled in the art.

상기 카본 나노입자들 각각은 전기 전도성을 가지고 전고체 전지에 적용될 수 있는 카본 나노입자라면 제한 없이 사용할 수 있고, 일예로 카본블랙, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소 분말, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 및 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 이들 중 카본블랙이 비용절감 및 공정 단순화의 측면에서 유리할 수 있다.Each of the carbon nanoparticles can be used without limitation as long as it has electrical conductivity and can be applied to an all-solid-state battery. For example, carbon black, graphene, activated carbon, carbon fiber, carbon powder, acetylene black, Ketjen black, and At least one of carbon nanotubes may be selected and used. Among these, carbon black may be advantageous in terms of cost reduction and process simplification.

상기 카본 나노입자들 각각은, 다공성 물질로 많은 기공을 포함하고 있어 기공 내에 금속 나노입자가 피복될 수 있으므로, 피복되는 금속나노입자를 충분히 지지할 수 있고, 피복되는 금속나노입자와 반응성이 없으며 온도 변화에 민감하지 않는 물질로 선택하는 것이 바람직하다. Each of the carbon nanoparticles is a porous material and contains many pores, so that metal nanoparticles can be coated in the pores, so that the coated metal nanoparticles can be sufficiently supported, and there is no reactivity with the coated metal nanoparticles, and the carbon nanoparticles are not reactive to the temperature. It is desirable to select a material that is not sensitive to changes.

상기 카본 나노입자들은 리튬 이온과 결합할 수 있는 사이트를 많이 보유하고 있으므로 상기 복합재료가 전고체 전지의 음극에 이용되는 경우, 충전에 의해 음극으로 이동한 리튬 이온을 저장할 수 있으면서도 전지의 전위를 유지할 수 있게 해준다.Since the carbon nanoparticles have many sites capable of bonding with lithium ions, when the composite material is used for a negative electrode of an all-solid-state battery, it can store lithium ions moved to the negative electrode by charging and maintain the potential of the battery. allows you to

상기 용매는 반응을 위한 혼합 과정에서 금속나노입자를 카본 나노입자에 피복시키기 적합한 조건이면 용량이나 종류에 제한 없이 사용 될 수 있다. 또한 실버 전구체 등을 포함하여 금속 함유 전구체나 환원제 및 카본 나노입자들을 혼합할 수 있는 용매이면 용량이나 종류에 제한 없이 사용 될 수 있다. The solvent may be used without limitation in capacity or type as long as the conditions are suitable for coating the metal nanoparticles on the carbon nanoparticles during the mixing process for the reaction. In addition, any solvent capable of mixing metal-containing precursors, reducing agents, and carbon nanoparticles, including silver precursors, may be used without limitation in capacity or type.

상기 용매는 상기 혼합물 내의 함유된 성분들을 균일하게 혼합시키고, 점도를 제어하여 카본나노입자들이 균일하게 분산되도록 하기 위한 용매가 선택될 수 있다. 또한 후속공정인 상기 피복단계(S120)에서 투입되는 금속함유 전구체와도 잘 혼합될 수 있는 용매가 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤, 글리세롤 및 테트라하이드로 퓨란 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 적어도 2종을 혼합하여 구성될 수 있다. 상기 용매는 환경적인 측면을 고려한다면 증류수를 사용하는 것이 바람직하다. The solvent may be selected to uniformly mix the components contained in the mixture and to control the viscosity so that the carbon nanoparticles are uniformly dispersed. In addition, a solvent that can be well mixed with the metal-containing precursor introduced in the coating step (S120), which is a subsequent process, may be selected. For example, the solvent may be composed of any one selected from distilled water, methanol, ethanol, propanol, butanol, acetone, glycerol, and tetrahydrofuran, or a mixture of at least two of them. The solvent is preferably distilled water in consideration of the environmental aspect.

상기 피복 단계(S120)는 상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가하여 상기 카본 나노입자들에 상기 금속함유 전구체로부터 환원된 금속나노입자가 피복되도록 하는 단계이다. 이때 상기 금속함유 전구체로부터 금속 나노입자를 환원시키기 위하여 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 테일러 흐름 방식, 전자빔을 조사하는 전자빔 조사방식, 또는 단순 혼합반응을 이용하는 방식 등 통상의 기술자에게 잘 알려진 방식이 이용될 수 있다.The coating step (S120) is a step of adding a metal-containing precursor to the mixture so that the carbon nanoparticles are coated with the reduced metal nanoparticles from the metal-containing precursor. At this time, in order to reduce the metal nanoparticles from the metal-containing precursor, a method well known to those skilled in the art, such as a Taylor flow method using a Kuett-Taylor reactor, an electron beam irradiation method using an electron beam, or a method using a simple mixing reaction, may be used. can

상기 테일러 흐름 방식은 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 방식으로, 연속식 생산을 통해 시간 단축, 고품질 및 높은 생산성을 가지는 방식이며, 전자빔 조사방식은 전자빔을 조사하여 실버 나노입자들이 카본 나노입자들에 피복되도록 하는 방식으로, 고순도 및 고품질 물질 생산이 가능한 것으로 알려져 있다. 상기 테일러 흐름 방식 및 전자빔 조사방식은 이 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있으며, 이러한 공지의 제조방식에 일부 공정조건의 변경 및 공정순서의 변경을 통해 상기 복합재료의 생성이 가능하다.The Taylor flow method uses a Couette-Taylor reactor, and is a method of reducing time, high quality, and high productivity through continuous production, and the electron beam irradiation method irradiates electron beams so that silver nanoparticles are coated on carbon nanoparticles. In such a way, it is known that production of high purity and high quality materials is possible. The Taylor flow method and the electron beam irradiation method are well known to those skilled in the art, and the composite material can be produced by changing some process conditions and process sequence to these known manufacturing methods. .

상기 금속함유 전구체는 수용성 전구체로 금속의 산화물염, 옥시수산화물염, 염화물염, 탄산염, 초산염, 시트르산염, 니트로실질산염, 질산염, 수산화염, 옥살산염, 카르복실산염, 황산염 중에서 적어도 하나가 선택되거나, 지용성 전구체로 탄화수소가 포함된 알콕시 전구체 및 암모늄 전구체 중에서 적어도 하나가 선택될 수 있다. 바람직하게는 상기 금속함유 전구체는 은(Ag)을 함유한 실버(silver) 전구체일 수 있다.The metal-containing precursor is a water-soluble precursor, and at least one is selected from oxide salts, oxyhydroxide salts, chloride salts, carbonates, acetates, citrates, nitrosilnitrates, nitrates, hydroxides, oxalates, carboxylates, and sulfates of metals. , At least one of an alkoxy precursor and an ammonium precursor containing a hydrocarbon may be selected as a lipophilic precursor. Preferably, the metal-containing precursor may be a silver precursor containing silver (Ag).

또한, 상기 금속함유 전구체에 함유되는 금속은, 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속일 수 있다. In addition, the metal contained in the metal-containing precursor is silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), iridium (Ir), osmium (Os), rhodium (Rh) and ruthenium (Ru ) It may be at least one metal selected from among.

상기 피복단계(S120)에서 상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가시에 환원제가 함께 첨가될 수 있다. When the metal-containing precursor is added to the mixture in the coating step (S120), a reducing agent may be added together.

전자빔을 조사하는 전자빔 조사방식을 이용하여 금속 나노입자를 환원시키는 경우에는 별도의 환원제가 필요없지만, 다른 방식을 이용하는 경우 또는 효과의 극대화를 위하여 환원제가 첨가되는 것이 가능하다.In the case of reducing metal nanoparticles using an electron beam irradiation method in which electron beam irradiation is used, a separate reducing agent is not required, but a reducing agent may be added when using another method or to maximize the effect.

상기 환원제는 상기 카본 나노입자가 분산된 상기 혼합물에 상기 금속함유 전구체가 첨가된 용액 상의 금속 양이온이 산소가 함유된 카본 나노입자의 정전기적 인력에 의해 결합된 상태에서 금속 나노입자로 환원시켜주는 작용제로서, 금속 함유 전구체와 환원제의 비율은 환원제의 종류에 따라 제한없이 통상적으로 알려진 방법에 따라 결정될 수 있다. 상기 환원제는 수소화붕소나트륨(NaBH4), 하이드라진(N2H4), 아스코르브산(C6H8O6), 하이드로퀴논(C6H6O2), 시트르산(C6H8O7) 및 글루코스(C6H12O6)로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The reducing agent is an agent that reduces metal cations in a solution in which the metal-containing precursor is added to the mixture in which the carbon nanoparticles are dispersed are bound to metal nanoparticles by the electrostatic attraction of the oxygen-containing carbon nanoparticles. As, the ratio of the metal-containing precursor and the reducing agent may be determined according to a commonly known method without limitation depending on the type of reducing agent. The reducing agent is sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (N 2 H 4 ), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), hydroquinone (C 6 H 6 O 2 ), citric acid (C 6 H 8 O 7 ) And it may be at least one selected from the group consisting of glucose (C 6 H 12 O 6 ).

본 발명에서는, 상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가하는 경우에, 상기 카본 나노입자들 100중량%에 대하여 상기 카본 나노입자들에 피복되는 금속 나노입자들이 1~50중량% 가 되도록 상기 금속함유 전구체의 투입량을 조절하게 된다. 바람직하게는 상기 카본 나노입자들 100중량%에 대하여 1~25중량%의 금속나노입자들이 상기 카본 나노입자들에 피복되도록 상기 금속함유 전구체의 투입량을 조절하게 된다. In the present invention, when a metal-containing precursor is added to the mixture, the amount of metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles is 1 to 50% by weight with respect to 100% by weight of the carbon nanoparticles. You will control the dosage. Preferably, the amount of the metal-containing precursor is adjusted so that 1 to 25 wt% of the metal nanoparticles are coated on the carbon nanoparticles with respect to 100 wt% of the carbon nanoparticles.

상기 금속함유 전구체의 투입량이 너무 적어 상기 카본 나노입자들에 피복된 금속 나노입자 함량이 1중량% 미만으로 되는 경우에는 전고체 전지의 음극재로 사용시에 반응의 활성이 저하될 수 있고, 상기 카본 나노입자들에 피복된 금속 나노입자 함량이 50 중량%를 초과할 경우에는 상기 카본 나노입자들에 피복된 금속의 양이 너무 많아 전고체 전지의 음극 제조과정에서 카본 나노입자에 완전히 피복되지 않은 상태의 금속나노입자의 일부가 침출될 수 있고, 동시에 카본 나노입자들과 금속 나노입자들 간 상호 작용이 약해져 제조 및 반응과정 중에 금속 나노입자 간의 소결(sintering)작용이 일어나는 문제점이 발생될 수 있다.When the amount of the metal-containing precursor is too small and the content of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles is less than 1% by weight, the activity of the reaction may decrease when used as an anode material for an all-solid-state battery. When the content of metal nanoparticles coated on the nanoparticles exceeds 50% by weight, the amount of metal coated on the carbon nanoparticles is too large, so that they are not completely coated on the carbon nanoparticles in the process of manufacturing a negative electrode of an all-solid-state battery. Some of the metal nanoparticles may be leached, and at the same time, the interaction between the carbon nanoparticles and the metal nanoparticles may be weakened, causing a problem of sintering between the metal nanoparticles during manufacturing and reaction processes.

상기 카본 나노입자들에 피복되는 금속 나노입자들은 평균사이즈(평균직경)가 1~100nm의 범위를 가질 수 있으며, 상기 카본 나노입자들 보다는 평균 사이즈가 작아야 한다. 또한, 상기 금속 나노입자는 상기 카본 나노입자들에 피복되는 경우에 균일성 확보를 위해 입자 사이즈가 작고 균일하게 합성되는 것이 필요하다. 이 경우 제조공정상 유리하면서도 피복의 균일성 확보에 유리한 사이즈를 가지도록 설정된 평균사이즈(평균직경)는 1~100nm 범위이다. 즉 상기 금속 나노입자는 상기 복합재료가 전고체 전지의 음극에 이용되는 경우, 충전단계에서의 리튬과의 합금반응 및 균일한 리튬이온(Li+) 플럭스(flux) 및 전기장(electric field)을 가질 수 있는 최적의 평균입자 사이즈(직경)로, 1~100nm가 선택되었다.The average size (average diameter) of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles may range from 1 to 100 nm, and the average size should be smaller than that of the carbon nanoparticles. In addition, when the metal nanoparticles are coated on the carbon nanoparticles, it is necessary to have a small particle size and be uniformly synthesized in order to secure uniformity. In this case, the average size (average diameter) set to have a size advantageous in the manufacturing process and advantageous in securing uniformity of coating is in the range of 1 to 100 nm. That is, when the composite material is used for the negative electrode of an all-solid-state battery, the metal nanoparticle may have an alloy reaction with lithium in the charging step and a uniform lithium ion (Li+) flux and electric field. As the optimal average particle size (diameter) in the range, 1 to 100 nm was selected.

상기 금속 나노입자는 본 발명의 복합재료가 전고체 전지의 음극에 이용되는 경우, 음극 집전체로 주로 사용되는 구리(Cu)와의 낮은 아토믹 미스매치(atomic mismatch)와 높은 바인딩 에너지를 갖도록 하기 위함이다. 종래의 경우 음극에 리튬이 사용되는 경우에 음극 집전체로 사용되는 구리와의 계면에 아토믹 미스매치(atomic mismatch)가 발생되게 된다. 이에 따라 낮은 바인딩 에너지(대략 ~1.4eV)를 야기하게 되는 문제점이 있다. 그러나, 금속나노입자(예를 들면, 실버나노입자)의 경우는 원자 직경이 0.172 nm로 리튬과 구리 대비 낮은 아토믹 미스매치(atomic mismatch)를 가지며, 높은 바인딩 에너지 (대략 ~2.3 eV)를 갖게 되는 장점이 있다. 또한, 상기 금속 나노입자는 전고체 전지의 충전시에 음극으로 이동하는 리튬이온에 대하여 시드(seed) 형성에서 저항을 줄여주는 효과를 가질 수 있다. The metal nanoparticles are intended to have a low atomic mismatch and high binding energy with copper (Cu), which is mainly used as an anode current collector, when the composite material of the present invention is used for an anode of an all-solid-state battery. . In the conventional case, when lithium is used for an anode, an atomic mismatch occurs at an interface with copper used as an anode current collector. Accordingly, there is a problem of causing a low binding energy (approximately ~ 1.4 eV). However, metal nanoparticles (eg, silver nanoparticles) have an atomic diameter of 0.172 nm, a lower atomic mismatch compared to lithium and copper, and a high binding energy (approximately ~2.3 eV). There are advantages. In addition, the metal nanoparticles may have an effect of reducing resistance in seed formation with respect to lithium ions moving to the negative electrode during charging of the all-solid-state battery.

상기 복합재료의 제조시에 상기 카본 나노입자와 상기 금속 나노입자 등 나노 사이즈의 입자를 사용하는 이유는, 상기 복합재료를 전고체 전지의 음극으로 사용시에 마이크로 사이즈를 사용하게 되면, 나노 사이즈의 경우보다 충방전에 따른 팽창과 수축이 크므로 양극과 음극 사이의 거리에 베리에이션이 생기는 문제점이 있다. 양극과 음극의 거리가 떨어져 있는 부분은 충전 시의 과전압이 높아져 충전되기 어렵고, 양극과 음극의 거리가 접근하고 있는 부분은 과전압이 낮아져 충전되기 쉬워지는 문제점이 있다. 즉, 충전되기 어려운 부분과 충전되기 쉬운 부분이 생김으로 충방전 사이클을 반복할 때마다 전지용량의 저하가 생길 수 있다는 문제점이 있으므로, 나노사이즈의 카본 나노입자와 금속 나노입자를 이용하여 상기 복합재료를 제조하게 된다. The reason why nano-sized particles such as the carbon nanoparticles and the metal nanoparticles are used in the manufacture of the composite material is that when the composite material is used as a negative electrode of an all-solid-state battery, when a micro-sized particle is used, in the case of a nano-sized There is a problem in that variation occurs in the distance between the positive electrode and the negative electrode because the expansion and contraction according to charge and discharge are greater. There is a problem in that a portion where the distance between the anode and the cathode is far apart is difficult to charge due to high overvoltage during charging, and a portion where the distance between the anode and cathode is close to each other is easy to charge due to a low overvoltage. That is, there is a problem that battery capacity may decrease each time a charge/discharge cycle is repeated due to the formation of a portion that is difficult to charge and a portion that is easy to charge. will manufacture

도 3에 도시된 TEM사진에는 상대적으로 입자가 큰 카본 나노입자들에 상대적으로 미세하게 흰색의 작은 점들로 표현되는 금속 나노입자들(예로, 실버나노입자들)이 피복된 상태의 복합재료가 나타나 있다. The TEM picture shown in FIG. 3 shows a composite material in which carbon nanoparticles with relatively large particles are coated with relatively fine metal nanoparticles (eg, silver nanoparticles) represented by small white dots. there is.

이때, 상기 복합재료를 구성하는 카본 나노입자들 사이에는 공극이 형성되며, 카본 나노입자들이 균일하게 분산되어 있는 상태에서 금속나노입자들이 균일하게 피복되도록, 상기 공극의 평균사이즈(직경)는 15~20nm 가 되도록 할 수 있다. At this time, pores are formed between the carbon nanoparticles constituting the composite material, and the average size (diameter) of the pores is 15 to 15 so that the metal nanoparticles are uniformly coated in a state in which the carbon nanoparticles are uniformly dispersed. It can be made to be 20nm.

그리고, 상기 금속 나노입자들은 분말형태 또는 슬러리 형태로 상기 카본 나노입자들에 피복되는 것이 가능하다. In addition, the metal nanoparticles may be coated on the carbon nanoparticles in a powder form or a slurry form.

한편, 상기 금속 나노입자들이 작고 균일하게, 즉 평균사이즈가 1~100nm 범위내로 비교적 작은 사이즈로 균일도가 유지되어 상기 카본 나노입자들에 피복되도록 하기 위해서는 상기 카본 나노입자들이 상기 혼합물에 균일하게 분산되는 것이 필요하다.On the other hand, in order for the metal nanoparticles to be small and uniform, that is, to maintain uniformity and cover the carbon nanoparticles with a relatively small average size within the range of 1 to 100 nm, the carbon nanoparticles must be uniformly dispersed in the mixture. need something

즉, 카본 나노입자들의 분산정도에 따라 카본 나노입자들에 금속 나노입자들이 피복되는 물성에 큰 영향을 미치게 된다. 카본 나노입자들의 분산상태가 좋지 않아 카본 나노입자들의 응집체가 존재하는 경우, 응집덩어리의 존재에 의해 금속 나노입자가 작고 균일하게 담지되지 못한다. 이에 본 발명에서는 상기 혼합물의 점도를 측정함으로써 카본 나노입자가 분산되어 있는 상기 혼합물과 이를 이용한 작고 균일한 금속 나노입자의 합성에 대한 영향 인자를 검토하였다. That is, the degree of dispersion of the carbon nanoparticles has a great influence on the physical properties of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles. When aggregates of carbon nanoparticles exist due to poor dispersion of the carbon nanoparticles, metal nanoparticles are not uniformly supported due to the existence of the agglomerates. Accordingly, in the present invention, by measuring the viscosity of the mixture, factors influencing the synthesis of the mixture in which carbon nanoparticles are dispersed and small and uniform metal nanoparticles using the mixture were examined.

본 발명의 복합재료의 제조를 위한 다수의 실험을 통하여, 상기 혼합물의 경우에 카본 나노입자들의 분산 정도를 파악할 수 있는 혼합물의 점도(Viscosity)가 달라지면, 상기 피복단계(S120)에서 상기 카본 나노입자들에 피복되기 위해 환원되는 금속 나노입자들의 평균사이즈(또는 평균 직경)와 균일도가 달라짐을 확인할 수 있었다. Through a number of experiments for the preparation of the composite material of the present invention, in the case of the mixture, when the viscosity of the mixture, which can determine the degree of dispersion of the carbon nanoparticles, changes, the carbon nanoparticles in the coating step (S120). It was confirmed that the average size (or average diameter) and uniformity of the reduced metal nanoparticles to be coated on the field varied.

그리고, 상기 혼합물의 점도는 온도와 상관관계가 있으며, 상기 혼합물의 점도는 후술하는 수학식과 같이 혼합물의 온도 변화(조절)에 의해 제어됨을 확인할 수 있었다. 이는 다양한 조성의 혼합물에 대한 다수의 실험을 통한 결과의 산물이며, 이를 통해 상기 혼합물의 경우 후술하는 수학식과 같은 점도-온도의 상관관계를 가짐을 확인할 수 있었다. In addition, it was confirmed that the viscosity of the mixture was correlated with temperature, and that the viscosity of the mixture was controlled by a change (adjustment) of the temperature of the mixture as shown in the following equation. This is a product of the results of a number of experiments on mixtures of various compositions, and through this, it was confirmed that the mixture had a viscosity-temperature correlation such as the equation described later.

이를 수학적으로 계산해보면, 카본 나노입자들을 용매에 분산시켜 제조되는 상기 혼합물은 온도(℃)와 점도(cP)의 상관관계를 나타내는 다음의 수학식을 만족하게 되며, 상기 혼합물의 점도(cP)는 다음의 수학식을 통해 상기 혼합물의 온도(℃)를 조절함에 의해 제어가 가능함을 알 수 있다.Calculating this mathematically, the mixture prepared by dispersing carbon nanoparticles in a solvent satisfies the following equation representing the correlation between temperature (℃) and viscosity (cP), and the viscosity (cP) of the mixture is It can be seen that control is possible by adjusting the temperature (° C.) of the mixture through the following equation.

상기 수학식은 낮은 영역의 전단속도에서 적용될 수 있으며, 이는 상기 혼합물의 조성에 따라 점성발열의 영향을 최소화하고 전단속도 영향을 최소화하기 위함이다. 또한, 본 발명에 적용되는 혼합물은 상기 수학식에 따른 상관관계가 적용되는 혼합물로 한정될 수 있다.The above formula can be applied at a low shear rate, which is to minimize the effect of viscous heating and the shear rate according to the composition of the mixture. In addition, the mixture applied to the present invention may be limited to a mixture to which the correlation according to the above formula is applied.

그리고, 다수의 실험 및 분석을 통해 상기 혼합물이 특정 점도범위에 있을 때에, 상기 피복단계(S120)에서 상기 카본 나노입자들에 피복되기 위해 환원되는 상기 금속 나노입자들의 평균사이즈가 1~100nm로 균일하게 형성됨을 확인할 수 있었었다. 즉 상기 카본 나노입자들에 피복되는 금속 나노입자들이 1~100nm의 평균사이즈로 작고 균일해짐을 확인할 수 있었다. 상기 혼합물의 점도(cP)는 상기 수학식과 같이 상기 혼합물의 온도(℃)를 조절함에 의해 제어가능하다. In addition, through a number of experiments and analyzes, when the mixture is in a specific viscosity range, the average size of the metal nanoparticles reduced to be coated on the carbon nanoparticles in the coating step (S120) is uniform at 1 to 100 nm. It was confirmed that it was formed. That is, it was confirmed that the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles were small and uniform with an average size of 1 to 100 nm. The viscosity (cP) of the mixture can be controlled by adjusting the temperature (° C.) of the mixture as shown in the above equation.

이에 따라 상기 혼합물의 점도제어 또는 온도제어를 통해 상기 카본 나노입자들에 피복되는 금속 나노입자들의 평균사이즈 조절 또는 균일도 조절이 가능함을 알 수 있다. Accordingly, it can be seen that the average size or uniformity of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles can be adjusted by controlling the viscosity or temperature of the mixture.

특히 상기 혼합물이 특정 온도범위(예를 들면, 20~40℃의 범위)에 있을 때 상기 피복단계(S120)에서 상기 카본 나노입자들에 피복되는 상기 금속 나노입자들의 평균사이즈가 1~100nm로 작고 균일하게 됨을 확인할 수 있었다. 이는 후술하는 실시예1,2, 및 비교예를 통해 확인할 수 있다.In particular, when the mixture is in a specific temperature range (for example, a range of 20 to 40° C.), the average size of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles in the coating step (S120) is as small as 1 to 100 nm. It was found to be uniform. This can be confirmed through Examples 1 and 2, and Comparative Examples to be described later.

상기 건조 및 소성단계(S130)는 금속 나노입자들이 피복된 카본 나노입자들을 상기 혼합물로부터 분리하고, 수세 세척하여 건조 및 소성하는 단계이다.The drying and firing step (S130) is a step of separating the carbon nanoparticles coated with metal nanoparticles from the mixture, washing with water, drying and firing.

우선, 상기 금속 나노입자들이 피복된 카본 나노입자들을 분리하기 위해 상기 용매를 필터방식 또는 회전 농축 증발기를 통한 고체-액체 상분리를 이용하여 증발시키거나, 이외에 통상의 기술자에게 잘 알려진 방법으로 상분리 과정을 거쳐 금속 나노입자들이 피복된 카본 나노입자들만을 분리한다. First, in order to separate the carbon nanoparticles coated with the metal nanoparticles, the solvent is evaporated using a filter method or solid-liquid phase separation through a rotary evaporator, or a phase separation process is performed by a method well known to those skilled in the art. Through this, only carbon nanoparticles coated with metal nanoparticles are separated.

이후 증류수 및 에탄올, 아세톤 등을 이용하여 수세 및 세척하여 카본 나노입자들에 잔존 할 수 있는 불안정한 양이온과 음이온을 제거하는 과정을 통한 정제 작업이 수행될 수 있다. Thereafter, purification may be performed by washing and washing with distilled water, ethanol, acetone, etc. to remove unstable cations and anions that may remain in the carbon nanoparticles.

이후 건조는 열풍, 항온항습, 마이크로웨이브, 진공 등 통상의 기술자에게 잘 알려진 방법으로 상온 ~ 120 ℃에서 수행될 수 있다. Then, drying may be performed at room temperature to 120 ° C. by a method well known to those skilled in the art, such as hot air, constant temperature and humidity, microwave, and vacuum.

다음으로 소성은 상기 카본 나노입자의 종류에 따라 고유한 유리전이온도를 고려하여 다양하게 변경할 수 있으나, 바람직하게는 피복된 금속 나노입자(예를 들면 실버 나노입자)의 산화방지를 위해, 비활성이나 환원성 기체의 분위기에서 진행되며, 300 ℃ ~ 800 ℃로 1시간 ~ 24시간 동안 소성할 수 있다. Next, firing may be variously changed in consideration of the unique glass transition temperature according to the type of the carbon nanoparticles, but preferably, in order to prevent oxidation of the coated metal nanoparticles (for example, silver nanoparticles), inert or It is carried out in a reducing gas atmosphere and can be fired at 300 ℃ ~ 800 ℃ for 1 hour to 24 hours.

소성온도가 너무 낮으면 금속함유 전구체와 환원제로 반응된 유기 불순물이 금속 나노입자가 피복된 카본 나노입자들에 잔존하여 부반응이 증가될 수 있으며, 소성 온도가 너무 높으면 활성성분인 금속 나노입자의 소결에 의해 입자크기가 증가하여 분산성이 감소되거나 카본 나노입자의 비표면적이 감소될 수 있으므로 바람직하지 못하다. 급격한 소성 온도 변화는 용매의 급격한 증발이나 소결(sintering)에 의해 카본나노 입자의 구조가 불안정해질 수 있기 때문에 1분당 10 ℃ 이하의 온도로 점진적으로 상승시켜 제조하는 것이 바람직하다.If the calcination temperature is too low, organic impurities reacted with the metal-containing precursor and the reducing agent may remain on the carbon nanoparticles coated with the metal nanoparticles, increasing side reactions. This is undesirable because the particle size may increase, thereby reducing the dispersibility or reducing the specific surface area of the carbon nanoparticles. Since rapid calcination temperature change may cause the structure of carbon nanoparticles to become unstable due to rapid evaporation or sintering of the solvent, it is preferable to prepare the carbon nanoparticles by gradually increasing the temperature to 10° C. or less per minute.

상술한 건조 및 소성단계(S130)를 통해 금속나노입자들이 카본 나노입자들에 피복된 복합재료 즉 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료가 제조되게 된다.Through the above-described drying and firing step (S130), a composite material in which metal nanoparticles are coated with carbon nanoparticles, that is, a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles is manufactured.

이하 상기 복합재료의 제조 실시예와 비교예를 설명한다.Hereinafter, manufacturing examples and comparative examples of the composite material will be described.

[실시예 1][Example 1]

증류수 3000g, 글리세롤 3000g, 에탄올 1500g, 테트라하이드로퓨란 750g을 혼합하고 카본 블랙 30g을 넣은 혼합물을 23~28℃의 온도로 유지한 상태에서 30분 동안 균일하게 교반하면서 분산을 진행하였다. 그 다음, 실버 전구체 용액 제조를 위하여 질산은 22.52g을 비커에 넣어, 실버 나노입자가 카본 나노입자들의 전체중량 대비 20 %가 피복되도록 하였다. 환원제 용액 제조의 경우, 은(Ag)과 하이드라진(N2H4)의 몰 비가 1:2가 되도록 제조하였다. 3가지의 용매 혼합물, 질산은 용액, 및 환원제 용액을 정량 펌프를 이용하여 연속 반응기의 주입구에 일정량 주입하면서 충분한 교반을 하면서 슬러리 형태를 이루도록 하여 반응을 진행하였다. 이후 필터를 이용하여, 용매와 실버 나노입자가 피복된 카본나노입자들을 분리하였고, 증류수와 에탄올로 불순물이 없어질 때까지, 수회 반복 수세과정을 통하여 세척하였다. 그 후, 공기 분위기의 오븐으로 80℃에서 24시간 동안 건조를 진행하고 소성을 진행하여 실버 나노입자가 균일하게 담지된 카본 구조의 복합재료를 제조하였다. 3000 g of distilled water, 3000 g of glycerol, 1500 g of ethanol, and 750 g of tetrahydrofuran were mixed and dispersed while maintaining the mixture with 30 g of carbon black at a temperature of 23 to 28 ° C. for 30 minutes with uniform stirring. Next, 22.52 g of silver nitrate was put into a beaker to prepare a silver precursor solution so that 20% of the total weight of the carbon nanoparticles was coated with the silver nanoparticles. In the case of preparing a reducing agent solution, the molar ratio of silver (Ag) and hydrazine (N 2 H 4 ) was prepared to be 1:2. The reaction was carried out by injecting a certain amount of the three solvent mixtures, the silver nitrate solution, and the reducing agent solution into the inlet of the continuous reactor using a metering pump while sufficiently stirring to form a slurry. Thereafter, the carbon nanoparticles coated with the solvent and the silver nanoparticles were separated using a filter, and washed with distilled water and ethanol several times until impurities were removed. Thereafter, drying was performed at 80° C. for 24 hours in an air atmosphere oven and firing was performed to prepare a composite material having a carbon structure in which silver nanoparticles were uniformly supported.

도 4는 실시예 1에 따라 제조된 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 TEM사진으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 나노입자인 실버 나노입자가 카본 나노입자들에 피복된 상태를 보여주고 있으며, 23~28℃의 온도로 상기 혼합물의 온도가 제어되어 혼합물의 점도가 제어됨에 따라, 피복된 실버 나노입자의 평균 사이즈가 25nm로 작고 균일하게 유지되도록 조절되었음을 확인할 수 있다. FIG. 4 is a TEM photograph of a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles prepared in Example 1. As shown in FIG. 4, silver nanoparticles, which are metal nanoparticles, are coated on the carbon nanoparticles. As the temperature of the mixture is controlled at a temperature of 23 to 28 ° C., and the viscosity of the mixture is controlled, it can be confirmed that the average size of the coated silver nanoparticles is adjusted to be small and uniform at 25 nm.

[실시예 2][Example 2]

증류수 3000g, 글리세롤 3000g, 에탄올 1500g, 테트라하이드로퓨란 750g을 혼합하고 카본 블랙 30g을 넣은 혼합물을 32~38℃의 온도로 유지한 상태에서 30분 동안 균일하게 교반하면서 분산을 진행하였다. 그 다음, 실버 전구체 용액 제조를 위하여 질산은 22.52g을 비커에 넣고, 실버 나노입자가 카본 나노입자들의 전체중량 대비 20 %가 피복되도록 하였다. 환원제 용액 제조의 경우, 은(Ag)과 하이드라진(N2H4)의 몰 비가 1:2가 되도록 제조하였다. 3가지의 용매 혼합물, 질산은 용액, 및 환원제 용액을 정량 펌프를 이용하여 연속 반응기의 주입구에 일정량 주입하면서 충분한 교반을 하면서 슬러리 형태를 이루도록 하여 반응을 진행하였다. 이후 필터를 이용하여, 용매와 실버 나노입자가 피복된 카본나노입자들을 분리하였고, 증류수와 에탄올로 불순물이 없어질 때까지, 수회 반복 수세과정을 통하여 세척하였다. 그 후, 공기 분위기의 오븐으로 80℃에서 24시간 동안 건조를 진행하고 소성을 진행하여 실버 나노입자가 균일하게 담지된 카본 구조의 복합재료를 제조하였다. 3000 g of distilled water, 3000 g of glycerol, 1500 g of ethanol, and 750 g of tetrahydrofuran were mixed and dispersed while maintaining the mixture with 30 g of carbon black at a temperature of 32 to 38 ° C. for 30 minutes with uniform stirring. Next, to prepare a silver precursor solution, 22.52 g of silver nitrate was put in a beaker, and 20% of the total weight of the carbon nanoparticles was covered with silver nanoparticles. In the case of preparing a reducing agent solution, the molar ratio of silver (Ag) and hydrazine (N 2 H 4 ) was prepared to be 1:2. The reaction was carried out by injecting a certain amount of the three solvent mixtures, the silver nitrate solution, and the reducing agent solution into the inlet of the continuous reactor using a metering pump while sufficiently stirring to form a slurry. Thereafter, the carbon nanoparticles coated with the solvent and the silver nanoparticles were separated using a filter, and washed with distilled water and ethanol several times until impurities were removed. Thereafter, drying was performed at 80° C. for 24 hours in an air atmosphere oven and firing was performed to prepare a composite material having a carbon structure in which silver nanoparticles were uniformly supported.

도 5는 실시예 2에 따라 제조된 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 TEM사진으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 금속 나노입자인 실버 나노입자가 카본 나노입자들에 피복된 상태를 보여주고 있으며, 32~38℃의 온도로 상기 혼합물의 온도가 제어되어 혼합물의 점도가 제어됨에 따라, 피복된 실버 나노입자의 평균 사이즈가 39nm로 작고 균일하게 유지되도록 조절되었음을 확인할 수 있다. FIG. 5 is a TEM photograph of a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles prepared in Example 2. As shown in FIG. 5, silver nanoparticles, which are metal nanoparticles, are coated on the carbon nanoparticles. As the temperature of the mixture is controlled at a temperature of 32 to 38 ° C. to control the viscosity of the mixture, it can be confirmed that the average size of the coated silver nanoparticles is adjusted to be small and uniform at 39 nm.

[비교예][Comparative example]

증류수 3000g, 글리세롤 3000g, 에탄올 1500g, 테트라하이드로퓨란 750g을 혼합하고 카본 블랙 30g을 넣은 혼합물을 41~48℃의 온도로 유지한 상태에서 30분 동안 균일하게 교반하면서 분산을 진행하였다. 그 다음, 실버 전구체 용액 제조를 위하여 질산은 22.52g을 비커에 넣고, 실버 나노입자가 카본 나노입자들의 전체중량 대비 20 %가 피복되도록 하였다. 환원제 용액 제조의 경우, 은(Ag)과 하이드라진(N2H4)의 몰 비가 1:2가 되도록 제조하였다. 3가지의 용매 혼합물, 질산은 용액, 및 환원제 용액을 정량 펌프를 이용하여 연속 반응기의 주입구에 일정량 주입하면서 충분한 교반을 하면서 슬러리 형태를 이루도록 하여 반응을 진행하였다. 이후 필터를 이용하여, 용매와 실버 나노입자가 피복된 카본나노입자들을 분리하였고, 증류수와 에탄올로 불순물이 없어질 때까지, 수회 반복 수세과정을 통하여 세척하였다. 그 후, 공기 분위기의 오븐으로 80℃에서 24시간 동안 건조를 진행하고 소성을 진행하여 실버 나노입자가 균일하게 담지된 카본 구조의 복합재료를 제조하였다. 3000 g of distilled water, 3000 g of glycerol, 1500 g of ethanol, and 750 g of tetrahydrofuran were mixed and dispersed while maintaining the mixture containing 30 g of carbon black at a temperature of 41 to 48 ° C. for 30 minutes with uniform stirring. Next, to prepare a silver precursor solution, 22.52 g of silver nitrate was put in a beaker, and 20% of the total weight of the carbon nanoparticles was covered with silver nanoparticles. In the case of preparing a reducing agent solution, the molar ratio of silver (Ag) and hydrazine (N 2 H 4 ) was prepared to be 1:2. The reaction was carried out by injecting a certain amount of the three solvent mixtures, the silver nitrate solution, and the reducing agent solution into the inlet of the continuous reactor using a metering pump while sufficiently stirring to form a slurry. Thereafter, the carbon nanoparticles coated with the solvent and the silver nanoparticles were separated using a filter, and washed with distilled water and ethanol several times until impurities were removed. Thereafter, drying was performed at 80° C. for 24 hours in an air atmosphere oven and firing was performed to prepare a composite material having a carbon structure in which silver nanoparticles were uniformly supported.

도 6은 비교예에 따라 제조된 금속나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 TEM사진으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 금속 나노입자인 실버 나노입자가 카본 나노입자들에 피복된 상태를 보여주고 있으며, 41~48℃의 온도로 상기 혼합물의 온도가 제어되어 혼합물의 점도가 제어됨에 따라, 피복된 실버 나노입자의 평균 사이즈가 105nm로 상대적으로 크고 불균일함을 확인할 수 있다. 6 is a TEM photograph of a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles prepared according to a comparative example. As shown in FIG. 6, silver nanoparticles, which are metal nanoparticles, are coated with carbon nanoparticles As the viscosity of the mixture is controlled by controlling the temperature of the mixture at a temperature of 41 to 48 ° C, it can be confirmed that the average size of the coated silver nanoparticles is 105 nm, which is relatively large and non-uniform.

도 7은 실시예1, 실시예2, 비교예의 복합재료에서 피복된 금속나노입자의 입자분포도를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the particle distribution of metal nanoparticles coated in the composite materials of Example 1, Example 2, and Comparative Example.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물의 온도를 23~28℃로 하여 혼합물의 점도를 제어하는 실시예 1의 경우에, 생성된 금속 나노입자(파랑색으로 표시)들은 1~100nm의 범위에서 평균 사이즈가 25nm로 작고 균일하게 분포됨을 알 수 있으며, 상기 혼합물의 온도를 32~38℃로 하여 혼합물의 점도를 제어하는 실시예 2의 경우에도, 생성된 금속 나노입자(주황색으로 표시)들은 1~100nm의 범위에서 평균 사이즈가 39nm로 비교적 작고 균일하게 분포됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, in the case of Example 1 in which the viscosity of the mixture is controlled by setting the temperature of the mixture to 23 to 28 ° C, the produced metal nanoparticles (shown in blue) are in the range of 1 to 100 nm It can be seen that the average size is small and uniformly distributed at 25 nm, and even in Example 2 in which the viscosity of the mixture is controlled by setting the temperature of the mixture to 32 to 38 ° C, the produced metal nanoparticles (marked in orange) are 1 In the range of ~100 nm, it can be seen that the average size is relatively small and uniformly distributed with an average size of 39 nm.

이와 달리, 상기 혼합물의 온도를 41~48℃로 하여 혼합물의 점도를 제어하는 비교예의 경우에는, 생성된 금속 나노입자(회색으로 표시)들은 1~100nm의 범위를 벗어나고 평균 사이즈가 105nm로 상대적으로 크고 불균일하게 분포됨을 알 수 있다.In contrast, in the case of a comparative example in which the viscosity of the mixture is controlled by setting the temperature of the mixture to 41 to 48 ° C, the generated metal nanoparticles (shown in gray) are out of the range of 1 to 100 nm and have an average size of 105 nm, which is relatively It can be seen that it is large and unevenly distributed.

상술한 바와 같이, 상기 금속나노입자들이 피복된 카본 구조의 복합재료를 카본 나노입자들 전체 중량에 대하에 1~50 중량% 의 금속나노입자들(예를 들면, 실버(Ag) 나노입자들)이 피복된 구조를 가지도록 제조하고, 피복된 금속 나노입자들의 평균사이즈가 1~100nm의 평균사이즈를 가지도록 하여 제조하여, 이 복합재료를 전고체 전지의 음극으로 사용하게 되면, 금속 나노입자는 충전시에 음극으로 이동하는 리튬이온의 결정핵생성 에너지(nucleation energy)를 낮춰주어 리튬이 집전체에 균일하게 증착할 수 있도록 해주게 된다. As described above, the composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles is 1 to 50% by weight of metal nanoparticles (eg, silver (Ag) nanoparticles) based on the total weight of the carbon nanoparticles. When the composite material is manufactured to have this coated structure and the average size of the coated metal nanoparticles is 1 to 100 nm, and this composite material is used as a negative electrode of an all-solid-state battery, the metal nanoparticles are During charging, the nucleation energy of lithium ions moving to the negative electrode is lowered so that lithium can be uniformly deposited on the current collector.

카본 나노입자의 경우는 증착되는 리튬과 고체전해질을 분리시켜주어, 화학적 안정성을 확보해 주는 역할을 하게 된다. 이에 따라 결정핵생성 에너지(nucleation energy) 감소와 리튬이온이 음극 집전체에 전착, 탈착되는 과정에서 분리(isolated)되는 리튬을 최소화하여 덴드라이트 생성을 억제할 수 있게 된다. 그리고, 음극과 고체전해질의 계면에서의 불안정성을 극복하여, 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보한 전고체전지가 가능할 수 있게 된다. 특히 황화물계 전고체전지의 불안정성은 양극과 전해질의 계면, 음극과 전해질의 계면에서 주로 발생하기 때문에, 음극과 전해질의 계면에서의 불안정성을 극복하여, 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보한 전고체전지가 가능하게 된다. In the case of carbon nanoparticles, they separate the deposited lithium from the solid electrolyte and play a role in securing chemical stability. Accordingly, dendrite generation can be suppressed by reducing nucleation energy and minimizing lithium isolated in the process of electrodeposition and desorption of lithium ions on the negative electrode current collector. And, by overcoming the instability at the interface between the cathode and the solid electrolyte, an all-solid-state battery having high energy density and securing stability is possible. In particular, since the instability of a sulfide-based all-solid-state battery mainly occurs at the interface between the positive electrode and the electrolyte and the interface between the negative electrode and the electrolyte, an all-solid-state battery that has high energy density and secures stability by overcoming the instability at the interface between the negative electrode and the electrolyte. becomes possible

상술한 바와 같은 효과를 가짐으로 인하여, 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료는 전고체 전지의 음극재로 사용될 수 있다.Due to the above effects, the composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles can be used as an anode material for an all-solid-state battery.

도 8은 본 발명에 따른 전고체 전지의 개략적 단면도로, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전고체 전지는 양극(10), 음극(20) 및 상기 양극(10)과 상기 음극(20)에 개재된 고체전해질층(30)을 포함한다. 8 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to the present invention. As shown in FIG. 8, the all-solid-state battery according to the present invention includes a positive electrode 10, a negative electrode 20, and the positive electrode 10 and the negative electrode ( 20) and a solid electrolyte layer 30 interposed therebetween.

상기 양극(10)은 양극 집전체(12)와 양극 활물질층(14)을 포함하고, 상기 음극(20)은 음극 집전체(22) 및 상기 음극집체(22)의 적어도 일면에 구비되는 음극 활물질층(24)을 포함한다. 상기 양극(10)은 통상의 기술자에게 잘 알려진 구성을 가질 수 있다.The positive electrode 10 includes a positive electrode current collector 12 and a positive electrode active material layer 14, and the negative electrode 20 includes a negative electrode current collector 22 and a negative electrode active material provided on at least one surface of the negative electrode current collector 22. layer 24. The positive electrode 10 may have a structure well known to those skilled in the art.

상기 음극(20)은 상기 음극 집전체(22)와 상기 음극 활물질층(24)을 포함하는 구성이며, 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료를 이용하여 상기 음극(20)을 구성하게 된다. 종래의 경우에는 에너지 밀도를 향상시키기 위해 상기 음극(20)으로 리튬금속을 사용하여 왔다. 리튬 금속은 가격이 비싸고 반응 속도가 느리며, 덴드라이트(dendrite)의 성장으로 인한 쿨롱(coulombic) 효율(또는 충방전 효율)의 감소 및 단락(short circuit) 현상이 발생하는 문제점이 있음은 이미 설명한 바 있다. The negative electrode 20 includes the negative electrode current collector 22 and the negative electrode active material layer 24, and the negative electrode 20 is configured using a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles. do. In the conventional case, lithium metal has been used as the anode 20 to improve energy density. Lithium metal is expensive, has a slow reaction rate, and has problems in that coulombic efficiency (or charge/discharge efficiency) decreases and short circuits occur due to the growth of dendrites. there is.

상기 음극집전체(22)는 전고체 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The negative current collector 22 is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the all-solid-state battery and has high conductivity. For example, stainless steel, copper, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, aluminum or It may include at least one selected from the group consisting of surface treatment of carbon, nickel, titanium, silver, etc. on the surface of stainless steel, and combinations thereof.

상기 음극 활물질층(24)은 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료층을 포함할 수 있다. 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료는 상기 음극 집전체(22)의 표면에 통상의 기술자에게 잘 알려진 증착방법을 이용하여 일정 두께로 증착하여 형성하는 것이 가능하다. 이와 달리 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 분말이나 슬러리를 압착하여 상기 음극 집전체(22)의 표면에 층상구조로 형성하여 상기 음극 활물질층(24)을 형성하는 것 또한 가능하다. The negative electrode active material layer 24 may include a composite material layer having a carbon structure coated with the metal nanoparticles. The composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles may be deposited on the surface of the anode current collector 22 to a certain thickness using a deposition method well known to those skilled in the art. Alternatively, it is also possible to form the negative active material layer 24 by compressing composite material powder or slurry coated with the metal nanoparticles to form a layered structure on the surface of the negative electrode current collector 22 .

필요에 따라 상기 음극 활물질층(24)에는 도전재 및 바인더가 포함될 수도 있다. If necessary, the negative electrode active material layer 24 may include a conductive material and a binder.

다른 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질층(24)을 고체전해질과 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료가 분산된 구조를 가지도록 구성하는 것도 가능하다.According to another embodiment, it is also possible to configure the negative electrode active material layer 24 to have a structure in which a solid electrolyte and a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles are dispersed.

여기서 상기 고체전해질은 유기계 고체 전해질, 무기계 고체전해질 및 황화물계 고체전해질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일예로 리튬이온의 이온전도도가 높은 황화물계 고체전해질이 적용될 수 있다. Here, the solid electrolyte may include at least one of an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and a sulfide-based solid electrolyte. For example, a sulfide-based solid electrolyte having high ion conductivity of lithium ions may be applied.

상기 유기계 고체 전해질은 용매화된 리튬 및 고분자 재료가 혼합된 고분자 고체 전해질일 수 있다. 상기 무기계 고체전해질은 산화물계 고체 전해질을 포함한다. The organic solid electrolyte may be a polymer solid electrolyte in which solvated lithium and a polymer material are mixed. The inorganic solid electrolyte includes an oxide-based solid electrolyte.

상기 황화물계 고체 전해질 재료는 황(S)을 함유하고 주기율표 제1족 또는 제2족에 속하는 금속의 이온 전도성을 갖는 것으로서, Li-P-S계 유리나 Li-P-S계 유리 세라믹을 포함할 수 있다. The sulfide-based solid electrolyte material contains sulfur (S) and has ionic conductivity of a metal belonging to group 1 or group 2 of the periodic table, and may include Li-PS-based glass or Li-PS-based glass ceramics.

여기서 상기 음극 활물질층(24)을 구성하는 고체 전해질과 상기 전고체 전지의 상기 양극(10)과 상기 음극(20)에 개재된 고체전해질층(30)에 포함되는 고체전해질은 서로 같은 종류 또는 다른 종류로 포함되는 것이 가능하다.Here, the solid electrolyte constituting the negative electrode active material layer 24 and the solid electrolyte included in the solid electrolyte layer 30 interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 of the all-solid-state battery are the same type or different from each other. It is possible to include it as a kind.

상술한 바와 같이, 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료를 이용하여 전고체 전지용 음극(20)을 구성하게 되면, 종래와 달리 리튬 금속을 대신하여 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료를 음극소재로 사용함에 따라, 리튬의 결정핵생성 에너지(nucleation energy) 감소와 리튬이온이 음극 집전체에 전착, 탈착되는 과정에서 분리(isolated)되는 리튬을 최소화하여 덴드라이트 생성을 억제할 수 있게 된다. As described above, when the negative electrode 20 for an all-solid-state battery is constructed using the composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles, unlike the prior art, the carbon structure coated with the metal nanoparticles is replaced with lithium metal. As the composite material is used as an anode material, dendrite generation can be suppressed by reducing the nucleation energy of lithium and minimizing the isolated lithium in the process of electrodeposition and desorption of lithium ions on the anode current collector. be able to

그리고, 음극과 고체전해질의 계면에서의 불안정성을 극복하여, 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보한 전고체전지가 가능할 수 있게 된다. 특히 황화물계 전고체전지의 불안정성은 양극과 전해질의 계면, 음극과 전해질의 계면에서 주로 발생하기 때문에, 음극과 전해질의 계면에서의 불안정성을 극복하여, 고에너지밀도를 가지며 안정성을 확보한 전고체전지가 가능하게 된다. And, by overcoming the instability at the interface between the cathode and the solid electrolyte, an all-solid-state battery having high energy density and securing stability is possible. In particular, since the instability of a sulfide-based all-solid-state battery mainly occurs at the interface between the positive electrode and the electrolyte and the interface between the negative electrode and the electrolyte, an all-solid-state battery that has high energy density and secures stability by overcoming the instability at the interface between the negative electrode and the electrolyte. becomes possible

도 9는 본 발명에 따른 금속 나노입자(실버 나노입자)가 피복된 카본 구조의 복합재료를 음극소재로 사용한 전지의 충방전 효율(쿨롱효율(coulombic efficiencey))을 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the charge/discharge efficiency (coulombic efficiency) of a battery using a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles (silver nanoparticles) according to the present invention as an anode material.

금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료는 평균직경이 1~500nm의 범위에 속하는 타원형 구조의 카본입자들에 평균직경이 1~100nm의 범위에 속하는 구형의 실버 나노입자가 피복되도록 하여 구성하였으며, 이 복합재료를 이용하여 음극을 제조한 것이다. The carbon-structured composite material coated with metal nanoparticles was composed by coating spherical silver nanoparticles with an average diameter of 1 to 100nm on elliptical carbon particles with an average diameter in the range of 1 to 500nm. , a negative electrode was manufactured using this composite material.

도 9에 도시된 바와 같이, 충 방전을 100사이클을 진행하더라도 충방전 효율은 99.88% 수준을 유지하는 것을 알 수 있으며, 충방전 효율의 감소가 없는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 9 , it can be seen that the charge/discharge efficiency is maintained at 99.88% even after 100 cycles of charge/discharge, and there is no decrease in charge/discharge efficiency.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.The description of the above embodiment is merely an example with reference to the drawings for a more thorough understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the present invention. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within a range that does not deviate from the basic principles of the present invention.

10 : 양극 12 : 양극 집전체
14 : 양극활물질층 20 : 음극
22 : 음극집전체 24 : 음극 활물질층
30 : 고체전해질층
10: positive electrode 12: positive electrode current collector
14: positive electrode active material layer 20: negative electrode
22: negative electrode current collector 24: negative electrode active material layer
30: solid electrolyte layer

Claims (20)

카본 나노입자들을 용매에 분산시켜 혼합물을 제조하는 제1단계와;
상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가하여 상기 카본 나노입자들에 상기 금속함유 전구체로부터 환원된 금속나노입자가 피복되도록 하되, 상기 카본 나노입자들 100중량%에 대하여 상기 금속 나노입자들이 1~50중량% 로 상기 카본 나노입자들에 피복되도록, 상기 금속함유 전구체의 양을 조절하는 제2단계를 구비하고,
상기 혼합물은 온도(℃)와 점도(cP)의 상관관계를 나타내는 하기 수학식을 만족하고, 상기 혼합물의 점도제어 또는 온도제어를 통해 상기 제2단계에서 상기 카본 나노입자들에 피복되는 상기 금속 나노입자들의 평균사이즈를 조절함을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료 제조방법.

A first step of preparing a mixture by dispersing carbon nanoparticles in a solvent;
A metal-containing precursor is added to the mixture so that the carbon nanoparticles are coated with the metal nanoparticles reduced from the metal-containing precursor, but the amount of the metal nanoparticles is 1 to 50% by weight based on 100% by weight of the carbon nanoparticles. And a second step of adjusting the amount of the metal-containing precursor so that it is coated on the carbon nanoparticles,
The mixture satisfies the following equation representing the correlation between temperature (°C) and viscosity (cP), and the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles in the second step through viscosity control or temperature control of the mixture. A method of manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that the average size of the particles is controlled.

청구항 1에 있어서,
상기 혼합물의 온도가 20~40℃가 되도록 하여 상기 혼합물의 점도를 제어함에 의해, 상기 제2단계에서 상기 카본 나노입자들에 피복되는 상기 금속 나노입자들의 평균 사이즈가 1~100nm로 조절되도록 함을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The average size of the metal nanoparticles coated on the carbon nanoparticles in the second step is adjusted to 1 to 100 nm by controlling the viscosity of the mixture so that the temperature of the mixture is 20 to 40 ° C. Method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles.
청구항 1에 있어서,
상기 제2단계는 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 테일러 흐름 방식 또는 전자빔을 조사하는 전자빔 조사방식을 이용하여, 상기 금속함유 전구체로부터 금속나노입자들을 환원시켜 상기 카본 나노입자들에 피복되도록 함을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
In the second step, the metal nanoparticles are reduced from the metal-containing precursor to be coated on the carbon nanoparticles by using a Taylor flow method using a Kuett-Taylor reactor or an electron beam irradiation method that irradiates an electron beam. A method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles.
청구항 1에 있어서,
상기 제2단계에서, 상기 혼합물에 금속함유 전구체를 첨가시에 환원제가 함께 첨가됨을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
In the second step, a method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that a reducing agent is added together when the metal-containing precursor is added to the mixture.
청구항 4에 있어서,
상기 환원제는 수소화붕소나트륨(NaBH4), 하이드라진(N2H4), 아스코르브산(C6H8O6), 하이드로퀴논(C6H6O2), 시트르산(C6H8O7) 및 글루코스(C6H12O6)로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나임을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 4,
The reducing agent is sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (N 2 H 4 ), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), hydroquinone (C 6 H 6 O 2 ), citric acid (C 6 H 8 O 7 ) and glucose (C 6 H 12 O 6 ).
청구항 1에 있어서,
상기 제2단계 이후에, 금속 나노입자들이 피복된 카본 나노입자들을 상기 혼합물로부터 분리하여 건조 및 소성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
After the second step, the method of manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that it further comprises the step of separating the carbon nanoparticles coated with metal nanoparticles from the mixture, drying and firing.
청구항 6에 있어서,
상기 소성은, 비활성이나 환원성 기체의 분위기에서 300℃ ~ 800℃로 1시간 ~ 24시간 동안 수행됨을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 6,
The firing is a method for producing a composite material of a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that carried out for 1 hour to 24 hours at 300 ° C to 800 ° C in an inert or reducing gas atmosphere.
청구항 1에 있어서,
상기 카본 나노입자들은 카본블랙, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 및 탄소나노튜브 중 선택된 적어도 하나로 구성됨을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the carbon nanoparticles are composed of at least one selected from carbon black, graphene, activated carbon, carbon fiber, acetylene black, ketjen black, and carbon nanotubes.
청구항 1에 있어서,
상기 카본 나노입자들은 평균 사이즈가 1~500nm 임을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that the carbon nanoparticles have an average size of 1 to 500 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤, 글리세롤, 및 테트라하이드로 퓨란 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 적어도 2종의 혼합물임을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The solvent is any one selected from distilled water, methanol, ethanol, propanol, butanol, acetone, glycerol, and tetrahydrofuran, or a mixture of at least two of them. Preparation of a carbon structured composite material coated with metal nanoparticles method.
청구항 1에 있어서,
상기 금속함유 전구체는 수용성 전구체로 금속의 산화물염, 옥시수산화물염, 염화물염, 탄산염, 초산염, 시트르산염, 니트로실질산염, 질산염, 수산화염, 옥살산염, 카르복실산염, 황산염 중에서 적어도 하나가 선택되거나, 지용성 전구체로 탄화수소가 포함된 알콕시 전구체 및 암모늄 전구체 중에서 적어도 하나가 선택됨을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal-containing precursor is a water-soluble precursor, and at least one is selected from oxide salts, oxyhydroxide salts, chloride salts, carbonates, acetates, citrates, nitrosilnitrates, nitrates, hydroxides, oxalates, carboxylates, and sulfates of metals. , A method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that at least one is selected from an alkoxy precursor and an ammonium precursor containing a hydrocarbon as a lipophilic precursor.
청구항 1에 있어서,
상기 금속함유 전구체에 함유되는 금속은, 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속임을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal contained in the metal-containing precursor is silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), iridium (Ir), osmium (Os), rhodium (Rh) and ruthenium (Ru). A method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that the selected at least one metal.
청구항 1에 있어서,
상기 금속함유 전구체는 은(Ag)을 함유한 실버 전구체 임을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that the metal-containing precursor is a silver precursor containing silver (Ag).
청구항 1에 있어서,
상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료는 전고체 전지용 음극을 형성함을 특징으로 하는 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles, characterized in that the composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles forms a negative electrode for an all-solid-state battery.
음극 집전체와;
상기 음극 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 구비하고,
상기 음극 활물질층에는,
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 하나의 청구항에 따라 제조된 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료가 포함됨을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
a negative electrode current collector;
A negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector,
In the negative electrode active material layer,
An anode for an all-solid-state battery, characterized in that it includes a composite material having a carbon structure coated with metal nanoparticles manufactured according to any one of claims 1 to 13.
청구항 15에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료를 상기 음극 집전체의 표면에 일정두께로 증착하는 방법으로 형성됨을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
The method of claim 15
The negative electrode active material layer is formed by depositing a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles on the surface of the negative electrode current collector to a predetermined thickness.
청구항 15에 있어서,
상기 음극 활물질층은 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료의 분말이나 슬러리를 압착하여 상기 음극 집전체의 표면에 층상구조로 형성됨을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
The method of claim 15
The negative electrode active material layer is formed in a layered structure on the surface of the negative electrode current collector by compressing powder or slurry of a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles.
청구항 15에 있어서,
상기 음극 활물질층에는 고체전해질과 상기 금속 나노입자가 피복된 카본 구조의 복합재료가 분산된 구조를 가짐을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
The method of claim 15
A negative electrode for an all-solid-state battery, characterized in that the negative electrode active material layer has a structure in which a solid electrolyte and a composite material having a carbon structure coated with the metal nanoparticles are dispersed.
청구항 18에 있어서,
상기 고체전해질은 유기계 고체 전해질, 무기계 고체전해질 및 황화물계 고체전해질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
The method of claim 18
The solid electrolyte is an anode for an all-solid-state battery, characterized in that it comprises at least one of an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte and a sulfide-based solid electrolyte.
청구항 19에 있어서,
상기 고체전해질은 황화물계 고체전해질임을 특징으로 하는 전고체 전지용 음극.
The method of claim 19
The solid electrolyte is a negative electrode for an all-solid-state battery, characterized in that the sulfide-based solid electrolyte.
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