KR20230145831A - Positive electrode for all solid state battery, preparing method thereof, and all solid state battery - Google Patents

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Abstract

집전체, 및 상기 집전체 상에 위치하고 양극 활물질 입자와 황화물계 고체 전해질을 함유하는 양극 활물질 층을 포함하고, 상기 양극 활물질 입자의 표면, 및/또는 상기 양극 활물질 층의 표면에 위치하는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 리튬염을 포함하는 것인 전고체 전지용 양극과 그 제조 방법 및 전고체 전지에 관한 것이다. It includes a current collector, and a positive electrode active material layer located on the current collector and containing positive electrode active material particles and a sulfide-based solid electrolyte, and includes a coating layer located on the surface of the positive electrode active material particles and/or the surface of the positive electrode active material layer. The present invention relates to an anode for an all-solid-state battery in which the coating layer contains a lithium salt, a method for manufacturing the same, and an all-solid-state battery.

Description

전고체 전지용 양극과 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전고체 전지 {POSITIVE ELECTRODE FOR ALL SOLID STATE BATTERY, PREPARING METHOD THEREOF, AND ALL SOLID STATE BATTERY}Anode for all-solid-state battery, manufacturing method thereof, and all-solid-state battery comprising the same {POSITIVE ELECTRODE FOR ALL SOLID STATE BATTERY, PREPARING METHOD THEREOF, AND ALL SOLID STATE BATTERY}

전고체 전지용 양극과 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.It relates to an anode for an all-solid-state battery, a method of manufacturing the same, and an all-solid-state battery containing the same.

휴대 전화, 노트북, 스마트폰 등의 이동 정보 단말기의 구동 전원으로서 높은 에너지 밀도를 가지면서도 휴대가 용이한 리튬 이차 전지가 주로 사용되고 있다. 최근에는 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지를 하이브리드 자동차나 전지 자동차의 구동용 전원 또는 전력 저장용 전원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Lithium secondary batteries, which have high energy density and are easy to carry, are mainly used as a driving power source for mobile information terminals such as mobile phones, laptops, and smartphones. Recently, research has been actively conducted to use lithium secondary batteries with high energy density as a driving power source or power storage power source for hybrid vehicles or electric vehicles.

시판되는 리튬 이차 전지에는 가연성 유기 용매를 포함하는 전해액이 사용되기 때문에, 충돌이나 관통 등의 문제 발생 시 폭발하거나 화재가 발생하는 안전성의 문제가 있다. 이에, 전해액 사용을 지양한 반고체 전지 또는 전고체 전지가 제안되고 있다. 전고체 전지는 모든 물질들이 고체로 구성된 전지로서, 특히 고체 전해질을 사용하는 전지를 말한다. 이러한 전고체 전지는 전해액이 누출되어 폭발하는 등의 위험이 없어 안전하며, 박형의 전지 제작이 용이하다는 장점이 있다.Since commercially available lithium secondary batteries use an electrolyte containing a flammable organic solvent, there is a safety problem in that they may explode or catch fire when problems such as collision or penetration occur. Accordingly, semi-solid batteries or all-solid batteries that avoid the use of electrolytes have been proposed. An all-solid-state battery is a battery in which all materials are made of solid, especially a battery that uses a solid electrolyte. These all-solid-state batteries are safe as there is no risk of explosion due to electrolyte leakage, and have the advantage of being easy to manufacture thin batteries.

전고체 전지에는 일반적으로 이온 전도도가 뛰어난 황화물계 고체 전해질이 사용된다. 그런데 황화물계 고체 전해질은 양극 활물질과의 높은 반응성으로 인해 계면에서 비가역적인 리튬 손실이 발생하는 문제가 있다. 특히 황화물계 고체 전해질은 고니켈계 양극 활물질과의 계면에서 부반응이 일어나 계면 열화가 일어나기 쉽다. 이에 따라 전고체 전지의 용량 및 수명이 급격히 감소하는 문제가 있다. All-solid-state batteries generally use sulfide-based solid electrolytes with excellent ionic conductivity. However, sulfide-based solid electrolytes have a problem in that irreversible lithium loss occurs at the interface due to high reactivity with the positive electrode active material. In particular, sulfide-based solid electrolytes are prone to side reactions and interface deterioration at the interface with the high-nickel-based positive electrode active material. Accordingly, there is a problem in which the capacity and lifespan of the all-solid-state battery are rapidly reduced.

전고체 전지의 양극 활물질 입자 또는 양극 활물질 층 표면의 보호층(buffer layer)의 개발에 관한 것으로, 양극 활물질과 황화물계 고체 전해질간의 반응성을 낮추고 계면에서의 비가역적인 리튬 손실을 억제하며, 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 계면저항(charge-transfer resistance)을 감소시키고, 황화물계 고체 전해질의 고전압 안정성을 향상시켜, 전고체 전지의 용량, 초기 충방전 효율, 율특성, 수명 등 전기 화학적 특성을 향상시키고자 한다. This relates to the development of a protective layer (buffer layer) on the surface of the positive electrode active material particle or positive active material layer of an all-solid-state battery. It lowers the reactivity between the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte, suppresses irreversible lithium loss at the interface, and lithium ions. It reduces the interfacial resistance (charge-transfer resistance) for smooth movement and improves the high-voltage stability of the sulfide-based solid electrolyte, improving the electrochemical properties such as capacity, initial charge and discharge efficiency, rate characteristics, and lifespan of the all-solid-state battery. Let's do it.

일 구현예에서는 집전체, 및 상기 집전체 상에 위치하고 양극 활물질 입자와 황화물계 고체 전해질을 함유하는 양극 활물질 층을 포함하고, 상기 양극 활물질 입자의 표면, 및/또는 상기 양극 활물질 층의 표면에 위치하는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 리튬염을 포함하는 것인, 전고체 전지용 양극을 제공한다. In one embodiment, it includes a current collector, and a positive electrode active material layer located on the current collector and containing positive electrode active material particles and a sulfide-based solid electrolyte, and located on the surface of the positive electrode active material particles and/or the surface of the positive electrode active material layer. It provides a positive electrode for an all-solid-state battery, including a coating layer, wherein the coating layer includes a lithium salt.

다른 일 구현예에서는 양극 활물질, 리튬염, 및 수산화리튬을 혼합하고 열처리하여 코팅된 양극 활물질을 준비하고, 상기 코팅된 양극 활물질 및 황화물계 고체 전해질을 혼합하여 양극 조성물을 준비하고, 상기 양극 조성물을 양극 집전체 상에 도포하고 건조하는 것을 포함하는 전고체 전지용 양극의 제조 방법을 제공한다. In another embodiment, a positive electrode active material, a lithium salt, and lithium hydroxide are mixed and heat treated to prepare a coated positive electrode active material, a positive electrode composition is prepared by mixing the coated positive electrode active material and a sulfide-based solid electrolyte, and the positive electrode composition is prepared. A method for manufacturing a positive electrode for an all-solid-state battery is provided, including coating and drying the positive electrode current collector.

다른 일 구현예에서는 전술한 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 고체 전해질 층을 포함하는 전고체 전지를 제공한다. Another embodiment provides an all-solid-state battery including the above-described positive electrode, the negative electrode, and a solid electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode.

일 구현예에 따른 전고체 전지용 양극에서는 양극 활물질과 황화물계 고체 전해질간의 반응성이 낮아져 계면에서의 비가역적인 리튬 손실이 억제되고, 계면 저항이 감소하여 리튬 이온이 원활하게 충방전될 수 있으며, 황화물계 고체 전해질의 고전압 안정성이 향상된다. 이에 따라 일 구현예에 따른 전고체 전지는 용량, 초기 충방전 효율, 율특성, 수명 등 전기 화학적 특성이 개선될 수 있다. In the positive electrode for an all-solid-state battery according to an embodiment, the reactivity between the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte is lowered, thereby suppressing irreversible lithium loss at the interface, and reducing the interfacial resistance so that lithium ions can be smoothly charged and discharged. The high voltage stability of the solid electrolyte is improved. Accordingly, the electrochemical properties of the all-solid-state battery according to one embodiment may be improved, such as capacity, initial charge/discharge efficiency, rate characteristics, and lifespan.

도 1 및 도 2는 일 구현예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 4.25V 만충전 후의 실시예 1과 비교예 1의 전지에 대한 임피던스를 나타내는 나이키스트 선도(Nyquist Plot)이다.
도 4는 4.25V 만충전 후의 실시예 1 내지 3의 전지에 대한 임피던스를 나타내는 나이키스트 선도이다.
도 5는 실시예 1과 비교예 1의 전지에 대해 4.25V로 충전 후 정전압 상태를 유지하면서 시간에 따른 계면 저항의 변화를 측정한 그래프이다.
도 6은 4.25V 만충전 후의 실시예 4와 비교예 2의 전지에 대한 임피던스를 나타내는 나이키스트 선도이다.
1 and 2 are cross-sectional views schematically showing an all-solid-state battery according to an embodiment.
Figure 3 is a Nyquist Plot showing the impedance of the batteries of Example 1 and Comparative Example 1 after full charging at 4.25V.
Figure 4 is a Nyquist diagram showing the impedance of the batteries of Examples 1 to 3 after full charging at 4.25V.
Figure 5 is a graph measuring the change in interfacial resistance over time while maintaining a constant voltage state for the batteries of Example 1 and Comparative Example 1 after charging at 4.25V.
Figure 6 is a Nyquist diagram showing the impedance of the batteries of Example 4 and Comparative Example 2 after full charging at 4.25V.

이하, 구체적인 구현예에 대하여 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.Hereinafter, specific implementation examples will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement them. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

여기서 사용되는 용어는 단지 예시적인 구현예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing example implementations only and is not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

여기서 "이들의 조합"이란, 구성물의 혼합물, 적층물, 복합체, 공중합체, 합금, 블렌드, 반응 생성물 등을 의미한다. Here, “a combination thereof” means a mixture of constituents, a laminate, a composite, a copolymer, an alloy, a blend, a reaction product, etc.

여기서 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Here, terms such as “comprise,” “comprise,” or “have” are intended to designate the presence of implemented features, numbers, steps, components, or a combination thereof, but are intended to indicate the presence of one or more other features, numbers, or steps. , components, or combinations thereof should be understood as not excluding in advance the existence or possibility of addition.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. In the drawings, the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions, and similar reference numerals are given to similar parts throughout the specification. When a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly above” another part, but also cases where there is another part in between. Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between.

또한 여기서 “층”은 평면도로 관찰했을 때 전체 면에 형성되어 있는 형상뿐만 아니라 일부 면에 형성되어 있는 형상도 포함한다.Also, here, “layer” includes not only the shape formed on the entire surface when observed in plan view, but also the shape formed on some surfaces.

또한 평균 입경과 평균 크기 등은 당업자에게 널리 공지된 방법으로 측정될 수 있으며, 예를 들어, 입도 분석기(Particle Size Analyzer)로 측정하거나, 또는 투과전자현미경 사진 또는 주사전자현미경 사진으로 측정할 수도 있다. 다른 방법으로는, 동적광산란법을 이용하여 크기 등을 측정하고 데이터 분석을 실시하여 각각의 입자 사이즈 범위에 대하여 입자수를 카운팅한 뒤 이로부터 계산하여 평균 입경 값을 얻을 수도 있다. 별도의 정의가 없는 한, 평균 입경은 입도 분석기로 측정된 것으로서 입도 분포에서 누적 체적이 50 부피%인 입자의 지름(D50)을 의미한다.In addition, the average particle diameter and average size can be measured by methods well known to those skilled in the art, for example, by measuring with a particle size analyzer, or by transmission electron micrograph or scanning electron micrograph. . Alternatively, the size, etc. may be measured using a dynamic light scattering method, data analysis may be performed, the number of particles may be counted for each particle size range, and the average particle diameter value may be obtained by calculating from this. Unless otherwise defined, the average particle diameter refers to the diameter (D50) of particles with a cumulative volume of 50% by volume in the particle size distribution as measured by a particle size analyzer.

여기서 “또는”은 배제적인(exclusive) 의미로 해석되지 않으며, 예를 들어 “A 또는 B”는 A, B, A+B 등을 포함하는 것으로 해석된다. Here, “or” is not interpreted in an exclusive sense; for example, “A or B” is interpreted as including A, B, A+B, etc.

전고체 전지용 양극Anode for all-solid-state battery

일 구현예에서는 집전체, 및 상기 집전체 상에 위치하고 양극 활물질 입자와 황화물계 고체 전해질을 함유하는 양극 활물질 층을 포함하고, 상기 양극 활물질 입자의 표면, 및/또는 상기 양극 활물질 층의 표면에 위치하는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 리튬염(Lithium salt)을 포함하는 것인 전고체 전지용 양극을 제공한다. In one embodiment, it includes a current collector, and a positive electrode active material layer located on the current collector and containing positive electrode active material particles and a sulfide-based solid electrolyte, and located on the surface of the positive electrode active material particles and/or the surface of the positive electrode active material layer. It provides a positive electrode for an all-solid-state battery, including a coating layer, wherein the coating layer includes a lithium salt.

상기 코팅층은 일종의 표면 보호층(Surface protective layer or buffer layer)으로서, 양극 활물질 입자의 표면을 균일하게 감싸거나 아일랜드 형태도 감싸고 있을 수 있으며, 양극 활물질 층에서 집전체에 접하는 면의 반대면, 즉 고체 전해질 층과 접하는 표면에 막 형태 등으로 형성된 것일 수도 있다. The coating layer is a type of surface protective layer or buffer layer, and may uniformly cover the surface of the positive electrode active material particles or may also cover the shape of an island, and may be the surface opposite to the surface of the positive active material layer in contact with the current collector, that is, a solid surface. It may be formed in the form of a film on the surface in contact with the electrolyte layer.

상기 코팅층은 이온전도성 보호층이자 리튬 리치 보호층이라고 할 수 있다. 상기 코팅층은 양극 활물질과 황화물계 고체 전해질의 계면에서 부반응을 억제하면서 동시에 리튬 이온의 이동을 원활하게 하고 계면의 강건성을 향상시킬 수 있다. 일 구현예에 따른 코팅층은 리튬이온 전도도가 높고, 내화학성과 내고전압성이 높으며 계면 저항이 낮은 것을 특징으로 한다. The coating layer can be said to be an ion conductive protective layer and a lithium-rich protective layer. The coating layer can suppress side reactions at the interface between the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte, while simultaneously facilitating the movement of lithium ions and improving the robustness of the interface. The coating layer according to one embodiment is characterized by high lithium ion conductivity, high chemical resistance and high voltage resistance, and low interfacial resistance.

일반적으로 리튬 니켈계 산화물 등과 같은 층상형의 양극 활물질은 4.2 V이상(vs. Li+/Li)의 높은 전기 화학 전위를 나타낸다. 이러한 높은 전위는 리튬 이온을 고체 전해질 측에서 양극 측으로, 혹은 그 반대 방향으로 이동시키는 원동력으로 작용한다. 그런데 양극 활물질의 환원 전위와 황화물계 고체 전해질의 산화 전위 사이에 큰 간극이 존재하고 Li-S의 결합력에 비해 Li-O의 결합력이 월등히 크다는 점 등으로 인해, 양극 활물질과 황화물계 고체 전해질의 계면에서 약한 분자 결합에 기인한 급격한 리튬 농도 감소 영역이 존재하게 된다. 즉 양극과 고체 전해질의 계면에서 공간 전하 영역인 리튬 감소 층이 형성된다. 이러한 리튬 감소 층은 계면 저항과 분극화를 상승시키는 원인으로 작동할 수 있다. 이에 따라 전고체 전지의 양극에서는 계면 저항과 용량 감소를 줄일 수 있는 보호층(buffer layer)을 형성하는 것이 필요하다. 이러한 보호층은 코팅되는 두께나 균일한 정도, 및 조성에 따라 제한적인 이온 전도도를 구현하는 것을 특징으로 한다. 기존에는 예를 들어 LiNbO3, Li3BO3, Li2ZrO3 등의 산화물 계열의 보호층이 많이 개발되어 왔다. 일 구현예에서는 기존의 보호층 소재들에 비하여 계면 저항을 더욱 낮출 수 있고 이에 따라 리튬의 이동 특성을 향상시켜 전지의 충방전 효율 및 용량을 크게 개선할 수 있으며, 고전압 안정성을 향상시킬 수 있는 코팅층을 제공한다. In general, layered positive electrode active materials such as lithium nickel-based oxide exhibit a high electrochemical potential of 4.2 V or more (vs. Li + /Li). This high potential acts as a driving force to move lithium ions from the solid electrolyte side to the positive electrode side or vice versa. However, due to the fact that there is a large gap between the reduction potential of the positive electrode active material and the oxidation potential of the sulfide-based solid electrolyte, and the bonding strength of Li-O is much greater than that of Li-S, the interface between the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte There is a region of rapid lithium concentration decrease due to weak molecular bonds. That is, a lithium reduction layer, which is a space charge region, is formed at the interface between the anode and the solid electrolyte. This lithium reduction layer can act to increase the interfacial resistance and polarization. Accordingly, it is necessary to form a protective layer (buffer layer) on the anode of an all-solid-state battery that can reduce interfacial resistance and capacity reduction. This protective layer is characterized by limited ionic conductivity depending on the coating thickness, degree of uniformity, and composition. Previously, many oxide-based protective layers, such as LiNbO 3 , Li 3 BO 3 , and Li 2 ZrO 3 , have been developed. In one embodiment, the interfacial resistance can be further lowered compared to existing protective layer materials, thereby improving the mobility characteristics of lithium, greatly improving the charge/discharge efficiency and capacity of the battery, and a coating layer that can improve high voltage stability. provides.

상기 코팅층에서 상기 리튬염은 Li+X- 촉매 염이라고 할 수 있으며, 예를 들어 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiPO2F2, LiF, LiBr, LiCl, LiI, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB), 리튬 디플루오로(옥살레이토)보레이트(LiDFOB), 리튬 디플루오로비스(옥살레이토)포스페이트, 리튬 테트라플루오로(옥살레이토)포스페이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The lithium salt in the coating layer can be referred to as Li + , LiCl, LiI, lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium difluoro. It may include (oxalato)borate (LiDFOB), lithium difluorobis(oxalato)phosphate, lithium tetrafluoro(oxalato)phosphate, or a combination thereof.

상기 코팅층은 상기 리튬염 이외에 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3), 수산화리튬(LiOH), 리튬 복합 산화물, 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 리튬 복합 산화물은 리튬과 함께 Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, 또는 이들의 조합을 함유하는 산화물을 의미한다. In addition to the lithium salt, the coating layer may further include lithium oxide (Li 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium complex oxide, or a combination thereof. Here, the lithium composite oxide contains lithium along with Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, or a combination thereof. It means oxide.

상기 코팅층에서 상기 리튬염은 이러한 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3), 수산화리튬(LiOH), 리튬 복합 산화물, 또는 이들의 조합과 복합체(composite)를 이루고 있을 수 있다. 이러한 코팅층은 리튬 이온 전도도가 높으며 구조적으로 안정하고 양극 활물질과 황화물계 고체 전해질의 계면 저항을 더욱 낮출 수 있다. In the coating layer, the lithium salt may form a composite with lithium oxide (Li 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium complex oxide, or a combination thereof. This coating layer has high lithium ion conductivity, is structurally stable, and can further lower the interface resistance between the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte.

상기 탄산리튬과 수산화리튬은 양극 활물질 표면의 잔류 리튬으로 이해할 수도 있다. 또한 상기 리튬 복합 산화물은 예를 들어 LiNbO3, Li3BO3, Li2CO3, Li4Ti5O12, LiTaO3, LiAlO2, Li2ZrO3, Li2SiO3, Li3BO3-Li2CO3, LiNb0.5Ta0.5O3, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The lithium carbonate and lithium hydroxide can also be understood as residual lithium on the surface of the positive electrode active material. In addition, the lithium composite oxide is, for example, LiNbO 3 , Li 3 BO 3 , Li 2 CO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , LiTaO 3 , LiAlO 2 , Li 2 ZrO 3 , Li 2 SiO 3, Li 3 BO 3 - It may include Li 2 CO 3 , LiNb 0.5 Ta 0.5 O 3 , or a combination thereof.

상기 코팅층에서 상기 리튬염은 리튬-리치 구조일 수 있다. 즉, 상기 코팅층은 리튬-리치 리튬염을 더 포함할 수 있다. 상기 리튬-리치는 리튬을 함유하는 화합물에서 리튬이 정량보다 더 많이 함유되어 있는 것을 의미한다. 상기 코팅층은 일 예로 Lix-PF6-y (0<x≤6, 0≤y≤5) 표시되는 리튬-리치 리튬염을 포함할 수 있다. 상기 리튬-리치 리튬염 화학식에서 x, y는 예를 들어 1≤x≤6 및 0≤y≤5, 또는 1<x≤6 및 0≤y≤5일 수 있다. 이러한 코팅층은 리튬 이온 전도도가 매우 높으며 구조적으로 안정적이고 계면 저항을 낮추는데 유리하다. The lithium salt in the coating layer may have a lithium-rich structure. That is, the coating layer may further include lithium-rich lithium salt. The lithium-rich means that a compound containing lithium contains more lithium than the specified amount. For example, the coating layer may include a lithium-rich lithium salt represented by Li x -PF 6-y (0<x≤6, 0≤y≤5). In the lithium-rich lithium salt chemical formula, x and y may be, for example, 1≤x≤6 and 0≤y≤5, or 1<x≤6 and 0≤y≤5. This coating layer has very high lithium ion conductivity, is structurally stable, and is advantageous in lowering the interfacial resistance.

상기 코팅층은 연속적인 막 또는 층 형태일 수도 있고 또는 아일랜드 형태일 수도 있으며 그 형태는 제한되지 않는다. The coating layer may be in the form of a continuous film or layer, or may be in the form of an island, but the form is not limited.

상기 코팅층은 상기 양극 활물질 입자 100 몰부에 대하여 0.05 몰부 내지 5.0 몰부로 포함될 수 있고, 예를 들어 0.1 몰부 내지 4 몰부, 0.1 몰부 내지 3 몰부, 0.1 몰부 내지 2 몰부, 또는 0.1 몰부 내지 1.0 몰부로 포함될 수 있다. 이러한 범위를 만족할 경우 상기 코팅층은 계면 저항을 획기적으로 낮출 수 있고 리튬 이온 전도도를 높이면서 전고체 전지의 전기 화학적 성능을 전체적으로 개선할 수 있다. The coating layer may be included in an amount of 0.05 mole parts to 5.0 mole parts based on 100 mole parts of the positive electrode active material particles, for example, 0.1 mole part to 4 mole part, 0.1 mole part to 3 mole part, 0.1 mole part to 2 mole part, or 0.1 mole part to 1.0 mole part. You can. When this range is satisfied, the coating layer can dramatically lower the interfacial resistance, increase lithium ion conductivity, and improve the overall electrochemical performance of the all-solid-state battery.

한편, 상기 양극 활물질 입자는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함할 수 있으며, 예를 들어 리튬과 산소를 제외한 원소 전체에 대한 니켈의 함량이 80 몰% 이상인 고니켈계 복합 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 리튬, 니켈 및 선택적으로 다른 원소를 더 포함하는 산화물을 의미하며, 층상 구조의 산화물일 수 있다. Meanwhile, the positive electrode active material particles may include a lithium nickel-based composite oxide, for example, a high nickel-based composite oxide having a nickel content of 80 mol% or more based on the total elements excluding lithium and oxygen. The lithium nickel-based composite oxide refers to an oxide further containing lithium, nickel, and optionally other elements, and may be an oxide with a layered structure.

고니켈계 양극 활물질은 높은 용량을 구현할 수 있는 반면 전고체 전지에서 황화물계 고체 전해질과의 반응성이 높아 용량이 급감되는 문제가 있었다. 일 구현예에서는 고니켈계 양극 활물질을 사용하더라도 리튬염 함유 코팅층을 적용함으로써, 계면 반응성을 충분히 억제하여 기존의 문제를 해결할 수 있으며, 기존의 보호층 재료들에 비해 계면 저항을 더욱 낮추고 리튬 이온 전도도를 높여 전고체 전지의 전기 화학적 특성을 개선할 수 있다. While high-nickel-based cathode active materials can achieve high capacity, there is a problem in all-solid-state batteries that their capacity rapidly decreases due to their high reactivity with sulfide-based solid electrolytes. In one embodiment, even when a high nickel-based positive electrode active material is used, the existing problem can be solved by sufficiently suppressing the interfacial reactivity by applying a lithium salt-containing coating layer, and compared to existing protective layer materials, the interfacial resistance is further lowered and the lithium ion conductivity is improved. By increasing , the electrochemical properties of the all-solid-state battery can be improved.

상기 고니켈계 양극 활물질에서 니켈의 함량은, 리튬과 산소를 제외한 원소 총량를 기준으로 60 몰% 이상일 수 있고, 예를 들어 70몰% 이상, 80 몰% 이상, 85몰% 이상, 또는 90 몰% 이상, 100 몰% 이하, 99.9 몰% 이하, 또는 99 몰% 이하일 수 있다.The content of nickel in the high nickel-based positive electrode active material may be 60 mol% or more, for example, 70 mol% or more, 80 mol% or more, 85 mol% or more, or 90 mol% based on the total amount of elements excluding lithium and oxygen. It may be more than, 100 mol% or less, 99.9 mol% or less, or 99 mol% or less.

상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 구체적으로 아래 화학식 1로 표시될 수 있다. The lithium nickel-based composite oxide may be specifically represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Lia1Nix1M1 y1M2 1-x1-y1O2 Li a1 Ni x1 M 1 y1 M 2 1-x1-y1 O 2

상기 화학식 1에서, 0.9≤a1≤1.8, 0.6≤x1≤1, 0≤y1≤0.4이고, M1 및 M2는 각각 독립적으로 Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, 또는 이들의 조합이다. In Formula 1, 0.9≤a1≤1.8, 0.6≤x1≤1, 0≤y1≤0.4, and M 1 and M 2 are each independently Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, F, Fe. , Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, or a combination thereof.

상기 화학식 1에서, 0.7≤x1≤1 및 0≤y1≤0.3이거나 0.8≤x1≤1 및 0≤y1≤0.2, 0.85≤x1≤1 및 0≤y1≤0.15, 또는 0.9≤x1≤1 및 0≤y1≤0.1일 수 있다. In Formula 1, 0.7≤x1≤1 and 0≤y1≤0.3, or 0.8≤x1≤1 and 0≤y1≤0.2, 0.85≤x1≤1 and 0≤y1≤0.15, or 0.9≤x1≤1 and 0≤ y1≤0.1.

상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 예를 들어 아래 화학식 2으로 표시되는 리튬 니켈 코발트계 산화물일 수 있다. For example, the lithium nickel-based composite oxide may be a lithium nickel cobalt-based oxide represented by Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

Lia2Nix2Coy2M3 1-x2-y2O2 Li a2 Ni x2 Co y2 M 3 1-x2-y2 O 2

상기 화학식 2에서, 0.9≤a2≤1.8, 0.6≤x2<1, 0<y2≤0.4이고 M3은 Al, B, Ba, Ca, Ce, Cr, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, 또는 이들의 조합니다. In Formula 2, 0.9≤a2≤1.8, 0.6≤x2<1, 0<y2≤0.4, and M 3 is Al, B, Ba, Ca, Ce, Cr, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, or a combination thereof.

상기 화학식 2에서 0.7≤x2≤1 및 0≤y2≤0.3이거나 0.8≤x2≤1 및 0≤y2≤0.2, 0.85≤x2≤0.99 및 0.01≤y2≤0.15, 또는 0.9≤x2≤0.99 및 0.01≤y2≤0.1일 수 있다. In Formula 2, 0.7≤x2≤1 and 0≤y2≤0.3, or 0.8≤x2≤1 and 0≤y2≤0.2, 0.85≤x2≤0.99 and 0.01≤y2≤0.15, or 0.9≤x2≤0.99 and 0.01≤y2 It can be ≤0.1.

상기 리튬 니켈계 복합 산화물은 예를 들어 아래 화학식 3으로 표시될 수도 있다. 아래 화학식 3으로 표시되는 화합물은 리튬 니켈 코발트 망간계 산화물 또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄계 산화물이라고 할 수 있다. For example, the lithium nickel-based composite oxide may be represented by Formula 3 below. The compound represented by Formula 3 below can be referred to as lithium nickel cobalt manganese oxide or lithium nickel cobalt aluminum oxide.

[화학식 3][Formula 3]

Lia3Nix3Coy3M4 z3M5 1-x3-y3-z3O2 Li a3 Ni x3 Co y3 M 4 z3 M 5 1-x3-y3-z3 O 2

상기 화학식 3에서, 0.9≤a3≤1.8, 0.6≤x3≤0.98, 0.01≤y3≤0.39, 0.01≤z3≤0.39이고, M4는 Al, Mn, 또는 이들의 조합이고, M5는 B, Ba, Ca, Ce, Cr, F, Fe, Mg, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, 또는 이들의 조합이다. In Formula 3, 0.9≤a3≤1.8, 0.6≤x3≤0.98, 0.01≤y3≤0.39, 0.01≤z3≤0.39, M 4 is Al, Mn, or a combination thereof, and M 5 is B, Ba, Ca, Ce, Cr, F, Fe, Mg, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, or a combination thereof.

상기 화학식 3에서 일 예로 0.8≤x3≤0.98, 0.01≤y3≤0.19, 및 0.01≤z3≤0.19이거나 또는 0.9≤x3≤0.98, 0.01≤y3≤0.09, 및 0.01≤z3≤0.09일 수 있다. In Formula 3, for example, it may be 0.8≤x3≤0.98, 0.01≤y3≤0.19, and 0.01≤z3≤0.19, or 0.9≤x3≤0.98, 0.01≤y3≤0.09, and 0.01≤z3≤0.09.

상기 양극 활물질의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있고, 예를 들어 4 ㎛ 내지 25 ㎛, 5 ㎛ 내지 20 ㎛, 8 ㎛ 내지 20 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 18 ㎛일 수 있다. 이러한 입경 범위를 가지는 양극 활물질은 양극 활물질 층 내에서 다른 성분들과 조화롭게 혼합될 수 있고 고용량 및 고에너지 밀도를 구현할 수 있다. 상기 평균 입경은 주사 전자 현미경 등의 광학 현미경 사진에서 무작위로 30여개의 입자의 크기(지름 또는 장축의 길이)를 측정하여 입도 분포를 얻고, 상기 입도 분포에서 누적 체적이 50 부피%인 입자의 지름(D50)을 평균 입경으로 취한 것일 수 있다. 전고체 전지용 양극에서는 양극 활물질 입자의 평균 입경, 후술할 황화물계 고체 전해질의 평균 입경, 그리고 이들 평균 입경의 비율 등을 적절히 조절하는 것이 중요하고, 이들을 조율함으로써 전고체 전지의 성능을 극대화할 수 있다. The average particle diameter (D50) of the positive electrode active material may be 1 ㎛ to 25 ㎛, for example, 4 ㎛ to 25 ㎛, 5 ㎛ to 20 ㎛, 8 ㎛ to 20 ㎛, or 10 ㎛ to 18 ㎛. A positive electrode active material having this particle size range can be harmoniously mixed with other components within the positive active material layer and can achieve high capacity and high energy density. The average particle diameter is obtained by randomly measuring the size (diameter or long axis length) of about 30 particles in an optical microscope photo such as a scanning electron microscope to obtain a particle size distribution, and in the particle size distribution, the diameter of the particle with a cumulative volume of 50% by volume (D50) may be taken as the average particle size. In a positive electrode for an all-solid-state battery, it is important to properly control the average particle size of the positive electrode active material particles, the average particle size of the sulfide-based solid electrolyte, which will be described later, and the ratio of these average particle sizes. By adjusting these, the performance of the all-solid-state battery can be maximized. .

상기 양극 활물질은 복수의 1차 입자들이 응집되어 이루어지는 2차 입자 형태일 수 있고, 또는 모노리스(monolith) 구조일 수 있다. 또한 상기 양극 활물질은 구형이거나 구형에 가까운 형상일 수 있으며, 혹은 다면체 또는 비정형일 수 있다. The positive electrode active material may be in the form of secondary particles made by agglomerating a plurality of primary particles, or may have a monolith structure. Additionally, the positive electrode active material may be spherical or close to a spherical shape, or may be polyhedral or amorphous.

상기 양극 활물질 층 총 중량에 대하여, 상기 양극 활물질은 55 중량% 내지 99.9 중량%으로 포함될 수 있고, 예를 들어 55 중량% 내지 99.7 중량%, 또는 74 중량% 내지 89.8 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함될 경우 전고체 전지의 용량을 최대화하면서 수명 특성을 향상시킬 수 있다. Based on the total weight of the positive electrode active material layer, the positive electrode active material may be included in an amount of 55% by weight to 99.9% by weight, for example, 55% by weight to 99.7% by weight, or 74% by weight to 89.8% by weight. When included within the above range, the capacity of the all-solid-state battery can be maximized while the lifespan characteristics can be improved.

상기 황화물계 고체 전해질은 예를 들어 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5--LiX(X는 할로겐 원소 임), Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-LiI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn(m, n은 각각 정수이고, Z는 Ge, Zn 또는 Ga임), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LipMOq(p, q는 정수이고, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga 또는 In임), 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. The sulfide-based solid electrolyte is, for example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 --LiX (X is a halogen element), Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (m and n are each integers, Z is Ge, Zn or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li p MO q (p, q are integers, M are P, Si, Ge, B, Al, Ga or In), or a combination thereof.

일 예로, 상기 황화물계 고체 전해질은 아지로다이트(argyrodite)형 황화물을 포함할 수 있다. 상기 아지로다이트형 황화물은 예를 들어 LiaMbPcSdAe(a, b, c, d 및 e는 모두 0 이상 12 이하이고, M은 Ge, Sn, Si 또는 이들의 조합이며, A는 F, Cl, Br, 또는 I임)일 수 있고, 구체적으로 Li3PS4, Li7P3S11, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I 등일 수 있다. 이러한 아지로다이트형 황화물은 상온에서 일반적인 액체 전해질의 이온 전도도인 10-4 내지 10-2 S/cm 범위에 근접한 높은 이온 전도도를 가지고 있어, 이온 전도도의 감소를 유발하지 않으면서 양극 활물질 등과 긴밀한 결합을 형성할 수 있고, 나아가 전극 층과 고체 전해질층 간에 긴밀한 계면을 형성할 수 있다. 이를 포함하는 전고체 전지는 율 특성, 쿨롱 효율, 및 수명 특성과 같은 전지 성능이 향상될 수 있다.As an example, the sulfide-based solid electrolyte may include argyrodite-type sulfide. The azyrodite-type sulfide is, for example, Li a M b P c S d A e (a, b, c, d and e are all 0 or more and 12 or less, and M is Ge, Sn, Si, or a combination thereof , A is F, Cl, Br, or I), and specifically Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 I, etc. there is. This azyrodite-type sulfide has a high ionic conductivity close to the 10 -4 to 10 -2 S/cm range, which is the ionic conductivity of a typical liquid electrolyte at room temperature, and thus binds closely to the positive electrode active material without causing a decrease in ionic conductivity. can be formed, and further, a tight interface can be formed between the electrode layer and the solid electrolyte layer. All-solid-state batteries containing this can have improved battery performance such as rate characteristics, coulombic efficiency, and lifespan characteristics.

상기 황화물계 고체 전해질은 비정질 또는 결정질일 수 있고, 이들이 혼합된 상태일 수도 있다. The sulfide-based solid electrolyte may be amorphous or crystalline, or may be a mixture thereof.

상기 황화물계 고체 전해질은 입자 형태이며, 그 평균 입경(D50)은 5.0 ㎛ 이하일 수 있고, 예를 들어, 0.1 ㎛ 내지 5.0 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 5.0 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 4.0 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 3.0 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛일 수 있다. 이러한 입경 범위를 만족하는 황화물계 고체 전해질은 양극 활물질 사이에 효과적으로 침투할 수 있으며, 양극 활물질과의 접촉성 및 전해질 입자들 간의 연결성이 우수하다. 상기 평균 입경은 주자 전자 현미경 등의 광학 현미경 사진에서 무작위로 50여개의 입자의 크기(지름 또는 장축의 길이)을 측정하여 입도 분포를 얻고, 입도 분포에서 누적 체적이 50 부피%인 입자의 지름(D50)을 평균 입경으로 취한 것일 수 있다. The sulfide-based solid electrolyte is in the form of particles, and its average particle diameter (D50) may be 5.0 ㎛ or less, for example, 0.1 ㎛ to 5.0 ㎛, 0.5 ㎛ to 5.0 ㎛, 0.5 ㎛ to 4.0 ㎛, 0.5 ㎛ to 3.0 ㎛. , 0.5 μm to 2.0 μm, or 0.5 μm to 1.0 μm. A sulfide-based solid electrolyte that satisfies this particle size range can effectively penetrate between positive electrode active materials and has excellent contact with the positive electrode active material and connectivity between electrolyte particles. The average particle diameter is obtained by randomly measuring the size (diameter or long axis length) of about 50 particles in an optical microscope photograph such as a runner electron microscope to obtain a particle size distribution, and in the particle size distribution, the diameter of the particle with a cumulative volume of 50% by volume ( D50) may be taken as the average particle diameter.

상기 양극은 전술한 황화물계 고체 전해질 이외에, 산화물계 무기 고체 전해질을 더 포함할 수도 있다. 상기 산화물계 무기 고체 전해질은 예를 들어 Li1+xTi2-xAl(PO4)3(LTAP)(0≤x≤4), Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12(0<x<2, 0≤y<3), BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)(0≤x<1, 0≤y<1), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, Na2O, MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12(0≤x≤1, 0≤y≤1), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), Li2O, LiAlO2, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2계 세라믹스, 가넷(Garnet)계 세라믹스 Li3+xLa3M2O12(M= Te, Nb, 또는 Zr; x는 1 내지 10의 정수임), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In addition to the sulfide-based solid electrolyte described above, the positive electrode may further include an oxide-based inorganic solid electrolyte. The oxide-based inorganic solid electrolyte is, for example, Li 1+x Ti 2-x Al(PO 4 ) 3 (LTAP) (0≤x≤4), Li 1+x+y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0<x<2, 0≤y<3), BaTiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT )(0≤x<1, 0≤y<1), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2 , SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , Na 2 O , MgO, NiO, CaO, BaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0<x<2, 0<y<3), Li 1+x+y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (0≤x≤1 , 0≤y≤1), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3 , 0<x<2, 0<y<3), Li 2 O, LiAlO 2 , Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 -P 2 O 5 -TiO 2 -GeO 2- based ceramics, Garnet-based ceramics Li 3+x La 3 M 2 O 12 (M=Te, Nb, or Zr; x is an integer from 1 to 10), Or it may include a mixture thereof.

상기 양극 활물질 층 총 중량에 대하여, 상기 고체 전해질은 0.1 중량% 내지 45 중량%로 포함될 수 있고, 예를 들어 1 중량% 내지 35 중량%, 5 중량% 내지 30 중량%, 8 중량% 내지 25 중량%, 또는 10 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있다. 또한 상기 양극 활물질 층에서 양극 활물질과 고체 전해질의 총 중량에 대하여, 양극 활물질 65 중량% 내지 99 중량% 및 고체 전해질 1 중량% 내지 35 중량%가 포함될 수 있고, 예를 들어 양극 활물질 80 중량% 내지 90 중량% 및 고체 전해질 10 중량% 내지 20 중량%가 포함될 수 있다. 상기 고체 전해질이 이와 같은 함량으로 양극 내 포함될 경우, 용량을 저하시키지 않으면서 전고체 전지의 효율과 수명 특성을 향상시킬 수 있다. Based on the total weight of the positive electrode active material layer, the solid electrolyte may be included in an amount of 0.1% by weight to 45% by weight, for example, 1% by weight to 35% by weight, 5% by weight to 30% by weight, and 8% by weight to 25% by weight. %, or 10% to 20% by weight. Additionally, based on the total weight of the positive electrode active material and solid electrolyte in the positive electrode active material layer, 65% to 99% by weight of the positive electrode active material and 1% to 35% by weight of the solid electrolyte may be included, for example, 80% to 80% by weight of the positive electrode active material. It may contain 90% by weight and 10% to 20% by weight of solid electrolyte. When the solid electrolyte is included in the positive electrode in this amount, the efficiency and lifespan characteristics of the all-solid-state battery can be improved without reducing the capacity.

바인더bookbinder

상기 양극 활물질 층은 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더의 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌 부타디엔 고무, 아크릴레이티드 스티렌 부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴, 에폭시 수지, 나일론, 폴리(메타)아크릴레이트, 폴리메틸(메타)아크릴레이트 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The positive active material layer may optionally further include a binder. The binder serves to adhere the positive electrode active material particles to each other and also to adhere the positive electrode active material to the current collector. Examples of the binder include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymer containing ethylene oxide, polyvinyl pyrroli. Money, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber, acrylated styrene butadiene rubber, polyacrylonitrile, Examples include, but are not limited to, epoxy resin, nylon, poly(meth)acrylate, and polymethyl(meth)acrylate.

그 중 일 구현예에 따른 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리메틸(메타)아크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 이들 바인더는 양극 조성물 내에서 분산매인 화학식 1로 표시되는 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물에 잘 용해될 수 있고, 이에 따라 균일한 코팅이 가능하며 우수한 극판 성능을 구현할 수 있다. Among them, the binder according to one embodiment is polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene, styrene butadiene rubber, polyacrylonitrile, and polymethyl (meth)acrylate. There may be one or more selected from among. These binders can be well dissolved in the dispersion medium, the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2, and thus uniform coating is possible and excellent electrode plate performance can be achieved.

상기 바인더는 상기 전고체 전지용 양극의 각 성분의 총 중량에 대하여, 또는 양극 활물질 층의 총 중량에 대하여, 0 중량% 내지 5 중량%, 0.1 중량% 내지 4 중량%, 또는 0.1 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 바인더는 전지 성능을 저하시키지 않으면서 접착 능력을 충분히 발휘할 수 있다. The binder is present in an amount of 0% to 5% by weight, 0.1% to 4% by weight, or 0.1% to 3% by weight, based on the total weight of each component of the positive electrode for an all-solid-state battery, or based on the total weight of the positive electrode active material layer. It can be included as a percentage. In the above content range, the binder can sufficiently demonstrate adhesive ability without deteriorating battery performance.

도전재conductive material

상기 양극 활물질 층은 선택적으로 도전재를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하다. 상기 도전재는 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등을 함유하고 금속 분말 또는 금속 섬유 형태의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. The positive active material layer may optionally further include a conductive material. The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and any electronically conductive material can be used as long as it does not cause chemical change. The conductive material includes, for example, carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, carbon nanofiber, and carbon nanotube; Metallic substances containing copper, nickel, aluminum, silver, etc. and in the form of metal powder or metal fiber; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Or it may include a mixture thereof.

상기 도전재는 상기 전고체 전지용 양극의 각 성분의 총 중량에 대하여, 또는 양극 활물질 층의 총 중량에 대하여, 0 중량% 내지 5 중량%, 또는 0.1 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 도전재는 전지 성능을 저하시키지 않으면서 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. The conductive material may be included in an amount of 0% to 5% by weight, or 0.1% to 3% by weight, based on the total weight of each component of the positive electrode for an all-solid-state battery, or based on the total weight of the positive electrode active material layer. Within the above content range, the conductive material can improve electrical conductivity without deteriorating battery performance.

상기 양극 활물질 층은 양극 활물질, 고체 전해질, 바인더 및 도전재 총 중량에 대하여, 55 중량% 내지 99.7 중량%의 양극 활물질; 0.1 중량% 내지 35 중량%의 고체 전해질; 0.1 중량% 내지 5 중량%의 바인더; 및 0.1 중량% 내지 5 중량%의 도전재를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 74 중량% 내지 89.8 중량%의 양극 활물질; 10 중량% 내지 20 중량%의 고체 전해질; 0.1 중량% 내지 3 중량%의 바인더; 및 0.1 중량% 내지 3 중량%의 도전재가 포함될 수 있다. 상기 함량 범위로 혼합되는 경우 용량을 최대화하면서 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있다. The positive electrode active material layer includes 55% by weight to 99.7% by weight of the positive electrode active material, based on the total weight of the positive electrode active material, solid electrolyte, binder, and conductive material; 0.1% to 35% by weight of solid electrolyte; 0.1% to 5% by weight binder; And it may include 0.1% by weight to 5% by weight of a conductive material. As a specific example, 74% to 89.8% by weight of positive electrode active material; 10% to 20% by weight of solid electrolyte; 0.1% to 3% by weight binder; And 0.1% by weight to 3% by weight of a conductive material may be included. When mixed in the above content range, the lifespan characteristics of the battery can be improved while maximizing the capacity.

상기 전고체 전지용 양극에서 상기 집전체는 알루미늄일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In the positive electrode for an all-solid-state battery, the current collector may be aluminum, but is not limited thereto.

전고체 전지용 양극의 제조 방법Method for manufacturing anode for all-solid-state battery

일 구현예에서는 양극 활물질, 리튬염, 및 수산화리튬을 혼합하고 열처리하여 코팅된 양극 활물질을 준비하고, 상기 코팅된 양극 활물질 및 황화물계 고체 전해질을 혼합하여 양극 조성물을 준비하고, 상기 양극 조성물을 기재에 도포하고 건조하는 것을 포함하는 전고체 전지용 양극의 제조 방법을 제공한다. 이에 따라 전술한 양극을 제조할 수 있다. In one embodiment, a positive electrode active material, a lithium salt, and lithium hydroxide are mixed and heat treated to prepare a coated positive electrode active material, a positive electrode composition is prepared by mixing the coated positive electrode active material and a sulfide-based solid electrolyte, and the positive electrode composition is prepared as a base material. Provides a method for manufacturing an anode for an all-solid-state battery, including applying and drying. Accordingly, the above-described positive electrode can be manufactured.

상기 제조 방법에서 양극 활물질, 리튬염 및 황화물계 고체 전해질에 대한 내용은 전술한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략한다. 상기 코팅된 양극 활물질은 양극 활물질 입자의 표면에 리튬염 함유 코팅층이 형성된 것을 의미한다. In the above manufacturing method, the positive electrode active material, lithium salt, and sulfide-based solid electrolyte are the same as described above, so detailed descriptions are omitted. The coated positive electrode active material means that a lithium salt-containing coating layer is formed on the surface of the positive electrode active material particles.

상기 양극 활물질, 리튬염, 및 수산화리튬을 혼합하는 단계에서, 상기 리튬염은 상기 양극 활물질 100 중량부에 대하여 0.05 몰부 내지 5.0 몰부, 0.05 몰부 내지 3.0 몰부, 0.05 몰부 내지 2.0 몰부, 0.1 몰부 내지 1.0 몰부, 또는 0.1 몰부 내지 0.5 몰부로 혼합될 수 있다. 또한 상기 수산화리튬은 상기 양극 활물질 100 중량부에 대하여 0.05 몰부 내지 5.0 몰, 0.05 몰부 내지 3.0 몰, 0.1 몰부 내지 2.0 몰부, 또는 0.1 몰부 내지 1.0 몰부로 혼합될 수 있다. 상기와 같은 함량 범위로 혼합할 경우, 상기 양극 활물질은 리튬염, 또는 리튬-리치 리튬염 함유 코팅층으로 균일하게 코팅될 수 있고 계면 저항을 효과적으로 낮출 수 있으며 리튬 이온 전도도를 향상시킬 수 있다. In the step of mixing the positive electrode active material, lithium salt, and lithium hydroxide, the lithium salt is added in an amount of 0.05 mole part to 5.0 mole part, 0.05 mole part to 3.0 mole part, 0.05 mole part to 2.0 mole part, and 0.1 mole part to 1.0 mole part, based on 100 parts by weight of the cathode active material. It may be mixed in molar parts, or 0.1 molar parts to 0.5 molar parts. Additionally, the lithium hydroxide may be mixed in an amount of 0.05 mole part to 5.0 mole, 0.05 mole part to 3.0 mole, 0.1 mole part to 2.0 mole part, or 0.1 mole part to 1.0 mole part with respect to 100 parts by weight of the positive electrode active material. When mixed in the above content range, the positive electrode active material can be uniformly coated with a lithium salt or a lithium-rich lithium salt-containing coating layer, effectively lowering the interfacial resistance, and improving lithium ion conductivity.

상기 양극의 제조 방법에서, 상기 양극 활물질, 상기 리튬염 및 상기 수산화리튬과 함께 금속 화합물 또는 준금속 화합물을 더 혼합할 수 있다. 여기서 금속 화합물 또는 준금속 화합물은 Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, 또는 이들의 조합을 함유하는 화합물을 의미한다. 이는 코팅층에 존재할 금속 또는 준금속 원소의 전구체를 의미할 수 있다. 이러한 금속 화합물 또는 준금속 화합물을 더 혼합하는 경우, 상기 코팅층에는 리튬염 이외에 리튬 복합 산화물이 더 형성될 수 있고, 코팅층에서 상기 리튬염과 상기 리튬 복합 산화물은 복합체(composite) 형태를 이루고 있을 수 있다. 상기 리튬 복합 산화물은 상기 전고체 전지용 양극 부분에서 설명한 바와 같이 리튬과 함께 Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, 또는 이들의 조합을 함유하는 산화물을 의미한다. 코팅층에 리튬염과 리튬 복합 산화물이 모두 존재하는 경우 계면 저항을 더욱 낮추고 리튬 이온 전도도를 높이고 코팅층의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 리튬 복합 산화물만 존재하는 기존의 보호층에 비하여 더욱 낮은 계면 저항 특성을 구현할 수 있다. In the method of manufacturing the positive electrode, a metal compound or metalloid compound may be further mixed with the positive electrode active material, the lithium salt, and the lithium hydroxide. Here, the metal compound or metalloid compound is a compound containing Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, or a combination thereof. means. This may mean a precursor of a metal or metalloid element to be present in the coating layer. When these metal compounds or metalloid compounds are further mixed, lithium composite oxide may be formed in addition to the lithium salt in the coating layer, and the lithium salt and the lithium composite oxide may be in the form of a composite in the coating layer. . The lithium composite oxide includes Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, along with lithium, as described in the positive electrode portion for an all-solid-state battery. It means an oxide containing Zr, or a combination thereof. If both lithium salt and lithium complex oxide are present in the coating layer, the interfacial resistance can be further lowered, lithium ion conductivity can be increased, and the structural stability of the coating layer can be improved. Additionally, lower interfacial resistance characteristics can be achieved compared to existing protective layers containing only lithium composite oxide.

상기 금속 화합물 또는 준금속 화합물은 상기 양극 활물질 100 중량부에 대하여 0.05 몰부 내지 3.0 몰부로 혼합될 수 있고, 예를 들어 0.05 몰부 내지 2.0 몰부, 또는 0.1 몰부 내지 1.0 몰부로 혼합될 수 있다. 상기 범위에서 낮은 계면 저항과 높은 리튬 이온 전도도를 구현할 수 있다. The metal compound or metalloid compound may be mixed in an amount of 0.05 mole part to 3.0 mole part, for example, 0.05 mole part to 2.0 mole part, or 0.1 mole part to 1.0 mole part, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material. Within the above range, low interfacial resistance and high lithium ion conductivity can be achieved.

상기 열처리하는 단계는 산소 분위기에서 예를 들어 100℃ 내지 700℃, 또는 100℃ 내지 500℃, 200℃ 내지 400℃의 온도로 진행될 수 있고, 1시간 내지 12시간, 또는 2시간 내지 6 시간 동안 진행될 수 있다. 이 경우 구조적으로 안정적인 코팅층이 형성될 수 있다. The heat treatment step may be carried out in an oxygen atmosphere at a temperature of, for example, 100°C to 700°C, or 100°C to 500°C, or 200°C to 400°C, and may be carried out for 1 hour to 12 hours, or 2 hours to 6 hours. You can. In this case, a structurally stable coating layer can be formed.

상기 코팅된 양극 활물질을 준비하는 단계, 즉 양극활물질에 리튬염과 수산화리튬을 투입하여 코팅을 진행하는 단계는 습식으로 진행될 수 있고 일 예로 졸-겔 법으로 진행될 수 있으며, 또는 건식으로 진행될 수도 있다. 습식으로 코팅을 진행하는 경우, 양극 활물질, 리튬염 및 수산화리튬을 수계 용매에 투입하여 혼합한 후 건조하고 열처리하는 방법으로 진행될 수 있다. The step of preparing the coated positive electrode active material, that is, the step of coating by adding lithium salt and lithium hydroxide to the positive electrode active material, may be performed wet, for example, may be performed by a sol-gel method, or may be performed dry. . When coating is performed in a wet manner, the positive electrode active material, lithium salt, and lithium hydroxide can be mixed in an aqueous solvent, then dried and heat treated.

상기 양극 조성물에서 양극 활물질과 황화물계 고체 전해질의 혼합 비율은 전술한 바와 같다. 상기 양극 조성물은 선택적으로 산화물계 고체 전해질, 바인더, 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있고, 그 함량 범위는 전술한 바와 같다. The mixing ratio of the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte in the positive electrode composition is as described above. The positive electrode composition may optionally further include an oxide-based solid electrolyte, a binder, and/or a conductive material, and the content range is as described above.

전고체 전지solid-state battery

일 구현예에서는 전술한 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 고체 전해질 층을 포함하는 전고체 전지를 제공한다. 이러한 전고체 전지는 고용량의 구현이 가능하고 초기 효율이 높으며 율속 특성이 뛰어나고 수명 특성이 우수하다. 상기 전고체 전지는 전고체 이차 전지, 전고체 리튬 이차 전지 등으로 표현할 수 있다. In one embodiment, an all-solid-state battery is provided including the above-described positive electrode, the negative electrode, and a solid electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode. These all-solid-state batteries can achieve high capacity, have high initial efficiency, excellent rate characteristics, and excellent lifespan characteristics. The all-solid-state battery can be expressed as an all-solid secondary battery, an all-solid lithium secondary battery, etc.

도 1은 일 구현예에 따른 전고체 전지의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 전고체 전지(100)는 음극 집전체(401)와 음극 활물질 층(403)을 포함하는 음극(400); 고체 전해질층(300); 그리고 양극 활물질 층(203)과 양극 집전체(201)를 포함하는 양극(200)이 적층된 전극 초립체가 파우치 등의 케이스에 수납된 구조일 수 있다. 도 1에는 음극(400), 고체 전해질층(300) 및 양극(200)을 포함하는 하나의 전극 조립체가 도시되어 있으나 2개 이상의 전극 조립체를 적층하여 전고체 전지를 제작할 수도 있다.1 is a cross-sectional view of an all-solid-state battery according to one embodiment. Referring to Figure 1, the all-solid-state battery 100 includes a negative electrode 400 including a negative electrode current collector 401 and a negative electrode active material layer 403; Solid electrolyte layer 300; Additionally, the electrode superstructure in which the positive electrode 200 including the positive electrode active material layer 203 and the positive electrode current collector 201 is stacked may be stored in a case such as a pouch. Although FIG. 1 shows one electrode assembly including a cathode 400, a solid electrolyte layer 300, and an anode 200, an all-solid-state battery can also be manufactured by stacking two or more electrode assemblies.

상기 전고체 전지(100)는 양극(200)과 음극(400) 중 적어도 하나의 외측에 탄성 시트(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 탄성 시트(500)는 완충층, 또는 탄성층으로 표현될 수 있으며, 전극 적층체에 압력이 균일하게 전달되도록 하여 고체 성분들의 접촉을 양호하게 하고, 또한 고체 전해질 등에 전해지는 응력을 완화시켜 주는 역할을 하며, 충방전 시 전극의 두께 변화에 따라 응력이 누적되어 고체 전해질에 균열이 발생하는 것을 억제하는 역할을 할 수 있다. The all-solid-state battery 100 may further include an elastic sheet 500 outside at least one of the positive electrode 200 and the negative electrode 400. The elastic sheet 500 may be expressed as a buffer layer or an elastic layer, and serves to ensure good contact between solid components by uniformly transmitting pressure to the electrode laminate, and to relieve stress transmitted to the solid electrolyte, etc. It can play a role in suppressing the occurrence of cracks in the solid electrolyte due to stress accumulation due to changes in the thickness of the electrode during charging and discharging.

음극cathode

전고체 전지용 음극은 일 예로 집전체 및 이 집전체 상에 위치하는 음극 활물질 층을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질 층은 음극 활물질을 포함하고, 바인더, 도전재, 및/또는 고체 전해질을 더 포함할 수 있다. For example, a negative electrode for an all-solid-state battery may include a current collector and a negative electrode active material layer located on the current collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and may further include a binder, a conductive material, and/or a solid electrolyte.

상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.The anode active material may include a material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, or a transition metal oxide.

상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소계 음극 활물질로, 예를 들어 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상형, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본 또는 하드 카본, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.The material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions is a carbon-based negative electrode active material, and may include, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination thereof. Examples of the crystalline carbon include graphite such as amorphous, plate-shaped, flake, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and examples of the amorphous carbon include soft carbon or hard carbon, and mesophase pitch carbide. , calcined coke, etc.

상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn에서 선택되는 하나 이상의 금속과의 합금이 사용될 수 있다.The alloy of the lithium metal includes lithium and one selected from Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn. Alloys with the above metals may be used.

상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 Si계 음극 활물질 또는 Sn계 음극 활물질을 사용할 수 있으며, 상기 Si계 음극 활물질로는 실리콘, 실리콘-탄소 복합체, SiOx(0<x<2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), 상기 Sn계 음극 활물질로는 Sn, SnO2, Sn-R 합금(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Q 및 R로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. As the material capable of doping and dedoping lithium, a Si-based negative electrode active material or a Sn-based negative electrode active material can be used, and the Si-based negative electrode active material includes silicon, silicon-carbon composite, SiO x (0<x<2), Si -Q alloy (Q is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, Group 13 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, Group 16 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, but not Si. ), the Sn-based negative electrode active materials include Sn, SnO 2 , and Sn-R alloy (where R is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, a transition metal, a rare earth element, and elements selected from the group consisting of combinations thereof, but not Sn), and the like, and at least one of these may be mixed with SiO 2 . The elements Q and R include Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, One selected from the group consisting of S, Se, Te, Po, and combinations thereof can be used.

상기 실리콘-탄소 복합체는 예를 들어 결정질 탄소 및 실리콘 입자를 포함하는 코어 및 이 코어 표면에 위치하는 비정질 탄소 코팅층을 포함하는 실리콘-탄소 복합체일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 인조 흑연, 천연 흑연 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 비정질 탄소 전구체로는 석탄계 핏치, 메조페이스 핏치, 석유계 핏치, 석탄계 오일, 석유계 중질유 또는 페놀 수지, 퓨란 수지, 폴리이미드 수지 등의 고분자 수지를 사용할 수 있다. 이때, 실리콘의 함량은 실리콘-탄소 복합체 전체 중량에 대하여 10 중량% 내지 50 중량%일 수 있다. 또한, 상기 결정질 탄소의 함량은 실리콘-탄소 복합체 전체 중량에 대하여 10 중량% 내지 70 중량%일 수 있고, 상기 비정질 탄소의 함량은 실리콘-탄소 복합체 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 40 중량%일 수 있다. 또한, 상기 비정질 탄소 코팅층의 두께는 5nm 내지 100nm일 수 있다. For example, the silicon-carbon composite may be a silicon-carbon composite including a core containing crystalline carbon and silicon particles and an amorphous carbon coating layer located on the surface of the core. The crystalline carbon may be artificial graphite, natural graphite, or a combination thereof. As the amorphous carbon precursor, coal-based pitch, mesophase pitch, petroleum-based pitch, coal-based oil, petroleum-based heavy oil, or polymer resin such as phenol resin, furan resin, and polyimide resin can be used. At this time, the content of silicon may be 10% by weight to 50% by weight based on the total weight of the silicon-carbon composite. In addition, the content of the crystalline carbon may be 10% by weight to 70% by weight based on the total weight of the silicon-carbon composite, and the content of the amorphous carbon may be 20% by weight to 40% by weight based on the total weight of the silicon-carbon composite. there is. Additionally, the thickness of the amorphous carbon coating layer may be 5 nm to 100 nm.

상기 실리콘 입자의 평균 입경(D50)은 10nm 내지 20㎛일 수 있고, 예를 들어 10nm 내지 200nm일 수 있다. 상기 실리콘 입자는 산화된 형태로 존재할 수 있고, 이때, 산화 정도를 나타내는 실리콘 입자내 Si:O의 원자 함량 비율은 99:1 내지 33:67일 수 있다. 상기 실리콘 입자는 SiOx 입자일 수 있으며 이때 SiOx에서 x 범위는 0 초과, 2 미만일 수 있다. The average particle diameter (D50) of the silicon particles may be 10nm to 20㎛, for example, 10nm to 200nm. The silicon particles may exist in an oxidized form, and in this case, the atomic content ratio of Si:O in the silicon particles, which indicates the degree of oxidation, may be 99:1 to 33:67. The silicon particles may be SiO x particles, and in this case, the SiO x x range may be greater than 0 and less than 2.

상기 Si계 음극 활물질 또는 Sn계 음극 활물질은 탄소계 음극 활물질과 혼합하여 사용될 수 있다. Si계 음극 활물질 또는 Sn계 음극 활물질; 및 탄소계 음극 활물질;의 혼합비는 중량비로 1:99 내지 90:10일 수 있다. The Si-based negative electrode active material or Sn-based negative electrode active material may be used by mixing with a carbon-based negative electrode active material. Si-based negative electrode active material or Sn-based negative electrode active material; and a carbon-based negative active material; the mixing ratio may be 1:99 to 90:10 in weight ratio.

상기 음극 활물질 층에서 음극 활물질의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 95 중량% 내지 99 중량%일 수 있다.The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer may be 95% by weight to 99% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer.

일 구현예에서 상기 음극 활물질 층은 바인더를 더 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질 층에서 바인더의 함량은 음극 활물질 층 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다. 또한 도전재를 더욱 포함하는 경우 상기 음극 활물질 층은 음극 활물질을 90 중량% 내지 98 중량%, 바인더를 1 중량% 내지 5 중량%, 도전재를 1 중량% 내지 5 중량% 포함할 수 있다.In one embodiment, the negative electrode active material layer further includes a binder and, optionally, may further include a conductive material. The content of the binder in the negative electrode active material layer may be 1% by weight to 5% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer. In addition, when a conductive material is further included, the negative electrode active material layer may include 90% to 98% by weight of the negative electrode active material, 1% to 5% by weight of the binder, and 1% to 5% by weight of the conductive material.

상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 상기 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The binder serves to adhere the negative electrode active material particles to each other and also helps the negative electrode active material to adhere to the current collector. The binder may be a water-insoluble binder, a water-soluble binder, or a combination thereof.

상기 비수용성 바인더로는 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 에틸렌 프로필렌 공중합체, 폴리스티렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 들 수 있다. The water-insoluble binder includes polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers containing ethylene oxide, ethylene propylene copolymer, polystyrene, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, and polytetrafluoride. Ethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, polyamidoimide, polyimide, or combinations thereof may be mentioned.

상기 수용성 바인더로는 고무계 바인더 또는 고분자 수지 바인더를 들 수 있다. 상기 고무계 바인더는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸고무, 불소고무, 및 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 고분자 수지 바인더는 폴리에틸렌옥시드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에피크로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 에틸렌프로필렌디엔공중합체, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 폴리비닐알콜 및 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다. Examples of the water-soluble binder include a rubber binder or a polymer resin binder. The rubber-based binder may be selected from styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, and combinations thereof. The polymer resin binder is polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyacrylonitrile, ethylene propylene diene copolymer, polyvinylpyridine, chlorosulfonated polyethylene, latex, poly It may be selected from ester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, polyvinyl alcohol, and combinations thereof.

상기 음극 바인더로 수용성 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 셀룰로즈 계열 화합물을 더욱 포함할 수 있다. 이 셀룰로즈 계열 화합물로는 카르복시메틸 셀룰로즈, 하이드록시프로필메틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 또는 이들의 알칼리 금속염 등을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 알칼리 금속으로는 Na, K 또는 Li를 사용할 수 있다. 이러한 증점제 사용 함량은 음극 활물질 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 3 중량부일 수 있다. When a water-soluble binder is used as the negative electrode binder, it may further include a cellulose-based compound capable of imparting viscosity. As this cellulose-based compound, one or more types of carboxymethyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose, methyl cellulose, or alkali metal salts thereof can be used. Na, K, or Li can be used as the alkali metal. The amount of the thickener used may be 0.1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material.

상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 화학 변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 가지는 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하다. 상기 도전재는 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등을 포함하고 금속 분말 또는 금속 섬유 형태의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and any material that has electronic conductivity without causing chemical change can be used. The conductive material includes, for example, carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, carbon nanofiber, and carbon nanotube; Metallic substances containing copper, nickel, aluminum, silver, etc. in the form of metal powder or metal fiber; Conductive polymers such as polyphenylene derivatives; Or it may include a mixture thereof.

상기 음극 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The negative electrode current collector may be selected from copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, and combinations thereof.

한편, 일 예로 상기 전고체 전지용 음극은 석출형 음극일 수 있다. 상기 석출형 음극은 전지 조립 시에는 음극 활물질을 가지지 않으나 전지의 충전 시 리튬 금속 등이 석출되어 이것이 음극 활물질의 역할을 하는 음극을 의미한다. Meanwhile, as an example, the anode for an all-solid-state battery may be a precipitation-type anode. The precipitation-type negative electrode refers to a negative electrode that does not have a negative electrode active material when the battery is assembled, but lithium metal, etc. is precipitated and acts as a negative electrode active material when the battery is charged.

도 2는 석출형 음극을 포함하는 전고체 전지의 개략적인 단면도이다. 도 2를 참고하면, 상기 석출형 음극(400’)은 집전체(401) 및 상기 집전체 상에 위치하는 음극 촉매층(405)을 포함할 수 있다. 이러한 석출형 음극(400’)을 가지는 전고체 전지는 음극 활물질이 존재하지 않는 상태에서 초기 충전이 시작되고, 충전시 집전체(401)와 음극 촉매층(405) 사이에 고밀도의 리튬 금속 등이 석출되어 리튬 금속층(404)이 형성되며, 이것이 음극 활물질의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 1회 이상의 충전이 진행된 전고체 전지에서 상기 석출형 음극(400’)은 집전체(401), 상기 집전체 상에 위치하는 리튬 금속층(404) 및 상기 금속층 상에 위치하는 음극 촉매층(405)을 포함할 수 있다. 상기 리튬 금속층(404)은 전지의 충전 과정에서 리튬 금속 등이 석출된 층을 의미하며 금속층 또는 음극 활물질층 등으로 칭할 수 있다. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery including a precipitated negative electrode. Referring to FIG. 2, the precipitated negative electrode 400' may include a current collector 401 and a negative electrode catalyst layer 405 located on the current collector. In an all-solid-state battery having such a precipitation-type negative electrode 400', initial charging begins in the absence of a negative electrode active material, and during charging, a high density of lithium metal, etc. is deposited between the current collector 401 and the negative electrode catalyst layer 405. A lithium metal layer 404 is formed, which can serve as a negative electrode active material. Accordingly, in an all-solid-state battery that has been charged at least once, the precipitated negative electrode 400' includes a current collector 401, a lithium metal layer 404 located on the current collector, and a negative electrode catalyst layer located on the metal layer ( 405) may be included. The lithium metal layer 404 refers to a layer in which lithium metal, etc. is precipitated during the charging process of the battery, and may be referred to as a metal layer or a negative electrode active material layer.

상기 음극 촉매층(405)은 촉매 역할을 하는 금속 및/또는 탄소재를 포함할 수 있다. The cathode catalyst layer 405 may include metal and/or carbon material that acts as a catalyst.

상기 금속은 예를 들어 금, 백금, 팔라듐, 실리콘, 은, 알루미늄, 비스무스, 주석, 아연, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들 중 1종으로 구성되거나 또는 여러 종류의 합금으로 구성될 수도 있다. 상기 금속의 평균 입경(D50)은 약 4 ㎛ 이하일 수 있고 예를 들어 10 nm 내지 4 ㎛, 10 nm 내지 2 ㎛, 또는 10 nm 내지 1 ㎛일 수 있다. The metal may include, for example, gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, zinc, or a combination thereof, and may be composed of one of these or several types of alloys. there is. The average particle diameter (D50) of the metal may be about 4 ㎛ or less, for example, 10 nm to 4 ㎛, 10 nm to 2 ㎛, or 10 nm to 1 ㎛.

상기 탄소재는 예를 들어 결정질 탄소, 비흑연계 탄소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 결정질 탄소는 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연, 메조페이스카본 마이크로비드 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 비흑연계 탄소는 카본 블랙, 활성탄, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 퍼니스 블랙, 그래핀 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The carbon material may be, for example, crystalline carbon, non-graphitic carbon, or a combination thereof. For example, the crystalline carbon may be at least one selected from natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon microbeads, and combinations thereof. The non-graphitic carbon may be at least one selected from carbon black, activated carbon, acetylene black, Denka black, Ketjen black, furnace black, graphene, and combinations thereof.

상기 음극 촉매층(405)이 상기 금속과 상기 탄소재를 모두 포함하는 경우, 금속과 탄소재의 혼합 비율은 예를 들어 1:10 내지 1:2, 1:10 내지 2:1, 5:1 내지 1:1, 또는 4:1 내지 2:1의 중량비일 수 있다. 이 경우 효과적으로 리튬 금속의 석출을 촉진할 수 있고 전고체 전지의 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 음극 촉매층(405)은 예를 들어 촉매 금속이 담지된 탄소재를 포함할 수 있고, 또는 금속 입자 및 탄소재 입자의 혼합물을 포함할 수 있다. When the cathode catalyst layer 405 includes both the metal and the carbon material, the mixing ratio of the metal and the carbon material is, for example, 1:10 to 1:2, 1:10 to 2:1, and 5:1 to 1:1. The weight ratio may be 1:1, or 4:1 to 2:1. In this case, the precipitation of lithium metal can be effectively promoted and the characteristics of the all-solid-state battery can be improved. For example, the cathode catalyst layer 405 may include a carbon material on which a catalyst metal is supported, or may include a mixture of metal particles and carbon material particles.

상기 음극 촉매층(405)은 바인더를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더는 예를 들어 전도성 바인더일 수 있다. 또한 상기 음극 촉매층(405)은 일반적인 첨가제인 필러, 분산제, 이온 도전재 등을 더 포함할 수 있다. The cathode catalyst layer 405 may further include a binder, and the binder may be, for example, a conductive binder. Additionally, the cathode catalyst layer 405 may further include general additives such as fillers, dispersants, and ion conductive materials.

상기 음극 촉매층(405)의 두께는 예를 들어 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 2 ㎛ 내지 10 ㎛, 3 ㎛ 내지 7 ㎛일 수 있다. 또한 음극 촉매층(405)의 두께는 상기 양극 활물질 층 두께의 50% 이하, 20% 이하, 또는 5% 이하일 수 있다. 음극 촉매층(405)의 두께가 너무 얇으면 리튬 금속층(404)에 의해 붕괴될 수 있고, 그 두께가 너무 두꺼우면 전고체 전지의 밀도가 저하되고 내부 저항이 증가할 수 있다. The thickness of the cathode catalyst layer 405 may be, for example, 1 μm to 20 μm, 2 μm to 10 μm, or 3 μm to 7 μm. Additionally, the thickness of the negative electrode catalyst layer 405 may be 50% or less, 20% or less, or 5% or less of the thickness of the positive electrode active material layer. If the thickness of the cathode catalyst layer 405 is too thin, it may be collapsed by the lithium metal layer 404, and if the thickness is too thick, the density of the all-solid-state battery may decrease and internal resistance may increase.

상기 석출형 음극(400’)은 일 예로 상기 집전체의 표면에, 즉 집전체와 음극 촉매층 사이에 박막을 더 포함할 수 있다. 상기 박막은 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소를 포함할 수 있다. 리튬과 합금을 형성할 수 있는 원소는 예를 들어 금, 은, 아연, 주석, 인듐, 규소, 알루미늄, 비스무스 등일 수 있고 이들 중 1종으로 구성되거나 여러 종류의 합금으로 구성될 수도 있다. 상기 박막은 리튬 금속층(404)의 석출 형태를 더욱 평탄화할 수 있고 전고체 전지의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 박막은 예를 들어 진공 증착법, 스퍼터링 법, 도금법 등의 방법으로 형성될 수 있다. 상기 박막의 두께는 예를 들어 1 nm 내지 800 nm, 또는 100 nm 내지 500 nm일 수 있다. For example, the precipitated negative electrode 400' may further include a thin film on the surface of the current collector, that is, between the current collector and the negative electrode catalyst layer. The thin film may contain an element that can form an alloy with lithium. Elements that can form an alloy with lithium may be, for example, gold, silver, zinc, tin, indium, silicon, aluminum, bismuth, etc., and may be composed of one type or several types of alloys. The thin film can further flatten the precipitation form of the lithium metal layer 404 and further improve the characteristics of the all-solid-state battery. The thin film may be formed by, for example, vacuum deposition, sputtering, or plating methods. The thickness of the thin film may be, for example, 1 nm to 800 nm, or 100 nm to 500 nm.

상기 리튬 금속층(404)은 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어 Li-Al 합금, Li-Sn 합금, Li-In 합금, Li-Ag 합금, Li-Au 합금, Li-Zn 합금, Li-Ge 합금, 또는 Li-Si 합금 등일 수 있다. The lithium metal layer 404 may include lithium metal or lithium alloy. The lithium alloy may be, for example, a Li-Al alloy, Li-Sn alloy, Li-In alloy, Li-Ag alloy, Li-Au alloy, Li-Zn alloy, Li-Ge alloy, or Li-Si alloy. .

상기 리튬 금속층(404)의 두께는 1㎛ 내지 500㎛, 1㎛ 내지 200㎛, 1㎛ 내지 100㎛, 또는 1㎛m 내지 50㎛일 수 있다. 리튬 금속층(404)의 두께가 너무 얇으면 리튬 저장고의 역할을 수행하기 어렵고 너무 두꺼우면 전지 부피가 증가하면서 성능이 저하될 수 있다. The thickness of the lithium metal layer 404 may be 1 μm to 500 μm, 1 μm to 200 μm, 1 μm to 100 μm, or 1 μm to 50 μm. If the thickness of the lithium metal layer 404 is too thin, it is difficult to perform the role of a lithium storage, and if it is too thick, the battery volume may increase and performance may deteriorate.

이러한 석출형 음극을 적용할 경우, 상기 음극 촉매층(405)이 리튬 금속층(404)을 보호하는 역할을 하면서 리튬 데드라이트의 석출 성장을 억제하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라 전고체 전지의 단락 및 용량 저하가 억제되며 수명 특성이 향상될 수 있다. When applying such a precipitation-type cathode, the cathode catalyst layer 405 may play a role in protecting the lithium metal layer 404 and suppressing the precipitation growth of lithium deadlight. Accordingly, short circuit and capacity degradation of the all-solid-state battery can be suppressed and lifespan characteristics can be improved.

고체 전해질층solid electrolyte layer

상기 고체 전해질층(300)은 고체 전해질을 포함하고, 전술한 황화물계 고체 전해질, 산화물계 고체 전해질, 또는 고체 고분자 전해질 등을 포함할 수 있다. 고체 전해질에 대한 내용은 상기 전고체 전지용 양극에서 설명한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략한다. The solid electrolyte layer 300 includes a solid electrolyte and may include the above-described sulfide-based solid electrolyte, oxide-based solid electrolyte, or solid polymer electrolyte. Since the solid electrolyte is the same as described in the anode for an all-solid-state battery, detailed description will be omitted.

상기 고체 전해질층은 고체 전해질 이외에 바인더를 더욱 포함할 수도 있다. 이때 바인더로는 스티렌 부타디엔 러버, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 아크릴레이트계 고분자 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 바인더로 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 상기 아크릴레이트계 고분자는 예를 들어 부틸 아크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트 또는 이들의 조합일 수 있다.The solid electrolyte layer may further include a binder in addition to the solid electrolyte. At this time, the binder may be styrene butadiene rubber, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, acrylate polymer, or a combination thereof, but is not limited thereto, and the binder used in the art is You can use anything. The acrylate-based polymer may be, for example, butyl acrylate, polyacrylate, polymethacrylate, or a combination thereof.

상기 고체 전해질층은 고체 전해질을 바인더 용액에 첨가하고, 이를 기재 필름에 코팅하고, 건조하여 형성할 수 있다. 상기 바인더 용액의 용매로는 이소부티릴 이소부틸레이트, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 헥산 또는 이들의 조합일 수 있고, 또는 전술한 화학식 1로 표시되는 화합물 및/또는 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다. 상기 고체 전해질층 형성 공정은 당해 분야에 널리 알려 져 있기에 자세한 설명은 생략하기로 한다. The solid electrolyte layer can be formed by adding a solid electrolyte to a binder solution, coating it on a base film, and drying it. The solvent of the binder solution may be isobutyryl isobutyrate, xylene, toluene, benzene, hexane, or a combination thereof, or may be a compound represented by Formula 1 and/or a compound represented by Formula 2. there is. Since the solid electrolyte layer forming process is widely known in the art, detailed description will be omitted.

상기 고체 전해질층의 두께는 예를 들어 10 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다.The thickness of the solid electrolyte layer may be, for example, 10 ㎛ to 150 ㎛.

상기 고체 전해질층은 알칼리 금속염, 및/또는 이온성 액체, 및/또는 전도성 고분자를 더 포함할 수 있다. The solid electrolyte layer may further include an alkali metal salt, and/or an ionic liquid, and/or a conductive polymer.

상기 알칼리 금속염은 예를 들어 리튬염일 수 있다. 상기 고체 전해질층에서 리튬염의 함량은 1M 이상일 수 있고, 예를 들어, 1M 내지 4M일 수 있다. 이 경우 상기 리튬염은 고체 전해질층의 리튬 이온 이동도를 향상시킴으로써 이온 전도도를 개선할 수 있다.The alkali metal salt may be, for example, a lithium salt. The content of lithium salt in the solid electrolyte layer may be 1M or more, for example, 1M to 4M. In this case, the lithium salt can improve ion conductivity by improving lithium ion mobility in the solid electrolyte layer.

상기 리튬염은 예를 들어 LiSCN, LiN(CN)2, Li(CF3SO2)3C, LiC4F9SO3, LiN(SO2CF2CF3)2, LiF, LiCl, LiBr, LiI, LiB(C2O4)2, LiPF6, LiBF4, LiBF3(C2F5), 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB), 리튬 옥살릴디플루오로보레이트(LIODFB), 리튬 디플루오로(옥살레이토)보레이트(LiDFOB), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(플루오로술포닐)이미드(LiFSI), LiCF3SO3, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4 또는 그 혼합물을 포함할 수 있다. The lithium salt is, for example, LiSCN, LiN(CN) 2 , Li(CF 3 SO 2 ) 3 C, LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiF, LiCl, LiBr, LiI , LiB(C 2 O 4 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiBF 3 (C 2 F 5 ), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium oxalyldifluoroborate (LIODFB), lithium difluoride Low(oxalato)borate (LiDFOB), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 or a mixture thereof.

또한 상기 리튬염은 일 예로 이미드계일 수 있고, 예를 들어 LiTFSI, LiFSI, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 이미드계 리튬염은 이온성 액체와의 화학적 반응성을 적절히 유지함으로써 이온 전도도를 유지 또는 개선시킬 수 있다.Additionally, the lithium salt may be an imide-based salt, and may include, for example, LiTFSI, LiFSI, or a combination thereof. The imide-based lithium salt can maintain or improve ionic conductivity by maintaining appropriate chemical reactivity with ionic liquid.

상기 이온성 액체는 상온 이하의 융점을 가지고 있어 상온에서 액체 상태이면서 이온만으로 구성되는 염 또는 상온 용융염을 말한다. The ionic liquid has a melting point below room temperature and is in a liquid state at room temperature and refers to a salt consisting of only ions or a room temperature molten salt.

상기 이온성 액체는 a) 암모늄계, 피롤리디늄계, 피리디늄계, 피리미디늄계, 이미다졸륨계, 피페리디늄계, 피라졸륨계, 옥사졸륨계, 피리다지늄계, 포스포늄계, 설포늄계, 트리아졸륨계 및 그 혼합물 중에서 선택된 하나 이상의 양이온과, b) BF4-, PF6-, AsF6-, SbF6-, AlCl4-, HSO4-, ClO4-, CH3SO3-, CF3CO2-, Cl-, Br-, I-, BF4-, SO4-, CF3SO3-, (FSO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, 및 (CF3SO2)2N- 중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 화합물일 수 있다. The ionic liquid is a) ammonium-based, pyrrolidinium-based, pyridinium-based, pyrimidinium-based, imidazolium-based, piperidinium-based, pyrazolium-based, oxazolium-based, pyridazinium-based, phosphonium-based, sulfonium-based, At least one cation selected from the triazolium system and mixtures thereof, and b) BF 4 -, PF 6 -, AsF 6 -, SbF 6 -, AlCl 4 -, HSO 4 -, ClO 4 -, CH 3 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, Cl-, Br-, I-, BF 4 -, SO 4 -, CF 3 SO 3 -, (FSO 2 ) 2 N-, (C 2 F 5 SO 2 )2N-, (C 2 It may be a compound containing one or more anions selected from F 5 SO 2 )(CF 3 SO 2 )N-, and (CF 3 SO 2 ) 2 N-.

상기 이온성 액체는 예를 들어 N-메틸-N-프로필피롤디니움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 N-부틸-N-메틸피롤리디움 비스(3-트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. The ionic liquid is, for example, N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide N-butyl-N-methylpyrrolidium bis(3-trifluoromethylsulfonyl) an imide, one selected from the group consisting of 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide It could be more than that.

상기 고체 전해질층에서 고체 전해질과 이온성 액체의 중량비는 0.1:99.9 내지 90:10일 수 있고 예를 들어, 10:90 내지 90:10, 20:80 내지 90:10, 30:70 내지 90:10, 40:60 내지 90:10, 또는 50:50 내지 90:10일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 고체 전해질층은 전극과의 전기화학적 접촉 면적이 향상되어 이온 전도도를 유지 또는 개선할 수 있다. 이에 따라 전고체 전지의 에너지 밀도, 방전용량, 율 특성 등이 개선될 수 있다.The weight ratio of the solid electrolyte and the ionic liquid in the solid electrolyte layer may be 0.1:99.9 to 90:10, for example, 10:90 to 90:10, 20:80 to 90:10, 30:70 to 90: 10, 40:60 to 90:10, or 50:50 to 90:10. A solid electrolyte layer that satisfies the above range can maintain or improve ionic conductivity by improving the electrochemical contact area with the electrode. Accordingly, the energy density, discharge capacity, and rate characteristics of the all-solid-state battery can be improved.

일 구현예에 따른 전고체 전지는 양극, 고체 전해질, 및 음극을 순서대로 적층하여 적층체를 준비하고, 선택적으로 양극 및/또는 음극의 외면에 탄성 시트를 접착한 후 가압하여 제조할 수 있다. 상기 가압은 예를 들어 25℃ 내지 90℃의 온도에서 진행될 수 있고, 550MPa 이하, 또는 500MPa 이하, 예를 들어 400MPa 내지 500MPa의 압력으로 진행될 수 있다. 상기 가압은 예를 들어 정수압(isostatic press), 롤가압(roll press) 또는 평판 가압(plate press)일 수 있다.The all-solid-state battery according to one embodiment can be manufactured by preparing a laminate by sequentially stacking a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode, and optionally attaching an elastic sheet to the outer surface of the positive electrode and/or negative electrode and then pressing it. The pressurization may be performed at a temperature of, for example, 25°C to 90°C, and may be performed at a pressure of 550 MPa or less, or 500 MPa or less, for example, 400 MPa to 500 MPa. The pressing may be, for example, isostatic press, roll press or plate press.

상기 전고체 전지는 양극/고체전해질층/음극의 구조를 갖는 단위 전지, 양극/고체전해질층/음극/고체전해질층/양극의 구조를 갖는 바이셀, 또는 단위 전지의 구조가 반복되는 적층 전지일 수 있다. The all-solid-state battery may be a unit cell having a structure of anode/solid electrolyte layer/cathode, a bicell having a structure of anode/solid electrolyte layer/cathode/solid electrolyte layer/anode, or a stacked battery in which the structure of the unit cell is repeated. You can.

상기 전고체 전지의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형 등일 수 있다. 또한 상기 전고체 전지는 전기 자동차 등에 사용되는 중대형 전지에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전고체 전지는 플러그인 하이브리드 차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드 차량에도 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 전력 저장 장치(energy storage system; ESS)에 적용될 수 있고, 전기 자전거 또는 전동 공구 등에도 적용 가능하다.The shape of the all-solid-state battery is not particularly limited, and may be, for example, coin-shaped, button-shaped, sheet-shaped, stacked-shaped, cylindrical, flat, etc. Additionally, the all-solid-state battery can also be applied to medium to large-sized batteries used in electric vehicles, etc. For example, the all-solid-state battery can also be used in hybrid vehicles such as plug-in hybrid electric vehicles (PHEV). In addition, it can be applied to an energy storage system (ESS) that requires large amounts of power storage, and can also be applied to electric bicycles or power tools.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기한 실시예는 본 발명의 일 예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. The following examples are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1Example 1

1. 양극 활물질의 제조1. Preparation of positive electrode active material

Li1.06Ni0.90Co0.07Mn0.03O2 양극 활물질을 준비하고, 교반기에 상기 양극 활물질과 에탄올 용매를 1:1의 중량비로 투입하고, 상기 양극 활물질 100 중량부에 대하여 LiPF6 0.1 몰부 및 LiOH 0.5 몰부를 투입하여 혼합한다. 이후 150℃에서 2시간 이상 건조한 후, O2 조건에서 300℃로 4시간 동안 열처리함으로써, 코팅된 양극 활물질을 제조한다. Li 1.06 Ni 0.90 Co 0.07 Mn 0.03 O 2 Prepare a positive electrode active material, add the positive electrode active material and ethanol solvent to a stirrer at a weight ratio of 1:1, and add 0.1 mole part of LiPF 6 and 0.5 mole of LiOH based on 100 parts by weight of the positive electrode active material. Add and mix. Afterwards, the coated positive electrode active material is manufactured by drying at 150°C for more than 2 hours and then heat treating at 300°C for 4 hours under O 2 conditions.

2. 전고체 전지의 제조2. Manufacturing of all-solid-state battery

상기 코팅된 양극 활물질을 이용하고, 고체 전해질로서 아지로다이트계 고체 전해질(Li6PS5Cl, D50=1㎛)을 사용하고, 도전제로서 탄소나노섬유(CNF)를 사용하였다. 이들 재료를 양극활물질:도전제:고체전해질 = 60:5:35의 중량비로 혼합하여 양극 조성물을 제조한다.The coated positive electrode active material was used, an azirodite-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl, D50=1㎛) was used as a solid electrolyte, and carbon nanofibers (CNF) were used as a conductive agent. A positive electrode composition is prepared by mixing these materials in a weight ratio of positive electrode active material:conductive agent:solid electrolyte = 60:5:35.

상기 양극 조성물을 13mm 직경의 토크셀에 충진된 고체전해질(Li6PS5Cl, D50=3㎛) 위에 균일하게 분포시켜 양극을 제조하였다. 고체전해질은 핸드프레싱으로 가압하여 1차 충진을 하고, 고체전해질 층위에 상기 양극 조성물을 투입한 후 단위 면적당 4ton의 압력으로 2 분 동안 평판 가압 (plate press) 처리하여 음극/고체전해질/양극 구조의 토크셀을 제조하였다. 음극은 두께 40㎛의 리튬 금속을 사용하였고, 토크셀의 가압력은 4N·m 토크압력으로 체결하였다.A positive electrode was manufactured by uniformly distributing the positive electrode composition on a solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl, D50 = 3㎛) filled in a torque cell with a diameter of 13 mm. The solid electrolyte was first filled by pressing with hand pressing, and the positive electrode composition was put on the solid electrolyte layer and then plate pressed for 2 minutes at a pressure of 4 tons per unit area to form a negative electrode/solid electrolyte/positive electrode structure. A torque cell was manufactured. The cathode used lithium metal with a thickness of 40㎛, and the torque cell was fastened with a torque of 4N·m.

실시예 2Example 2

양극 활물질의 제조에서 LiPF6를 0.25 몰부 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질과 전고체 전지를 제조한다. A positive electrode active material and an all-solid-state battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that 0.25 mole part of LiPF 6 was mixed in the production of the positive electrode active material.

실시예 3Example 3

양극 활물질의 제조에서 LiPF6를 0.5 몰부 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질과 전고체 전지를 제조한다. A positive electrode active material and an all-solid-state battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that 0.5 mole part of LiPF 6 was mixed in the production of the positive electrode active material.

실시예 4Example 4

양극 활물질의 제조에서 Zr(OC3H7)4 0.25 몰부를 더 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 활물질과 전고체 전지를 제조한다. A positive electrode active material and an all-solid-state battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that 0.25 mole part of Zr(OC 3 H 7 ) 4 was further mixed in the production of the positive electrode active material.

비교예 1Comparative Example 1

코팅층이 형성되지 않은 Li1.06Ni0.90Co0.07Mn0.03O2를 양극 활물질로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전고체 전지를 제조한다. An all-solid-state battery was manufactured in the same manner as Example 1, except that Li 1.06 Ni 0.90 Co 0.07 Mn 0.03 O 2 on which no coating layer was formed was used as the positive electrode active material.

비교예 2Comparative Example 2

양극 활물질의 제조에서 LiPF6를 혼합하지 않은 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 양극 활물질과 전고체 전지를 제조한다. 즉, 비교예 2의 양극 활물질은 Li1.06Ni0.90Co0.07Mn0.03O2 100 중량부에 LiOH 0.5 몰부 및 Zr(OC3H7)4 0.25 몰부를 혼합한 후 열처리하여 제조된, 리튬 지르코늄 복합 산화물로 코팅된 양극 활물질이다. A positive electrode active material and an all-solid-state battery were manufactured in the same manner as Example 4, except that LiPF 6 was not mixed in the production of the positive electrode active material. That is, the positive electrode active material of Comparative Example 2 is a lithium zirconium composite oxide prepared by mixing 0.5 mole part of LiOH and 0.25 mole part of Zr(OC 3 H 7 ) 4 with 100 parts by weight of Li 1.06 Ni 0.90 Co 0.07 Mn 0.03 O 2 and heat treatment. It is a positive electrode active material coated with .

평가예 1: 계면 저항 평가Evaluation Example 1: Interface resistance evaluation

실시예 1 내지 3과 비교예 1에 따라 제조된 전고체 이차전지에 대하여 임피던스 분석기(Solartron 1260A Impedance/Gain-Phase Analyzer)를 사용하여 진폭 ±10mV, 주파수 10mHz 내지 1MHz 범위에 따른 임피던스를 측정하였고, 이를 복소평면에 표현한 나이키스트 선도(Nyquist Plot)로 나타내었다. 실시예 1 내지 3과 비교예 1에 따라 제조된 전고체 이차전지는 45℃에서 4.25V CCCV/CC조건으로 0.1C-rate에서 SOC (Site of charge) 100 상태로 충전하고, 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)후, 1시간 안정화 시간을 두어, 만충전된 상태에서 측정되었다. 전지의 계면저항은 반원의 위치 및 크기로 결정된다.The impedance of the all-solid-state secondary batteries manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was measured using an impedance analyzer (Solartron 1260A Impedance/Gain-Phase Analyzer) with an amplitude of ±10 mV and a frequency of 10 mHz to 1 MHz, This was expressed as a Nyquist Plot expressed on the complex plane. The all-solid-state secondary battery manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was charged to SOC (Site of Charge) 100 at 0.1C-rate under 4.25V CCCV/CC conditions at 45°C, and a current of 0.05C rate. After the cut-off, there was a stabilization time of 1 hour, and the measurements were made in a fully charged state. The interfacial resistance of the battery is determined by the position and size of the semicircle.

도 3은 실시예 1과 비교예 1의 나이키스트 선도이고, 도 4는 실시예 1 내지 3의 나이키스트 선도이다. Figure 3 is a Nyquist diagram of Example 1 and Comparative Example 1, and Figure 4 is a Nyquist diagram of Examples 1 to 3.

도 3을 참고하면, 비교예 1에 비해 실시예 1의 반원의 크기가 더 작아 계면 저항(charge-transfer resistance, Rct)이 더 낮다는 것을 알 수 있다. 즉, 코팅층이나 버퍼층이 형성되지 않은 비교예 1의 양극 활물질에 비하여, LiPF6 리튬염 함유 코팅층이 형성된 실시예 1의 양극 활물질은 계면 안전성이 더욱 향상된 것으로 확인된다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the size of the semicircle of Example 1 is smaller than that of Comparative Example 1, resulting in lower interfacial resistance (charge-transfer resistance, R ct ). That is, compared to the positive electrode active material of Comparative Example 1 in which no coating layer or buffer layer was formed, the positive electrode active material of Example 1 in which the LiPF 6 lithium salt-containing coating layer was formed was confirmed to have further improved interface stability.

도 4를 참고하면, 실시예 1 내지 3의 계면 저항은 도 3의 비교예 1에 비해 낮으며, 또한 리튬염 코팅량이 증가할수록 계면 저항이 증가하게 되고, 0.10 내지 0.50 몰부의 코팅 범위에서 적절한 계면 저항을 나타낼 수 있다는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, the interfacial resistance of Examples 1 to 3 is lower than that of Comparative Example 1 of FIG. 3, and as the lithium salt coating amount increases, the interfacial resistance increases, and an appropriate interface is obtained in the coating range of 0.10 to 0.50 mole part. It can be confirmed that resistance can be displayed.

이와 같은 낮은 계면 저항은 충방전시 리튬 이온의 삽입과 탈리를 용이하게 하고, 충방전 효율(coulombic efficiency)을 일정하게 유지시켜 전지의 용량을 크게 향상시키는 것으로 이해된다. It is understood that such low interfacial resistance facilitates insertion and detachment of lithium ions during charging and discharging, and greatly improves battery capacity by maintaining constant charging and discharging efficiency (coulombic efficiency).

또한 실시예들의 계면 저항이 비교예 1에 비하여 급격히 낮아지는 것으로 보아, 실시예들의 양극 활물질 입자 표면은 리튬염 또는 리튬-리치 리튬염 또는 리튬염과 탄산리튬 등의 복합체 등으로 균일하게 코팅된 것으로 이해된다. In addition, considering that the interfacial resistance of the examples was drastically lowered compared to Comparative Example 1, the surface of the positive electrode active material particles of the examples was uniformly coated with lithium salt, lithium-rich lithium salt, or a complex of lithium salt and lithium carbonate. I understand.

평가예 2: 전고체 전지 성능 평가Evaluation Example 2: All-solid-state battery performance evaluation

실시예 1 내지 3과 비교예 1에 제조한 전고체 전지들을 45℃에서 0.1C의 정전류/정전압(CC/CV) 조건으로 상한 전압 4.25V까지 충전한 후, 정전압을 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하고, 이후 종지 전압 2.5V까지 0.1C로 방전하여 초기 충방전을 실시하고, 아래 표 1에 초기 충전 용량, 초기 방전 용량 및 초기 충방전 효율을 나타냈다. The all-solid-state batteries manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were charged to an upper limit voltage of 4.25V under constant current/constant voltage (CC/CV) conditions of 0.1C at 45°C, and then charged at a current rate of 0.05C while maintaining the constant voltage. After cut-off, initial charging and discharging was performed by discharging at 0.1C to a final voltage of 2.5V, and the initial charging capacity, initial discharging capacity, and initial charging and discharging efficiency are shown in Table 1 below.

또한 율특성을 평가하기 위하여, 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 전고체 전지에 대해 C-rate를 0.1C에서 0.33C로 변경한 것 외에는 동일하게 상기와 같이 충방전을 진행하고, 0.1C 방전용량에 대한 0.33C 방전용량의 비율을 계산하여 아래 표 1에 나타내었다. 동일하게 충전은 0.1C로 진행하고, 방전은 1.0C로 진행한 후, 0.1C 방전용량에 대한 1.0C 방전용량의 비율을 계산하여 아래 표 1에 나타내었다.In addition, in order to evaluate the rate characteristics, the all-solid-state batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were charged and discharged as above except that the C-rate was changed from 0.1C to 0.33C, and 0.1C The ratio of 0.33C discharge capacity to discharge capacity was calculated and shown in Table 1 below. Similarly, charging was performed at 0.1C and discharging was performed at 1.0C, and then the ratio of 1.0C discharge capacity to 0.1C discharge capacity was calculated and shown in Table 1 below.

또한, 1.0C의 고율 방전 이후의 회복 용량을 평가하기 위하여, 0.1C 저율 충전 이후, 0.1C로 방전을 진행하여 아래 표 1에 회복 방전 용량을 나타내었다. 그 뒤 다시 0.1C로 충전을 진행하여, 회복이후 충전 용량을 아래 표 1에 나타내었다. Additionally, in order to evaluate the recovery capacity after high-rate discharge of 1.0C, discharge was performed at 0.1C after low-rate charging of 0.1C, and the recovery discharge capacity is shown in Table 1 below. Afterwards, charging was performed again at 0.1C, and the charging capacity after recovery is shown in Table 1 below.

아래 표 1에서 각 데이터들은 각각 3회씩 측정된 데이터의 산술평균 값이다. In Table 1 below, each data is the arithmetic average of data measured three times each.

초기 충방전initial charge and discharge 율특성rate characteristics 회복 용량recovery capacity 초기충전용량
(mAh/g)
Initial charge capacity
(mAh/g)
초기방전용량
(mAh/g)
Initial discharge capacity
(mAh/g)
초기효율 (%)Initial efficiency (%) 0.33C (%)0.33C (%) 1.0C (%)1.0C (%) 회복방전용량
(mAh/g)
Recovery discharge capacity
(mAh/g)
회복이후충전용량
(mAh/g)
Charge capacity after recovery
(mAh/g)
비교예1Comparative Example 1 233.1233.1 198.1198.1 85.085.0 88.488.4 79.779.7 179.6179.6 177.4177.4 실시예1Example 1 225.1225.1 205.2205.2 91.291.2 93.793.7 86.986.9 202.3202.3 202.3202.3 실시예2Example 2 225.4225.4 203.0203.0 90.190.1 92.992.9 85.585.5 199.7199.7 199.6199.6 실시예3Example 3 222.2222.2 193.9193.9 87.387.3 90.390.3 81.181.1 185.3185.3 185.7185.7

상기 표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 3의 전고체 전지의 경우 비교예 1의 전고체 전지에 비하여 초기 충방전 효율 및 율특성이 모두 향상되었고, 고율 회복 방전 용량 및 회복 이후 충전 용량이 더 높게 나타났음을 알 수 있다. 이는 실시예에서 리튬 이온의 이동성(kinetic property)이 개선된 것에 기인하는 특성이라고 할 수 있다. 또한 이러한 결과는 상기 코팅층의 구조적 안정성을 나타내는 지표로 볼 수 있다. Referring to Table 1, in the case of the all-solid-state batteries of Examples 1 to 3, both initial charge and discharge efficiency and rate characteristics were improved compared to the all-solid-state battery of Comparative Example 1, and the high-rate recovery discharge capacity and charge capacity after recovery were higher. It can be seen that it appears high. This can be said to be a characteristic resulting from improved mobility (kinetic properties) of lithium ions in the example. Additionally, these results can be viewed as an indicator of the structural stability of the coating layer.

평가예 3: 내고전압 특성 평가Evaluation Example 3: Evaluation of withstand voltage characteristics

실시예 1과 비교예 1에서 제조한 전지들에 대해 상기 평가예 2에서와 같이 4.25 V까지 충전한 후, 4.25V 정전압을 유지하면서 0.05C rate의 전류에서 컷오프(cut-off)하고, 1시간의 안정화 시간을 두었다. 이후 평행전압(Equilibrium voltage) 상태에서 임피던스 분석기를 사용하여 45℃에서 저항을 측정하였다. 진폭은 ±10mV이고, 주파수 범위는 10mHz 내지 1MHz였다. 상기와 동일한 방법으로 셀을 0.1C rate의 정전류로 다시 4.25V까지 충전 후, 정전압 상태에서 12시간 정전압 상태를 유지시키고, 1시간의 안정화 시간을 두었다. 동일한 방법으로 저항을 12시간 간격으로 최대 60시간까지 측정을 반복하였고, 측정된 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)으로부터 계면저항값을 계산하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. The batteries manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 were charged to 4.25 V as in Evaluation Example 2 above, then cut-off at a current of 0.05C rate while maintaining a constant voltage of 4.25V, and charged for 1 hour. A stabilization time of . Afterwards, resistance was measured at 45°C using an impedance analyzer under equilibrium voltage. The amplitude was ±10 mV and the frequency range was 10 mHz to 1 MHz. In the same manner as above, the cell was charged again to 4.25V at a constant current of 0.1C rate, then maintained at constant voltage for 12 hours, and a stabilization time of 1 hour was allowed. Resistance measurements were repeated in the same manner at 12-hour intervals for up to 60 hours, and the interfacial resistance value was calculated from the measured Nyguist plot, and the results are shown in FIG. 5.

도 5를 참고하면 비교예 1의 경우 계면 저항이 지속적으로 증가하나, 실시예 1의 경우 장시간에 걸쳐 계면 저항이 증가하지 않아, 낮은 계면 저항 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 5, it can be seen that in the case of Comparative Example 1, the interfacial resistance continuously increases, but in the case of Example 1, the interfacial resistance does not increase over a long period of time, showing low interfacial resistance characteristics.

평가예 4: 계면 저항 평가Evaluation Example 4: Interface resistance evaluation

실시예 4와 비교예 2에 따라 제조된 전고체 이차전지에 대하여 상기 평가예 1과 동일한 방법으로 임피던스를 측정하였고, 도 6에 측정 주파수에 따른 임피던스를 나이키스트 선도로 나타내었다. The impedance of the all-solid-state secondary batteries manufactured according to Example 4 and Comparative Example 2 was measured in the same manner as Evaluation Example 1, and the impedance according to the measurement frequency is shown in FIG. 6 as a Nyquist diagram.

도 6을 참고하면, 리튬 지르코늄 복합 산화물로 코팅된 양극 활물질을 적용한 비교예 2에 비하여, 리튬 지르코늄 복합 산화물과 리튬염이 함께 코팅된 양극 활물질을 적용한 실시예 4의 경우 반원의 크기가 더 작아 계면 저항이 낮아졌고, 따라서 계면 안정성이 더욱 향상되었다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, compared to Comparative Example 2 in which a positive electrode active material coated with lithium zirconium complex oxide was applied, in Example 4 in which a positive electrode active material coated with lithium zirconium complex oxide and lithium salt was applied, the size of the semicircle was smaller, so that the interface It can be seen that the resistance was lowered, and thus the interfacial stability was further improved.

평가예 5: 전고체 전지 성능 평가Evaluation Example 5: All-solid-state battery performance evaluation

실시예 4와 비교예 2에서 제조한 전고체 전지에 대해 상기 평가예 2와 동일한 방법으로 초기 충방전 효율, 율특성 및 회복 용량을 평가하여, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다. 아래 표 2에서 각 데이터들은 각각 3회씩 측정된 데이터의 산술평균 값이다. The all-solid-state batteries manufactured in Example 4 and Comparative Example 2 were evaluated for initial charge/discharge efficiency, rate characteristics, and recovery capacity in the same manner as in Evaluation Example 2, and the results are shown in Table 2 below. In Table 2 below, each data is the arithmetic average of data measured three times each.

  초기 충방전initial charge and discharge 율특성rate characteristics 회복 용량recovery capacity   초기충전용량(mAh/g)Initial charge capacity (mAh/g) 초기방전용량(mAh/g)Initial discharge capacity (mAh/g) 초기효율(%)Initial efficiency (%) 0.33C (%)0.33C (%) 1.0C (%)1.0C (%) 회복방전용량(mAh/g)Recovery discharge capacity (mAh/g) 회복이후충전용량(mAh/g)Charge capacity after recovery (mAh/g) 비교예 2Comparative Example 2 225.1 225.1 205.2 205.2 91.2 91.2 93.7 93.7 86.9 86.9 202.3 202.3 202.3 202.3 실시예 4Example 4 226.0 226.0 208.6 208.6 92.3 92.3 94.3 94.3 87.9 87.9 206.5 206.5 206.6 206.6

상기 표 2를 참고하면, 실시예 4의 전고체 전지의 경우 비교예 2의 전고체 전지에 비하여 초기 충방전 효율 및 율특성이 모두 향상되었고, 회복 방전 용량 및 회복 이후 충전 용량이 더욱 높아졌음을 확인할 수 있다. 이상 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.Referring to Table 2 above, in the case of the all-solid-state battery of Example 4, both initial charge and discharge efficiency and rate characteristics were improved compared to the all-solid-state battery of Comparative Example 2, and the recovery discharge capacity and charge capacity after recovery were further increased. You can check it. Although the preferred embodiments have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto. In addition, various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept defined in the claims should also be understood as falling within the scope of the present invention.

100: 전고체 전지 200: 양극
201: 양극 집전체 203: 양극 활물질 층
300: 고체 전해질 층 400: 음극
401: 음극 집전체 403: 음극 활물질 층
400’: 석출형 음극 404: 리튬 금속층
405: 음극 촉매층 500: 탄성층
100: all-solid-state battery 200: anode
201: positive electrode current collector 203: positive electrode active material layer
300: solid electrolyte layer 400: cathode
401: negative electrode current collector 403: negative electrode active material layer
400': Precipitated cathode 404: Lithium metal layer
405: cathode catalyst layer 500: elastic layer

Claims (20)

집전체, 및
상기 집전체 상에 위치하고 양극 활물질 입자와 황화물계 고체 전해질을 함유하는 양극 활물질 층을 포함하고,
상기 양극 활물질 입자의 표면, 및/또는 상기 양극 활물질 층의 표면에 위치하는 코팅층을 포함하며,
상기 코팅층은 리튬염을 포함하는 것인, 전고체 전지용 양극.
house collector, and
A positive electrode active material layer located on the current collector and containing positive electrode active material particles and a sulfide-based solid electrolyte,
It includes a coating layer located on the surface of the positive electrode active material particles and/or the surface of the positive active material layer,
An anode for an all-solid-state battery, wherein the coating layer contains a lithium salt.
제1항에서,
상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiPO2F2, LiF, LiBr, LiCl, LiI, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB), 리튬 디플루오로(옥살레이토)보레이트(LiDFOB), 리튬 디플루오로비스(옥살레이토)포스페이트, 리튬 테트라플루오로(옥살레이토)포스페이트, 또는 이들의 조합을 포함하는 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiPO 2 F 2 , LiF, LiBr, LiCl, LiI, lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) ), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB), lithium difluorobis(oxalato) ) A positive electrode for an all-solid-state battery containing phosphate, lithium tetrafluoro(oxalato)phosphate, or a combination thereof.
제1항에서,
상기 코팅층은 산화리튬(Li2O), 탄산리튬(Li2CO3), 수산화리튬(LiOH), 리튬 복합 산화물, 또는 이들의 조합을 더 포함하고,
상기 리튬 복합 산화물은 리튬과 함께 Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, 또는 이들의 조합을 함유하는 산화물인, 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The coating layer further includes lithium oxide (Li 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium hydroxide (LiOH), lithium complex oxide, or a combination thereof,
The lithium complex oxide is an oxide containing Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, or a combination thereof along with lithium. Phosphorus, anode for all-solid-state batteries.
제3항에서,
상기 리튬염은 상기 산화리튬, 탄산리튬, 수산화리튬, 리튬 복합 산화물, 또는 이들의 조합과 복합체(composite)를 이루고 있는 것인 전고체 전지용 양극.
In paragraph 3,
The lithium salt is a positive electrode for an all-solid-state battery in which the lithium salt forms a composite with the lithium oxide, lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium composite oxide, or a combination thereof.
제1항에서,
상기 코팅층은 Lix-PF6-y (0<x≤6, 0≤y≤5)로 표시되는 리튬-리치 리튬염을 더 포함하는 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The coating layer is a positive electrode for an all-solid-state battery further comprising a lithium-rich lithium salt represented by Li x -PF 6-y (0<x≤6, 0≤y≤5).
제1항에서,
상기 코팅층은 연속적인 막 형태이거나 또는 아일랜드 형태인 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The coating layer is a positive electrode for an all-solid-state battery in the form of a continuous film or island.
제1항에서,
상기 코팅층은 상기 양극 활물질 입자 100 몰부에 대하여 0.05 몰부 내지 5.0 몰부로 포함되는 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The positive electrode for an all-solid-state battery wherein the coating layer is included in an amount of 0.05 mole parts to 5.0 mole parts based on 100 mole parts of the positive electrode active material particles.
제1항에서,
상기 양극 활물질 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함하는 것인 전고체 전지용 양극:
[화학식 1]
Lia1Nix1M1 y1M2 1-x1-y1O2
상기 화학식 1에서, 0.9≤a1≤1.8, 0.6≤x1≤1, 0≤y1≤0.4이고, M1 및 M2는 각각 독립적으로 Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, 또는 이들의 조합이다.
In paragraph 1:
A positive electrode for an all-solid-state battery, wherein the positive electrode active material particles include a lithium nickel-based composite oxide represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Li a1 Ni x1 M 1 y1 M 2 1-x1-y1 O 2
In Formula 1, 0.9≤a1≤1.8, 0.6≤x1≤1, 0≤y1≤0.4, and M 1 and M 2 are each independently Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, F, Fe. , Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, or a combination thereof.
제1항에서,
상기 양극 활물질의 평균 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 25 ㎛이고,
상기 황화물계 고체 전해질의 평균 입경(D50)은 0.5 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The average particle diameter (D50) of the positive electrode active material is 1 ㎛ to 25 ㎛,
An anode for an all-solid-state battery wherein the sulfide-based solid electrolyte has an average particle diameter (D50) of 0.5 ㎛ to 5.0 ㎛.
제1항에서,
상기 황화물계 고체 전해질은 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5--LiX(X는 할로겐 원소 임), Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-LiI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn(m, n은 각각 정수이고, Z는 Ge, Zn 또는 Ga임), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LipMOq(p, q는 정수이고, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga 또는 In임), 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The sulfide-based solid electrolyte is Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 --LiX (X is a halogen element), Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 - LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (m, n are each integers, and Z is Ge, Zn or Ga Lim), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li p MO q (p, q are integers, M is P, Si, Ge, B , Al, Ga or In), or a combination thereof.
제1항에서,
상기 황화물계 고체 전해질은 아지로다이트형 황화물을 포함하는 것인 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The anode for an all-solid-state battery, wherein the sulfide-based solid electrolyte includes an azyrodite-type sulfide.
제1항에서,
상기 양극 활물질 층은 상기 양극 활물질층 100 중량%에 대하여,
55 중량% 내지 99.9 중량%의 양극 활물질;
0.1 중량% 내지 45 중량%의 고체 전해질;
0 중량% 내지 5 중량%의 도전제; 및
0 중량% 내지 5 중량%의 바인더를 포함하는 것인 전고체 전지용 양극.
In paragraph 1:
The positive electrode active material layer is based on 100% by weight of the positive active material layer,
55% to 99.9% by weight of positive electrode active material;
0.1% to 45% by weight of solid electrolyte;
0% to 5% by weight of conductive agent; and
An anode for an all-solid-state battery comprising 0% to 5% by weight of a binder.
양극 활물질, 리튬염, 및 수산화리튬을 혼합하고 열처리하여 코팅된 양극 활물질을 준비하고,
상기 코팅된 양극 활물질 및 황화물계 고체 전해질을 혼합하여 양극 조성물을 준비하고,
상기 양극 조성물을 기재에 도포하고 건조하는 것을 포함하는 전고체 전지용 양극의 제조 방법.
Prepare a coated positive electrode active material by mixing the positive electrode active material, lithium salt, and lithium hydroxide and heat treating,
Prepare a positive electrode composition by mixing the coated positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte,
A method of producing a positive electrode for an all-solid-state battery comprising applying the positive electrode composition to a substrate and drying it.
제13항에서,
상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiPO2F2, LiF, LiBr, LiCl, LiI, 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB), 리튬 디플루오로(옥살레이토)보레이트(LiDFOB), 리튬 디플루오로비스(옥살레이토)포스페이트, 리튬 테트라플루오로(옥살레이토)포스페이트, 또는 이들의 조합을 포함하는 전고체 전지용 양극의 제조 방법.
In paragraph 13:
The lithium salt is LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4 , LiPO 2 F 2 , LiF, LiBr, LiCl, LiI, lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) ), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium difluoro(oxalato)borate (LiDFOB), lithium difluorobis(oxalato) ) A method for producing a positive electrode for an all-solid-state battery containing phosphate, lithium tetrafluoro(oxalato)phosphate, or a combination thereof.
제13항에서,
상기 양극 활물질 100 중량부에 대하여, 상기 리튬염 0.05 몰부 내지 5.0 몰부 및 상기 수산화리튬 0.05 몰부 내지 5.0 몰부를 혼합하는 것인 전고체 전지용 양극의 제조 방법.
In paragraph 13:
A method of producing a positive electrode for an all-solid-state battery, wherein 0.05 mole part to 5.0 mole part of the lithium salt and 0.05 mole part to 5.0 mole part of the lithium hydroxide are mixed with 100 parts by weight of the positive electrode active material.
제13항에서,
상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함하는 것인 전고체 전지용 양극의 제조 방법:
[화학식 1]
Lia1Nix1M1 y1M2 1-x1-y1O2
상기 화학식 1에서, 0.9≤a1≤1.8, 0.6≤x1≤1, 0≤y1≤0.4이고, M1 및 M2는 각각 독립적으로 Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, F, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, 또는 이들의 조합이다.
In paragraph 13:
A method of producing a positive electrode for an all-solid-state battery, wherein the positive electrode active material includes a lithium nickel-based composite oxide represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Li a1 Ni x1 M 1 y1 M 2 1-x1-y1 O 2
In Formula 1, 0.9≤a1≤1.8, 0.6≤x1≤1, 0≤y1≤0.4, and M 1 and M 2 are each independently Al, B, Ba, Ca, Ce, Co, Cr, F, Fe. , Mg, Mn, Mo, Nb, P, S, Si, Sr, Ti, V, W, Zr, or a combination thereof.
제13항에서,
상기 양극 활물질, 상기 리튬염 및 상기 수산화리튬과 함께 금속 화합물 또는 준금속 화합물을 더 혼합하는 것이고,
상기 금속 화합물 또는 준금속 화합물은 Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, 또는 이들의 조합을 함유하는 화합물인 전고체 전지용 양극의 제조 방법.
In paragraph 13:
Further mixing a metal compound or metalloid compound with the positive electrode active material, the lithium salt, and the lithium hydroxide,
The metal compound or metalloid compound is a compound containing Al, B, Ca, Co, Ga, K, Mg, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, V, W, Y, Zr, or a combination thereof. Method for manufacturing an anode for a phosphorus all-solid-state battery.
제17항에서,
상기 금속 화합물 또는 준금속 화합물은 상기 양극 활물질 100 중량부에 대하여 0.05 몰부 내지 3.0 몰부로 혼합되는 것인 전고체 전지용 양극의 제조 방법.
In paragraph 17:
A method of producing a positive electrode for an all-solid-state battery, wherein the metal compound or metalloid compound is mixed in an amount of 0.05 mole part to 3.0 mole part based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
제13항에서,
상기 열처리는 100℃ 내지 700℃에서 1시간 내지 12시간 동안 진행되는 것인 전고체 전지용 양극의 제조 방법.
In paragraph 13:
A method of manufacturing a positive electrode for an all-solid-state battery, wherein the heat treatment is carried out at 100°C to 700°C for 1 hour to 12 hours.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 양극,
음극, 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하고 황화물계 고체 전해질을 함유하는 고체 전해질 층을 포함하는 전고체 전지.
An anode according to any one of claims 1 to 12,
cathode, and
An all-solid-state battery comprising a solid electrolyte layer located between the anode and the cathode and containing a sulfide-based solid electrolyte.
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