KR20240037037A - Solid electrolyte and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아지로다이트(Argyrodite)계 결정구조를 가지고, 상기 결정구조의 적어도 일부에 산소가 도핑되며, 하기 화학식 1로 표시되는, 황화물계 고체 전해질에 관한 것이다.
[화학식 1]
Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05
상기 화학식 1에서, A는 할로겐 원소이고, 0 < x < 0.5이다.The present invention relates to a sulfide-based solid electrolyte that has an argyrodite-based crystal structure, at least a portion of the crystal structure is doped with oxygen, and is represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Li (6-5x) P (1-x) S (4.95-4x) A 1-2x O 4x+0.05
In Formula 1, A is a halogen element and 0 < x < 0.5.
Description
본 발명은 고체 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 황화물계 고체 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a solid electrolyte and a lithium secondary battery containing the same, and more specifically, to a sulfide-based solid electrolyte and a lithium secondary battery containing the same.
최근 IT 모바일 기기 및 전기 자전거, 소형 전기차와 같은 소형 전력구동장치의 수요가 급증함에 따라, 고용량 전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 상기 고용량 전지에 대한 수요 증가에 따라, 상기 고용량 전지의 안전성 또는 에너지 밀도에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Recently, as demand for IT mobile devices and small power-driven devices such as electric bicycles and small electric vehicles has rapidly increased, interest in high-capacity batteries is increasing. As demand for high-capacity batteries increases, research on the safety or energy density of high-capacity batteries is actively underway.
이에 따라, 기존의 이차 전지의 안전성을 개선하고, 에너지 밀도를 높이기 위한 물질로서, 전고체 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전고체 전지는 기존에 리튬이차전지에서 사용되는 액체 전해질을 고체로 대체한 전지를 의미하며, 전지 내 가연성의 용매를 사용하지 않아, 종래 전해액의 분해반응과 같은 반응에 의한 발화나 폭발이 전혀 발생하지 않기 때문에, 전지의 안전성을 개선할 수 있다. 또한, 음극 소재로 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있기 때문에, 전지의 질량 및 부피에 대한 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.Accordingly, research on all-solid-state batteries is actively underway as a material to improve the safety of existing secondary batteries and increase energy density. An all-solid-state battery refers to a battery that replaces the liquid electrolyte used in existing lithium secondary batteries with a solid one. It does not use flammable solvents in the battery, so no ignition or explosion occurs due to a reaction such as the decomposition reaction of a conventional electrolyte solution. Since this is not done, the safety of the battery can be improved. Additionally, since lithium metal or lithium alloy can be used as the anode material, the energy density relative to the mass and volume of the battery can be improved.
상기 전고체 전지에 사용되는 고체 전해질은 무기계 고체 전해질이 일반적으로 사용되고 있으며, 상기 전고체전지 중 아지로다이트 구조인, Li6PS5Cl과 같은 조성을 갖는 황화물계 고체 전해질에 대해 다양한 연구가 진행 중이다.The solid electrolyte used in the all-solid-state battery is generally an inorganic solid electrolyte, and various studies have been conducted on a sulfide-based solid electrolyte with a composition such as Li 6 PS 5 Cl, which is an azirodite structure among the all-solid-state batteries. It's in progress.
그러나, 상기 황화물계 고체 전해질은 수분과의 부반응으로 인해, 이온 전도도가 현저히 낮아지는 등, 일반적인 대기에서의 취급이 어려운 문제가 있다.However, the sulfide-based solid electrolyte has problems that make it difficult to handle in general atmosphere, such as significantly lowering ionic conductivity due to side reactions with moisture.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 과제는 대기에 노출 시 이온 전도도의 열화가 최소화될 수 있는 고체 전해질을 제공하는 것이다.In order to solve the above-mentioned problems, one object of the present invention is to provide a solid electrolyte in which deterioration of ionic conductivity can be minimized when exposed to the atmosphere.
본 발명의 또 다른 일 과제는 전술한 이점을 갖는 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including a solid electrolyte having the above-mentioned advantages.
전술한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, 아지로다이트(Argyrodite)계 결정구조를 가지고, 상기 결정구조의 적어도 일부가 산소로 도핑되며, 하기 화학식 1로 표시되는, 황화물계 고체 전해질을 제공한다. In order to achieve the above-mentioned problem, one embodiment of the present invention has an argyrodite-based crystal structure, at least a portion of the crystal structure is doped with oxygen, and is represented by the following formula (1), a sulfide-based crystal structure. A solid electrolyte is provided.
[화학식 1][Formula 1]
Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 Li (6-5x) P (1-x) S (4.95-4x) A 1-2x O 4x+0.05
상기 화학식 1에서, A는 F, Cl, Br, I 또는 이들의 조합이고, 0 < x < 0.5이다.In Formula 1, A is F, Cl, Br, I, or a combination thereof, and 0 < x < 0.5.
상기 고체 전해질은 식 1을 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 1.
<식 1><Equation 1>
6.005 ≤ [Li]/[P] ≤ 6.56.005 ≤ [Li]/[P] ≤ 6.5
상기 식 1에서, [Li] 및 [P]는 각각 Li와 P의 at%를 의미한다. In Equation 1, [Li] and [P] mean at% of Li and P, respectively.
상기 고체 전해질은 식 2를 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 2.
<식 2><Equation 2>
4.9 ≤ [S]/[P] ≤ 5.44.9 ≤ [S]/[P] ≤ 5.4
상기 식 2에서, [S] 및 [P]는 각각 S와 P의 at%를 의미한다. In Equation 2 above, [S] and [P] mean at% of S and P, respectively.
상기 고체 전해질은 식 3을 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 3.
<식 3><Equation 3>
0.5 ≤ [A]/[P] ≤ 0.9950.5 ≤ [A]/[P] ≤ 0.995
상기 식 3에서, [A] 및 [P]는 각각 A와 P의 at%를 의미한다. In Equation 3 above, [A] and [P] mean at% of A and P, respectively.
상기 고체 전해질은 하기 식 4를 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 4 below.
<식 4><Equation 4>
0.01 ≤ [O]/[S] ≤ 0.40.01 ≤ [O]/[S] ≤ 0.4
상기 식 4에서, [O] 및 [S]는 각각 O와 S의 at%를 의미한다. In Equation 4 above, [O] and [S] mean at% of O and S, respectively.
상기 고체 전해질은, X선 회절(XRD) 패턴 측정시, 16.0˚ < 2θ < 17.5˚ 및 18.5˚ < 2θ < 24.5˚의 위치에서 불순물 피크가 나타나지 않을 수 있다. In the solid electrolyte, when measuring an
상기 고체 전해질의 대기에 노출된 후 이온 전도도는 대기에 노출되기 전 이온 전도도의 60 내지 83% 범위로 유지될 수 있다. The ionic conductivity of the solid electrolyte after exposure to the atmosphere may be maintained in the range of 60 to 83% of the ionic conductivity before exposure to the atmosphere.
본 발명의 다른 일 구현예는, 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 고체 전해질층을 포함하고, 상기 양극, 음극 및 고체 전해질층 중 적어도 어느 하나가 전술한 고체 전해질을 포함하는, 리튬 이차 전지를 제공한다. Another embodiment of the present invention is an anode; cathode; and a solid electrolyte layer positioned between the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte layer includes the solid electrolyte described above.
본 발명의 일 구현예에 따른 황화물계 고체 전해질은 아지로다이트계 결정구조의 적어도 일부가 산소로 도핑됨으로써, 대기에 노출 시 수분과의 부반응이 억제되어 이온 전도도의 열화가 최소화될 수 있다. In the sulfide-based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, at least a portion of the azirodite-based crystal structure is doped with oxygen, so that side reactions with moisture are suppressed when exposed to the atmosphere, thereby minimizing deterioration of ionic conductivity.
다만, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(“통상의 기술자”라 함)에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be explained by those who have ordinary knowledge in the technical field to which this disclosure pertains from the description of the claims (referred to as a “person skilled in the art”). can be clearly understood.
도 1은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 고체 전해질의 제조방법을 개념화한 모식도이다. Figure 1 is a schematic diagram conceptualizing a method for manufacturing a solid electrolyte according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 명확하고 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described clearly and in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their common or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.
본 명세서에서, "포함하는"과 같은 표현은, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.In this specification, expressions such as “comprising” should be understood as open-ended terms that imply the possibility of including other embodiments.
본 명세서에서, "바람직한" 또는 "바람직하게"는 소정 환경 하에서 소정의 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시 형태를 지칭한다. 그러나, 동일한 환경 또는 다른 환경 하에서, 다른 실시 형태가 또한 바람직할 수 있다. 추가로, 하나 이상의 바람직한 실시 형태의 언급은 다른 실시 형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범주로부터 다른 실시 형태를 배제하고자 하는 것은 아니다.As used herein, “preferred” or “preferably” refers to embodiments of the invention that may provide certain advantages under certain circumstances. However, under the same or different circumstances, other embodiments may also be preferred. Additionally, mention of one or more preferred embodiments does not mean that other embodiments are not useful, nor is it intended to exclude other embodiments from the scope of the invention.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 서술된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다. In this specification, the term "combination(s) thereof" described in the Markushi format expression refers to a mixture or combination of one or more selected from the group consisting of the components described in the Markushi format expression, It means containing one or more selected from the group consisting of constituent elements.
본 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는 A 또는 B 또는 이들 모두를 의미한다. In this specification, the description of “A and/or B” means A or B or both.
1. 고체 전해질1. Solid electrolyte
본 발명의 일 구현예는, 아지로다이트(Argyrodite)계 결정구조를 가지고, 상기 결정구조의 적어도 일부에 산소가 도핑되며, 하기 화학식 1로 표시되는, 황화물계 고체 전해질을 제공한다. One embodiment of the present invention provides a sulfide-based solid electrolyte that has an argyrodite-based crystal structure, at least a portion of the crystal structure is doped with oxygen, and is represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 Li (6-5x) P (1-x) S (4.95-4x) A 1-2x O 4x+0.05
상기 화학식 1에서, A는 F, Cl, Br, I 또는 이들의 조합이고, 0 < x < 0.5이다.In Formula 1, A is F, Cl, Br, I, or a combination thereof, and 0 < x < 0.5.
본 발명의 일 구현예에 따른 황화물계 고체 전해질은 아지로다이트(Argyrodite)계 결정구조를 가진다. 아지로다이트계 결정구조는 고이온 전도성을 갖는 이점이 있다. 다만, 이러한 아지로다이트계 결정구조는 고이온 전도성을 갖는 대신, 대기에 노출시 수분과의 부반응으로 인해 이온 전도도가 현저히 열화되는 문제가 있다. The sulfide-based solid electrolyte according to one embodiment of the present invention has an argyrodite-based crystal structure. The azyrodite-based crystal structure has the advantage of high ionic conductivity. However, instead of having high ionic conductivity, this azyrodite-based crystal structure has a problem in that ionic conductivity is significantly deteriorated due to a side reaction with moisture when exposed to the atmosphere.
이를 해결하기 위해, 본 발명의 일 구현예에 따른 황화물계 고체 전해질은 결정구조의 적어도 일부가 산소로 도핑된다. 산소로 도핑됨으로써, 수분 안정성이 우수할 수 있다. 보다 구체적으로, 대기에 노출 시 수분과의 부반응이 억제되어 이온 전도도의 열화가 최소화될 수 있다.To solve this problem, at least part of the crystal structure of the sulfide-based solid electrolyte according to one embodiment of the present invention is doped with oxygen. By being doped with oxygen, moisture stability can be excellent. More specifically, when exposed to the atmosphere, side reactions with moisture are suppressed, and deterioration of ionic conductivity can be minimized.
이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 황화물계 고체 전해질은 하기 화학식 1로 표시된다. The sulfide-based solid electrolyte according to one embodiment of the present invention is represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 Li (6-5x) P (1-x) S (4.95-4x) A 1-2x O 4x+0.05
상기 화학식 1에서, A는 할로겐 원소이고, 0 < x < 0.5 이다.In Formula 1, A is a halogen element and 0 < x < 0.5.
구체적으로, 상기 화학식 1에서 O(산소)는 도핑 원소이다. 본 명세서에서, “도핑”이란, 화합물의 일부 원소를 새로운 원소로 치환하는 것 뿐만 아니라, 도핑된 원소가 화합물의 결정상의 일 구성 요소가 되는 것까지 의미할 수 있다. Specifically, in Formula 1, O (oxygen) is a doping element. In this specification, “doping” may mean not only replacing some elements of a compound with new elements, but also allowing the doped element to become a component of the crystal phase of the compound.
그리고, 상기 화학식 1에서 4x+0.05는 도핑 원소인 산소의 도핑량을 몰 수로 나타낸 것이다. 이 때, 0 < x < 0.5 을 만족한다. And, in Formula 1, 4x+0.05 represents the doping amount of oxygen, a doping element, in moles. At this time, 0 < x < 0.5 is satisfied.
보다 구체적으로, 상기 x는 0.005 내지 0.4, 0.005 내지 0.07 또는 0.005 내지 0.02일 수 있다. x가 너무 작으면 산소의 도핑량이 너무 적다는 것을 의미하고, x가 너무 크면 산소의 도핑량이 너무 많다는 것을 의미할 수 있다. 이 때, 산소의 도핑량이 너무 적으면, 기본 Li6PS5Cl 아지로다이트 조성과 크게 차이가 나지 않아 도핑 효과, 즉, 대기에 노출 시 수분 안정성이 증대되는 효과, 다시 말해 대기 노출 시 이온 전도도의 열화가 감소되는 효과(이를 나타내는 척도로 대기 노출 전 이온 전도도에 대한 대기 노출 후 이온 전도도의 값을 백분율(%)로 환산한 값(이하, 유지율)이 있을 수 있다)가 미미한 문제가 발생할 수 있다. 반면, 산소의 도핑량이 너무 많으면, 높은 이온 전도성을 갖는 황화물계 고체 전해질의 아지로다이트의 결정 구조가 크게 변형되어 리튬 이온 이동이 원활하지 않게 되고, 결국 이온 전도도가 현저히 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. More specifically, x may be 0.005 to 0.4, 0.005 to 0.07, or 0.005 to 0.02. If x is too small, it may mean that the doping amount of oxygen is too small, and if x is too large, it may mean that the doping amount of oxygen is too large. At this time, if the doping amount of oxygen is too small, it does not differ significantly from the basic Li 6 PS 5 Cl azirodite composition, resulting in a doping effect, that is, an effect of increasing moisture stability when exposed to the atmosphere, that is, ions when exposed to the atmosphere. The effect of reducing the deterioration of conductivity (a measure of this may be the ionic conductivity before exposure to the air compared to the value of the ionic conductivity after air exposure converted into a percentage (%) (hereinafter referred to as retention rate)) may cause problems. You can. On the other hand, if the doping amount of oxygen is too large, the crystal structure of the azyrodite in the sulfide-based solid electrolyte with high ionic conductivity is greatly modified, resulting in poor lithium ion movement, which can eventually lead to a problem in which ionic conductivity is significantly lowered. there is.
상기 화학식 1에서, A는 할로겐 원소를 의미하며, 구체적으로 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I) 중 어느 하나 이상일 수 있다. In Formula 1, A refers to a halogen element, and may specifically be any one or more of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I).
보다 구체적으로, A는 염소(Cl)일 수 있다. 할로겐 원소 중 특히 염소가 사용됨에 따라, 아지로다이트계 고체 전해질의 구조가 안정화되는 효과 및 다른 원소보다 합성이 용이하고, 가격이 저렴한 이점이 있을 수 있다. More specifically, A may be chlorine (Cl). Among the halogen elements, chlorine in particular is used, which may have the advantage of stabilizing the structure of the azirodite-based solid electrolyte and making it easier to synthesize and cheaper than other elements.
상기 고체 전해질은 하기 식 1을 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 1 below.
<식 1><Equation 1>
6.005 ≤ [Li]/[P] ≤ 6.56.005 ≤ [Li]/[P] ≤ 6.5
상기 식 1에서, [Li] 및 [P]는 각각 Li와 P의 at%를 의미한다.In Equation 1, [Li] and [P] mean at% of Li and P, respectively.
보다 구체적으로, 상기 [Li]/[P]는 인 원자 몰수에 대한 리튬 원자 몰수 비를 의미하는데, 상기 [Li]/[P]는 6.005 내지 6.5, 6.005 내지 6.07 또는 6.005 내지 6.02일 수 있다. [Li]/[P]가 너무 작으면 불순물 발생으로 인한 전도도 열화가 있을 수 있고, [Li]/[P]가 너무 크면 수분에 높은 황화물 함유에 따른 수분불안정성 및 구조 불안정성으로 인해 전지 성능이 저하된다. More specifically, [Li]/[P] refers to the ratio of the number of moles of lithium atoms to the number of moles of phosphorus atoms, and [Li]/[P] may be 6.005 to 6.5, 6.005 to 6.07, or 6.005 to 6.02. If [Li]/[P] is too small, conductivity may deteriorate due to impurities, and if [Li]/[P] is too large, battery performance may deteriorate due to moisture instability and structural instability due to high sulfide content in moisture. do.
상기 고체 전해질은 하기 식 2를 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 2 below.
<식 2><Equation 2>
4.9 ≤ [S]/[P] ≤ 5.44.9 ≤ [S]/[P] ≤ 5.4
상기 식 2에서, [S] 및 [P]는 각각 S와 P의 at%를 의미한다.In Equation 2 above, [S] and [P] mean at% of S and P, respectively.
보다 구체적으로, 상기 [S]/[P]는 인 원자 몰수에 대한 황 원자 몰수 비를 의미하는데, 상기 [S]/[P]는 4.9 내지 5.4, 4.9 내지 5.02 또는 4.9 내지 4.97일 수 있다. [S]/[P]가 너무 작으면 불순물 발생으로 인한 전도도 열화가 있을 수 있고, [S]/[P]가 너무 크면 수분에 높은 황화물 함유에 따른 수분불안정성 및 구조 불안정성으로 인해 전지 성능이 저하된다.More specifically, [S]/[P] refers to the ratio of the number of moles of sulfur atoms to the number of moles of phosphorus atoms, and [S]/[P] may be 4.9 to 5.4, 4.9 to 5.02, or 4.9 to 4.97. If [S]/[P] is too small, conductivity may deteriorate due to impurities, and if [S]/[P] is too large, battery performance may deteriorate due to moisture instability and structural instability due to high sulfide content in moisture. do.
상기 고체 전해질은 하기 식 3을 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 3 below.
<식 3><Equation 3>
0.5 ≤ [A]/[P] ≤ 0.9950.5 ≤ [A]/[P] ≤ 0.995
상기 식 3에서, [A] 및 [P]는 각각 A와 P의 at%를 의미한다.In Equation 3 above, [A] and [P] mean at% of A and P, respectively.
보다 구체적으로, 상기 [A]/[P]는 인 원자 몰수에 대한 할로겐 원자 A의 몰수 비를 의미한다. 이때, 할로겐 원자 A는 F, Cl, Br, I 또는 이들의 조합일 수 있다. 그리고, 상기 [A]/[P]는 0.5 내지 0.995, 0.93 내지 0.995 또는 0.98 내지 0.995일 수 있다. [A]/[P]가 너무 작거나 크면 구조적인 불안정성으로 인한 수분 및 전기화학적인 성능 열화가 발생한다.More specifically, [A]/[P] means the ratio of the number of moles of halogen atoms A to the number of moles of phosphorus atoms. At this time, the halogen atom A may be F, Cl, Br, I, or a combination thereof. And, [A]/[P] may be 0.5 to 0.995, 0.93 to 0.995, or 0.98 to 0.995. If [A]/[P] is too small or large, moisture and electrochemical performance deterioration occurs due to structural instability.
상기 고체 전해질은 하기 식 4를 만족할 수 있다. The solid electrolyte may satisfy Equation 4 below.
<식 4><Equation 4>
0.01 ≤ [O]/[S] ≤ 0.40.01 ≤ [O]/[S] ≤ 0.4
상기 식 4에서, [O] 및 [S]는 각각 O와 S의 at%를 의미한다.In Equation 4 above, [O] and [S] mean at% of O and S, respectively.
보다 구체적으로, 상기 [O]/[S]는 황 원자 몰수에 대한 산소 원자 몰수 비를 의미하는데, 상기 [O]/[S]는 0.01 내지 0.4, 0.01 내지 0.07 또는 0.01 내지 0.03일 수 있다. [O]/[S]가 너무 작으면 대기 노출시 수분과 반응하여 고체전해질의 구조 붕괴에 따른 이온전도도의 저감이 발생할 수 있고, [O]/[S]가 너무 크면 구조내 Li에 대한 Polarity가 작아져 이온 전도도가 현저히 떨어질 수 있다. More specifically, [O]/[S] refers to the ratio of the number of moles of oxygen atoms to the number of moles of sulfur atoms, and [O]/[S] may be 0.01 to 0.4, 0.01 to 0.07, or 0.01 to 0.03. If [O]/[S] is too small, it may react with moisture when exposed to the atmosphere, resulting in a decrease in ionic conductivity due to structural collapse of the solid electrolyte, and if [O]/[S] is too large, the polarity of Li in the structure may occur. becomes smaller and ionic conductivity may drop significantly.
상기 고체 전해질은, X선 회절(XRD) 패턴 측정시, 16.0˚ < 2θ < 17.5˚ 및 18.5˚ < 2θ < 24.5˚의 위치에서 불순물 피크가 나타나지 않을 수 있다. In the solid electrolyte, when measuring an
상기 범위의 XRD 피크값 2θ는 불순물 피크에 해당하는 것으로서, 고체 전해질에서 불순물 피크가 나타나지 않음으로써, 대기에 노출 시 수분 안정성 및 전기화학적 안정성이 개선될 수 있다. The XRD peak value 2θ in the above range corresponds to the impurity peak, and since the impurity peak does not appear in the solid electrolyte, moisture stability and electrochemical stability can be improved when exposed to the atmosphere.
본 발명의 일 구현예에 따른 고체 전해질은 전술한 화학식 1 및 식 1 내지 4를 만족함에 따라, 대기에 노출된 후 이온 전도도가 대기에 노출되기 전 이온 전도도의 60 내지 83% 범위로 유지될 수 있다. As the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention satisfies the above-mentioned Chemical Formula 1 and Equations 1 to 4, the ionic conductivity after exposure to the atmosphere can be maintained in the range of 60 to 83% of the ionic conductivity before exposure to the atmosphere. there is.
2. 고체 전해질의 제조방법2. Manufacturing method of solid electrolyte
본 발명의 다른 일 구현예는, 리튬 함유 황화물, 인 함유 화합물, 할로겐 함유 화합물 및 도핑 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 열처리하여 황화물계 고체 전해질을 형성하는 단계를 포함하는, 황화물계 고체 전해질의 제조방법을 제공한다. Another embodiment of the present invention includes mixing a lithium-containing sulfide, a phosphorus-containing compound, a halogen-containing compound, and a doping raw material to form a mixture; and heat-treating the mixture to form a sulfide-based solid electrolyte.
도 1은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 고체 전해질의 제조방법을 개념화한 모식도이다. Figure 1 is a schematic diagram conceptualizing a method for manufacturing a solid electrolyte according to another embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 도 1의 주황색 타원 형태의 영역은 종래 일반적으로 알려진 기본 아지로다이트 고체 전해질의 제조방법상 출발 원료물질들의 성분계 범위를 나타낸 것이다. Referring to FIG. 1, the orange oval-shaped area in FIG. 1 shows the composition range of the starting raw materials in the conventionally generally known method of manufacturing basic azirodite solid electrolyte.
반면, 본 발명에 따른 고체 전해질의 제조방법은 산소를 도핑하기 위해 출발 원료물질의 혼합 단계에서 도핑 원료물질을 더 혼합함으로써, 목적하는 산소 도핑된 아지로다이트계 결정구조의 황화물계 고체 전해질을 제공할 수 있다. On the other hand, the method for producing a solid electrolyte according to the present invention provides a sulfide-based solid electrolyte with the desired oxygen-doped azirodite-based crystal structure by further mixing the doping raw material in the mixing step of the starting raw material to dope oxygen. can do.
이때, 도 1의 파란색 구 형태의 영역은 본 발명에 따른 고체 전해질의 제조방법상 출발 원료물질들의 성분계 범위를 나타낸 것이다. At this time, the blue sphere-shaped area in FIG. 1 shows the composition range of the starting raw materials in the method for producing a solid electrolyte according to the present invention.
이하, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 황화물계 고체 전해질의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다. Hereinafter, a method for producing a sulfide-based solid electrolyte according to another embodiment of the present invention will be described in detail in each step.
먼저, 리튬 함유 황화물, 인 함유 화합물, 염소 함유 화합물 및 도핑 원료 물질을 혼합하여 혼합물을 형성한다.First, lithium-containing sulfide, phosphorus-containing compound, chlorine-containing compound and doping raw material are mixed to form a mixture.
상기 리튬 함유 황화물은 예를 들어, Li2S, Li2S2 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 리튬 함유 황화물은 Li2S일 수 있다. The lithium-containing sulfide may be, for example, Li 2 S, Li 2 S 2 or a combination thereof, but is not limited thereto. Specifically, the lithium-containing sulfide may be Li 2 S.
상기 인 함유 화합물은 예를 들어, P2S5, P2O5 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 인 함유 화합물은 P2S5일 수 있다. The phosphorus-containing compound may be, for example, P 2 S 5 , P 2 O 5 or a combination thereof, but is not limited thereto. Specifically, the phosphorus-containing compound may be P 2 S 5 .
상기 할로겐 함유 화합물은 예를 들어, LiF, LiCl, LiBr, LiI 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 할로겐 함유 화합물은 LiCl일 수 있다. The halogen-containing compound may be, for example, LiF, LiCl, LiBr, LiI, or a combination thereof, but is not limited thereto. Specifically, the halogen-containing compound may be LiCl.
상기 도핑 원료 물질은 예를 들어, Li2SO4, Li3PO4, Li4SiO4, Li4GeO4, Li3BO3, Li3AlO3 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The doping raw material may be, for example, Li 2 SO 4 , Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , Li 3 BO 3 , Li 3 AlO 3 or a combination thereof, but is not limited thereto. no.
보다 구체적으로, 상기 도핑 원료 물질은 Li2SO4일 수 있다. 도핑 원료 물질로서 Li2SO4를 사용함에 따라, 산소와 더불어 리튬이 동시에 도핑됨에 따라 전도도 열화가 최소화될 수 있고, 산화물이 고농도로 도핑되어 전반적인 전지성능이 증가될 수 있다. More specifically, the doping raw material may be Li 2 SO 4 . By using Li 2 SO 4 as a doping raw material, conductivity deterioration can be minimized as lithium is simultaneously doped with oxygen, and overall battery performance can be increased because oxide is doped at a high concentration.
상기 혼합은 건식 혼합 또는 습식 혼합으로 수행될 수 있다. The mixing can be performed by dry mixing or wet mixing.
바람직하게는, 상기 혼합은 건식 혼합일 수 있다. 건식 혼합으로 수행될 경우, 습식 혼합과 같이 별도의 용매가 필요하지 않다는 이점이 있다. Preferably, the mixing may be dry mixing. When performed by dry mixing, there is an advantage that no separate solvent is required as with wet mixing.
이 때, 건식 혼합은 건식 밀링 방법으로 수행될 수 있다. At this time, dry mixing can be performed using a dry milling method.
건식 밀링은 볼밀, 진동밀, 터보밀, 메카노퓨전, 디스크밀, 비드밀, 플래니터리 밀(Planetary mill) 일 수 있으며, 보다 구체적으로는, 플래니터리 밀(Planetary mill)일 수 있다.Dry milling may be a ball mill, vibrating mill, turbo mill, mechanofusion, disk mill, bead mill, or planetary mill. More specifically, it may be a planetary mill.
상기 혼합은 4 내지 12시간 동안 수행될 수 있고, 구체적으로 6 내지 10시간, 보다 구체적으로 7 내지 9시간 동안 수행될 수 있다. 혼합이 너무 짧은 시간 동안 수행되면, 혼합이 덜 이루어지는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 혼합이 너무 긴 시간 동안 수행되면, 일정 시간 이상에서 혼합이 모두 이루어져 혼합을 더 진행하더라도 혼합 상태가 동일하게 되어 공정 효율성 측면에서 문제가 발생할 수 있다. The mixing may be performed for 4 to 12 hours, specifically 6 to 10 hours, and more specifically 7 to 9 hours. If mixing is performed for too short a time, problems with undermixing may occur. On the other hand, if mixing is performed for too long, the mixing state may remain the same even if mixing is completed over a certain period of time and further mixing is performed, which may cause problems in process efficiency.
상기 혼합은 100 내지 500 rpm의 회전 속도로 수행될 수 있고, 구체적으로 150 내지 450 rpm, 보다 구체적으로 200 내지 400 rpm 의 회전 속도로 수행될 수 있다. 회전 속도가 너무 느리면, 볼들이 분말 분체 내부까지 들어가지 못해 분말 입자들끼리 전체적으로 혼합이 덜 이루어지거나 에너지가 낮아 분말 입자들의 미립화가 덜 일어나는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 회전 속도가 너무 빠르면, 분말 분체들이 한 곳에 치우치게 되어 고르게 혼합이 덜 일어나는 문제가 발생할 수 있다. The mixing may be performed at a rotation speed of 100 to 500 rpm, specifically 150 to 450 rpm, and more specifically 200 to 400 rpm. If the rotation speed is too slow, the balls may not be able to enter the inside of the powder body, which may cause problems such as less overall mixing of the powder particles or less atomization of the powder particles due to low energy. On the other hand, if the rotation speed is too fast, the powder may be concentrated in one place, causing less even mixing.
다음으로, 필요에 따라 선택적으로, 상기 혼합물을 형성하는 단계 이후, 상기 혼합물을 압축하여 펠렛을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Next, optionally, if necessary, after forming the mixture, a step of compressing the mixture to form pellets may be further included.
이 때, 상기 압축은 100 내지 500 Mpa 의 압력으로 수행될 수 있고, 구체적으로 150 내지 450 Mpa, 보다 구체적으로 200 내지 400 Mpa 의 압력으로 수행될 수 있다. 압력이 너무 낮으면, 분말 입자들간 결착이 부족하여 계면 저항이 높아질 수 있는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 압력이 너무 높으면, 분말 입자들간 결착이 이미 이루어져 그 이상의 압력을 가해도 결착상태가 달라지지 않아 공정 효율성 측면에서 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 적절한 압력으로 펠렛을 형성하는 것이 생산성 측면에서 바람직하다. At this time, the compression may be performed at a pressure of 100 to 500 Mpa, specifically 150 to 450 Mpa, and more specifically 200 to 400 Mpa. If the pressure is too low, a problem may occur in which interfacial resistance may increase due to insufficient cohesion between powder particles. On the other hand, if the pressure is too high, the bonding between the powder particles has already occurred and the bonding state does not change even if more pressure is applied, which may cause problems in process efficiency. Therefore, forming pellets at an appropriate pressure is desirable in terms of productivity.
다음으로, 상기 혼합물을 열처리하여 황화물계 고체 전해질을 형성한다. 물론, 펠렛을 형성하는 단계가 더 포함될 경우에는, 상기 펠렛을 열처리하여 황화물계 고체 전해질을 형성한다. Next, the mixture is heat treated to form a sulfide-based solid electrolyte. Of course, when the step of forming pellets is further included, the pellets are heat treated to form a sulfide-based solid electrolyte.
상기 열처리는 300 내지 800℃에서 수행될 수 있고, 구체적으로 400 내지 700℃, 보다 구체적으로 500 내지 600℃에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 너무 낮으면, 열처리 효과가 미미한 문제가 발생할 수 있고, 열처리 온도가 너무 높으면 고체 전해질을 이루는 원소들이 기화하여 고체 전해질이 손실되는 문제가 발생할 수 있다. The heat treatment may be performed at 300 to 800°C, specifically 400 to 700°C, and more specifically 500 to 600°C. If the heat treatment temperature is too low, the heat treatment effect may be insignificant, and if the heat treatment temperature is too high, the elements that make up the solid electrolyte may vaporize and the solid electrolyte may be lost.
상기 열처리는 비활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 아르곤(Ar) 분위기에서 수행될 수 있다. The heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere. More specifically, it may be performed in an argon (Ar) atmosphere.
3. 리튬 이차 전지3. Lithium secondary battery
본 발명의 또 다른 일 구현예는, 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하는 고체 전해질층을 포함하고, 상기 양극, 음극 및 고체 전해질층 중 적어도 어느 하나가 전술한 고체 전해질을 포함하는, 리튬 이차 전지를 제공한다. Another embodiment of the present invention is an anode; cathode; and a solid electrolyte layer positioned between the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte layer includes the solid electrolyte described above.
고체 전해질은 전술한 바와 같으므로, 이하 나머지 구성에 대하여 상세히 설명한다.Since the solid electrolyte is the same as described above, the remaining components will be described in detail below.
상기 양극은 전류 집전체 및 상기 전류 집전체 상에 배치되는 양극 활물질층을 포함할 수 있으며, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함할 수 있다.The positive electrode may include a current collector and a positive electrode active material layer disposed on the current collector, and the positive electrode active material layer may include a positive electrode active material.
상기 양극 활물질로는 리튬을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:As the positive electrode active material, a compound capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium (lithiated intercalation compound) can be used. Specifically, one or more types of complex oxides of lithium and a metal selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof can be used. As a specific example, a compound represented by any of the following formulas can be used:
LiaA1-bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1-bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αTα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αT2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αTα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbBcO2-αT2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.Li a A 1-b B b D 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8 and 0 ≤ b ≤ 0.5); Li a E 1-b B b O 2-c D c (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE 2-b B b O 4-c D c (wherein 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b B c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α T α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Co b B c O 2-α T 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B c D α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α T α (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni 1-bc Mn b B c O 2-α T 2 (wherein 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (In the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (In the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a MnG b O 2 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (in the above formula, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≤ f ≤ 2); and LiFePO 4 .
상기 화학식에서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; T는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합일 수 있다.In the above formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; T is F, S, P or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I is Cr, V, Fe, Sc, Y or a combination thereof; J may be V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.
물론 상기 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. Of course, the above compound may have a coating layer on its surface, or a mixture of the above compound and a compound having a coating layer may be used.
상기 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 코팅 원소의 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. The coating layer may include at least one coating element compound selected from the group consisting of oxides of coating elements, hydroxides of coating elements, oxyhydroxides of coating elements, oxycarbonates of coating elements, and hydroxycarbonates of coating elements. You can. The compounds that make up these coating layers may be amorphous or crystalline. Coating elements included in the coating layer may include Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or mixtures thereof. For the coating layer formation process, any coating method may be used as long as these elements can be used in the compound to coat the compound in a manner that does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material (e.g., spray coating, dipping method, etc.). Since this is well-understood by people working in the field, detailed explanation will be omitted.
상기 양극 활물질층은 전술한 양극 활물질과 함께, 도전재 및/또는 바인더를 더 포함할 수 있다. The positive electrode active material layer may further include a conductive material and/or binder along with the positive electrode active material described above.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The binder serves to adhere the positive electrode active material particles to each other and to the current collector, and representative examples include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, and carboxylated Polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers containing ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylic Teed styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, etc. can be used, but are not limited thereto.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머 물질; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and in the battery being constructed, any electronically conductive material can be used as long as it does not cause chemical change. Examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, and Ketjen. Carbon-based materials such as black and carbon fiber; Metallic substances such as metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal fibers; Conductive polymer materials such as polyphenylene derivatives; Alternatively, a conductive material containing a mixture thereof may be used.
상기 전류 집전체로는 알루미늄을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Aluminum may be used as the current collector, but is not limited thereto.
상기 음극은 전류 집전체 및 상기 전류 집전체 상에 배치된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함한다. The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer disposed on the current collector, and the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 또는 전이 금속 산화물을 포함한다. The negative electrode active material includes 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 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다. The material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions is a carbon material. Any carbon-based anode active material commonly used in lithium ion secondary batteries can be used, and a representative example is crystalline carbon. , amorphous carbon, or a combination of these can be used. 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 (low-temperature calcined carbon). Alternatively, hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, etc. may be mentioned.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다. The lithium metal alloy includes lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al and Sn. Any alloy of metals of choice may be used.
상기 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질로는 Si, SiOx(0< x < 2), Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-Y(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 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 Y로는 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, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. Materials that can dope and dedope lithium include Si, SiOx (0 < x < 2), Si-Y alloy (Y is an alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 element, Group 14 element, transition metal, rare earth An element selected from the group consisting of elements and combinations thereof, but not Si), Sn, SnO 2 , Sn-Y (where Y is an alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 element, Group 14 element, transition metal, rare earth element) and an element selected from the group consisting of a combination thereof, but not Sn), etc., and at least one of these and SiO 2 may be mixed and used. The element Y includes 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, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, It may be selected from the group consisting of Se, Te, Po, and combinations thereof.
상기 전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다. Examples of the transition metal oxide include vanadium oxide and lithium vanadium oxide.
상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다. The anode active material layer also includes a binder and, optionally, may further include a conductive material.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The binder serves to adhere the negative electrode active material particles to each other and to the current collector, and representative examples include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, and carboxylated Polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers containing ethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylic Teed styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, etc. can be used, but are not limited thereto.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용 가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머 물질; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. The conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and in the battery being constructed, any electronically conductive material can be used as long as it does not cause chemical change. Examples include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, and Ketjen. Carbon-based materials such as black and carbon fiber; Metallic substances such as metal powders such as copper, nickel, aluminum, and silver, or metal fibers; Conductive polymer materials such as polyphenylene derivatives; Alternatively, a conductive material containing a mixture thereof may be used.
상기 전류 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.The current collector may be selected from the group consisting of copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, conductive metal-coated polymer substrate, and combinations thereof.
상기 음극과 양극은 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조한다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The negative electrode and positive electrode are manufactured by mixing an active material, a conductive material, and a binder in a solvent to prepare an active material composition, and applying this composition to a current collector. Since this electrode manufacturing method is widely known in the field, detailed description will be omitted in this specification. The solvent may be N-methylpyrrolidone, but is not limited thereto.
리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수도 있다. 이러한 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이트 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다. Depending on the type of lithium secondary battery, a separator may exist between the positive and negative electrodes. Such separators may be polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, or a multilayer film of two or more layers thereof, such as polyethylene/polypropylene two-layer separator, polyethylene/polypropylene/polyethylene three-layer separator, polypropylene/polyethylene/poly. Of course, mixed multilayer films such as propylene three-layer separator can be used.
이하, 실시예를 통해서 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail through examples. However, the following example is only a preferred example of the present invention, and the present invention is not limited by the following example.
실시예 1: LiExample 1: Li 6.016.01 PSP.S. 4.964.96 ClCl 0.990.99 OO 0.090.09 고체 전해질의 제조 Preparation of solid electrolyte
최종 생성물인 Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 고체 전해질에서 x=0.01이 되도록 반응물인 Li2S, P2S5, LiCl 및 Li2SO4를 정량한 후, 플래니터리 밀(Planetary mill)을 이용하여 약 8시간 동안 300 rpm으로 혼합하여 혼합물을 형성하였다. The reactants Li 2 S , P 2 S 5 , LiCl and After quantifying Li 2 SO 4 , the mixture was mixed at 300 rpm for about 8 hours using a planetary mill to form a mixture.
다음으로, 상기 혼합물에 300 Mpa의 압력을 가하여 펠렛을 형성하였다. Next, a pressure of 300 Mpa was applied to the mixture to form pellets.
다음으로, 상기 펠렛을 아르곤(Ar) 분위기에서 550℃로 열처리하여 Li6.01PS4.96Cl0.99O0.09 고체 전해질을 제조하였다. Next, the pellet was heat-treated at 550°C in an argon (Ar) atmosphere to prepare a Li 6.01 PS 4.96 Cl 0.99 O 0.09 solid electrolyte.
실시예 2: LiExample 2: Li 6.036.03 PSP.S. 4.984.98 ClCl 0.970.97 OO 0.180.18 고체 전해질의 제조 Preparation of solid electrolyte
최종 생성물인 Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 고체 전해질에서 x=0.03이 되도록 반응물인 Li2S, P2S5, LiCl 및 Li2SO4를 정량한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 Li6.03PS4.98Cl0.97O0.18 고체 전해질을 제조하였다. The reactants Li 2 S , P 2 S 5 , LiCl and Li 6.03 PS 4.98 Cl 0.97 O 0.18 solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1 , except that Li 2 SO 4 was quantified.
실시예 3: LiExample 3: Li 6.056.05 PSP.S. 5.005.00 ClCl 0.950.95 OO 0.260.26 고체 전해질의 제조 Preparation of solid electrolyte
최종 생성물인 Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 고체 전해질에서 x=0.05이 되도록 반응물인 Li2S, P2S5, LiCl 및 Li2SO4를 정량한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 Li6.05PS5.00Cl0.95O0.26 고체 전해질을 제조하였다. The reactants Li 2 S , P 2 S 5 , LiCl and Li 6.05 PS 5.00 Cl 0.95 O 0.26 solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 SO 4 was quantified.
실시예 4: LiExample 4: Li 6.116.11 PSP.S. 5.065.06 ClCl 0.890.89 OO 0.500.50 고체 전해질의 제조 Preparation of solid electrolyte
최종 생성물인 Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 고체 전해질에서 x=0.10이 되도록 반응물인 Li2S, P2S5, LiCl 및 Li2SO4를 정량한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 Li6.11PS5.06Cl0.89O0.50 고체 전해질을 제조하였다. The reactants Li 2 S , P 2 S 5 , LiCl and Li 6.11 PS 5.06 Cl 0.89 O 0.50 solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 SO 4 was quantified.
실시예 5: LiExample 5: Li 6.256.25 PSP.S. 5.195.19 ClCl 0.750.75 OO 1.061.06 고체 전해질의 제조 Preparation of solid electrolyte
최종 생성물인 Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 고체 전해질에서 x=0.20이 되도록 반응물인 Li2S, P2S5, LiCl 및 Li2SO4를 정량한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 Li6.25PS5.19Cl0.75O1.06 고체 전해질을 제조하였다. The reactants Li 2 S , P 2 S 5 , LiCl and Li 6.25 PS 5.19 Cl 0.75 O 1.06 solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 SO 4 was quantified.
실시예 6: LiExample 6: Li 6.436.43 PSP.S. 5.365.36 ClCl 0.570.57 OO 1.791.79 고체 전해질의 제조 Preparation of solid electrolyte
최종 생성물인 Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05 고체 전해질에서 x=0.30이 되도록 반응물인 Li2S, P2S5, LiCl 및 Li2SO4를 정량한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 Li6.43PS5.36Cl0.57O1.79 고체 전해질을 제조하였다. The reactants Li 2 S , P 2 S 5 , LiCl and A Li 6.43 PS 5.36 Cl 0.57 O 1.79 solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that Li 2 SO 4 was quantified.
비교예 1: LiComparative Example 1: Li 66 PSP.S. 55 Cl 고체 전해질의 제조Preparation of Cl solid electrolyte
Li2S, P2S5 및 LiCl을 플래니터리 밀(Planetary mill)을 이용하여 약 8시간 동안 300 rpm으로 혼합하여 혼합물을 형성하였다. Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl were mixed at 300 rpm for about 8 hours using a planetary mill to form a mixture.
다음으로, 상기 혼합물에 300 Mpa의 압력을 가하여 펠렛을 형성하였다. Next, a pressure of 300 Mpa was applied to the mixture to form pellets.
다음으로, 상기 펠렛을 아르곤(Ar) 분위기에서 550℃로 열처리하여 Li6PS5Cl 고체 전해질을 제조하였다.Next, the pellet was heat-treated at 550°C in an argon (Ar) atmosphere to prepare Li 6 PS 5 Cl solid electrolyte.
아래 표 1은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 따라 제조된 고체 전해질의 조성 및 성분 원자들간 몰수 비를 정리한 것이다. Table 1 below summarizes the composition and mole ratio between component atoms of the solid electrolytes prepared according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1.
실험예 1: 수분 안정성 평가 Experimental Example 1: Moisture stability evaluation
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 따라 제조된 고체 전해질의 수분 안정성 평가 실험을 진행하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 구체적인 실험 방법은 아래와 같다. An experiment was conducted to evaluate the moisture stability of the solid electrolytes prepared according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, and the results are shown in Table 2 below. The specific experimental method is as follows.
(1) 대기 노출 전 이온 전도도 평가(1) Evaluation of ionic conductivity before exposure to air
고체 전해질을 분쇄한 후, 300 Mpa 압력 하에 펠렛 형태로 제작하였다. 그 후, 작업 전극으로 SUS를 이용하여, 700 Mpa의 압력으로 셀을 제작하였다. 그 후, 25℃에서 10mV의 전압을 인가하여 임피던스를 측정하였다. After pulverizing the solid electrolyte, it was manufactured into pellet form under 300 Mpa pressure. Afterwards, a cell was manufactured at a pressure of 700 Mpa using SUS as a working electrode. Afterwards, the impedance was measured by applying a voltage of 10 mV at 25°C.
(2) 대기 노출 후 이온 전도도 평가(2) Evaluation of ionic conductivity after exposure to air
이슬점이 약 -40℃인 드라이 룸에서, 분말 형태의 고체 전해질 2g 을 약 12시간 동안 방치한 후, 이를 다시 회수하여 임피던스를 측정하였다. In a dry room with a dew point of about -40°C, 2 g of solid electrolyte in powder form was left for about 12 hours, then it was recovered and the impedance was measured.
(3) 유지율 평가(3) Retention rate evaluation
유지율은 위에서 도출한 대기 노출 전 이온 전도도에 대한 대기 노출 후 이온 전도도의 값을 백분율(%)로 환산하여 도출하였다. The retention rate was derived by converting the ionic conductivity after air exposure to the ionic conductivity before air exposure derived above into a percentage (%).
이온전도도
(mS/cm)Before atmospheric exposure
Ion conductivity
(mS/cm)
이온전도도
(mS/cm)After atmospheric exposure
Ion conductivity
(mS/cm)
(%) retention rate
(%)
표 2로부터 알 수 있듯이, 대기 노출 전 이온 전도도는, 산소 도핑량이 증가할수록, 기본 아지로다이트 구조인 Li6PS5Cl에 비해 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 산소의 도핑량이 증가할수록, 아지로다이트의 결정 구조가 크게 변형되어 리튬 이온 이동이 원활하지 않게 되고, 결국 이온 전도도가 감소하는 것으로 해석할 수 있다. As can be seen from Table 2, it was confirmed that the ionic conductivity before exposure to air decreased as the oxygen doping amount increased compared to Li 6 PS 5 Cl, which is the basic azyrodite structure. This can be interpreted as the fact that as the doping amount of oxygen increases, the crystal structure of ajirodite is greatly deformed, making lithium ion movement less smooth, and ultimately reducing ionic conductivity.
그러나, 유지율을 살펴보면, 산소 도핑량(x 값에 비례), [Li]/[P], [S]/[P], [Cl]/[P] 및 [O]/[S]값이 적절하게 조절된 실시예 1 내지 6에 따른 고체 전해질은 기본 아지로다이트 구조인 비교예 1에 비해 유지율이 월등히 우수한 것을 확인할 수 있었다. 특히, 실시예 1 내지 6에 따른 고체 전해질은 모두 유지율이 60% 이상인 것을 확인할 수 있었다. However, looking at the retention rate, the oxygen doping amount (proportional to the x value), [Li]/[P], [S]/[P], [Cl]/[P] and [O]/[S] values are appropriate. It was confirmed that the well-adjusted solid electrolytes according to Examples 1 to 6 had significantly superior retention rates compared to Comparative Example 1, which had a basic azyrodite structure. In particular, it was confirmed that all solid electrolytes according to Examples 1 to 6 had a retention rate of 60% or more.
특히, 대기 노출 후 이온 전도도를 살펴보면, 산소 도핑량(x 값에 비례), [Li]/[P], [S]/[P], [Cl]/[P] 및 [O]/[S]값이 보다 적절하게 조절된 실시예 1 내지 3에 따른 고체 전해질은 비교예 1에 비해 유지율이 우수할 뿐만 아니라, 대기 노출 후 이온 전도도까지 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이는, 비교예 1은 대기 노출 전 이온 전도도는 높으나, 대기 노출 시 수분과의 부반응으로 인하여 이온 전도도가 현저히 낮아지는 반면, 실시예 1 내지 3의 경우, 수분 안정성이 높아 상대적으로 이온 전도도 감소율이 낮아 발생한 결과라고 해석할 수 있다. In particular, looking at the ionic conductivity after atmospheric exposure, the oxygen doping amount (proportional to the x value), [Li]/[P], [S]/[P], [Cl]/[P], and [O]/[S ] It was confirmed that the solid electrolytes according to Examples 1 to 3, whose values were more appropriately adjusted, not only had superior retention rates compared to Comparative Example 1, but also excellent ionic conductivity after exposure to air. This means that Comparative Example 1 had high ionic conductivity before exposure to the air, but when exposed to the air, the ionic conductivity was significantly lowered due to a side reaction with moisture. On the other hand, in Examples 1 to 3, the ionic conductivity reduction rate was relatively low due to high moisture stability. It can be interpreted as a result that occurred.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and can be implemented with various modifications within the scope of the patent claims, detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this can also be done in various ways. It is natural that it falls within the scope of the invention.
따라서, 본 발명의 실질적인 권리범위는 첨부된 특허 청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. Accordingly, the actual scope of rights of the present invention will be defined by the attached patent claims and their equivalents.
Claims (8)
[화학식 1]
Li(6-5x)P(1-x)S(4.95-4x)A1-2xO4x+0.05
상기 화학식 1에서, A는 F, Cl, Br, I 또는 이들의 조합이고, 0 < x < 0.5이다.
A sulfide-based solid electrolyte having an argyrodite-based crystal structure, at least a portion of the crystal structure being doped with oxygen, and represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Li (6-5x) P (1-x) S (4.95-4x) A 1-2x O 4x+0.05
In Formula 1, A is F, Cl, Br, I, or a combination thereof, and 0 < x < 0.5.
상기 고체 전해질은 하기 식 1을 만족하는 황화물계 고체 전해질:
<식 1>
6.005 ≤ [Li]/[P] ≤ 6.5
상기 식 1에서, [Li] 및 [P]는 각각 Li와 P의 at%를 의미한다.
According to paragraph 1,
The solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte that satisfies the following formula 1:
<Equation 1>
6.005 ≤ [Li]/[P] ≤ 6.5
In Equation 1, [Li] and [P] mean at% of Li and P, respectively.
상기 고체 전해질은 하기 식 2를 만족하는 황화물계 고체 전해질:
<식 2>
4.9 ≤ [S]/[P] ≤ 5.4
상기 식 2에서, [S] 및 [P]는 각각 S와 P의 at%를 의미한다.
According to paragraph 1,
The solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte that satisfies the following equation 2:
<Equation 2>
4.9 ≤ [S]/[P] ≤ 5.4
In Equation 2 above, [S] and [P] mean at% of S and P, respectively.
상기 고체 전해질은 하기 식 3을 만족하는 황화물계 고체 전해질:
<식 3>
0.5 ≤ [A]/[P] ≤ 0.995
상기 식 3에서, [A] 및 [P]는 각각 A와 P의 at%를 의미한다.
According to paragraph 1,
The solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte that satisfies the following formula 3:
<Equation 3>
0.5 ≤ [A]/[P] ≤ 0.995
In Equation 3 above, [A] and [P] mean at% of A and P, respectively.
상기 고체 전해질은 하기 식 4를 만족하는 황화물계 고체 전해질:
<식 4>
0.01 ≤ [O]/[S] ≤ 0.4
상기 식 4에서, [O] 및 [S]는 각각 O와 S의 at%를 의미한다.
According to paragraph 1,
The solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte that satisfies the following equation 4:
<Equation 4>
0.01 ≤ [O]/[S] ≤ 0.4
In Equation 4 above, [O] and [S] mean at% of O and S, respectively.
상기 고체 전해질은, X선 회절(XRD) 패턴 측정시,
16.0˚ < 2θ < 17.5˚ 및 18.5˚ < 2θ < 24.5˚의 위치에서 불순물 피크가 나타나지 않는 황화물계 고체 전해질.
According to paragraph 1,
When measuring an X-ray diffraction (XRD) pattern, the solid electrolyte
A sulfide-based solid electrolyte in which impurity peaks do not appear at the positions of 16.0˚ < 2θ < 17.5˚ and 18.5˚ < 2θ < 24.5˚.
상기 고체 전해질의 대기에 노출된 후 이온 전도도는 대기에 노출되기 전 이온 전도도의 60 내지 83% 범위로 유지되는 황화물계 고체 전해질.
According to paragraph 1,
A sulfide-based solid electrolyte in which the ionic conductivity of the solid electrolyte after exposure to the atmosphere is maintained in the range of 60 to 83% of the ionic conductivity before exposure to the atmosphere.
상기 양극, 음극 및 고체 전해질층 중 적어도 어느 하나가 제1항에 따른 고체 전해질을 포함하는, 리튬 이차 전지.
anode; cathode; And a solid electrolyte layer located between the anode and the cathode,
A lithium secondary battery, wherein at least one of the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte layer includes the solid electrolyte according to claim 1.
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