KR20240077784A - Composite solid electrolyte, method for preparing the same and all solid state battery comprisign the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 고체 전해질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상기 복합 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질이 폴리에스터 섬유로 보강됨으로써, 기계적 물성이 향상되어 박막 형태로 제조가 가능하며, 이온 컨덕턴스가 향상되어 전고체 전지의 에너지 밀도를 개선시킬 수 있다. The present invention relates to a composite solid electrolyte, a method of manufacturing the same, and an all-solid-state battery containing the same. More specifically, the composite solid electrolyte has improved mechanical properties by reinforcing the sulfide-based solid electrolyte with polyester fiber and is in the form of a thin film. It can be manufactured with an improved ion conductance, which can improve the energy density of an all-solid-state battery.
Description
본 발명은 복합 고체 전해질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composite solid electrolyte, a method of manufacturing the same, and an all-solid-state battery containing the same.
전지의 용량, 안전성, 출력, 대형화, 초소형화 등의 관점에서 현재 리튬 이차전지의 한계를 극복할 수 있는 다양한 전지들이 연구되고 있다.Various batteries that can overcome the limitations of current lithium secondary batteries are being researched in terms of battery capacity, safety, output, large size, and ultra-miniaturization.
대표적으로 리튬 이차전지에 비해 용량 측면에서 이론 용량이 매우 큰 금속-공기 전지(metal-air battery), 안전성 측면에서 폭발 위험이 없는 전고체 전지(all-solid-state battery), 출력 측면에서는 슈퍼 캐퍼시터(supercapacitor), 대형화 측면에서는 NaS 전지 혹은 RFB(redox flow battery), 초소형화 측면에서는 박막전지(thin film battery) 등이 학계 및 산업계에서 지속적인 연구가 진행되고 있다.Representative examples include a metal-air battery with a very large theoretical capacity compared to lithium secondary batteries, an all-solid-state battery with no risk of explosion in terms of safety, and a super capacitor in terms of output. Continuous research is being conducted in academia and industry on supercapacitors, NaS batteries or RFBs (redox flow batteries) in terms of large size, and thin film batteries in terms of miniaturization.
전고체 전지는 기존의 리튬 차전지에서 사용되는 액체 전해질을 고체로 대체한 전지를 의미하며, 전지 내 가연성의 용매를 사용하지 않아 종래 전해액의 분해반응 등에 의한 발화나 폭발이 전혀 발생하지 않으므로 안전성을 대폭 개선할 수 있다. 또한, 음극 소재로 Li 금속 또는 Li 합금을 사용할 수 있기 때문에 전지의 질량 및 부피에 대한 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.An all-solid-state battery refers to a battery that replaces the liquid electrolyte used in existing lithium batteries with a solid one. It does not use flammable solvents in the battery, so there is no ignition or explosion caused by the decomposition reaction of the conventional electrolyte, so it is safe. It can be greatly improved. In addition, since Li metal or Li alloy can be used as the cathode material, there is an advantage in dramatically improving the energy density relative to the mass and volume of the battery.
전고체 전지의 제조는 고체 전해질을 분말 상태로 제조 후 이를 소정의 성형기에 투입한 후 프레스하는 건식 압축 공정, 또는 고체 전해질을 용매 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 이를 코팅 후 건조하는 공정을 통해 제조되고 있다.The manufacture of an all-solid-state battery involves a dry compression process of preparing a solid electrolyte in powder form and then putting it into a predetermined molding machine and pressing it, or a process of mixing the solid electrolyte with a solvent and a binder to prepare a slurry, coating it, and then drying it. It is manufactured through
전고체 전지에서 높은 에너지 밀도를 확보하기 위해서는 고체 전해질을 얇게 만드는 기술이 필요하다.In order to secure high energy density in all-solid-state batteries, technology to make the solid electrolyte thin is needed.
그러나, 고체 전해질 중 황화물계 고체 전해질은 가압 처리할 경우 잘 부서지므로 얇은 두께로 제조하기 어려운 문제가 있어, 이러한 문제를 개선하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.However, among solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes are brittle when treated under pressure, making it difficult to manufacture them in thin thickness. Research has been conducted to improve this problem.
중국공개특허 제14256499호는 황화물 고체 전해질 막을 포함하는 전고체 전지의 제조방법에 관한 것으로, 상기 황화물 고체 전해질 막은 도포 방식으로 황화물 전해질 슬러리를 양극에 코팅하고, 리튬 분말을 상기 황화물 전해질 표면에 뿌려준 후 가압 치밀화 하는 공정을 통해 제조될 수 있다. 그러나, 상기 황화물 고체 전해질 막 제조 시 용매를 사용할 경우 황화물 고체 전해질의 구조가 파괴되고 이온 전도도가 저하되므로, 결국 셀 성능을 저하시키는 문제가 있다.Chinese Patent Publication No. 14256499 relates to a method of manufacturing an all-solid-state battery including a sulfide solid electrolyte membrane. The sulfide solid electrolyte membrane is coated with a sulfide electrolyte slurry on the positive electrode by a coating method, and lithium powder is sprinkled on the surface of the sulfide electrolyte. It can be manufactured through a pressurized densification process. However, when a solvent is used when manufacturing the sulfide solid electrolyte membrane, the structure of the sulfide solid electrolyte is destroyed and ionic conductivity is reduced, which ultimately reduces cell performance.
따라서, 전고체 전지의 높은 에너지 밀도를 확보하기 위해 적용할 황화물계 고체 전해질을 얇게 제조하되, 상기 황화물계 고체 전해질의 구조의 파괴나 이온 전도도 저하를 방지하면서 박막의 황화물계 고체 전해질을 제조하기 기술 개발이 필요하다.Therefore, in order to secure high energy density of an all-solid-state battery, the sulfide-based solid electrolyte to be applied is manufactured thinly, while preventing the destruction of the structure of the sulfide-based solid electrolyte or a decrease in ionic conductivity. Development is needed.
본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 다각적으로 연구를 수행한 결과, 황화물계 고체 전해질 분말과 폴리에스터 섬유를 고온에서 가압함으로써, 용매를 사용하지 않고 박막의 복합 고체 전해질을 제조할 수 있다는 것을 확인하였다.As a result of conducting various studies to solve the above problems, the present inventors confirmed that a thin film composite solid electrolyte can be manufactured without using a solvent by pressing sulfide-based solid electrolyte powder and polyester fiber at high temperature. .
따라서, 본 발명의 목적은 박막의 복합 고체 전해질 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a thin film composite solid electrolyte and a method for manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 박막의 복합 고체 전해질 및 상기 복합 고체 전해질과 일체화된 양극을 포함하는 전고체 전지를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an all-solid-state battery including a thin film composite solid electrolyte and a positive electrode integrated with the composite solid electrolyte.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 황화물계 고체 전해질 및 폴리에스터 섬유를 포함하는 복합 고체 전해질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a composite solid electrolyte including a sulfide-based solid electrolyte and polyester fiber.
본 발명은 또한, 상기 폴리에스터 섬유는 상기 황화물계 고체 전해질 내부에 분산되어 있는 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다.The present invention also provides a composite solid electrolyte in which the polyester fiber is dispersed within the sulfide-based solid electrolyte.
본 발명은 또한, 상기 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유는 서로 접합되어 있는 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다.The present invention also provides a composite solid electrolyte in which the sulfide-based solid electrolyte and the polyester fiber are bonded to each other.
본 발명은 또한, 상기 복합 고체 전해질의 두께는 20 ㎛ 내지 250 ㎛ 인 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다.The present invention also provides a composite solid electrolyte, wherein the composite solid electrolyte has a thickness of 20 ㎛ to 250 ㎛.
본 발명은 또한, 상기 복합 고체 전해질은 바인더 프리(binder-free)인 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다.The present invention also provides a composite solid electrolyte, wherein the composite solid electrolyte is binder-free.
본 발명은 또한, 상기 황화물계 고체 전해질은 Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5ClxBr1-x (0≤x≤1) 및 Li3PS4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다.The present invention also provides that the sulfide-based solid electrolyte is Li 6 PS 5 Cl, Li 10 GeP 2 S 12 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 6 PS 5 Cl x Br 1-x (0≤x≤1) and Li It provides a composite solid electrolyte comprising at least one selected from the group consisting of 3 PS 4 .
본 발명은 또한, 상기 폴리에스터 섬유는 방향족 폴리에스터 섬유인 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다:The present invention also provides a composite solid electrolyte, wherein the polyester fiber is an aromatic polyester fiber:
본 발명은 또한, 상기 방향족 폴리에스터 섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다:The present invention also provides a composite solid electrolyte, wherein the aromatic polyester fiber is represented by the following formula (1):
<화학식 1><Formula 1>
상기 화학식 1에서, X는 0.5 ≤ X ≤ 0.9 이고, Y는 0.1 ≤ Y ≤ 0.5 이다.In Formula 1, X is 0.5 ≤ X ≤ 0.9, and Y is 0.1 ≤ Y ≤ 0.5.
본 발명은 또한, 상기 폴리에스터 섬유는 상기 복합 고체 전해질 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하로 포함되는 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다.The present invention also provides a composite solid electrolyte, wherein the polyester fiber is contained in an amount of 10% by weight or less based on the total weight of the composite solid electrolyte.
본 발명은 또한, 상기 복합 고체 전해질의 경도는 250 MPa 이상이고, 상기 경도는 나노 인덴테이션(nano indentation) 시험법에 의해 측정되며, 나노 팁에 1 mN 힘을 인가하여 측정된 것인, 복합 고체 전해질을 제공한다.The present invention also provides a composite solid electrolyte in which the hardness of the composite solid electrolyte is 250 MPa or more, and the hardness is measured by a nano indentation test method, and is measured by applying a force of 1 mN to the nano tip. Provides electrolytes.
본 발명은 또한, (S1) 황화물계 고체 전해질 분말과 폴리에스터 섬유를 혼합하는 단계; (S2) 상기 (S1) 단계에서 얻은 혼합물을 상온에서 1차 가압하는 단계; 및 (S3) 상기 1차 가압 후, 고온에서 2차 가압하는 단계;를 포함하는 복합 고체 전해질의 제조방법을 제공한다.The present invention also includes the steps of (S1) mixing sulfide-based solid electrolyte powder and polyester fiber; (S2) first pressurizing the mixture obtained in step (S1) at room temperature; and (S3) performing secondary pressurization at a high temperature after the primary pressurization.
본 발명은 또한, 상기 1차 가압은 200 MPa 내지 400 MPa의 압력으로 가압하는 것인, 복합 고체 전해질의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a composite solid electrolyte, wherein the first pressurization is performed at a pressure of 200 MPa to 400 MPa.
본 발명은 또한, 상기 2차 가압은 100℃ 내지 300℃ 온도에서, 100 MPa 내지 350 MPa의 압력으로 가압하는 것인, 복합 고체 전해질의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a composite solid electrolyte, wherein the secondary pressurization is performed at a temperature of 100°C to 300°C and a pressure of 100 MPa to 350 MPa.
본 발명은 또한, 상기 복합 고체 전해질; 상기 복합 고체 전해질의 일 면에 형성된 양극; 및 상기 복합 고체 전해질의 다른 일 면에 형성된 음극;을 포함하는 전고체 전지를 제공한다.The present invention also provides the composite solid electrolyte; An anode formed on one side of the composite solid electrolyte; and a negative electrode formed on the other side of the composite solid electrolyte.
본 발명은 또한, 상기 양극은 양극 활물질층을 포함하며, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 황화물계 고체 전해질, 도전재 및 바인더를 포함하는 것인, 전고체 전지를 제공한다.The present invention also provides an all-solid-state battery, wherein the positive electrode includes a positive electrode active material layer, and the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, a conductive material, and a binder.
본 발명은 또한, 상기 복합 고체 전해질과 양극은 일체화된 것인, 전고체 전지를 제공한다. The present invention also provides an all-solid-state battery in which the composite solid electrolyte and the positive electrode are integrated.
본 발명은 또한, 상기 음극은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 것인, 전고체 전지를 제공한다. The present invention also provides an all-solid-state battery, wherein the negative electrode includes lithium or a lithium alloy.
본 발명에 따른 복합 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질에 폴리에스터 섬유를 혼합한 후 고온 가압 공정으로 제조되어, 박막의 형태를 가지는 동시에 기계적 물성이 향상되는 효과가 있다.The composite solid electrolyte according to the present invention is manufactured by mixing polyester fibers with a sulfide-based solid electrolyte and then using a high-temperature pressing process, so that it has the form of a thin film and has the effect of improving mechanical properties.
또한, 상기 복합 고체 전해질은 박막의 형태를 가져 이온 컨덕턴스가 개선되므로, 전고체 전지에 적용 시 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.In addition, the composite solid electrolyte has a thin film form and thus improves ion conductance, so when applied to an all-solid-state battery, energy density can be improved.
또한, 상기 복합 고체 전해질은 용매를 사용하지 않는 건식 공정으로 제조되므로, 전해질의 내부 구조의 파괴 없이 이온 전도도가 향상될 수 있다. Additionally, since the composite solid electrolyte is manufactured through a dry process that does not use a solvent, ionic conductivity can be improved without destroying the internal structure of the electrolyte.
또한, 상기 복합 고체 전해질과 양극은 고온 가압 공정에 의해 일체화되므로, 계면 안정성이 향상될 수 있다.Additionally, since the composite solid electrolyte and the positive electrode are integrated through a high temperature and pressurization process, interfacial stability can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 고체 전해질의 제조방법에 대한 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지 및 종래 기술에 따른 전고체 전지의 종단면을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 제조방법에 대한 모식도이다.
도 4는 화학식 1로 표시되는 방향족 폴리에스터 섬유의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 복합 고체 전해질의 두께 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 고체 전해질을 나타낸 사진이다 ((a) 비교예 1; (b) 실시예 2; 및 (c) 실시예 2 복합 고체 전해질의 두께 측정 사진).
도 7a 및 도 7b는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 복합 고체 전해질에 대하여, 상압 가압 공정 및 고온 가압 공정을 적용할 경우 이온 전도도와 이온 컨덕턴스를 비교한 그래프이다.
도 8은 실시예 2에서 제조된 복합 고체 전해질의 XRD 그래프이다.
도 9는 실시예 1에서 제조된 복합 고체 전해질의 단면 SEM 이미지(a) 및 EDS 매핑(mapping) 이미지((b) 내지 (d))를 나타낸 것이다.
도 10a 및 도 10b는 실시예 2 및 비교예 1의 복합 고체 전해질에 대한 기계적 물성 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11a 및 도 11b는 실시예 2 및 비교예 1의 복합 고체 전해질을 적용한 리튬-리튬 대칭 셀의 전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 12는 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전고체 전지에 대한 화성 사이클 충방전 곡선이다 (C rate: 0.05C, 상온).
도 13은 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전고체 전지에 대하여 사이클에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다 (화성 사이클 2회 후 충방전, C rate: 0.2C, 상온).
도 14는 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전고체 전지에 대하여 전류 속도 변화에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다 (C rate: 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1.0C, 2.0C 및 0.1C로 변화, 상온).
도 15는 비교예 2에서 제조된 전고체 전지에 대하여 일정 전류 속도 하에서 사이클에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다 (C rate: 0.2C, 상온).
도 16은 실시예 2 및 비교예 2의 복합 고체 전해질의 전기화학 임피던스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17a 및 도 17b는 실시예 2 및 비교예 2의 복합 고체 전해질에 대한 기계적 물성 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 실시예 4에서 제조된 지방족 폴리에스터 섬유를 포함하는 복합 고체 전해질을 나타낸 사진이다.1 is a schematic diagram of a method for manufacturing a composite solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figures 2a and 2b are schematic diagrams showing longitudinal cross-sections of an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention and an all-solid-state battery according to the prior art, respectively.
Figure 3 is a schematic diagram of a method for manufacturing an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of an aromatic polyester fiber represented by Formula 1.
Figure 5 is a graph showing the thickness measurement results of the composite solid electrolyte prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
Figure 6 is a photograph showing the solid electrolyte prepared in Example 2 and Comparative Example 1 ((a) Comparative Example 1; (b) Example 2; and (c) Example 2 photograph of measuring the thickness of the composite solid electrolyte).
Figures 7a and 7b are graphs comparing ion conductivity and ion conductance when applying an ordinary pressure pressurization process and a high temperature pressurization process for the composite solid electrolytes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
Figure 8 is an XRD graph of the composite solid electrolyte prepared in Example 2.
Figure 9 shows a cross-sectional SEM image (a) and EDS mapping images ((b) to (d)) of the composite solid electrolyte prepared in Example 1.
Figures 10a and 10b show the results of measuring mechanical properties of the composite solid electrolytes of Example 2 and Comparative Example 1.
Figures 11a and 11b show voltage curves of a lithium-lithium symmetric cell using the composite solid electrolyte of Example 2 and Comparative Example 1.
Figure 12 is a chemical cycle charge/discharge curve for the all-solid-state battery manufactured in Example 2 and Comparative Example 1 (C rate: 0.05C, room temperature).
Figure 13 is a graph showing the discharge capacity according to cycle for the all-solid-state batteries manufactured in Example 2 and Comparative Example 1 (charge and discharge after two chemical cycles, C rate: 0.2C, room temperature).
Figure 14 is a graph showing the discharge capacity according to the change in current rate for the all-solid-state battery manufactured in Example 2 and Comparative Example 1 (C rate: 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1.0C, 2.0C, and 0.1C) change to room temperature).
Figure 15 is a graph showing the discharge capacity according to cycle under a constant current rate for the all-solid-state battery manufactured in Comparative Example 2 (C rate: 0.2C, room temperature).
Figure 16 is a graph showing the electrochemical impedance measurement results of the composite solid electrolyte of Example 2 and Comparative Example 2.
Figures 17a and 17b show the results of measuring mechanical properties of the composite solid electrolytes of Example 2 and Comparative Example 2.
Figure 18 is a photograph showing the composite solid electrolyte containing aliphatic polyester fibers prepared in Example 4.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to facilitate understanding of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에서 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 usual 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.
복합 고체 전해질complex solid electrolyte
본 발명은 복합 고체 전해질에 관한 것이다.The present invention relates to composite solid electrolytes.
본 발명에 따른 복합 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질 및 폴리에스터 섬유를 포함한다.The composite solid electrolyte according to the present invention includes a sulfide-based solid electrolyte and polyester fiber.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리에스터 섬유는 상기 황화물계 고체 전해질에 분산된 형태로 포함될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the polyester fiber may be included in a dispersed form in the sulfide-based solid electrolyte.
상기 황화물계 고체 전해질은 상기 복합 고체 전해질 제조 공정에서 분말 형태로 적용되나, 고온 가압 공정을 거치면서 용융되어 최종 제조된 복합 고체 전해질에서는 상기 복합 고체 전해질을 이루는 매트릭스(matrix) 형태로 형성될 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte is applied in powder form in the composite solid electrolyte manufacturing process, but in the final manufactured composite solid electrolyte by melting it through a high temperature and pressurization process, it can be formed in the form of a matrix forming the composite solid electrolyte. .
또한, 상기 폴리에스터 섬유는 상기 황화물계 고체 전해질로 이루어진 매트릭스 내부에 균일하게 분산될 수 있으며, 분산이 균일하게 이루어질수록 복합 고체 전해질의 기계적 물성이 향상되고, 동시에 박막화도 쉽게 이루어질 수 있다.In addition, the polyester fibers can be uniformly dispersed within the matrix made of the sulfide-based solid electrolyte. As the dispersion is more uniform, the mechanical properties of the composite solid electrolyte improve, and at the same time, thinning can be easily achieved.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유의 계면은 서로 접합된 상태인 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the interface between the sulfide-based solid electrolyte and the polyester fiber may be in a bonded state.
상기 폴리에스터 섬유는 황화물계 고체 전해질 내부에 분산되어 있되, 제조 과정에서 상온 또는 고온으로 가압 처리하는 공정을 거치게 되므로, 이들의 계면은 강하게 접합된 상태이며, 이에 복합 고체 전해질의 기계적 강도를 더욱 개선시킬 수 있고 박막화에도 유리할 수 있다.The polyester fibers are dispersed inside the sulfide-based solid electrolyte, but go through a process of pressurizing them at room temperature or high temperature during the manufacturing process, so their interface is strongly bonded, thereby further improving the mechanical strength of the composite solid electrolyte. It can be done and it can also be advantageous for thinning.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복합 고체 전해질의 두께는 20 ㎛ 내지 250 ㎛ 일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thickness of the composite solid electrolyte may be 20 ㎛ to 250 ㎛.
구체적으로, 상기 복합 고체 전해질의 두께는 20 ㎛ 이상, 50 ㎛ 이상 또는 100 ㎛ 이상일 수 있고, 230 ㎛ 이하, 240 ㎛ 이하 또는 250 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 복합 고체 전해질의 두께가 20 ㎛ 미만이면 내구성이 저하되어 쉽게 파손될 수 있고, 250 ㎛ 초과이면 두께가 두꺼워 전지에 적용 시 저항으로 작용할 수 있다. Specifically, the thickness of the composite solid electrolyte may be 20 ㎛ or more, 50 ㎛ or more, or 100 ㎛ or more, and may be 230 ㎛ or less, 240 ㎛ or less, or 250 ㎛ or less. If the thickness of the composite solid electrolyte is less than 20 ㎛, durability may be reduced and may be easily damaged, and if it is more than 250 ㎛, the thickness may be so thick that it may act as resistance when applied to a battery.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복합 고체 전해질은 바인더 프리(binder-free)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the composite solid electrolyte may be binder-free.
상기 복합 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유를 원료 물질로 하여 상온 가압하는 1차 가압 공정 및 고온 가압하는 2차 가압 공정만으로도, 상기 황화물계 고체 전해질 내에 상기 폴리에스터 섬유가 균일하게 분산된 형태로 제조될 수 있어, 이들을 결착 시키기 위한 별도의 바인더가 필요하지 않다.The composite solid electrolyte uses a sulfide-based solid electrolyte and a polyester fiber as raw materials and undergoes only a primary pressurization process of pressurizing at room temperature and a secondary pressurization process of high-temperature pressurization, in which the polyester fibers are uniformly dispersed in the sulfide-based solid electrolyte. Since they can be manufactured in any form, no separate binder is needed to bind them together.
따라서, 상기 복합 고체 전해질을 바인더 프리로 제조할 경우, 바인더를 사용할 경우에 비해 공정성 측면에서 우수할 수 있다.Therefore, when the composite solid electrolyte is manufactured without a binder, it can be superior in terms of processability compared to when a binder is used.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 황화물계 고체 전해질은 Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5ClxBr1-x (0≤x≤1) 및 Li3PS4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 황화물계 고체 전해질이 이들에 한정되는 것은 아니며, 상온 가압을 통해 성형이 가능한 물성을 가지는 황화물계 고체 전해질이 광범위하게 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sulfide-based solid electrolyte is Li 6 PS 5 Cl, Li 10 GeP 2 S 12 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 6 PS 5 Cl x Br 1-x (0≤x≤ 1) and Li 3 PS 4 and may include one or more selected from the group consisting of. However, the sulfide-based solid electrolyte is not limited to these, and sulfide-based solid electrolyte having physical properties that enable molding through room temperature and pressure can be widely used.
상기 황화물계 고체 전해질은 상기 복합 전해질 전체 중량을 기준으로 90 내지 98중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 황화물계 고체 전해질의 함량은 90 중량% 이상, 92 중량% 이상 또는 94 중량% 이상일 수 있고, 96 중량% 이하, 97 중량% 이하 또는 98 중량% 이하일 수 있다. 상기 황화물계 고체 전해질의 함량이 90 중량% 미만이면 복합 고체 전해질의 이온 컨덕턴스가 저하될 수 있고, 98 중량% 초과이면 폴리에스터 섬유의 함량이 상대적으로 감소하여 복합 고체 전해질을 얇게 제조하기가 어려울 수 있다. The sulfide-based solid electrolyte may be included in an amount of 90 to 98% by weight based on the total weight of the composite electrolyte. Specifically, the content of the sulfide-based solid electrolyte may be 90% by weight or more, 92% by weight or more, or 94% by weight or more, and may be 96% by weight or less, 97% by weight or less, or 98% by weight or less. If the content of the sulfide-based solid electrolyte is less than 90% by weight, the ion conductance of the composite solid electrolyte may decrease, and if it is more than 98% by weight, the content of polyester fibers is relatively reduced, making it difficult to manufacture a thin composite solid electrolyte. there is.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리에스터 섬유는 방향족 폴리에스터 섬유일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the polyester fiber may be an aromatic polyester fiber.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방향족 폴리에스터 섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 방향족 폴리에스터 섬유일 수 있다: In one embodiment of the present invention, the aromatic polyester fiber may be an aromatic polyester fiber represented by the following formula (1):
<화학식 1><Formula 1>
상기 화학식 1에서, X는 0.5 ≤ X ≤ 0.9 이고, Y는 0.1 ≤ Y ≤ 0.5 이다.In Formula 1, X is 0.5 ≤ X ≤ 0.9, and Y is 0.1 ≤ Y ≤ 0.5.
그러나, 상기 폴리에스터 섬유가 상기 방향족 폴리에스터 섬유에 한정되는 것은 아니며 지방족 폴리에스터 섬유도 사용될 수 있다. 다만, 방향족 폴리에스터 섬유는 기계적 강도와 내열 특성이 지방족 폴리에스터에 비해 상대적으로 우수하여 고온 가압 공정에는 방향족 폴리에스터 섬유가 더 적절할 수도 있다. However, the polyester fiber is not limited to the aromatic polyester fiber and aliphatic polyester fiber can also be used. However, aromatic polyester fibers have relatively superior mechanical strength and heat resistance properties compared to aliphatic polyester, so aromatic polyester fibers may be more suitable for high-temperature pressing processes.
또한, 상기 폴리에스터 섬유는 상기 복합 전해질 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리에스터 섬유의 함량은 6 중량% 이하, 8 중량% 이하 또는 10 중량% 이하일 수 있다. 상기 폴리에스터 섬유의 함량이 10 중량%를 초과하게 되면 저항이 증가하여 적절한 이온 컨덕턴스를 확보하기가 어려울 수 있다. 상기 폴리에스터 섬유의 함량 범위에 하한치는 특별히 제한되는 것은 아니나 0 중량% 초과, 1 중량% 이상 또는 2 중량% 이상일 수 있다.Additionally, the polyester fiber may be included in an amount of 10% by weight or less based on the total weight of the composite electrolyte. Specifically, the content of the polyester fiber may be 6% by weight or less, 8% by weight or less, or 10% by weight or less. If the polyester fiber content exceeds 10% by weight, resistance increases, making it difficult to secure appropriate ion conductance. The lower limit of the polyester fiber content range is not particularly limited, but may be more than 0% by weight, more than 1% by weight, or more than 2% by weight.
상기 폴리에스터 섬유의 함량이 2 중량% 미만이면 복합 고체 전해질의 기계적 물성 개선 효과가 미미하여 복합 고체 전해질을 얇게 제조하기가 어려울 수 있고, 10 중량% 초과이면 복합 고체 전해질의 이온 컨덕턴스가 저하될 수 있다. If the content of the polyester fiber is less than 2% by weight, the effect of improving the mechanical properties of the composite solid electrolyte may be minimal, making it difficult to manufacture a thin composite solid electrolyte. If the content of the polyester fiber is more than 10% by weight, the ion conductance of the composite solid electrolyte may decrease. .
본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명은 또한, 상기 복합 고체 전해질의 경도는 250 MPa 이상이고, 상기 경도는 나노 인덴테이션(nano indentation) 시험법에 의해 측정되며, 나노 팁에 1 mN 힘을 인가하여 측정된 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hardness of the composite solid electrolyte is 250 MPa or more, and the hardness is measured by a nano indentation test method, and a 1 mN force is applied to the nano tip. It may be measured by applying it.
상기 복합 고체 전해질은 폴리에스터 섬유의 사용하여 건식 공정에 의해 제조되어 경도가 강화될 수 있다.The composite solid electrolyte can be manufactured by a dry process using polyester fibers to enhance hardness.
전술한 바와 같은 복합 고체 전해질은, 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유를 원료로 하여 용매를 사용하지 않은 건식 공정으로 제조되므로, 기계적 물성이 강화되어 박막으로 제조될 수 있다. Since the composite solid electrolyte as described above is manufactured using a sulfide-based solid electrolyte and polyester fiber as raw materials through a dry process without using a solvent, its mechanical properties are enhanced and it can be manufactured as a thin film.
또한, 상기 폴리에스터 섬유를 적정 함량으로 포함하므로, 복합 고체 전해질의 이온 컨덕턴스가 향상되어 전고체 전지의 고체 전해질로 적합하다.In addition, since the polyester fiber is included in an appropriate amount, the ion conductance of the composite solid electrolyte is improved, making it suitable as a solid electrolyte for an all-solid-state battery.
복합 고체 전해질의 제조방법Method for manufacturing composite solid electrolyte
본 발명은 또한, 복합 고체 전해질의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for producing a composite solid electrolyte.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 고체 전해질의 제조방법에 대한 모식도이다.1 is a schematic diagram of a method for manufacturing a composite solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복합 고체 전해질의 제조방법은, (S1) 황화물계 고체 전해질 분말과 폴리에스터 섬유를 혼합하는 단계; (S2) 상기 (S1) 단계에서 얻은 혼합물을 상온에서 1차 가압하는 단계; 및 (S3) 상기 1차 가압 후, 고온에서 2차 가압하는 단계;를 포함한다.Referring to Figure 1, the method for producing a composite solid electrolyte according to the present invention includes (S1) mixing sulfide-based solid electrolyte powder and polyester fiber; (S2) first pressurizing the mixture obtained in step (S1) at room temperature; and (S3) performing secondary pressurization at a high temperature after the primary pressurization.
이하, 각 단계별로 복합 고체 전해질의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the composite solid electrolyte will be described in more detail for each step.
본 발명에 있어서, 상기 (S1) 단계에서는 황화물계 고체 전해질 분말과 폴리에스터 섬유를 혼합할 수 있다. In the present invention, in step (S1), sulfide-based solid electrolyte powder and polyester fiber may be mixed.
상기 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유의 종류 및 중량은 상기 기재된 바와 같다.The type and weight of the sulfide-based solid electrolyte and polyester fiber are as described above.
다만, 원료 물질로 사용된 황화물계 고체 전해질은 분말 형태일 수 있다. 상기 분말의 입경은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 상기 폴리에스터 섬유와의 혼합의 용이성 및 공정성을 고려하여, 상기 분말의 입경(D50)은 0.1 내지 20 ㎛ 일 수 있다. 상기 분말의 입경(D50)이 0.1 ㎛ 미만이면 경제적인 측면에서 고체 전해질을 제조하기 어려울 뿐만 아니라 이온 전도도를 충분히 확보하기 어려울 수 있고, 20 ㎛ 초과이면 가압 공정에서 파손되는 경향이 있다. 따라서, 실제 공정을 진행하는 측면을 고려하여 분말의 입경은 상기 범위 내에 속하는 것이 바람직할 수 있다.However, the sulfide-based solid electrolyte used as a raw material may be in powder form. The particle size of the powder is not particularly limited, but considering the ease of mixing with the polyester fiber and fairness, the particle size (D50) of the powder may be 0.1 to 20 ㎛. If the particle diameter (D50) of the powder is less than 0.1 ㎛, it is difficult to economically manufacture a solid electrolyte and it may be difficult to secure sufficient ionic conductivity, and if it is more than 20 ㎛, it tends to be damaged during the pressurization process. Therefore, considering the aspect of carrying out the actual process, it may be desirable for the particle size of the powder to fall within the above range.
본 발명에 있어서, 상기 (S2) 단계에서는, 상기 (S1) 단계에서 얻은 혼합물을 상온에서 1차 가압할 수 있다. 상기 1차 가압은 성형을 용이하게 하기 위한 상온 가압 공정일 수 있다. 이때, 상온이란 25℃인 것일 수 있다.In the present invention, in step (S2), the mixture obtained in step (S1) may be first pressurized at room temperature. The first pressurization may be a room temperature pressurization process to facilitate molding. At this time, room temperature may be 25°C.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 1차 가압은 상온에서 200 MPa 내지 400 MPa의 압력으로 가압하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 1차 가압 시 압력은 200 MPa 이상, 250 MPa 이상 또는 280 MPa 이상 일 수 있고, 320 MPa 이하, 350 MPa 이하 또는 400 MPa 이하일 수 있다. 상기 1차 가압 시 압력이 200 MPa 미만이면 복합 고체 전해질의 성형이 용이하지 않을 수 있고, 400 MPa 초과이면 제조된 성형품이 파손될 수도 있다. In one embodiment of the present invention, the first pressurization may be pressurization at a pressure of 200 MPa to 400 MPa at room temperature. Specifically, the pressure during the first pressurization may be 200 MPa or more, 250 MPa or more, or 280 MPa or more, and may be 320 MPa or less, 350 MPa or less, or 400 MPa or less. If the pressure during the first pressurization is less than 200 MPa, it may not be easy to mold the composite solid electrolyte, and if it is more than 400 MPa, the manufactured molded product may be damaged.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계에서는, 상기 1차 가압 후, 고온에서 2차 가압할 수 있다. 상기 2차 가압은 상기 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유 간의 결착을 강화하기 위한 고온 가압 공정일 수 있다. In the present invention, in step (S3), secondary pressurization may be performed at a high temperature after the primary pressurization. The secondary pressurization may be a high-temperature pressurization process to strengthen the bond between the sulfide-based solid electrolyte and the polyester fiber.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차 가압은 100℃ 내지 300℃ 온도에서, 100 MPa 내지 350 MPa의 압력으로 가압하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 2차 가압 시 온도는 100℃ 이상, 150℃ 이상 또는 180℃ 이상일 수 있고, 220℃ 이하, 250℃ 이하 또는 300℃ 이하 일 수 있다. 또한, 상기 2차 가압 시 압력은 100 MPa 이상, 150 MPa 이상 또는 200 MPa 이상 일 수 있고, 300 MPa 이하, 320 MPa 이하 또는 350 MPa 이하일 수 있다. 상기 1차 가압 시 온도 및/또는 압력이 상기 범위 미만이면 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유 간의 결착력이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 복합 고체 전해질이 변형 또는 파손될 수 있다In one embodiment of the present invention, the secondary pressurization may be performed at a temperature of 100°C to 300°C and a pressure of 100 MPa to 350 MPa. Specifically, the temperature during the secondary pressurization may be 100°C or higher, 150°C or higher, or 180°C or higher, and may be 220°C or lower, 250°C or lower, or 300°C or lower. Additionally, the pressure during the secondary pressurization may be 100 MPa or more, 150 MPa or more, or 200 MPa or more, and may be 300 MPa or less, 320 MPa or less, or 350 MPa or less. If the temperature and/or pressure during the first pressurization is less than the above range, the bonding strength between the sulfide-based solid electrolyte and the polyester fiber may decrease, and if it exceeds the above range, the composite solid electrolyte may be deformed or damaged.
전술한 바와 같은 복합 고체 전해질의 제조방법에 따르면, 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유를 원료를 사용하여 고온 가압하는 공정에 의해 복합 고체 전해질을 제조할 수 있다.According to the manufacturing method of the composite solid electrolyte as described above, the composite solid electrolyte can be manufactured by using a sulfide-based solid electrolyte and polyester fiber as raw materials and pressurizing the composite solid electrolyte at high temperature.
별도의 용매를 사용하지 않으므로, 용매로 인하여 황화물계 고체 전해질의 결정 구조가 파괴되어 이온 전도도가 저하되는 현상을 방지할 수 있다. Since a separate solvent is not used, it is possible to prevent the solvent from destroying the crystal structure of the sulfide-based solid electrolyte, thereby reducing ionic conductivity.
전고체 전지solid-state battery
본 발명은 또한, 상기 복합 고체 전해질을 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.The present invention also relates to an all-solid-state battery containing the above composite solid electrolyte.
본 발명에 따른 전고체 전지는 상기 복합 고체 전해질; 상기 복합 고체 전해질의 일 면에 형성된 양극; 및 상기 복합 고체 전해질의 다른 일 면에 형성된 음극;을 포함한다.The all-solid-state battery according to the present invention includes the above composite solid electrolyte; An anode formed on one side of the composite solid electrolyte; and a cathode formed on the other side of the composite solid electrolyte.
이때, 상기 복합 고체 전해질과 상기 복합 고체 전해질의 일면에 형성된 양극은 일체화된 것일 수 있다. 상기 “일체화”란 개별 레이어들이 단순 적층된 형태와는 달리, 레이어 간 구분이 되지 않을 정도로 접합된 형태를 의미한다. 전고체 전지 제조 공정에서, 상기 복합 고체 전해질과 양극은 고온 가압 공정에 의해 계면 저항이 최소화된 상태로 접합될 수 있다. 후술하는 바와 같은 전고체 전지의 제조방법 중 상온 가압 및 고온 가압을 통해 상기 계면 저항이 감소될 수 있으며, 특히, 폴리에스터 섬유를 포함하지 않는 경우와 비교하여, 폴리에스터 섬유를 사용할 경우 상온 가압 및 고온 가압 이 후에 이온 컨덕턴스가 2배 이상으로 나타날 수 있으며, 이 경우 상기 복합 고체 전해질과 양극이 일체화가 되었음을 확인할 수 있다. At this time, the composite solid electrolyte and the anode formed on one side of the composite solid electrolyte may be integrated. The term “integration” refers to a form in which individual layers are joined to the extent that there is no distinction between layers, unlike a form in which individual layers are simply stacked. In the all-solid-state battery manufacturing process, the composite solid electrolyte and the positive electrode can be bonded with minimized interfacial resistance through a high temperature and pressurization process. Among the manufacturing methods of all-solid-state batteries as described below, the interfacial resistance can be reduced through room temperature pressurization and high temperature pressurization. In particular, compared to the case where polyester fibers are not included, when polyester fibers are used, room temperature pressurization and After high-temperature pressurization, the ion conductance may be more than doubled, and in this case, it can be confirmed that the composite solid electrolyte and the positive electrode are integrated.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지 및 종래 기술에 따른 전고체 전지의 종단면을 나타낸 모식도이다.Figures 2a and 2b are schematic diagrams showing longitudinal cross-sections of an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention and an all-solid-state battery according to the prior art, respectively.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지는, 음극(30), 복합 고체 전해질(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가진다. 음극(30)은 음극 집전체(31)인 Cu 및 음극 활물질층(32)의 Li-In 박막을 포함하고, 양극(20)은 양극 집전체(21)인 Al 및 양극 활물질층(22)을 포함한다. Referring to FIG. 2A, the all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention has a structure in which a cathode 30, a composite solid electrolyte 10, and an anode 20 are sequentially stacked. The negative electrode 30 includes Cu, which is the negative electrode current collector 31, and a Li-In thin film of the negative electrode active material layer 32, and the positive electrode 20 includes Al, which is the positive electrode current collector 21, and the positive electrode active material layer 22. Includes.
복합 고체 전해질(10)은 황화물계 고체 전해질에 폴리에스터 섬유를 혼합하여 고온 가압 공정에 의해 박막으로 제조될 수 있으므로, 전고체 전지에 적용 시 저항을 줄여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.The composite solid electrolyte 10 can be manufactured into a thin film by mixing polyester fibers with a sulfide-based solid electrolyte and using a high-temperature pressurizing process, so when applied to an all-solid-state battery, resistance can be reduced and energy density can be improved.
또한, 복합 고체 전해질(10)과 양극(20)은 고온 가압 공정에 의해 접합되어 일체화되므로 계면(I.F.)의 접촉성이 개선되어 안정화되는 특성을 나타낼 수 있다. In addition, since the composite solid electrolyte 10 and the positive electrode 20 are bonded and integrated through a high-temperature pressurizing process, the contact property of the interface (I.F.) is improved and stabilization characteristics can be exhibited.
도 2b를 참조하면, 종래기술에 따른 전고체 전지는 음극(30), 황화물계 고체 전해질(40) 및 양극(20)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가진다. 음극(30)은 음극 집전체(31)인 Cu 및 음극 활물질층(32)인 Li-In 박막을 포함하고, 양극(20)은 양극 집전체(21)인 Al 및 양극 활물질층(22)을 포함하며, 황화물계 고체 전해질(40)은 Li6PS5Cl 펠렛일 수 있다. Referring to Figure 2b, the all-solid-state battery according to the prior art has a structure in which a cathode 30, a sulfide-based solid electrolyte 40, and an anode 20 are sequentially stacked. The negative electrode 30 includes Cu as the negative electrode current collector 31 and a Li-In thin film as the negative electrode active material layer 32, and the positive electrode 20 includes Al as the positive electrode current collector 21 and the positive electrode active material layer 22. It includes, and the sulfide-based solid electrolyte 40 may be Li 6 PS 5 Cl pellets.
황화물계 고체 전해질(40)을 전고체 전지(1)에 적용할 겨우, 두께를 얇게 하는 데에는 한계가 있어 박막형으로 형성하기가 어려울 수 있다.When applying the sulfide-based solid electrolyte 40 to the all-solid-state battery 1, there is a limit to reducing the thickness, so it may be difficult to form it into a thin film.
또한, 종래기술에 따른 전고체 전지에 포함된 황화물계 고체 전해질(40)과 양극(20)은 상온 가압 공정에 의해 접합되며, 이 경우, 계면(I.F.)에서 여전히 공극(P)이 존재하여 계면 접촉성이 좋지 않을 수 있다. In addition, the sulfide-based solid electrolyte 40 and the anode 20 included in the all-solid-state battery according to the prior art are bonded by a room temperature pressurization process, and in this case, a void (P) still exists at the interface (I.F.) Contact properties may be poor.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 양극은 양극 활물질, 황화물계 고체 전해질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다. 상기 양극은 황화물계 고체 전해질을 포함하고 있어, 복합 양극이라고 지칭할 수도 있다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode may include a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, a conductive material, and a binder. Since the anode contains a sulfide-based solid electrolyte, it may also be referred to as a composite anode.
본 발명에 있어서, 상기 전고체 전지에 포함된 양극은 양극 활물질층을 포함하며, 상기 양극 활물질층은 양극 집전체의 일 면에 형성된 것일 수 있다.In the present invention, the positive electrode included in the all-solid-state battery includes a positive electrode active material layer, and the positive active material layer may be formed on one side of the positive electrode current collector.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 황화물계 고체 전해질, 도전재 및 바인더를 포함한다.The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, a conductive material, and a binder.
상기 황화물계 고체 전해질은 Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5ClxBr1-x (0≤x≤1) 및 Li3PS4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte consists of Li 6 PS 5 Cl, Li 10 GeP 2 S 12 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 6 PS 5 Cl x Br 1-x (0≤x≤1) and Li 3 PS 4. It may include one or more types selected from the group.
또한, 상기 황화물계 고체 전해질은 상기 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 10 내지 40 중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 황화물계 고체 전해질의 함량은 10 중량% 이상, 15 중량% 이상 또는 20 중량% 이상일 수 있고, 30 중량% 이하, 35 중량% 이하 또는 40 중량% 이하일 수 있다. 상기 황화물계 고체 전해질의 함량이 10 중량% 미만이면 양극 활물질층의 이온 전도도가 저하될 수 있고, 40 중량% 초과이면 단위 질량, 무게 당 발현할 수 있는 용량이 감소하여 에너지 밀도가 저하될 수 있다. Additionally, the sulfide-based solid electrolyte may be included in an amount of 10 to 40% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. Specifically, the content of the sulfide-based solid electrolyte may be 10 weight% or more, 15 weight% or more, or 20 weight% or more, and may be 30 weight% or less, 35 weight% or less, or 40 weight% or less. If the content of the sulfide-based solid electrolyte is less than 10% by weight, the ionic conductivity of the positive electrode active material layer may decrease, and if it is more than 40% by weight, the capacity that can be developed per unit mass or weight may decrease, resulting in a decrease in energy density. .
또한, 상기 양극 활물질은, 리튬이온을 가역적으로 흡장 및 방출하는 것이 가능한 물질이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), Li[NixCoyMnzMv]O2(NCM, 상기 식에서, M은 Al, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; 0.3≤x<1.0, 0≤y, z≤0.5, 0≤v≤0.1, x+y+z+v=1이다), Li(LiaMb-a-b'M'b')O2-cAc(상기 식에서, 0≤a≤0.2, 0.6≤b≤1, 0≤b'≤0.2, 0≤c≤0.2이고; M은 Mn과, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하며; M'는 Al, Mg 및 B로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이다.) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물 (Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y는 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y은 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 양극 활물질은 Li[NixCoyMnzMv]O2(NCM, 상기 식에서, M은 Al, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; 0.3≤x<1.0, 0≤y, z≤0.5, 0≤v≤0.1, x+y+z+v=1이다)일 수 있다.In addition, the positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can reversibly occlude and release lithium ions, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), Li[Ni x Co y Mn z M v ]O 2 (NCM, in the above formula, M is any one or two or more elements selected from the group consisting of Al, Ga, and In; 0.3≤x<1.0, 0≤y, z≤ 0.5, 0≤v≤0.1, x+y+z+v=1), Li(Li a M ba-b' M'b' )O 2-c A c (in the above formula, 0≤a≤0.2, 0.6≤b≤1, 0≤b'≤0.2, 0≤c≤0.2; M is one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, and Ti. M' is at least one selected from the group consisting of Al, Mg, and B, and A is at least one selected from the group consisting of P, F, S, and N.) or a layered compound such as 1 or Compounds substituted with more transition metals; Lithium manganese oxide with the formula Li 1+y Mn 2-y O 4 (where y is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , etc.; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Ni site-type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1-y MyO 2 (where M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and y is 0.01 to 0.3); Chemical formula LiMn 2-y M y O 2 (where M is Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta and y is 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M is Fe, Co, Lithium manganese complex oxide expressed as Ni, Cu or Zn; LiMn 2 O 4 in which part of Li in the chemical formula is replaced with an alkaline earth metal ion; disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 etc. may be mentioned, but it is not limited to these alone. Preferably , the positive electrode active material is Li[ Ni ; 0.3≤x<1.0, 0≤y, z≤0.5, 0≤v≤0.1, x+y+z+v=1).
또한, 상기 양극 활물질은 상기 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 60 내지 85 중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질의 함량은 60 중량%, 65 중량% 이상 또는 68 중량% 이상일 수 있고, 75 중량% 이하, 80 중량% 이하 또는 85 중량% 이하일 수 있다. 상기 양극 활물질의 함량이 60 중량% 미만이면 전지 성능이 저하될 수 있고, 85 중량% 초과이면 물질 전달 저항이 커질 수 있다.Additionally, the positive electrode active material may be included in an amount of 60 to 85% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. Specifically, the content of the positive electrode active material may be 60% by weight, 65% by weight or more, or 68% by weight or more, and may be 75% by weight or less, 80% by weight or less, or 85% by weight or less. If the content of the positive electrode active material is less than 60% by weight, battery performance may deteriorate, and if the content of the positive electrode active material is more than 85% by weight, mass transfer resistance may increase.
또한, 상기 도전재는 전고체 전지의 내부 환경에서 부반응을 방지하고, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄 분말, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 도전재는 기상성장탄소섬유(vapor-grown carbon fiber, VGCF)을 포함할 수 있다.In addition, the conductive material is not particularly limited as long as it prevents side reactions in the internal environment of the all-solid-state battery and has excellent electrical conductivity without causing chemical changes in the battery. Representative examples include graphite or conductive carbon. For example, graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black, such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, Denka black, thermal black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Carbon-based materials with a crystal structure of graphene or graphite; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; fluorinated carbon; Metal powders such as aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive oxides such as titanium oxide; and conductive polymers such as polyphenylene derivatives; may be used alone or in a mixture of two or more types, but are not necessarily limited thereto. Preferably, the conductive material may include vapor-grown carbon fiber (VGCF).
상기 도전재는 통상적으로 상기 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 상기 도전재의 함량은 1 중량% 이상, 1.5 중량% 이상 또는 2 중량% 이상일 수 있고, 4 중량% 이하, 4.5 중량% 이하 또는 5 중량% 이하일 수 있다. 상기 도전재의 함량이 1 중량% 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 5 중량%를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극 활물질의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 양극에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극 활물질과 혼합, 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. The conductive material may typically be included in an amount of 1% to 5% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. Specifically, the content of the conductive material may be 1% by weight or more, 1.5% by weight or more, or 2% by weight or more, It may be 4% by weight or less, 4.5% by weight or less, or 5% by weight or less. If the content of the conductive material is too small (less than 1% by weight), it may be difficult to expect an improvement in electrical conductivity or the electrochemical properties of the battery may deteriorate, and if it is too large (more than 5% by weight), the amount of positive electrode active material is relatively small. Capacity and energy density may decrease. The method of including the conductive material in the positive electrode is not greatly limited, and conventional methods known in the art, such as mixing with the positive electrode active material and coating, can be used.
또한, 상기 바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴화 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 아크릴 고무, 부틸 고무, 플루오린 고무, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌/프로필렌 공중합체, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌 옥사이드, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에피클로로하이드린, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 라텍스, 아크릴 수지, 페놀수지, 에폭시 수지, 카복시메틸셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로스, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리이미드, 폴리카복실레이트, 폴리카복시산, 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트, 리튬 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)-헥사플루오로프로펜으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하기로, 상기 바인더는 폴리테트라플로오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함할 수 있다.In addition, the binder is a component that assists the bonding of the positive electrode active material and the conductive material and the bonding to the current collector, and includes styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile copolymer, acrylonitrile-butadiene rubber, and nitrile. Butadiene rubber, acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer, acrylic rubber, butyl rubber, fluorine rubber, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene/propylene copolymer, polybutadiene, polyethylene oxide, chlorosulfonated polyethylene. , polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyacrylonitrile, polystyrene, latex, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, carboxymethyl cellulose. , hydroxypropyl cellulose, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylcellulose, cyanoethyl sucrose, polyester, polyamide, polyether, polyimide, polycarboxylate, polycarboxylic acid, Consisting of polyacrylic acid, polyacrylate, lithium polyacrylate, polymethacrylic acid, polymethacrylate, polyacrylamide, polyurethane, polyvinylidene fluoride and poly(vinylidene fluoride)-hexafluoropropene. It may include one or more types selected from the group. Preferably, the binder may include polytetrafluoroethylene (PTFE).
또한, 상기 바인더는 상기 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 4 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는, 상기 바인더의 함량은 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상 또는 1.5 중량% 이상일 수 있고, 3 중량% 이하, 3.5 중량% 이하 또는 4 중량% 이하일 수 있다. 상기 바인더의 함량이 0.5 중량% 미만이면 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력이 저하될 수 있고, 4 중량%를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극 활물질의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.In addition, the binder may be included in an amount of 0.5% by weight to 4% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. Specifically, the binder content may be 0.5% by weight or more, 1% by weight or more, or 1.5% by weight or more. and may be 3% by weight or less, 3.5% by weight or less, or 4% by weight or less. If the content of the binder is less than 0.5% by weight, the adhesion between the positive electrode active material and the positive electrode current collector may decrease, and if it exceeds 4% by weight, the adhesion is improved, but the content of the positive electrode active material may decrease accordingly, lowering battery capacity.
또한, 상기 양극 집전체는 양극 집전체는 상기 양극 활물질층을 지지하며, 외부 도선과 양극 활물질층 사이에서 전자를 전달하는 역할을 하는 것이다. Additionally, the positive electrode current collector supports the positive electrode active material layer and serves to transfer electrons between the external conductor and the positive electrode active material layer.
상기 양극 집전체는 전고체 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 전자 전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양극 집전체로 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 팔라듐, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high electronic conductivity without causing chemical changes in the all-solid-state battery. For example, the positive electrode current collector may be copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, palladium, calcined carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. You can.
상기 양극 집전체는 양극 활물질층과의 결합력을 강화시키 위해 양극 집전체의 표면에 미세한 요철 구조를 가지거나 3차원 다공성 구조를 채용할 수 있다. 이에 따라, 상기 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 포함할 수 있다.The positive electrode current collector may have a fine uneven structure on the surface of the positive electrode current collector or may adopt a three-dimensional porous structure to strengthen the bonding force with the positive electrode active material layer. Accordingly, the positive electrode current collector may include various forms such as film, sheet, foil, mesh, net, porous material, foam, and non-woven fabric.
상기와 같은 양극은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 용매 상에서 혼합하여 제조한 양극 활물질층 형성용 조성물을 양극 집전체 위에 도포 및 건조하고, 선택적으로 전극 밀도의 향상을 위하여 집전체에 압축 성형하여 제조할 수 있다. 이때 상기 용매로는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 쉽게 증발되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 용매는 부틸 부티레이트(butyl butyrate), 헥실 부티레이트(hexyl butyrate), 자일렌(xylene), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 디브로모메탄(dibromomethane) 등일 수 있다.The above positive electrode can be manufactured according to a conventional method, and specifically, a composition for forming a positive electrode active material layer prepared by mixing a positive active material, a conductive material, and a binder in a solvent is applied and dried on the positive electrode current collector, and optionally To improve electrode density, it can be manufactured by compression molding on a current collector. At this time, it is preferable to use a solvent that can uniformly disperse the positive electrode active material, binder, and conductive material and that evaporates easily. Specifically, the solvent may be butyl butyrate, hexyl butyrate, xylene, ethyl acetate, dibromomethane, etc.
본 발명에 있어서, 상기 전고체 전지에 포함된 상기 음극은 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 음극 집전체의 일 면에 형성된 것일 수 있다.In the present invention, the negative electrode included in the all-solid-state battery includes a negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer may be formed on one side of the negative electrode current collector.
상기 음극 활물질은 리튬 (Li+)을 가역적으로 삽입(intercalation) 또는 탈삽입(deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. The negative electrode active material is a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium (Li + ), a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, lithium metal, or a lithium alloy. It can be included.
상기 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 삽입 또는 탈삽입할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 인듐(In), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다.The material capable of reversibly inserting or de-inserting lithium ions (Li + ) may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material that can react with the lithium ion (Li + ) to reversibly form a lithium-containing compound may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. The lithium alloy includes, for example, lithium (Li), indium (In), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), and magnesium ( It may be an alloy of a metal selected from the group consisting of Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).
바람직하게 상기 음극 활물질은 리튬 금속 또는 리튬-인듐 합금(Li-In)일 수 있으며, 구체적으로, 리튬 금속 또는 리튬과 박막 또는 리튬-인듐 합금 박막 또는 분말 형태일 수 있다.Preferably, the negative electrode active material may be lithium metal or lithium-indium alloy (Li-In), and specifically, may be in the form of lithium metal or lithium and a thin film or a lithium-indium alloy thin film or powder.
상기 음극 활물질은 상기 음극 활물질층 전체 중량을 기준으로 40 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 활물질의 함량은 40 중량% 이상 또는 50 중량% 이상일 수 있고, 70 중량% 이하 또는 80 중량% 이하일 수 있다. 상기 음극 활물질의 함량이 40 중량% 미만이면 습식 음극 활물질층과 건식 음극 활물질층의 연결성이 부족해질 수 있고, 80 중량% 초과이면 물질 전달 저항이 커질 수 있다.The negative electrode active material may be included in an amount of 40 to 80% by weight based on the total weight of the negative electrode active material layer. Specifically, the content of the negative electrode active material may be 40% by weight or more or 50% by weight or more, and may be 70% by weight or less or 80% by weight or less. If the content of the negative electrode active material is less than 40% by weight, the connectivity between the wet negative electrode active material layer and the dry negative electrode active material layer may be insufficient, and if the content of the negative electrode active material is more than 80% by weight, mass transfer resistance may increase.
또한, 상기 바인더는 상기 양극 활물질층에서 상술한 바와 같다.Additionally, the binder is the same as described above for the positive electrode active material layer.
또한, 상기 도전재는 상기 양극 활물질층에서 상술한 바와 같다.Additionally, the conductive material is the same as described above for the positive electrode active material layer.
또한, 상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철이 형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다.In addition, the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, the negative electrode current collector may include copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, and copper. Surface treatment of stainless steel with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used. In addition, like the positive electrode current collector, the negative electrode current collector may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics with fine irregularities formed on the surface.
상기 음극의 제조방법은 특별히 제한되지 않으며, 음극 집전체 상에 당업계에서 통상적으로 사용되는 층 또는 막의 형성방법을 이용하여 음극 활물질층을 형성하여 제조할 수 있다. 예컨대 압착, 코팅, 증착 등의 방법을 이용할 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체에 리튬 박막이 없는 상태로 전지를 조립한 후 초기 충전에 의해 금속판 상에 금속 리튬 박막이 형성되는 경우도 본 발명의 음극에 포함된다.The manufacturing method of the negative electrode is not particularly limited, and it can be manufactured by forming a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector using a layer or film forming method commonly used in the art. For example, methods such as compression, coating, and deposition can be used. In addition, the case where a metallic lithium thin film is formed on a metal plate through initial charging after assembling a battery without a lithium thin film on the negative electrode current collector is also included in the negative electrode of the present invention.
또는, 상기 전고체 전지는 무음극(anodeless) 형태일 수도 있다.Alternatively, the all-solid-state battery may be in an anodeless form.
전고체 전지의 제조방법Manufacturing method of all-solid-state battery
본 발명은 또한, 전고체 전지의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for manufacturing an all-solid-state battery.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 고체 전해질의 제조방법에 대한 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram of a method for manufacturing a composite solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전고체 전지의 제조방법은, (P1) 복합 고체 전해질의 일 면에 양극 활물질층 형성용 혼합물을 위치시키고, 고온 가압하여 상기 복합 고체 전해질 일 면에 양극을 형성하는 단계; (P2) 및 상기 복합 고체질의 다른 일 면에 음극을 위치시키고 가압하는 단계(미도시);를 포함한다.Referring to FIG. 3, the method for manufacturing an all-solid-state battery according to the present invention is (P1) placing a mixture for forming a positive electrode active material layer on one side of a composite solid electrolyte and applying high temperature and pressure to form a positive electrode on one side of the composite solid electrolyte. forming step; (P2) and placing a cathode on the other side of the composite solid material and pressing it (not shown).
상기 (P1) 단계에서는, 복합 고체 전해질의 일 면에 양극 활물질층 형성용 혼합물을 위치시키고, 고온 가압하여 상기 복합 고체 전해질 일 면에 양극을 형성할 수 있다. In step (P1), the mixture for forming a positive electrode active material layer is placed on one side of the composite solid electrolyte and subjected to high temperature and pressure to form a positive electrode on one side of the composite solid electrolyte.
상기 양극 활물질층 형성용 혼합물은 양극 활물질, 황화물계 고체 전해질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다. 이들의 구체적인 종류 및 중량은 전술한 바와 같다. 또한, 상기 양극 활물질층 형성 후, 집전체를 부착시켜 양극을 제조할 수도 있다. The mixture for forming the positive electrode active material layer may include a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, a conductive material, and a binder. Their specific types and weights are as described above. Additionally, after forming the positive electrode active material layer, a positive electrode may be manufactured by attaching a current collector.
또한, 상기 고온 가압 공정은 복합 고체 전해질과 양극을 접합시키되, 계면 저항을 감소시켜 일체화하기 위한 것으로, 70℃ 내지 200℃에서 300 MPa 내지 500 MPa 압력으로 실시되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 고온 가압 공정의 온도는 70℃ 이상, 80℃ 이상 또는 90℃ 이상일 수 있고, 120℃ 이하, 150℃ 이하 또는 200℃ 이하일 수 있다. 또한, 상기 고온 가압 공정의 압력은 300 MPa 이상, 350 MPa 이상 또는 400 MPa 이상일 수 있고, 450 MPa 이하, 470 MPa 이하 또는 470 MPa 이하일 수 있다. 상기 고온 가압 공정의 온도 및/또는 압력이 상기 범위 미만이면 복하 고체 전해질과 양극의 일체화가 되지 않을 수 있고, 상기 범위 초과이면 복합 고체 전해질 또는 양극이 변형되거나 파손될 수 있다.In addition, the high-temperature pressurization process is intended to bond the composite solid electrolyte and the positive electrode, thereby reducing the interface resistance and integrating them, and may be performed at 70°C to 200°C and at a pressure of 300 MPa to 500 MPa. Specifically, the temperature of the high temperature pressing process may be 70°C or higher, 80°C or higher, or 90°C or higher, and may be 120°C or lower, 150°C or lower, or 200°C or lower. Additionally, the pressure of the high temperature pressing process may be 300 MPa or more, 350 MPa or more, or 400 MPa or more, and may be 450 MPa or less, 470 MPa or less, or 470 MPa or less. If the temperature and/or pressure of the high-temperature pressurizing process is less than the above range, the composite solid electrolyte and the positive electrode may not be integrated, and if it exceeds the above range, the composite solid electrolyte or the positive electrode may be deformed or damaged.
상기 (P2) 단계에서는, 상기 복합 고체 전해질의 다른 일 면에 음극을 위치시키고 가압하여, 전고체 전지를 제조할 수 있다. 상기 음극에 대한 설명의 전술한 바와 같다. In step (P2), an all-solid-state battery can be manufactured by placing a negative electrode on the other side of the composite solid electrolyte and pressurizing it. The same as described above in the description of the cathode.
상기 가압 시 압력은 40 MPa 내지 80 MPa 일 수 있으며, 구체적으로 상기 가압 시 압력은 40 MPa 이상, 45 MPa 이상 또는 50 MPa 이상 일 수 있고, 70 MPa 이하, 75 MPa 이하 또는 80 MPa 이하 일 수 있다. 상기 가압 시 압력이 40 MPa 미만이면 음극이 상기 복합 고체 전해질로부터 분리될 수 있고, 80 MPa 초과이면 복합 고체 전해질 또는 음극이 변형되거나 파손될 수 있다.The pressure during pressurization may be 40 MPa to 80 MPa. Specifically, the pressure during pressurization may be 40 MPa or more, 45 MPa or more, or 50 MPa or more, and may be 70 MPa or less, 75 MPa or less, or 80 MPa or less. . If the pressure during pressurization is less than 40 MPa, the negative electrode may be separated from the composite solid electrolyte, and if it is more than 80 MPa, the composite solid electrolyte or the negative electrode may be deformed or damaged.
이와 같이 제조된, 전고체 전지는 얇은 두께의 복합 고체 전해질을 포함하므로, 제조 단가를 낮출 수 있고, 이온 컨덕턴스 및 에너지 밀도가 향상될 수 있다.The all-solid-state battery manufactured in this way includes a thin composite solid electrolyte, so the manufacturing cost can be reduced and ion conductance and energy density can be improved.
또한, 상기 복합 고체 전해질과 양극은 고온 가압 공정에 의해 일체화되므로, 계면 안정성이 향상될 수 있다.Additionally, since the composite solid electrolyte and the positive electrode are integrated through a high temperature and pressurization process, interfacial stability can be improved.
전지 모듈battery module
본 발명은 또한, 상기 전고체 전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스에 관한 것이다.The present invention also relates to a battery module including the all-solid-state battery as a unit cell, a battery pack including the battery module, and a device including the battery pack as a power source.
이 때, 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.At this time, specific examples of the device include a power tool that is powered by an omni-electric motor and moves; Electric vehicles, including Electric Vehicle (EV), Hybrid Electric Vehicle (HEV), Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), etc.; Electric two-wheeled vehicles, including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); electric golf cart; Examples include, but are not limited to, power storage systems. Preferred examples are presented below to aid understanding of the present invention. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is clear to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It is natural that changes and modifications fall within the scope of the attached patent claims.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Preferred examples are presented below to aid understanding of the present invention. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It is natural that changes and modifications fall within the scope of the attached patent claims.
하기 실시예 및 비교예에서는, 하기 표 1에 기재된 바와 같은 조성 및 공정에 따라, 복합 고체 전해질, 복합 양극 및 전고체 전지를 제조하였다.In the following examples and comparative examples, a composite solid electrolyte, a composite positive electrode, and an all-solid-state battery were manufactured according to the composition and process as shown in Table 1 below.
(중량%)content
(weight%)
(X=0.73, Y=0.27)Formula 1
(X=0.73, Y=0.27)
-바인더: NBR (5.0 중량%)
-용매: 부틸 부티레이트Use of binders and solvents for wet processes
-Binder: NBR (5.0% by weight)
-Solvent: Butyl butyrate
참고예Reference example
하기 실시예에서는, 폴리에스터 섬유로서 하기 화학식 1로 표시되는 방향족 폴리에스터 섬유(Vectran, Kuraray社), 또는 지방족 폴리에스터 섬유인 폴리부틸렌 아디페이트(poly(butylene adipate), PBA)를 사용하였다:In the following examples, aromatic polyester fiber (Vectran, Kuraray) represented by the following formula (1) or poly(butylene adipate) (PBA), an aliphatic polyester fiber, was used as the polyester fiber:
<화학식 1><Formula 1>
상기 화학식 1에서, X는 0.73이고, Y는 0.27이다.In Formula 1, X is 0.73 and Y is 0.27.
도 4는 화학식 1로 표시되는 방향족 폴리에스터 섬유의 주사전자현미경(SEM, Verios, ThermoFisher社) 사진이다.Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM, Verios, ThermoFisher) photograph of an aromatic polyester fiber represented by Formula 1.
도 4를 참조하면, 화학식 1로 표시되는 방향족 폴리에스터의 구조를 확인할 수 있고, 섬유상 구조가 황화물계 고체 전해질과 혼합되어 기계적 물성을 보완할 수 있을 것임을 알 수 있다.Referring to Figure 4, the structure of the aromatic polyester represented by Chemical Formula 1 can be confirmed, and it can be seen that the fibrous structure can be mixed with the sulfide-based solid electrolyte to complement the mechanical properties.
실시예 1Example 1
(1) 복합 고체 전해질 제조(1) Preparation of composite solid electrolyte
황화물계 고체 전해질인 Li6PS5Cl 분말에 방향족 상기 폴리에스터 섬유를 혼합하여 얻은 혼합물을 스테인리스 스틸(stainless steel, SUS) 몰드에 넣었다. 상기 폴리에스터 섬유는 상기 참고예의 화학식 1로 표시되는 폴리에스터 섬유를 사용하였으며, 복합 고체 전해질 전체 중량에서 2.5 중량%가 되도록 하였다:The mixture obtained by mixing the aromatic polyester fiber with Li 6 PS 5 Cl powder, a sulfide-based solid electrolyte, was placed in a stainless steel (SUS) mold. The polyester fiber represented by Chemical Formula 1 in the Reference Example was used, and was adjusted to 2.5% by weight of the total weight of the composite solid electrolyte:
상온에서 300 MPa의 압력으로 상기 혼합물을 1차 가압하였다.The mixture was first pressurized at room temperature and at a pressure of 300 MPa.
그 후, 200℃에서 240 MPa의 압력으로 1시간 동안 2차 가압하여, 복합 고체 전해질을 제조하였다. Afterwards, secondary pressure was applied at 200°C at a pressure of 240 MPa for 1 hour to prepare a composite solid electrolyte.
(2)양극 제조(2)Anode manufacturing
상기 복합 고체 전해질 상에 양극 활물질층 형성용 혼합물을 11.0 mg/㎠ 이 되도록 넣은 후, 100℃에서 430 MPa의 압력으로 30분 동안 가압 처리하여 양극을 형성하였다. 이때, 상기 양극층 형성용 혼합물은, 양극 활물질인 LiNi0.7Co0.1Mn0.2O2, 상기 황화물계 고체 전해질인 Li6PS5Cl 분말, 도전재인 기상성장탄소섬유(vapor-grown carbon fiber, VGCF) 및 바인더인 폴리테트라플로오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)를 70 : 25 : 3 : 2의 중량비로 혼합하여 제조한 것이다. The mixture for forming a positive electrode active material layer was added to 11.0 mg/cm2 on the composite solid electrolyte, and then pressurized at 100°C at a pressure of 430 MPa for 30 minutes to form a positive electrode. At this time, the mixture for forming the positive electrode layer includes LiNi 0.7 Co 0.1 Mn 0.2 O 2 as a positive electrode active material, Li 6 PS 5 Cl powder as the sulfide-based solid electrolyte, and vapor-grown carbon fiber (VGCF) as a conductive material. and polytetrafluoroethylene (PTFE), a binder, in a weight ratio of 70:25:3:2.
가압 처리 후, 상기 복합 고체 전해질과 일체화된 양극을 제조하였다.After pressure treatment, a positive electrode integrated with the composite solid electrolyte was manufactured.
(3)전고체 전지 제조(3) All-solid-state battery manufacturing
상기 복합 고체 전해질에서 양극이 일체화된 표면의 반대 표면에, 음극으로서 Li-In 호일을 넣은 후 60 MPa의 압력을 가하여 전고체 전지를 제조하였다. 상기 Li-In 호일은 Li과 In을 0.5 : 1의 몰비로 포함하는 것이다.An all-solid-state battery was manufactured by placing a Li-In foil as a negative electrode on the surface opposite to the surface where the positive electrode was integrated in the composite solid electrolyte and then applying a pressure of 60 MPa. The Li-In foil contains Li and In at a molar ratio of 0.5:1.
실시예 2Example 2
상기 폴리에스터 섬유의 함량이 상기 복합 고체 전해질 전체 중량에서 5 중량%가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as Example 1 was carried out, except that the content of the polyester fiber was 5% by weight of the total weight of the composite solid electrolyte.
실시예 3Example 3
상기 폴리에스터 섬유의 함량이 상기 복합 고체 전해질 전체 중량에서 7.5 중량%가 되도록 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as Example 1 was performed, except that the content of the polyester fiber was 7.5% by weight of the total weight of the composite solid electrolyte.
실시예 4Example 4
참고예의 상기 화학식 1로 표시되는 방향족 폴리에스터 섬유 대신 참고예의 지방족 폴리에스터 섬유(폴리부틸렌 아디페이트(poly(butylene adipate)))를 사용한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 실시하였다. The same procedure as Example 2 was carried out, except that the aliphatic polyester fiber (poly(butylene adipate)) of the Reference Example was used instead of the aromatic polyester fiber represented by Formula 1 of the Reference Example.
비교예 1Comparative Example 1
(1) 복합 고체 전해질 제조(1) Preparation of composite solid electrolyte
Li6PS5Cl 분말 100 mg을 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 몰드에 넣은 후, 상온에서 300 MPa의 압력으로 가압하여, Li6PS5Cl 펠렛을 얻었다. 100 mg of Li 6 PS 5 Cl powder was placed in a polyethyleneterephthalate (PET) mold and then pressed at room temperature at a pressure of 300 MPa to obtain Li 6 PS 5 Cl pellets.
(2)복합 양극 제조(2) Manufacturing composite anode
상기 복합 고체 전해질 상에 복합 양극층 형성용 혼합물을 11.0 mg/㎠ 이 되도록 넣은 후, 상온에서 430 MPa의 압력으로 30분 동안 가압 처리하였다. 이때, 상기 복합 양극층 형성용 혼합물은, 양극 활물질인 LiNi0.7Co0.1Mn0.2O2, 상기 복합 고체 전해질인 Li6PS5Cl 분말, 도전재인 기상성장탄소섬유(vapor-grown carbon fiber, VGCF) 및 바인더인 폴리테트라플로오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)를 70 : 25 : 3 : 2의 중량비로 혼합하여 제조한 것이다.The mixture for forming a composite anode layer was added to the composite solid electrolyte to a concentration of 11.0 mg/cm2, and then pressurized at room temperature at a pressure of 430 MPa for 30 minutes. At this time, the mixture for forming the composite positive electrode layer includes LiNi 0.7 Co 0.1 Mn 0.2 O 2 as the positive electrode active material, Li 6 PS 5 Cl powder as the composite solid electrolyte, and vapor-grown carbon fiber (VGCF) as the conductive material. and polytetrafluoroethylene (PTFE), a binder, in a weight ratio of 70:25:3:2.
(3)전고체 전지 제조(3) All-solid-state battery manufacturing
상기 복합 고체 전해질에서 복합 양극이 일체화된 표면의 반대 표면에, 음극으로서 Li-In 호일을 넣은 후 60 MPa의 압력을 가하여 전고체 전지를 제조하였다. 상기 Li-In 호일은 Li과 In을 0.5 : 1의 몰비로 포함하는 것이다.An all-solid-state battery was manufactured by placing a Li-In foil as a negative electrode on the surface opposite to the surface where the composite anode was integrated in the composite solid electrolyte and then applying a pressure of 60 MPa. The Li-In foil contains Li and In at a molar ratio of 0.5:1.
비교예 2Comparative Example 2
용매를 사용하지 않은 건식 공정으로 복합 고체 전해질을 제조한 실시예 2와 달리, 용매를 사용하여 습식 공정으로 복합 고체 전해질을 제조하였다. Unlike Example 2, where the composite solid electrolyte was manufactured through a dry process without using a solvent, the composite solid electrolyte was manufactured through a wet process using a solvent.
습식 공정을 위하여, 실시예 2의 폴리에스터 섬유 대신 바인더로서 니트릴 부타디엔 고무(Nitril Butadiene Rubber, NBR)를 사용하였으며, 용매는 황화물계 고체 전해질의 구조 파괴를 최소화할 수 있는 부틸 부틸레이트(butyl butyrate) 용매를 사용하였다. For the wet process, nitrile butadiene rubber (NBR) was used as a binder instead of the polyester fiber of Example 2, and the solvent was butyl butyrate, which can minimize structural destruction of the sulfide-based solid electrolyte. A solvent was used.
NBR(AN(Acrylonitrile) 함량) 고분자를 부틸 부티레이트 용매에 5 중량% 농도로 용해시킨 용액을 준비하여, 황화물계 고체 전해질인 Li6PS5Cl 분말과 혼합하여 슬러리를 형성하였다. 상기 슬러리를 닥터 블레이드를 이용하여 기재에 캐스팅한 후 건조시켜 용매를 제거하여 복합 고체 전해질을 제조한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일하게 실시하였다.A solution of NBR (AN (Acrylonitrile) content) polymer dissolved in a butyl butyrate solvent at a concentration of 5% by weight was prepared and mixed with Li 6 PS 5 Cl powder, a sulfide-based solid electrolyte, to form a slurry. The same procedure as Example 2 was performed, except that the slurry was cast on a substrate using a doctor blade and then dried to remove the solvent to prepare a composite solid electrolyte.
실험예 1: 복합 고체 전해질의 두께 측정Experimental Example 1: Measurement of thickness of composite solid electrolyte
폴리에스터 섬유의 함량과 복합 고체 전해질의 박막화의 상관 관계를 확인하기 위하여, 복합 고체 전해질의 두께를 측정하였다. In order to confirm the correlation between the polyester fiber content and thinning of the composite solid electrolyte, the thickness of the composite solid electrolyte was measured.
두께 측정 대상은, 폴리에스터 섬유의 함량 이 외에 동일 조건에서 제조된 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 고체 전해질로 하였다. In addition to the polyester fiber content, the thickness measurement object was the solid electrolyte of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 prepared under the same conditions.
두께 측정 방법은, 마이크로미터(547-401, 미쓰도요社)를 이용하여, 펠렛 형태인 복합 고체 전해질의 두께를 측정하였다.The thickness measurement method was to measure the thickness of the composite solid electrolyte in the form of a pellet using a micrometer (547-401, Mitutoyo).
도 5는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 복합 고체 전해질의 두께 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the thickness measurement results of the composite solid electrolyte prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
도 5를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 복합 고체 전해질의 두께는 비교예 1의 고체 전해질의 비해서 얇은 것을 알 수 있었다. 이로부터, 폴리에스터 섬유를 포함하여 보강된 복합 고체 전해질의 박막화가 가능하다는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 5, it was found that the thickness of the composite solid electrolyte of Examples 1 to 3 was thinner than that of the solid electrolyte of Comparative Example 1. From this, it was confirmed that it was possible to thin the composite solid electrolyte reinforced with polyester fibers.
또한, 폴리에스터 섬유의 함량이 5 중량%는 상기 함량 증가에 반비례하여 복합 고체 전해질의 두께가 감소하는 경향을 나타내나, 5 중량% 이상에서는 두께가 유지되는 경향을 나타내는 것을 확인하였다.In addition, it was confirmed that when the polyester fiber content was 5% by weight, the thickness of the composite solid electrolyte tended to decrease in inverse proportion to the increase in the content, but when the content was 5% by weight or more, the thickness tended to be maintained.
이로부터, 복합 고체 전해질의 두께를 얇게 할 수 있는 폴리에스터 섬유의 적정 함량은 5 중량% 임을 알 수 있다.From this, it can be seen that the appropriate content of polyester fibers that can thin the thickness of the composite solid electrolyte is 5% by weight.
도 6은 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 고체 전해질을 나타낸 사진이다 ((a) 비교예 1; (b) 실시예 2; 및 (c) 실시예 2 복합 고체 전해질의 두께 측정 사진).Figure 6 is a photograph showing the solid electrolyte prepared in Example 2 and Comparative Example 1 ((a) Comparative Example 1; (b) Example 2; and (c) Example 2 photograph of measuring the thickness of the composite solid electrolyte).
도 6을 참조하면, 비교예 1의 고체 전해질 제조 공정 중 400 ㎛ 두께가 되도록, 가압할 경우 부서진 것을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예 2의 복합 고체 전해질 제조 공정 중 98 ㎛ 두께가 되도록 가압하여도 파손 없이 제조된 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 6, it was confirmed that the solid electrolyte of Comparative Example 1 was broken when pressed to a thickness of 400 ㎛ during the manufacturing process. On the other hand, it was confirmed that the composite solid electrolyte was manufactured without damage even when pressed to a thickness of 98 ㎛ during the manufacturing process of Example 2.
따라서, 실시예 2의 복합 고체 전해질은 폴리에스터 섬유 5 중량%를 포함함에 따라 물성이 강화되어, 얇은 두께로 제조하기 위해 가해지는 가압 조건을 견디어 박막화가 가능하다는 것을 알 수 있었다. Accordingly, it was found that the composite solid electrolyte of Example 2 had enhanced physical properties as it contained 5% by weight of polyester fiber, and was able to be thinned by withstanding the pressurizing conditions applied to manufacture it in a thin film.
실험예 2: 복합 고체 전해질의 이온 전도 특성 측정 Experimental Example 2: Measurement of ion conduction properties of composite solid electrolyte
폴리에스터 섬유의 함량 및 가압 시 온도 조건과 복합 고체 전해질의 이온 전도 특성의 상관 관계를 확인하기 위하여, 복합 고체 전해질의 이온 전도도 및 이온 컨덕턴스를 측정하였다. In order to confirm the correlation between the polyester fiber content and temperature conditions during pressurization and the ion conduction characteristics of the composite solid electrolyte, the ionic conductivity and ion conductance of the composite solid electrolyte were measured.
두께 측정 대상은, 폴리에스터 섬유의 함량 이 외에 동일 조건에서 제조된 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 복합 고체 전해질로 하였다. In addition to the polyester fiber content, the object of thickness measurement was the composite solid electrolyte of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 prepared under the same conditions.
(1) 이온 전도도 측정(1) Ion conductivity measurement
실시예 및 비교예에서 제조된 복합 고체 전해질의 이온 전도도를 측정하기 위하여, 0.8167cm2 크기의 압력셀 몰드 내에 상기 복합 고체 전해질을 형성시킨 후, 스테인레스 스틸을 비활성 전극(blocking electrode)으로 사용하여 이온 전도도 측정을 위한 압력셀을 제조하였다.To measure the ionic conductivity of the composite solid electrolyte prepared in Examples and Comparative Examples, the composite solid electrolyte was formed in a pressure cell mold of 0.8167 cm 2 in size, and then stainless steel was used as an inert electrode (blocking electrode) to conduct ions. A pressure cell was manufactured for measuring conductivity.
전기화학 임피던스 스펙트로미터(Impedance analyzer, CH Instrument社)를 사용하여 25℃에서 amplitude 10 mV 및 스캔 범위 1Hz에서 0.1 MHz까지의 조건으로 저항을 측정한 후 하기 식 1을 이용하여, 상기 고체 전해질의 이온 전도도를 계산하였다.After measuring the resistance using an electrochemical impedance spectrometer (Impedance analyzer, CH Instrument) at 25°C with an amplitude of 10 mV and a scan range of 1 Hz to 0.1 MHz, the ions of the solid electrolyte were calculated using Equation 1 below. Conductivity was calculated.
[식 1][Equation 1]
상기 식 1에서 σi는 고체 전해질의 이온 전도도(mS/cm)이고, R은 상기 전기화학 임피던스 스펙트로미터로 측정한 고체 전해질의 저항(Ω)이고, L은 고체 전해질의 두께(㎛)이고, A는 고체 전해질의 면적(cm2)을 의미한다. 상기 고체 전해질 시료는 L은 도 5에서 측정된 두께를 적용하고, A=0.8167cm2 인 것을 사용하였다.In Equation 1, σi is the ionic conductivity of the solid electrolyte (mS/cm), R is the resistance of the solid electrolyte (Ω) measured with the electrochemical impedance spectrometer, L is the thickness of the solid electrolyte (㎛), and A means the area of the solid electrolyte (cm 2 ). For the solid electrolyte sample, L was the thickness measured in FIG. 5 and A = 0.8167cm 2 was used.
(2) 이온 컨덕턴스 측정 (2) Ion conductance measurement
고체 전해질의 이온 컨덕턴스는 하기 식 2로 계산하였다:The ion conductance of the solid electrolyte was calculated using Equation 2:
<식 2><Equation 2>
상기 식 2에서 IC는 고체 전해질의 이온 컨덕턴스(mS)이고, R은 상기 전기화학 임피던스 스펙트로미터로 측정한 고체 전해질의 저항(Ω)이다. 상기 σi은 상기 식 1로 계산된 고체 전해질의 이온 전도도(mS/cm)이고, 상기 L은 고체 전해질의 두께(㎛)이고, A는 고체 전해질의 면적(cm2)을 의미한다. 상기 고체 전해질 시료는 L은 도 5에서 측정된 두께를 적용하고, A=0.8167cm2 인 것을 사용하였다.In Equation 2, IC is the ion conductance (mS) of the solid electrolyte, and R is the resistance (Ω) of the solid electrolyte measured with the electrochemical impedance spectrometer. The σi is the ionic conductivity of the solid electrolyte (mS/cm) calculated by Equation 1 above, L is the thickness of the solid electrolyte (㎛), and A is the area of the solid electrolyte (cm 2 ). For the solid electrolyte sample, L was the thickness measured in FIG. 5 and A = 0.8167cm 2 was used.
도 7a 및 도 7b는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 복합 고체 전해질에 대하여, 상압 가압 공정 및 고온 가압 공정을 적용할 경우 이온 전도도와 이온 컨덕턴스를 비교한 그래프이다. 실시예 1 내지 3에서, CP-CE는 상온 가압 공정인 1차 가압 후의 복합 고체 전해질이고, HP-CE는 고온 가압 공정인 2차 가압 후의 복합 고체 전해질이다. 또한, 비교예 1에서, CP-CE는 비교예 1에 기재된 상온 가압 공정 후의 복합 고체 전해질이고, HP-CE는 상기 상온 가압 공정 후 실시예 1의 2차 가압 조건으로 고온 가압 공정을 실시한 후의 복합 고체 전해질이다.Figures 7a and 7b are graphs comparing ion conductivity and ion conductance when applying an ordinary pressure pressurization process and a high temperature pressurization process for the composite solid electrolytes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. In Examples 1 to 3, CP-CE is a composite solid electrolyte after primary pressurization, which is a room temperature pressurization process, and HP-CE is a composite solid electrolyte after secondary pressurization, which is a high temperature pressurization process. In addition, in Comparative Example 1, CP-CE is a composite solid electrolyte after the room temperature pressing process described in Comparative Example 1, and HP-CE is a composite solid electrolyte after performing a high temperature pressing process under the secondary pressing conditions of Example 1 after the room temperature pressing process. It is a solid electrolyte.
도 7a를 참조하면, 상온 가압 공정(CP-CE) 및 고온 가압 공정(HP-CE)에서 공통적으로 폴리에스터 섬유 함량이 증가함에 따라 복합 고체 전해질의 이온 전도도가 감소하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 고분자 섬유인 폴리에스터 섬유가 이온 저항체로 작용한 것에 기인한 것이다.Referring to Figure 7a, it can be seen that the ionic conductivity of the composite solid electrolyte tends to decrease as the polyester fiber content increases in the room temperature pressing process (CP-CE) and the high temperature pressing process (HP-CE). . These results are due to the fact that polyester fiber, a polymer fiber, acts as an ion resistor.
또한, 상온 가압 공정에 비해 고온 가압 공정으로 복합 고체 전해질을 제조하는 경우 이온 전도도가 높은 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 고온 가압 공정을 실시할 경우, 고온 적용으로 인하여 복합 고체 전해질 내의 공극이 감소하고, 이에 따라 이온 전도 경로가 형성되는 것에 기인한 것이다.In addition, it was confirmed that the ionic conductivity was higher when the composite solid electrolyte was manufactured through the high-temperature pressurization process compared to the room temperature pressurization process. This result is due to the fact that when a high temperature pressurization process is performed, the pores in the composite solid electrolyte are reduced due to the application of high temperature, thereby forming an ion conduction path.
도 7b를 참조하면, 상온 가압 공정(CP-CE) 및 고온 가압 공정(HP-CE)에서 공통적으로 폴리에스터 섬유 함량이 5 중량% 까지는 폴리에스터 섬유 함량이 증가함에 따라 고체 전해질의 이온 컨덕턴스가 증가하나, 폴리에스터 섬유 함량이 7.5 중량% 가 되면 고체 전해질의 이온 컨덕턴스가 감소하는 것을 알 수 있다. Referring to Figure 7b, the ion conductance of the solid electrolyte increases as the polyester fiber content increases up to 5% by weight in the room temperature pressing process (CP-CE) and the high temperature pressing process (HP-CE). First, it can be seen that when the polyester fiber content is 7.5% by weight, the ion conductance of the solid electrolyte decreases.
전고체 전지에서, 복합 고체 전해질의 이온 컨덕턴스가 증가할수록 고체 전해질의 저항이 감소하는 것을 의미하므로, 복합 고체 전해질의 이온 전도도 보다 이온 컨덕턴스가 더 중요한 요소로 평가된다.In an all-solid-state battery, as the ionic conductance of the composite solid electrolyte increases, the resistance of the solid electrolyte decreases, so the ionic conductance is evaluated as a more important factor than the ionic conductance of the composite solid electrolyte.
폴리에스터 섬유의 함량이 증가할수록 복합 고체 전해질 두께가 감소하고(도 5), 이온 전도도도 감소하나(도 7a), 폴리에스터 섬유의 함량이 5 중량% 이상에서는 복합 고체 전해질의 두께가 더 이상 감소하는 경향을 나타내지 않으므로(도 5) 이온 컨덕턴스도 더 이상 증가하지 않고 감소한 것이다.As the content of polyester fiber increases, the thickness of the composite solid electrolyte decreases (Figure 5) and the ionic conductivity also decreases (Figure 7a), but when the content of polyester fiber is more than 5% by weight, the thickness of the composite solid electrolyte no longer decreases. Since it does not show a tendency (Figure 5), the ion conductance no longer increases but decreases.
이로부터, 복합 고체 전해질의 높은 이온 컨덕턴스를 얻기 위해서는 폴리에스터 섬유의 적정 함량은 5 중량% 로 하여 고온 가압 공정을 실시하여야 하는 것을 확인하였다.From this, it was confirmed that in order to obtain high ionic conductance of the composite solid electrolyte, the high temperature pressing process must be performed with the appropriate content of polyester fibers at 5% by weight.
실험예 3: 복합 고체 전해질의 화학적 안정성 평가Experimental Example 3: Evaluation of chemical stability of composite solid electrolyte
복합 고체 전해질의 화학적 안정성을 평가하기 위한 분석을 실시하였다.An analysis was conducted to evaluate the chemical stability of the composite solid electrolyte.
화학적 안정성 평가 대상은, 실시예 중 가장 높은 이온 인덕턴스를 나타내는 실시예 2의 복합 고체 전해질이다.The subject of chemical stability evaluation was the composite solid electrolyte of Example 2, which showed the highest ion inductance among the examples.
화학적 안정성 평가 방법은, X선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 실시하였다.The chemical stability evaluation method was conducted using X-ray diffraction (XRD).
도 8은 실시예 2에서 제조된 복합 고체 전해질의 XRD 그래프이다.Figure 8 is an XRD graph of the composite solid electrolyte prepared in Example 2.
도 8을 참조하면, 실시예 2에서 제조된 복합 고체 전해질(HP-CE) 내에서, Li6PS5Cl과 폴리에스터 섬유(Polyester fiber)의 결정 피크가 복합 고체 전해질 내에서 잘 유지되는 것을 알 수 있다. CP-CE는 상온 가압 공정인 1차 가압 후의 복합 고체 전해질이고, HP-CE는 고온 가압 공정인 2차 가압 후의 복합 고체 전해질이다.Referring to FIG. 8, it can be seen that in the composite solid electrolyte (HP-CE) prepared in Example 2, the crystal peaks of Li 6 PS 5 Cl and polyester fiber are well maintained in the composite solid electrolyte. You can. CP-CE is a composite solid electrolyte after primary pressurization, which is a room temperature pressurization process, and HP-CE is a composite solid electrolyte after secondary pressurization, which is a high temperature pressurization process.
이로부터, 복합 고체 전해질 내에서 Li6PS5Cl과 폴리에스터 섬유가 부반응 없이 화학적으로 안정한 것임을 확인할 수 있었다.From this, it was confirmed that Li 6 PS 5 Cl and polyester fiber were chemically stable without side reactions in the composite solid electrolyte.
또한, 복합 고체 전해질 제조 시, 상온 가압 공정(CP-CE) 및 고온 가압 공정(HP-CE)에 의해 제조된 복합 고체 전해질 모두 화학적으로 안정한 것임을 확인할 수 있었다.In addition, when manufacturing the composite solid electrolyte, it was confirmed that both the composite solid electrolyte produced by the room temperature pressurization process (CP-CE) and the high temperature pressurization process (HP-CE) were chemically stable.
실험예 4: 복합 고체 전해질의 형태(morphology) 분석Experimental Example 4: Morphology analysis of composite solid electrolyte
복합 고체 전해질의 내에서 폴리에스터 섬유의 분산성을 확인하기 위하여, 상기 복합 고체 전해질의 형태를 분석하였다.In order to confirm the dispersibility of polyester fibers within the composite solid electrolyte, the shape of the composite solid electrolyte was analyzed.
형태 분석 대상은, 실시예 중 가장 높은 이온 인덕턴스를 나타내는 실시예 2의 복합 고체 전해질로 하였다.The object of morphological analysis was the composite solid electrolyte of Example 2, which showed the highest ion inductance among the examples.
형태 분석 방법은, 복합 고체 전해질의 단면을 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM, Verio, ThermoFisher社)으로 확인하고, 에너지 분산 분광(Energy Dispersive Spectrometer, EDS) 분석을 실시하는 것으로 하였다.The morphological analysis method was to check the cross section of the composite solid electrolyte using a scanning electron microscope (FE-SEM, Verio, ThermoFisher) and conduct energy dispersive spectrometer (EDS) analysis. .
도 9는 실시예 2에서 제조된 복합 고체 전해질의 단면 SEM 이미지(a) 및 EDS 매핑(mapping) 이미지((b) 내지 (d))를 나타낸 것이다.Figure 9 shows a cross-sectional SEM image (a) and EDS mapping images ((b) to (d)) of the composite solid electrolyte prepared in Example 2.
도 9를 참조하면, 상기 (a) SEM 이미지에서 Li6PS5Cl과 폴리에스터 섬유 간에 계면 접촉이 잘 이루어져 있으며, 빈 공간이나 결함 없이 치밀하게 복합화 되어 있는 것을 알 수 있다, 또한, (b) 내지 (d)의 EDS 매핑 이미지에서 폴리에스터 섬유의 C 원소, Li6PS5Cl의 P 및 Cl 원소의 분포를 확인할 수 있다 ((b) C 원소의 분포; (c) P 원소의 분포; 및 (d) Cl 원소의 분포).Referring to FIG. 9, it can be seen from the SEM image (a) that the interfacial contact between Li 6 PS 5 Cl and polyester fiber is well established and that it is densely composited without empty spaces or defects. In addition, (b) In the EDS mapping images from (d) to (d), the distribution of the C element of the polyester fiber and the P and Cl elements of Li 6 PS 5 Cl can be confirmed ((b) distribution of the C element; (c) distribution of the P element; and (d) Distribution of Cl element).
실험예 5: 복합 고체 전해질의 기계적 물성 평가Experimental Example 5: Evaluation of mechanical properties of composite solid electrolyte
복합 고체 전해질의 기계적 물성을 평가하였다. The mechanical properties of the composite solid electrolyte were evaluated.
기계적 물성 평가가 대상은, 폴리에스터 섬유를 5 중량%로 포함하는 실시예 2의 복합 고체 전해질로 하였다. 또한, 폴리에스터 섬유를 포함하지 않는 비교예 1에 대해서도 기계적 물성을 평가하여, 폴리에스터 섬유 유무에 따른 기계적 물성을 비교하였다.The subject of mechanical property evaluation was the composite solid electrolyte of Example 2 containing 5% by weight of polyester fiber. In addition, the mechanical properties of Comparative Example 1, which did not contain polyester fibers, were also evaluated and the mechanical properties were compared depending on the presence or absence of polyester fibers.
기계적 물성 평가 방법은, 나노 인덴테이션(nano indentation) 시험법을 실시하는 것으로 하였다. 상기 나노 인덴테이션 실험은 1 mN 힘을 인가하여 나노 팁이 삽입되는 깊이를 측정하였으며, 상기 나노 팁이 삽입되는 깊이가 작을수록 기계적 물성이 우수한 것으로 판단하였다.The method for evaluating mechanical properties was to use nano indentation testing. In the nano-indentation experiment, the depth at which the nano-tip was inserted was measured by applying a force of 1 mN, and it was determined that the smaller the depth at which the nano-tip was inserted, the better the mechanical properties.
도 10a 및 도 10b는 실시예 2 및 비교예 1의 복합 고체 전해질에 대한 기계적 물성 측정 결과를 나타낸 것이다.Figures 10a and 10b show the results of measuring mechanical properties of the composite solid electrolyte of Example 2 and Comparative Example 1.
도 10a를 참조하면, 나노 인덴테이션 실험 결과, 1 mN까지 힘(load)을 가할 때 실시예 2의 복합 고체 전해질에 삽입되는 나노 팁의 깊이(depth)가 비교예 1에 비해 작은 것을 알 수 있다.Referring to Figure 10a, as a result of the nano-indentation experiment, it can be seen that the depth of the nanotip inserted into the composite solid electrolyte of Example 2 is smaller than that of Comparative Example 1 when a load of up to 1 mN is applied. .
이로부터, 폴리에스터 섬유를 포함하는 실시예 2의 복합 고체 전해질은 폴리에스터 섬유에 의해 기계적 물성이 강화된 것임을 확인하였다.From this, it was confirmed that the composite solid electrolyte of Example 2 containing polyester fibers had enhanced mechanical properties due to the polyester fibers.
도 10b를 참조하면, 경도(hardness) 측정 결과, 실시예 2의 복합 전해질이 258.8 MPa 인 것으로 나타나, 폴리에스터 섬유에 의해 실제 기계적 물성이 강화된 것임을 확인하였다. Referring to Figure 10b, as a result of hardness measurement, the composite electrolyte of Example 2 was found to be 258.8 MPa, confirming that the actual mechanical properties were strengthened by the polyester fiber.
실험예 6: 리튬-리튬 대칭 셀 성능 평가Experimental Example 6: Lithium-lithium symmetric cell performance evaluation
복합 고체 전해질이 도입된 리튬-리튬 대칭칭 셀의 셀 성능 평가를 실시하였다. Cell performance evaluation of a lithium-lithium symmetric cell incorporating a composite solid electrolyte was conducted.
리튬-리튬 대칭 셀 성능 평가에 사용된 복합 고체 전해질은 폴리에스터 섬유를 5 중량%로 포함하는 실시예 2의 복합 고체 전해질로 하였다. 또한, 폴리에스터 섬유를 포함하지 않는 비교예 1에 대해서도 동일한 방식으로 셀 성능 평가를 실시하여, 폴리에스터 섬유 유무에 따른 셀 성능을 비교하였다.The composite solid electrolyte used to evaluate the performance of the lithium-lithium symmetric cell was the composite solid electrolyte of Example 2 containing 5% by weight of polyester fiber. In addition, cell performance was evaluated in the same manner for Comparative Example 1, which did not contain polyester fibers, to compare cell performance with and without polyester fibers.
리튬-리튬 대칭 셀 성능 평가 방법은, 리튬-복합 고체 전해질-리튬 대칭 셀을 제조한 후, 전류 밀도를 0.1, 0.2 및 0.4 mA/㎠ (전하량: 0.1, 0.2 및 0.4 mAh/㎠)로 증가시키면서 충방전 특성을 평가하는 것으로 하였다. The lithium-lithium symmetric cell performance evaluation method is to manufacture a lithium-composite solid electrolyte-lithium symmetric cell, then increase the current density to 0.1, 0.2, and 0.4 mA/cm2 (charge: 0.1, 0.2, and 0.4 mAh/cm2) The purpose was to evaluate charge and discharge characteristics.
도 11a 및 도 11b는 실시예 2 및 비교예 1의 복합 고체 전해질을 적용한 리튬-리튬 대칭 셀의 전압 곡선을 나타낸 것이다.Figures 11a and 11b show voltage curves of a lithium-lithium symmetric cell using the composite solid electrolyte of Example 2 and Comparative Example 1.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 실시예 2 및 비교예 1의 복합 고체 전해질을 적용한 리튬-리튬 대칭 셀 모두 단락 없이 안정적인 사이클 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 11A and 11B, it can be seen that both lithium-lithium symmetric cells using the composite solid electrolyte of Example 2 and Comparative Example 1 showed stable cycle characteristics without short circuit.
이는 실시예 2의 복합 고체 전해질이 얇은 두께에도 불구하고, 우수한 기계적 물성으로 인하여 리튬 덴드라이트의 성장을 효과적을 억제하기 때문이다.This is because the composite solid electrolyte of Example 2 effectively inhibits the growth of lithium dendrites due to its excellent mechanical properties despite its thin thickness.
특히, 실시예 2의 복합 고체 전해질을 적용한 리튬-리튬 대칭 셀이 더 낮은 과전압을 나타내며, 이는 복합 고체 전해질의 두께가 얇아 높은 이온 컨덕턴스를 갖기 때문이다.In particular, the lithium-lithium symmetric cell using the composite solid electrolyte of Example 2 shows a lower overvoltage, and this is because the composite solid electrolyte is thin and has high ion conductance.
실험예 7: 전고체 전지의 사이클 특성 평가Experimental Example 7: Evaluation of cycle characteristics of all-solid-state battery
복합 고체 전해질이 도입된 전고체 전지의 사이클 특성 평가를 실시하였다. The cycle characteristics of an all-solid-state battery incorporating a composite solid electrolyte were evaluated.
전고체 전지의 사이클 특성 평가에 사용된 전고체 전지는 실시예 2에서 제조된 전고체 전지로서, 폴리에스터 섬유를 5 중량%로 포함하는 복합 고체 전해질을 포함하는 전고체 전지이다. 또한, 폴리에스터 섬유를 포함하지 않는 비교예 1의 전고체 전지에 대해서도 동일한 방식으로 사이클 특성 평가를 실시하여, 폴리에스터 섬유 유무에 따른 전지의 성능을 비교하였다.The all-solid-state battery used to evaluate the cycle characteristics of the all-solid-state battery was the all-solid-state battery manufactured in Example 2, which was an all-solid-state battery containing a composite solid electrolyte containing 5% by weight of polyester fiber. In addition, cycle characteristics were evaluated in the same manner for the all-solid-state battery of Comparative Example 1 that did not contain polyester fibers, and the performance of the battery with and without polyester fibers was compared.
전고체 전지의 사이클 특성 평가 방법은, 상온에서 일정 전류 속도(C rate)에서 충방전을 실시하거나, 또는 상온에서 전류 속도를 변화시키면서 충방전을 실시하여 방전 용량, 용량 유지율 또는 사이클 특성을 평가하였다.The method for evaluating the cycle characteristics of an all-solid-state battery is to charge and discharge at a constant current rate (C rate) at room temperature, or charge and discharge while changing the current rate at room temperature to evaluate the discharge capacity, capacity retention rate, or cycle characteristics. .
도 12는 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전고체 전지에 대한 화성 사이클 충방전 곡선이다 (C rate: 0.05C, 상온). Figure 12 is a chemical cycle charge/discharge curve for the all-solid-state battery manufactured in Example 2 and Comparative Example 1 (C rate: 0.05C, room temperature).
도 12를 참조하면, 실시예 2 및 비교예 1의 전고체 전지는 양극 활물질을 기준으로, 방전 용량이 각각 185.7 mAhg-1 및 180.2 mAhg-1으로서, 실시예 2에서 제조된 전고체 전지의 방전 용량이 더 높음을 알 수 있다. Referring to FIG. 12, the all-solid-state batteries of Example 2 and Comparative Example 1 have discharge capacities of 185.7 mAhg -1 and 180.2 mAhg -1 , respectively, based on the positive electrode active material, and the discharge of the all-solid-state batteries manufactured in Example 2 It can be seen that the capacity is higher.
도 13은 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전고체 전지에 대하여 사이클에 따른 방전 용량을을 나타낸 그래프이다 (화성 사이클 2회 후 충방전, C rate: 0.2C, 상온).Figure 13 is a graph showing the discharge capacity according to cycle for the all-solid-state batteries manufactured in Example 2 and Comparative Example 1 (charge and discharge after two chemical cycles, C rate: 0.2C, room temperature).
도 13을 참조하면, 실시예 2 및 비교예 1의 전고체 전지는 초기 방전 용량이 각각 161.9 mAhg-1 및 155.1 mAhg-1 이고, 300 사이클에서 용량 유지율(retention)이 각각 70.8% 및 65.0%인 것으로 나타나, 실시예 2의 전고체 전지가 더 우수한 사이클 특성을 가지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, the all-solid-state batteries of Example 2 and Comparative Example 1 had initial discharge capacities of 161.9 mAhg -1 and 155.1 mAhg -1 , respectively, and capacity retention rates of 70.8% and 65.0% at 300 cycles, respectively. It can be seen that the all-solid-state battery of Example 2 has better cycle characteristics.
도 14는 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 전고체 전지에 대하여 전류 속도 변화에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다 (C rate: 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1.0C, 2.0C 및 0.1C로 변화, 상온).Figure 14 is a graph showing the discharge capacity according to the change in current rate for the all-solid-state battery manufactured in Example 2 and Comparative Example 1 (C rate: 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1.0C, 2.0C, and 0.1C) change to room temperature).
도 14를 참조하면, 2.0C의 전류 속도에서 실시예 2와 비교예 1의 방전 용량은 각각 103.8 mAhg-1 및 72.3 mAhg-1 으로서, 실시예 2의 전고체 전지가 더 우수한 고율 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 실시예 2의 복합 고체 전해질은 이온 컨덕턴스 증가로 인해 셀 내부 저항이 감소하였기 때문이다. Referring to FIG. 14, the discharge capacities of Example 2 and Comparative Example 1 at a current rate of 2.0C are 103.8 mAhg -1 and 72.3 mAhg -1 , respectively, showing that the all-solid-state battery of Example 2 exhibits better high-rate characteristics. Able to know. This is because the composite solid electrolyte of Example 2 had reduced cell internal resistance due to an increase in ion conductance.
도 15는 비교예 2에서 제조된 전고체 전지에 대하여 일정 전류 속도 하에서 사이클에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다 (C rate: 0.2C, 상온).Figure 15 is a graph showing the discharge capacity according to cycle under a constant current rate for the all-solid-state battery manufactured in Comparative Example 2 (C rate: 0.2C, room temperature).
도 15를 참조하면, 비교예 2의 전고체 전지는 150.5 mAhg-1의 초기 방전 용량과, 100 사이클에서 22.4%의 용량 유지율을 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 상온 가압 시 복합 고체 전해질과 복합 양극 간의 계면 접촉이 떨어지기 때문이다.Referring to FIG. 15, it can be seen that the all-solid-state battery of Comparative Example 2 had an initial discharge capacity of 150.5 mAhg -1 and a capacity maintenance rate of 22.4% at 100 cycles. This is because the interfacial contact between the composite solid electrolyte and the composite anode decreases when pressurized at room temperature.
실험예 8: 제조 시 용매 사용 여부에 따른 복합 고체 전해질의 물성 비교Experimental Example 8: Comparison of physical properties of composite solid electrolyte depending on whether solvent was used during production
복합 고체 전해질 제조 시 용매 사용 여부에 따른 물성을 비교하기 위하여, 두께, 전기화학 임피던스 및 기계적 물성을 측정하는 실험을 실시하였다.In order to compare physical properties depending on whether or not a solvent was used when manufacturing a composite solid electrolyte, an experiment was conducted to measure thickness, electrochemical impedance, and mechanical properties.
실험 대상은 용매를 사용하지 않은 실시예 2 및 용매를 사용한 비교예 2의 복합 고체 전해질로 하였다.The test subject was the composite solid electrolyte of Example 2, which did not use a solvent, and Comparative Example 2, which used a solvent.
실험 방법으로는, 두께는 실험예 1과 동일하게 실시하고, 전기화학 임피던스는 실험예 2와 동일하게 실시하였다. 또한, 기계적 물성은 실험예 5와 동일하게 나노 인덴테이션 시험법을 실시하였다.In terms of the experimental method, the thickness was conducted in the same manner as in Experimental Example 1, and the electrochemical impedance was conducted in the same manner as in Experimental Example 2. In addition, the mechanical properties were tested using a nano-indentation test in the same manner as in Experimental Example 5.
두께 및 전기화학 임피던스의 측정 결과는 하기 표 2 및 도 16에 나타난 바와 같다.The measurement results of thickness and electrochemical impedance are shown in Table 2 and Figure 16 below.
(㎛)thickness
(㎛)
(ohm)resistance
(ohms)
(mS/cm)ionic conductivity
(mS/cm)
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 용매를 사용한 습식 공정으로 제조된 비교예 2의 복합 고체 전해질은 무용매의 건식 공정으로 제조된 실시예 2의 복합 고체 전해질에 비해 두껍게 제조된 것을 알 수 있다. As shown in Table 2, it can be seen that the composite solid electrolyte of Comparative Example 2 manufactured by a wet process using a solvent was thicker than the composite solid electrolyte of Example 2 manufactured by a solvent-free dry process.
또한, 비교예 2의 복합 고체 전해질은 이온 전도도가 실시예 2보다 낮으며, 이는 황화물계 고체 전해질의 구조가 용매에 의해 파괴된 것에 기인한 것이다. 상기 용매에 의해 황화물계 고체 전해질의 구조 파괴를 최소화하기 위하여 부틸 부티레이트 용매를 사용하였으나, 무용매의 건식 공정인 실시예 2에 비해서는 이온 전도도가 낮게 나타났다.In addition, the ionic conductivity of the composite solid electrolyte of Comparative Example 2 was lower than that of Example 2, which was due to the structure of the sulfide-based solid electrolyte being destroyed by the solvent. Butyl butyrate solvent was used to minimize structural destruction of the sulfide-based solid electrolyte due to the solvent, but ionic conductivity was lower than that of Example 2, which was a solvent-free dry process.
도 16은 실시예 2 및 비교예 2의 복합 고체 전해질의 전기화학 임피던스 측정 결과를 나타낸 그래프이다. Figure 16 is a graph showing the electrochemical impedance measurement results of the composite solid electrolyte of Example 2 and Comparative Example 2.
도 16을 참조하면, 비교예 2의 저항이 높은 것을 알 수 있다. Referring to Figure 16, it can be seen that the resistance of Comparative Example 2 is high.
도 17a 및 도 17b는 실시예 2 및 비교예 2의 복합 고체 전해질에 대한 기계적 물성 측정 결과를 나타낸 것이다.Figures 17a and 17b show the results of measuring mechanical properties of the composite solid electrolytes of Example 2 and Comparative Example 2.
도 17a를 참조하면, 나노 인덴테이션 실험 결과, 1 mN까지 힘(load)을 가할 때 실시예 2의 복합 고체 전해질에 삽입되는 나노 팁의 깊이(depth)가 비교예 2에 비해 작은 것을 알 수 있다.Referring to Figure 17a, as a result of the nano-indentation experiment, it can be seen that the depth of the nanotip inserted into the composite solid electrolyte of Example 2 is smaller than that of Comparative Example 2 when a load of up to 1 mN is applied. .
이로부터, 복합 고체 전해질 제조 시, 실시예 2와 같이 용매를 사용하지 않는 건식 공정을 실시할 경우, 비교예 2와 같이 용매를 사용하는 습식 공정에 비해 기계적 물성 강화에 유리한 것을 알 수 있다.From this, it can be seen that when manufacturing a composite solid electrolyte, performing a dry process without using a solvent as in Example 2 is advantageous in strengthening mechanical properties compared to a wet process using a solvent as in Comparative Example 2.
도 17b를 참조하면, 경도(hardness) 측정 결과, 실시예 2의 복합 고체 전해질이 258.8 MPa 인 것으로 나타나 비교예 2의 복합 고체 전해질이 247.5 MPa 인 것보다 높으므로, 습식 공정 및 폴리에스터 섬유에 의해 실제 기계적 물성이 강화된 것임을 확인하였다. Referring to FIG. 17b, as a result of hardness measurement, the composite solid electrolyte of Example 2 was found to be 258.8 MPa, which is higher than the composite solid electrolyte of Comparative Example 2, which was 247.5 MPa. Therefore, the hardness was measured by the wet process and polyester fiber. It was confirmed that the actual mechanical properties were strengthened.
실험예 9: 폴리에스터 섬유 종류에 따른 복합 고체 전해질의 물성 비교Experimental Example 9: Comparison of physical properties of composite solid electrolyte according to polyester fiber type
복합 고체 전해질 제조 시 사용된 폴리에스터 섬유의 종류에 따른 복합 고체 전해질의 기계적 물성을 비교하였다.The mechanical properties of the composite solid electrolyte were compared according to the type of polyester fiber used in manufacturing the composite solid electrolyte.
물성 측정 대상은, 방향족 폴리에스터 섬유 및 지방족 폴리에스터 섬유를 각각 동일 함량으로 포함하는 실시예 2 및 실시예 4의 복합 고체 전해질이다.The objects of physical property measurement were the composite solid electrolytes of Examples 2 and 4, each containing equal amounts of aromatic polyester fibers and aliphatic polyester fibers.
실시예 2의 복합 고체 전해질은 상기 실험예들에서 나타난 바와 같이 방향족 폴리에스터 섬유에 의해 보강되어 기계적 물성이 우수한 것을 알 수 있었다.As shown in the above experimental examples, the composite solid electrolyte of Example 2 was reinforced with aromatic polyester fibers and was found to have excellent mechanical properties.
도 18은 실시예 4에서 제조된 지방족 폴리에스터 섬유를 포함하는 복합 고체 전해질을 나타낸 사진이다.Figure 18 is a photograph showing the composite solid electrolyte containing aliphatic polyester fibers prepared in Example 4.
도 18을 참조하면, 실시예 4의 복합 고체 전해질은 고온 가압 후 주형 몰드에 눌러 붙어 있는 것을 알 수 있으며, 이로부터 기계적 강도가 좋지 않은 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 방향족 폴리에스터 섬유 대신 지방족 폴리에스터 섬유를 사용한 것에 기인한 것이다.Referring to Figure 18, it can be seen that the composite solid electrolyte of Example 4 was pressed and adhered to the mold after high-temperature pressurization, from which it was confirmed that the mechanical strength was poor. These results are due to the use of aliphatic polyester fibers instead of aromatic polyester fibers.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following description will be provided by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalence of the patent claims.
1: 전고체 전지
10: 복합 고체 전해질
20: 양극
21: 음극 집전체, 22: 양극 활물질층
30: 음극
31: 음극 집전체, 32: 음극 활물질층
40: 황화물계 고체 전해질
I.F.: 계면
P: 공극1: All-solid-state battery
10: Composite solid electrolyte
20: anode
21: negative electrode current collector, 22: positive electrode active material layer
30: cathode
31: negative electrode current collector, 32: negative electrode active material layer
40: Sulfide-based solid electrolyte
IF: interface
P: void
Claims (17)
상기 폴리에스터 섬유는 상기 황화물계 고체 전해질 내부에 분산되어 있는 것인, 복합 고체 전해질.According to paragraph 1,
The polyester fiber is dispersed within the sulfide-based solid electrolyte.
상기 황화물계 고체 전해질과 폴리에스터 섬유는 서로 접합되어 있는 것인, 복합 고체 전해질. According to paragraph 1,
A composite solid electrolyte wherein the sulfide-based solid electrolyte and the polyester fiber are bonded to each other.
상기 복합 고체 전해질의 두께는 20 ㎛ 내지 250 ㎛ 인 것인, 복합 고체 전해질.According to paragraph 1,
The composite solid electrolyte has a thickness of 20 ㎛ to 250 ㎛.
상기 복합 고체 전해질은 바인더 프리(binder-free)인 것인, 복합 고체 전해질.According to paragraph 1,
The composite solid electrolyte is binder-free.
상기 황화물계 고체 전해질은 Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5ClxBr1-x (0≤x≤1) 및 Li3PS4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 복합 고체 전해질.According to paragraph 1,
The sulfide-based solid electrolyte consists of Li 6 PS 5 Cl, Li 10 GeP 2 S 12 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 6 PS 5 Cl x Br 1-x (0≤x≤1) and Li 3 PS 4. A composite solid electrolyte comprising one or more selected from the group.
상기 폴리에스터 섬유는 방향족 폴리에스터 섬유인 것인, 복합 고체 전해질.According to paragraph 1,
A composite solid electrolyte wherein the polyester fiber is an aromatic polyester fiber.
상기 방향족 폴리에스터 섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 것인, 복합 고체 전해질:
<화학식 1>
상기 화학식 1에서, X는 0.5 ≤ X ≤ 0.9 이고, Y는 0.1 ≤ Y ≤ 0.5 이다.According to paragraph 1,
The aromatic polyester fiber is a composite solid electrolyte represented by the following formula (1):
<Formula 1>
In Formula 1, X is 0.5 ≤ X ≤ 0.9, and Y is 0.1 ≤ Y ≤ 0.5.
상기 폴리에스터 섬유는 상기 복합 고체 전해질 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하로 포함되는 것인, 복합 고체 전해질.According to paragraph 1,
The polyester fiber is contained in an amount of 10% by weight or less based on the total weight of the composite solid electrolyte.
상기 복합 고체 전해질의 경도는 250 MPa 이상이고,
상기 경도는 나노 인덴테이션(nano indentation) 시험법에 의해 측정되며, 나노 팁에 1 mN 힘을 인가하여 측정된 것인, 복합 고체 전해질.According to paragraph 1,
The hardness of the composite solid electrolyte is 250 MPa or more,
The hardness is measured by a nano indentation test method, and is measured by applying a 1 mN force to the nano tip.
(S2) 상기 (S1) 단계에서 얻은 혼합물을 상온에서 1차 가압하는 단계; 및
(S3) 상기 1차 가압 후, 고온에서 2차 가압하는 단계;
를 포함하는 복합 고체 전해질의 제조방법.(S1) mixing sulfide-based solid electrolyte powder and polyester fiber;
(S2) first pressurizing the mixture obtained in step (S1) at room temperature; and
(S3) After the first pressurization, a second pressurization step is performed at a high temperature;
Method for producing a composite solid electrolyte comprising.
상기 1차 가압은 200 MPa 내지 400 MPa의 압력으로 가압하는 것인, 복합 고체 전해질의 제조방법.According to clause 11,
A method of producing a composite solid electrolyte, wherein the first pressurization is performed at a pressure of 200 MPa to 400 MPa.
상기 2차 가압은 100℃ 내지 300℃ 온도에서, 100 MPa 내지 350 MPa의 압력으로 가압하는 것인, 복합 고체 전해질의 제조방법.According to clause 11,
A method of producing a composite solid electrolyte, wherein the secondary pressurization is performed at a temperature of 100°C to 300°C and a pressure of 100 MPa to 350 MPa.
상기 복합 고체 전해질의 일 면에 형성된 양극; 및
상기 복합 고체 전해질의 다른 일 면에 형성된 음극;을 포함하는 전고체 전지.The composite solid electrolyte of claim 1;
An anode formed on one side of the composite solid electrolyte; and
An all-solid-state battery comprising a negative electrode formed on the other side of the composite solid electrolyte.
상기 양극은 양극 활물질층을 포함하며,
상기 양극 활물질층은 양극 활물질, 황화물계 고체 전해질, 도전재 및 바인더를 포함하는 것인, 전고체 전지.According to clause 14,
The positive electrode includes a positive electrode active material layer,
An all-solid-state battery, wherein the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, a conductive material, and a binder.
상기 복합 고체 전해질과 양극은 일체화된 것인, 전고체 전지.According to clause 14,
An all-solid-state battery, wherein the composite solid electrolyte and the positive electrode are integrated.
상기 음극은 리튬 또는 리튬 합금을 포함하는 것인, 전고체 전지.According to clause 14,
An all-solid-state battery, wherein the negative electrode contains lithium or a lithium alloy.
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