KR20230157235A - Lithium ion conductor and all solid state baterry comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 개시에 따른 전고체 전지용 리튬 이온 전도체는, 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물을 포함하고, 결정화도가 25.5% 이하이다.The lithium ion conductor for an all-solid-state battery according to the present disclosure contains an oxide containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B), and has a crystallinity of 25.5% or less.
Description
본 개시는 리튬 이온 전도체 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것이다.The present disclosure relates to lithium ion conductors and all-solid-state batteries containing the same.
최근, 휴대 전자기기의 소형화 및 장시간 사용이 요구되면서 전지의 고용량화가 요구되고 있으며, 웨어러블 전자기기의 보급화로 전지의 안전성 확보가 요구된다. 따라서, 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지의 개발이 활발히 진행되고 있다. Recently, as portable electronic devices are required to be miniaturized and used for long periods of time, higher capacity batteries are required, and with the spread of wearable electronic devices, ensuring battery safety is required. Therefore, the development of all-solid-state batteries that use solid electrolytes instead of liquid electrolytes is actively underway.
전고체 전지는 가연성의 유기용매를 사용하지 않아, 안전을 위한 추가 회로를 간략화 할 수 있다. 따라서 단위 부피당 고용량의 안전한 전지를 제조할 수 있는 기술로 기대되고 있다.All-solid-state batteries do not use flammable organic solvents, so additional circuits for safety can be simplified. Therefore, it is expected to be a technology that can produce safe batteries with high capacity per unit volume.
또한, 산화물 전해질을 이용하는 산화물 전고체 전지는 전해질의 이온전도도가 황화물(10-2 S/cm) 대비 낮고(10-4 S/cm 내지 10-6 S/cm), 고온의 소결 처리 공정이 필요하지만, 공기중 산소와 수분과 반응하는 황화물 전해질을 이용하는 황화물 전고체 전지에 비해 안정성이 우월하다. In addition, oxide all-solid-state batteries using oxide electrolytes have lower ionic conductivity of the electrolyte (10 -4 S/cm to 10 -6 S/cm) than sulfide (10 -2 S/cm), and require a high -temperature sintering process. However, its stability is superior to that of sulfide all-solid-state batteries that use sulfide electrolytes that react with oxygen and moisture in the air.
적층형 산화물 전고체 전지는 초소형 전지로, 수동 소자와 마찬가지로 기판에 실장할 수 있으며 이를 위한 리플로우 공정에서 고온에 노출되어도 안정하다.The stacked oxide all-solid-state battery is an ultra-small battery that can be mounted on a board like a passive device and is stable even when exposed to high temperatures during the reflow process.
실시예의 일 측면은 이온전도도를 자유롭게 조절 가능하고, 적층형 전고체 전지 제조 과정에서 이온전도도 감소량을 최소화할 수 있고, 이에 따라 적층형 전고체 전지에서 이온전도도의 예측이 가능한 리튬 이온 전도체를 제공한다.One aspect of the embodiment provides a lithium ion conductor in which ionic conductivity can be freely adjusted, the amount of ionic conductivity reduction can be minimized during the manufacturing process of a stacked all-solid-state battery, and thus ionic conductivity can be predicted in a stacked all-solid-state battery.
실시예의 다른 측면은 상기 리튬 이온 전도체의 제조 방법을 제공한다. Another aspect of the embodiment provides a method of manufacturing the lithium ion conductor.
실시예의 또 다른 측면은 상기 리튬 이온 전도체를 포함하는 전고체 전지를 제공한다.Another aspect of the embodiment provides an all-solid-state battery including the lithium ion conductor.
그러나, 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 실시예들에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the problems that the embodiments seek to solve are not limited to the above-described problems and can be expanded in various ways within the scope of the technical ideas included in the embodiments.
한 실시예에 따른 리튬 이온 전도체는, 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물을 포함하고, 하기 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하이다.The lithium ion conductor according to one embodiment includes an oxide containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B), and has a crystallinity degree calculated by Equation 1 below of 25.5% or less.
[수학식 1][Equation 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
수학식 1에서, Ic는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고, Ia는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다.In Equation 1, Ic is the sum of the scattering intensity integrals of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor, and Ia is the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor. It is the sum of the integral values of .
리튬 이온 전도체는 결정화도가 0 % 내지 12.5 %일 수 있다. The lithium ion conductor may have a crystallinity of 0% to 12.5%.
리튬 이온 전도체는 기공율이 1 % 이하일 수 있다. Lithium ion conductors may have a porosity of 1% or less.
리튬 이온 전도체는 기공율이 0 % 내지 0.5 %일 수 있다. The lithium ion conductor may have a porosity of 0% to 0.5%.
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 리튬(Li) 산화물을 45 몰% 내지 80 몰%, 규소(Si) 산화물을 5 몰% 내지 20 몰%, 붕소(B) 산화물을 15 몰% 내지 50 몰%로 포함할 수 있다. The lithium ion conductor contains 45 mol% to 80 mol% of lithium (Li) oxide, 5 mol% to 20 mol% of silicon (Si) oxide, and 15 mol% to 50 mol% of boron (B) oxide relative to the entire lithium ion conductor. It can be included as a %.
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 리튬(Li) 산화물을 50 몰% 내지 70 몰%로 포함할 수 있다.The lithium ion conductor may contain 50 mol% to 70 mol% of lithium (Li) oxide relative to the entire lithium ion conductor.
리튬 이온 전도체는 Na(나트륨), Mg(마그네슘), Al(알루미늄), P(인), K(칼륨), Ca(칼슘), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연), Ga(갈륨), Ge(게르마늄), Se(셀레늄), Rb(루비듐), S(황), Y(이트륨), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴), Ag(은), In(인듐), Sn(주석), Sb(안티몬), Cs(세슘), Ba(바나듐), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Pb(납), Bi(비스무트), Au(금), La(란탄), Nd(네오디뮴), Eu(유로퓸), 또는 이들의 조합을 포함하는 추가 산화물을 더 포함할 수 있다.Lithium ion conductors are Na (sodium), Mg (magnesium), Al (aluminium), P (phosphorus), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn. (Manganese), Fe (Iron), Co (Cobalt), Ni (Nickel), Cu (Copper), Zn (Zinc), Ga (Gallium), Ge (Germanium), Se (Selenium), Rb (Rubidium), S (sulfur), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Ag (silver), In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Cs (cesium), Ba (vanadium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pb (lead), Bi (bismuth), Au (gold), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium), or Additional oxides including combinations thereof may be further included.
리튬 이온 전도체는 P(인) 및 Ge(게르마늄)을 포함하는 추가 산화물을 더 포함할 수 있다.The lithium ion conductor may further include additional oxides including phosphorous (P) and germanium (Ge).
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 추가 산화물을 5 몰% 이하로 포함할 수 있다.The lithium ion conductor may contain 5 mol% or less of additional oxide based on the total lithium ion conductor.
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 추가 산화물을 1 몰% 이하로 포함할 수 있다.The lithium ion conductor may contain 1 mol% or less of additional oxide based on the total lithium ion conductor.
다른 실시예에 따른 리튬 이온 전도체의 제조 방법은, 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물 분말을 가압하면서 소성하는 단계를 포함하며, 하기 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하이다.A method of manufacturing a lithium ion conductor according to another embodiment includes the step of calcining oxide powder containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B) while pressing, calculated by Equation 1 below: Crystallinity is less than 25.5%.
[수학식 1][Equation 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
수학식 1에서, Ic는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고, Ia는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다.In Equation 1, Ic is the sum of the scattering intensity integrals of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor, and Ia is the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor. It is the sum of the integral values of .
소성 온도는 300 ℃ 내지 550 ℃일 수 있다.The firing temperature may be 300°C to 550°C.
가압은 1 MPa 내지 200 MPa의 압력을 가할 수 있다.Pressurization may apply a pressure of 1 MPa to 200 MPa.
또 다른 실시예에 따른 전고체 전지는, 고체 전해질층 및 고체 전해질층을 사이에 두고 배치되는 양극 및 음극을 포함하며, 고체 전해질층, 양극, 음극, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나는 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물을 포함하는 리튬 이온 전도체를 포함하고, 리튬 이온 전도체는 하기 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하이다.An all-solid-state battery according to another embodiment includes a solid electrolyte layer and an anode and a cathode disposed with the solid electrolyte layer interposed, and any selected from the group consisting of a solid electrolyte layer, an anode, a cathode, and a combination thereof. One includes a lithium ion conductor containing an oxide containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B), and the lithium ion conductor has a crystallinity of 25.5% or less calculated by Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
수학식 1에서, Ic는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고, Ia는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다.In Equation 1, Ic is the sum of the scattering intensity integrals of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor, and Ia is the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor. It is the sum of the integral values of .
리튬 이온 전도체는 기공율이 1 % 이하일 수 있다. Lithium ion conductors may have a porosity of 1% or less.
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 리튬(Li) 산화물을 45 몰% 내지 80 몰%, 규소(Si) 산화물을 5 몰% 내지 20 몰%, 붕소(B) 산화물을 15 몰% 내지 50 몰%로 포함할 수 있다. The lithium ion conductor contains 45 mol% to 80 mol% of lithium (Li) oxide, 5 mol% to 20 mol% of silicon (Si) oxide, and 15 mol% to 50 mol% of boron (B) oxide relative to the entire lithium ion conductor. It can be included as a %.
리튬 이온 전도체는 Na(나트륨), Mg(마그네슘), Al(알루미늄), P(인), K(칼륨), Ca(칼슘), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연), Ga(갈륨), Ge(게르마늄), Se(셀레늄), Rb(루비듐), S(황), Y(이트륨), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴), Ag(은), In(인듐), Sn(주석), Sb(안티몬), Cs(세슘), Ba(바나듐), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Pb(납), Bi(비스무트), Au(금), La(란탄), Nd(네오디뮴), Eu(유로퓸), 또는 이들의 조합을 포함하는 추가 산화물을 더 포함할 수 있다.Lithium ion conductors are Na (sodium), Mg (magnesium), Al (aluminium), P (phosphorus), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn. (Manganese), Fe (Iron), Co (Cobalt), Ni (Nickel), Cu (Copper), Zn (Zinc), Ga (Gallium), Ge (Germanium), Se (Selenium), Rb (Rubidium), S (sulfur), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Ag (silver), In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Cs (cesium), Ba (vanadium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pb (lead), Bi (bismuth), Au (gold), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium), or Additional oxides including combinations thereof may be further included.
또 다른 실시예에 따른 전고체 전지는, 복수의 고체 전해질층들 및 복수의 고체 전해질층들을 사이에 두고 교대 배치되는 복수의 양극들과 음극들을 포함하는 적층체, 그리고 적층체의 일면 및 일면에 대향하는 타면에 배치되고 양극 및 음극과 각각 연결되는 제1 및 제2 외부전극들을 포함하며, 고체 전해질층, 양극, 음극, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나는 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물을 포함하는 리튬 이온 전도체를 포함하고, 리튬 이온 전도체는 하기 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하이다.An all-solid-state battery according to another embodiment includes a laminate including a plurality of solid electrolyte layers and a plurality of anodes and cathodes alternately disposed with the plurality of solid electrolyte layers interposed therebetween, and one surface of the laminate and one surface thereof. It includes first and second external electrodes disposed on opposite surfaces and connected to the anode and the cathode, respectively, and any one selected from the group consisting of a solid electrolyte layer, an anode, a cathode, and a combination thereof is lithium (Li), It includes a lithium ion conductor containing an oxide containing silicon (Si) and boron (B), and the lithium ion conductor has a crystallinity of 25.5% or less calculated by Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
수학식 1에서, Ic는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고, Ia는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다.In Equation 1, Ic is the sum of the scattering intensity integrals of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor, and Ia is the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor. It is the sum of the integral values of .
리튬 이온 전도체는 기공율이 1 % 이하일 수 있다.Lithium ion conductors may have a porosity of 1% or less.
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 리튬(Li) 산화물을 45 몰% 내지 80 몰%, 규소(Si) 산화물을 5 몰% 내지 20 몰%, 붕소(B) 산화물을 15 몰% 내지 50 몰%로 포함할 수 있다. The lithium ion conductor contains 45 mol% to 80 mol% of lithium (Li) oxide, 5 mol% to 20 mol% of silicon (Si) oxide, and 15 mol% to 50 mol% of boron (B) oxide relative to the entire lithium ion conductor. It can be included as a %.
리튬 이온 전도체는 Na(나트륨), Mg(마그네슘), Al(알루미늄), P(인), K(칼륨), Ca(칼슘), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연), Ga(갈륨), Ge(게르마늄), Se(셀레늄), Rb(루비듐), S(황), Y(이트륨), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴), Ag(은), In(인듐), Sn(주석), Sb(안티몬), Cs(세슘), Ba(바나듐), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Pb(납), Bi(비스무트), Au(금), La(란탄), Nd(네오디뮴), Eu(유로퓸), 또는 이들의 조합을 포함하는 추가 산화물을 더 포함할 수 있다.Lithium ion conductors are Na (sodium), Mg (magnesium), Al (aluminium), P (phosphorus), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn. (Manganese), Fe (Iron), Co (Cobalt), Ni (Nickel), Cu (Copper), Zn (Zinc), Ga (Gallium), Ge (Germanium), Se (Selenium), Rb (Rubidium), S (sulfur), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Ag (silver), In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Cs (cesium), Ba (vanadium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pb (lead), Bi (bismuth), Au (gold), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium), or Additional oxides including combinations thereof may be further included.
실시예에 따른 리튬 이온 전도체에 의하면, 이온전도도를 자유롭게 조절 가능하고, 적층형 전고체 전지 제조 과정에서 이온전도도 감소량을 최소화할 수 있고, 이에 따라 적층형 전고체 전지에서 이온전도도의 예측이 가능하다.According to the lithium ion conductor according to the embodiment, ionic conductivity can be freely adjusted, and the amount of ionic conductivity reduction can be minimized during the manufacturing process of a stacked all-solid-state battery, and thus ionic conductivity can be predicted in the stacked all-solid-state battery.
도 1은 한 실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 실시예에 따른 전고체 전지의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 실시예에 따른 전고체 전지의 단위 셀 적층 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 Li2O-B2O3-SiO2 비정질 리튬 이온 전도체 컬릿의 이온밀링 단면 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따른 리튬 이온 전도체 펠렛의 이온밀링 단면 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 비교예 1에 따른 리튬 이온 전도체 펠렛의 이온밀링 단면 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 비교예 3에 따른 리튬 이온 전도체 펠렛의 이온밀링 단면 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 비교예 4에 따른 리튬 이온 전도체 펠렛의 이온밀링 단면 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 DSC 분석을 통해 Li2O가 50 몰%인 컬릿과 프릿의 열적 거동을 파악한 결과이다.
도 10은 XRD 분석을 통해 컬릿, 프릿, 및 리튬 이온 전도체의 결정 상태를 분석한 결과이다.
도 11은 리튬 이온 전도체의 SEM-EDAX 맵핑 분석을 수행한 결과이다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체의 cole-cole plot 결과이다.
도 13은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체의 symmetric cell에서의 전압-용량 그래프이다.1 is a perspective view schematically showing an all-solid-state battery according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an all-solid-state battery according to the embodiment shown in FIG. 1.
FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing the unit cell stacked structure of the all-solid-state battery according to the embodiment shown in FIG. 1.
Figure 4 is an ion milling cross-sectional scanning electron microscope (SEM) photograph of Li 2 OB 2 O 3 -SiO 2 amorphous lithium ion conductor cullet.
Figure 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the ion milling cross-section of the lithium ion conductor pellet according to Example 1.
Figure 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the ion milling cross-section of the lithium ion conductor pellet according to Comparative Example 1.
Figure 7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the ion milling cross-section of a lithium ion conductor pellet according to Comparative Example 3.
Figure 8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the ion milling cross-section of a lithium ion conductor pellet according to Comparative Example 4.
Figure 9 shows the results of determining the thermal behavior of cullet and frit containing 50 mol% Li 2 O through DSC analysis.
Figure 10 shows the results of analyzing the crystalline states of cullet, frit, and lithium ion conductor through XRD analysis.
Figure 11 shows the results of SEM-EDAX mapping analysis of a lithium ion conductor.
Figure 12 is a cole-cole plot result of the lithium ion conductor manufactured in Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 13 is a voltage-capacitance graph in a symmetric cell of the lithium ion conductor prepared in Example 1 and Comparative Example 1.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아울러 첨부 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement it. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted, and identical or similar components are given the same reference numerals throughout the specification. In addition, the attached drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the attached drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention are not limited. , should be understood to include equivalents or substitutes. In addition, in the accompanying drawings, some components are exaggerated, omitted, or schematically shown, and the size of each component does not entirely reflect the actual size.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
명세서 전체에서, '적층 방향'이라고 하면 구성요소들이 순차적으로 적층되는 방향이고, 시트상의 구성요소들의 넓은 면(주면)에 수직한 '두께 방향'이 될 수도 있으며, 도면에서는 T축 방향에 해당된다. 그리고 '측방'이라고 하면 시트상 구성요소의 가장자리로부터 넓은 면(주면)에 나란하게 연장되는 방향으로, '평면 방향'이 될 수 있으며, 도면에서는 L축 방향에 해당된다.Throughout the specification, the 'stacking direction' refers to the direction in which the components are sequentially stacked, and may also be the 'thickness direction' perpendicular to the wide surface (main surface) of the components on the sheet. In the drawings, it corresponds to the T-axis direction. . Also, the 'side' refers to the direction extending parallel to the wide surface (main surface) from the edge of the sheet-like component, which can be a 'plane direction', and corresponds to the L-axis direction in the drawing.
이하에서는 도면을 참조하여 다양한 실시예와 변형예들을 상세하게 설명한다.Hereinafter, various embodiments and modifications will be described in detail with reference to the drawings.
한 실시예에 따른 리튬 이온 전도체는, 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물을 포함한다. 리튬 이온 전도체는 전고체 전지 등의 전지 재료, 예를 들어 고체 전해질, 전극 결착제, 또는 피복제 등으로 사용될 수 있다.A lithium ion conductor according to one embodiment includes an oxide containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B). Lithium ion conductors can be used as battery materials for all-solid-state batteries, for example, solid electrolytes, electrode binders, or coating agents.
일 예로, 리튬 이온 전도체는 리튬(Li) 산화물(Li2O), 규소(Si) 산화물(SiO2), 및 붕소(B) 산화물(B2O3)을 포함할 수 있다. As an example, the lithium ion conductor may include lithium (Li) oxide (Li 2 O), silicon (Si) oxide (SiO 2 ), and boron (B) oxide (B 2 O 3 ).
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 리튬(Li) 산화물을 45 몰% 내지 80 몰%, 규소(Si) 산화물을 5 몰% 내지 20 몰%, 붕소(B) 산화물을 15 몰% 내지 50 몰%로 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬(Li) 산화물을 50 몰% 내지 70 몰%, 규소(Si) 산화물을 5 몰% 내지 15 몰%, 붕소(B) 산화물을 35 몰% 내지 45 몰%로 포함할 수 있다. 리튬(Li) 산화물의 함량이 45 몰% 미만인 경우 리튬 이온전도도 낮을 수 있고, 80 몰%를 초과하는 경우 유리의 실투(devitrification)가 발생할 수 있다. 규소(Si) 산화물을 5 몰% 미만인 경우 고습 환경에 노출되었을 때 취약해질 수 있고, 20 몰%를 초과하는 경우 이온전도도가 하락하고 실투가 발생할 수 있다. 붕소(B) 산화물을 15 몰% 미만인 경우 이온전도도가 하락하고 실투가 발생할 수 있고, 50 몰%를 초과하는 경우 고습환경에 노출되었을 때 취약해질 수 있다. The lithium ion conductor contains 45 mol% to 80 mol% of lithium (Li) oxide, 5 mol% to 20 mol% of silicon (Si) oxide, and 15 mol% to 50 mol% of boron (B) oxide relative to the entire lithium ion conductor. %, for example, 50 mol% to 70 mol% of lithium (Li) oxide, 5 mol% to 15 mol% of silicon (Si) oxide, and 35 mol% to 45 mol% of boron (B) oxide. It can be included as a %. If the lithium (Li) oxide content is less than 45 mol%, lithium ion conductivity may be low, and if it exceeds 80 mol%, devitrification of the glass may occur. If the amount of silicon (Si) oxide is less than 5 mol%, it may become vulnerable when exposed to a high humidity environment, and if it exceeds 20 mol%, ionic conductivity may decrease and devitrification may occur. If the amount of boron (B) oxide is less than 15 mol%, ionic conductivity may decrease and devitrification may occur, and if it exceeds 50 mol%, it may become vulnerable when exposed to a high humidity environment.
선택적으로, 리튬 이온 전도체는 추가 산화물을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 추가 산화물은 Na(나트륨), Mg(마그네슘), Al(알루미늄), P(인), K(칼륨), Ca(칼슘), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연), Ga(갈륨), Ge(게르마늄), Se(셀레늄), Rb(루비듐), S(황), Y(이트륨), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴), Ag(은), In(인듐), Sn(주석), Sb(안티몬), Cs(세슘), Ba(바나듐), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Pb(납), Bi(비스무트), Au(금), La(란탄), Nd(네오디뮴), Eu(유로퓸), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬 이온 전도체는 P(인) 및 Ge(게르마늄)을 포함하는 추가 산화물을 더 포함할 수 있다. Optionally, the lithium ion conductor may further comprise additional oxides. For example, additional oxides include Na (sodium), Mg (magnesium), Al (aluminum), P (phosphorus), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), V (vanadium), and Cr (chromium). , Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (zinc), Ga (gallium), Ge (germanium), Se (selenium), Rb (rubidium) , S (sulfur), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Ag (silver), In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Cs (cesium) , Ba (vanadium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pb (lead), Bi (bismuth), Au (gold), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium) , or a combination thereof, for example, the lithium ion conductor may further include additional oxides including P (phosphorus) and Ge (germanium).
리튬 이온 전도체는 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 추가 산화물을 5 몰% 이하, 예를 들어 1 몰% 이하로 포함할 수 있다. 추가 산화물의 함량이 5 몰%를 초과하는 경우 유리 제조시 실투가 발생하거나 소결 과정에서 2 차 결정상이 발생하여 이온전도도가 하락할 수 있다. The lithium ion conductor may contain 5 mol% or less of additional oxide, for example, 1 mol% or less based on the total lithium ion conductor. If the content of additional oxide exceeds 5 mol%, devitrification may occur during glass production or secondary crystal phases may occur during sintering, resulting in a decrease in ionic conductivity.
리튬 이온 전도체는 아래 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하, 예를 들어 0 % 내지 12.5 %, 또는 0 % 내지 5 %일 수 있다. The lithium ion conductor may have a crystallinity of 25.5% or less, for example, 0% to 12.5%, or 0% to 5%, as calculated by Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
수학식 1에서, Ic는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고, Ia는 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다.In Equation 1, Ic is the sum of the scattering intensity integrals of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor, and Ia is the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor. It is the sum of the integral values of .
일 예로, 리튬 이온 전도체의 결정화도는 X-선 회절 분광법에 의해 획득한 그래프를 기초하여 계산할 수 있다. X-선 회절 분석 스펙트럼에서 입사하는 X-선의 파장 λ 및 입사각 θ와 격자면 간격 d 사이에는 2d·sin θ= nλ인 관계가 성립하는데, 이 관계식을 브래그(Bragg)식이라 부른다. 이에 따라, 입사각이 정해지면 격자 간격 d를 구할 수 있다. 그러나, 비정질 재료에서는 규칙적인 원자 배열 구조가 아닌 무작위적인 배열이 나타나기 때문에, 복수의 X-선 회절이 특정 파장에서 나타나지 않고, 회절각 15 ° 내지 35 °인 영역에서 넓은 할로(halo) 패턴이 나타나게 된다. 만약, 회절각 10 ° 내지 60 °인 범위에서 특정 각도에서 나타나는 피크(peak)가 없고, diffuse halo 패턴이 나타난다면 결정화도가 0 %인 비정질 재료로 판단할 수 있다. 다만, X-선이 노출되는 리튬 이온 전도체의 면은 유기물 외 오염 물질이 포함되어 있으면 안된다. 회절 패턴에 영향을 주는 요소들이 없는 조건에서 측정된 결과에 한해서 신뢰도가 높다. 만약, 리튬 이온 전도체에 결정이 존재한다면 측정 회절각 범위에서 1 개 이상의 결정질 피크가 존재하게 된다. 이때, 결정화도가 높으면 할로 영역이 줄어들게 되고, 결정화도가 100 %인 재료에서는 할로 영역이 존재하지 않는다. 결정질과 비정질이 혼재되어 있는 경우 강도(Intensity) 및 회절각 범위로 이루어진 그래프의 결정질 피크의 영역과 할로 영역의 면적을 상대비로 계산하여 결정화도를 계산할 수 있다.As an example, the crystallinity of a lithium ion conductor can be calculated based on a graph obtained by X-ray diffraction spectroscopy. In the X-ray diffraction analysis spectrum, a relationship of 2d·sin θ=nλ is established between the wavelength λ and incident angle θ of the incident X-ray and the lattice spacing d, and this relationship is called the Bragg equation. Accordingly, once the angle of incidence is determined, the lattice spacing d can be obtained. However, in amorphous materials, a random arrangement rather than a regular atomic arrangement appears, so multiple X-ray diffraction does not appear at a specific wavelength, and a wide halo pattern appears in the area where the diffraction angle is 15° to 35°. do. If there is no peak that appears at a specific angle in the diffraction angle range of 10° to 60° and a diffuse halo pattern appears, it can be judged to be an amorphous material with a crystallinity of 0%. However, the side of the lithium ion conductor exposed to X-rays must not contain any contaminants other than organic matter. Reliability is high only for results measured under conditions where there are no factors affecting the diffraction pattern. If crystals exist in the lithium ion conductor, one or more crystalline peaks will exist in the measured diffraction angle range. At this time, if the crystallinity is high, the halo region is reduced, and in a material with 100% crystallinity, the halo region does not exist. If crystalline and amorphous are mixed, the degree of crystallinity can be calculated by calculating the relative ratio of the area of the crystalline peak and the area of the halo region in the graph consisting of intensity and diffraction angle range.
리튬 이온 전도체의 결정화도는 리튬(Li) 산화물의 함량을 변경함으로써 조절할 수 있고, 예를 들어 리튬(Li) 산화물의 함량이 많아지면 전반적으로 결정화 온도가 점점 내려가서 결정화도가 높아질 수 있다. 이와 같이, 리튬 이온 전도체의 결정화도를 조절함으로써 이온전도도를 자유롭게 조절 가능하다. The degree of crystallinity of the lithium ion conductor can be adjusted by changing the content of lithium (Li) oxide. For example, as the content of lithium (Li) oxide increases, the overall crystallization temperature may gradually decrease and the degree of crystallinity may increase. In this way, the ionic conductivity can be freely adjusted by adjusting the crystallinity of the lithium ion conductor.
리튬 이온 전도체의 결정화도가 25.5 %를 초과하는 경우, 이온전도도가 하락할 수 있고, 예를 들어 결정화도가 50.0 %를 초과하는 경우 이온전도성을 잃고 부도체와 같은 특성이 나타날 수 있다.If the crystallinity of the lithium ion conductor exceeds 25.5%, ionic conductivity may decrease. For example, if the crystallinity exceeds 50.0%, ionic conductivity may be lost and insulator-like characteristics may appear.
또한, 리튬 이온 전도체는 기공율이 1 % 이하, 예를 들어 0 % 내지 0.5 %일 수 있다. Additionally, the lithium ion conductor may have a porosity of 1% or less, for example, 0% to 0.5%.
리튬 이온 전도체의 기공율은 주사전자현미경(SEM) 사진을 통해 측정할 수 있다. 일 예로, 리튬 이온 전도체의 표면을 매우 매끄럽게 식각한 샘플을 준비하고, 주사전자현미경 사진을 촬영한다. 리튬 이온 전도체의 표면 식각 방법은 정밀한 사포를 사용하는 것도 가능하나 샘플이 손상되어 정보를 왜곡할 가능성이 있으므로, 플라즈마 에칭(Plasma etching), 또는 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching) 등과 같은 초정밀 식각 장비를 이용할 수 있다. 주사전자현미경은 리튬 이온 전도체의 기공이 보이도록 30 K 배율 또는 50 K 배율로 측정하고, 기공율은 예를 들어 가로 40 ㎛ × 세로 30 ㎛ 크기의 이미지에서 측정할 수 있다.The porosity of lithium ion conductors can be measured through scanning electron microscopy (SEM) photographs. As an example, a sample with the surface of a lithium ion conductor etched very smoothly is prepared, and a scanning electron microscope photograph is taken. It is possible to use precision sandpaper to etch the surface of a lithium ion conductor, but since the sample may be damaged and the information distorted, ultra-precision etching equipment such as plasma etching or reactive ion etching should be used. Available. A scanning electron microscope measures at 30 K or 50 K magnification so that the pores of the lithium ion conductor are visible, and the porosity can be measured in an image measuring, for example, 40 ㎛ width × 30 ㎛ length.
이때, 리튬 이온 전도체에 기공이 존재하면 주사전자현미경 사진에서 어둡게 표현되어 구분이 가능하다. 전자선 마이크로애널라이저(EPMA) 등의 이미지 프로그램을 사용하여 밝고 어두운 영역의 비율 값을 계산할 수 있으며, 전자선 마이크로애널라이저(EPMA)로는 EDS(에너지 분산형 분광기), 또는 WDS(파장 분산형 분광기) 등을 사용할 수 있다. 이때 콘트라스트의 어두운 영역은 공극으로 가정하고 콘스트라스트의 밝은 영역은 리튬 이온 전도체질 영역으로 판단한다. 일 예로, 리튬 이온 전도체의 기공율은 주사전자현미경 이미지를 EDS 등을 이용하여 이진화하고, 측정 시야 전체의 면적에 대한 콘트라스트가 다른 부분의 면적 비율로 산출할 수 있다. 또한, 그 측정은 적어도 3 개, 5 개, 또는 10 개의 다른 지점 또는 단면에서 실시하고 그 산술 평균값을 산출할 수 있다.At this time, if pores exist in the lithium ion conductor, they appear dark in the scanning electron microscope photo and can be distinguished. The ratio value of bright and dark areas can be calculated using an image program such as an electron beam microanalyzer (EPMA). For the electron beam microanalyzer (EPMA), an energy dispersive spectrometer (EDS) or a wavelength dispersive spectrometer (WDS) can be used. You can. At this time, the dark area of the contrast is assumed to be an air gap, and the bright area of the contrast is judged to be a lithium ion conductive area. For example, the porosity of a lithium ion conductor can be calculated by binarizing a scanning electron microscope image using EDS or the like and calculating the ratio of the area of the portion with different contrast to the entire area of the measurement field of view. Additionally, the measurements may be made at at least 3, 5, or 10 different points or cross sections and the arithmetic average may be calculated.
리튬 이온 전도체는 기공율이 1 % 이하임에 따라, 리튬 이온 전도체의 치밀도가 증가하여, 적층형 전고체 전지 제조 과정에서 이온전도도 감소량을 최소화할 수 있고, 이에 따라 적층형 전고체 전지에서 이온전도도의 예측이 가능하다.As the lithium ion conductor has a porosity of 1% or less, the density of the lithium ion conductor increases, thereby minimizing the amount of decrease in ionic conductivity during the manufacturing process of a stacked all-solid-state battery, and thus predicting ionic conductivity in a stacked all-solid-state battery. This is possible.
리튬 이온 전도체는 기공율이 1 %를 초과하는 경우 이온전도도가 하락하거나 외부 환경에 취약해질 수 있다. 기공율이 커질수록 이온전도도 하락폭이 커지고 외부환경에 더욱더 민감해질 수 있다.If the porosity of a lithium ion conductor exceeds 1%, the ionic conductivity may decrease or it may become vulnerable to the external environment. As porosity increases, ionic conductivity decreases and becomes more sensitive to the external environment.
다른 실시예에 따른 리튬 이온 전도체의 제조 방법은, 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물 분말을 가압하면서 소성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a lithium ion conductor according to another embodiment includes the step of calcining oxide powder containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B) while pressing.
먼저, 원료로서 여러 종류의 비정질계 재료를 혼합한다. First, various types of amorphous materials are mixed as raw materials.
비정질계 재료로서는 그물눈 형성 산화물(Network former: NWF)과, 수식 산화물(Network modifier)과, 필요에 따라 중간 산화물(Intermediate)이 사용될 수 있다. As amorphous materials, network former (NWF), network modifier, and, if necessary, intermediate oxide can be used.
그물눈 형성 산화물은 그 자체로 유리화할 수 있는 것이다. 수식 산화물은 그 자체로는 비정질화할 수 없지만, 상기 그물눈 형상 산화물이 형성하는 네트워크 구조 내에서는 비정질화가 가능한 것, 즉 그물눈을 수식 가능한 것이다.The mesh-forming oxide can be vitrified by itself. Although the modified oxide cannot be amorphized in itself, it can be amorphized within the network structure formed by the mesh-shaped oxide, that is, it can modify the mesh.
그물눈 형성 산화물로는 SiO2 및 B2O3이 사용될 수 있다. 수식 산화물로는 Li2O가 사용될 수 있다. SiO 2 and B 2 O 3 may be used as the mesh-forming oxide. Li 2 O may be used as the modified oxide.
중간 산화물은 그물눈 형성 산화물 및 수식 산화물의 중간적인 성질을 갖는 원료이며, 예를 들어, 유리의 열 특성 가운데 열팽창 계수를 저하시키는 등의 효과를 갖는다.Intermediate oxides are raw materials with properties intermediate between network-forming oxides and modified oxides, and have effects such as lowering the thermal expansion coefficient among the thermal properties of glass, for example.
중간 산화물로서는 예를 들어, Na(나트륨), Mg(마그네슘), Al(알루미늄), P(인), K(칼륨), Ca(칼슘), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연), Ga(갈륨), Ge(게르마늄), Se(셀레늄), Rb(루비듐), S(황), Y(이트륨), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴), Ag(은), In(인듐), Sn(주석), Sb(안티몬), Cs(세슘), Ba(바나듐), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Pb(납), Bi(비스무트), Au(금), La(란탄), Nd(네오디뮴), Eu(유로퓸), 또는 이들의 조합을 포함하는 산화물이 사용될 수 있다. Examples of intermediate oxides include Na (sodium), Mg (magnesium), Al (aluminum), P (phosphorus), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), V (vanadium), and Cr (chromium). ), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (zinc), Ga (gallium), Ge (germanium), Se (selenium), Rb (rubidium) ), S (sulfur), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Ag (silver), In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Cs (cesium) ), Ba (vanadium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pb (lead), Bi (bismuth), Au (gold), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium) ), or oxides containing combinations thereof may be used.
Li2O, SiO2 및 B2O3의 총량에 대한 Li2O의 배합량은 45 몰% 내지 80 몰%, 또는 50 몰% 내지 70 몰%일 수 있다. Li2O, SiO2 및 B2O3의 총량에 대한 SiO2의 배합량은 5 몰% 내지 20 몰%일 수 있다. Li2O, SiO2 및 B2O3의 총량에 대한 B2O3의 배합량은 15 몰% 내지 50 몰%일 수 있다. The amount of Li 2 O relative to the total amount of Li 2 O, SiO 2 and B 2 O 3 may be 45 mol% to 80 mol%, or 50 mol% to 70 mol%. The blended amount of SiO 2 relative to the total amount of Li 2 O, SiO 2 and B 2 O 3 may be 5 mol% to 20 mol%. The blended amount of B 2 O 3 relative to the total amount of Li 2 O, SiO 2 and B 2 O 3 may be 15 mol% to 50 mol%.
비정질계 재료로서 중간 산화물을 사용하는 경우에는, 그물눈 형성 산화물, 수식 산화물 및 중간 산화물의 총량에 대한 중간 산화물의 배합량은 5 몰% 이하일 수 있다.When using an intermediate oxide as an amorphous material, the blending amount of the intermediate oxide relative to the total amount of the network-forming oxide, modified oxide, and intermediate oxide may be 5 mol% or less.
원료를 유리화함으로써, 리튬 이온 전도체의 전구체(유리)를 제조한다. 원료를 유리화하는 방법으로는, 예를 들어, 원료를 용융액까지 용융하고, 방냉하는 방법, 용융액을 금속판 등으로 프레스하는 방법, 수은 중에 투하하는 방법, 스트립 로, 스플래트(splat) 급냉, 롤법(싱글, 트윈) 이외에, 메커니컬 밀링법, 졸·겔법, 증착법, 스퍼터링법, 레이저 어블레이션법, PLD(펄스 레이저 디포지션)법, 또는 플라즈마법 등을 들 수 있다.By vitrifying the raw material, a precursor (glass) of a lithium ion conductor is manufactured. Methods for vitrifying raw materials include, for example, melting the raw materials to a melt and allowing to cool, pressing the melt with a metal plate, dropping into mercury, strip furnace, splat quenching, and roll method ( In addition to single, twin), mechanical milling method, sol/gel method, vapor deposition method, sputtering method, laser ablation method, PLD (pulse laser deposition) method, or plasma method can be used.
리튬 이온 전도체의 전구체를 가압하면서 소성하여 리튬 이온 전도체를 제조할 수 있다. 이때, 소성 온도는 300 ℃ 내지 550 ℃, 예를 들어 400 ℃ 내지 500 ℃일 수 있고, 가압은 1 MPa 내지 200 MPa, 예를 들어 1 MPa 내지 50 MP의 압력을 가하여 이루어질 수 있다. A lithium ion conductor can be manufactured by firing a precursor of a lithium ion conductor while applying pressure. At this time, the firing temperature may be 300°C to 550°C, for example, 400°C to 500°C, and the pressurization may be performed by applying a pressure of 1 MPa to 200 MPa, for example, 1 MPa to 50 MPa.
리튬 이온 전도체의 전구체를 가압하면서 소성하여 제조된 리튬 이온 전도체는 결정화도가 25.5 % 이하이면서, 기공율이 1 % 이하일 수 있다.A lithium ion conductor manufactured by firing a precursor of a lithium ion conductor while applying pressure may have a crystallinity of 25.5% or less and a porosity of 1% or less.
선택적으로, 제조된 리튬 이온 전도체를 분체화할 수 있다. 분체의 제조 방법으로는, 예를 들어, 메카노케미컬법 등을 들 수 있다.Optionally, the produced lithium ion conductor can be powdered. Examples of the powder manufacturing method include the mechanochemical method.
다른 실시예에 따른 전고체 전지는, 고체 전해질층 및 고체 전해질층을 사이에 두고 배치되는 양극 및 음극을 포함하며, 고체 전해질층, 양극, 음극, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나는 한 실시예에 따른 리튬 이온 전도체를 포함한다.An all-solid-state battery according to another embodiment includes a solid electrolyte layer and an anode and a cathode disposed with the solid electrolyte layer interposed, and any one selected from the group consisting of a solid electrolyte layer, an anode, a cathode, and a combination thereof. includes a lithium ion conductor according to one embodiment.
도 1은 다른 실시예에 따른 전고체 전지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 실시예에 따른 전고체 전지의 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 실시예에 따른 전고체 전지의 단위 셀 적층 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 전고체 전지를 상세하게 설명한다.FIG. 1 is a perspective view schematically showing an all-solid-state battery according to another embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of the all-solid-state battery according to the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic view of an all-solid-state battery according to the embodiment shown in FIG. 1. This is an exploded perspective view schematically showing the unit cell stacked structure of an all-solid-state battery. Hereinafter, the all-solid-state battery will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.
전고체 전지(100)는 일 예로, 대략적인 육면체 형상일 수 있다.As an example, the all-solid-state battery 100 may have a roughly hexahedral shape.
본 실시예에서는 설명의 편의를 위해, 전고체 전지(100)에서 두께 방향(T축 방향)으로 서로 대향하는 양면을 제1 면 및 제2 면으로, 제1 면 및 제2 면과 연결되고 길이 방향(L 방향)으로 서로 대향하는 양면을 제3 면 및 제4 면으로 정의하기로 한다. 일 예로, 전고체 전지(100)의 서로 대향하는 제1 측면과 제2 측면은 제3 면 및 제4 면일 수 있다.In this embodiment, for convenience of explanation, the two surfaces opposing each other in the thickness direction (T-axis direction) of the all-solid-state battery 100 are referred to as the first surface and the second surface, and are connected to the first surface and the second surface and have a length of The two sides facing each other in the direction (L direction) will be defined as the third side and the fourth side. For example, the first and second sides of the all-solid-state battery 100 that face each other may be the third and fourth sides.
본 실시예에 따른 전고체 전지(100)는 전극층(120, 140)과 이 전극층(120, 140)에 적층 방향으로 인접하여 배치된 고체 전해질층(130)을 포함한다. 전극층(120, 140)은 양극층(120)과 음극층(140)을 포함하고, 기본적으로 집전체(123, 143)와 이 집전체(123, 143)의 적어도 일면에 도포된 활물질층(121, 122, 141, 142)을 포함할 수 있다. The all-solid-state battery 100 according to this embodiment includes electrode layers 120 and 140 and a solid electrolyte layer 130 disposed adjacent to the electrode layers 120 and 140 in the stacking direction. The electrode layers 120 and 140 include a positive electrode layer 120 and a negative electrode layer 140, and basically include current collectors 123 and 143 and an active material layer 121 applied to at least one surface of the current collectors 123 and 143. , 122, 141, 142).
양극층(120)은 양극 집전체(123)의 적어도 일면에 양극 활물질층(121, 122)이 도포되어 이루어지고, 음극층(140)은 음극 집전체(143)의 적어도 일면에 음극 활물질층(141, 142)이 도포되어 이루어질 수 있다. 예를 들어, 적층 방향을 기준으로 최상단에 위치한 전극층은 양극 집전체(123)의 일면에 양극 활물질층(122)이 도포되어 형성되고, 최하단에 위치한 전극층은 음극 집전체(143)의 일면에 음극 활물질층(141)이 도포되어 형성될 수 있다. 그리고 최상단과 최하단 사이에 위치한 전극층들은 양극 집전체(123)의 양면에 양극 활물질층(121, 122)이 도포되어 형성되거나, 음극 집전체(143)의 양면에 음극 활물질층(141, 142)이 도포되어 형성될 수 있다.The positive electrode layer 120 is formed by applying the positive electrode active material layers 121 and 122 on at least one side of the positive electrode current collector 123, and the negative electrode layer 140 is formed by applying a negative electrode active material layer ( 141, 142) can be applied. For example, the electrode layer located at the top based on the stacking direction is formed by applying the positive electrode active material layer 122 to one side of the positive electrode current collector 123, and the electrode layer located at the bottom is formed by applying the positive electrode layer 122 to one side of the negative electrode current collector 143. The active material layer 141 may be formed by being applied. And the electrode layers located between the top and bottom are formed by applying the positive electrode active material layers 121 and 122 on both sides of the positive electrode current collector 123, or the negative electrode active material layers 141 and 142 are applied on both sides of the negative electrode current collector 143. It can be formed by applying.
양극 활물질층(121, 122)은 양극 활물질과, 선택적으로 고체 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 양극 활물질층(121, 122)은 선택적으로 결착제, 또는 도전제 등의 첨가재를 더 포함할 수 있다. The positive electrode active material layers 121 and 122 may include a positive electrode active material and, optionally, a solid electrolyte. Additionally, the positive active material layers 121 and 122 may optionally further include additives such as a binder or a conductive agent.
일 예로, 양극 활물질은 전고체 전지(100)의 충분한 용량을 확보할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 양극 활물질은 리튬코발트산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬철인산화물, 리튬망간산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. For example, the positive electrode active material is not particularly limited as long as it can secure sufficient capacity of the all-solid-state battery 100. For example, the positive electrode active material may include lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, lithium manganese oxide, or a combination thereof.
예를 들어, 양극 활물질은 다음 화학식으로 표시되는 화합물일 수 있다: LiaAl-bMbD2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5); LiaEl-bMbO2-cDc(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE2-bMbO4-cDc(식 중, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiaNi1-b-cCobMcDα(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); LiaNi1-b-cCobMcO2-αXα(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNi1-b-cCObMcO2-αX2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNi1-b-cMnbMcDα(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); LiaNi1-b-cMnbMcO2-αXα(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNi1-b-cMnbMcO2-αX2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); LiaNibEcGdO2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1); LiaNibCocMndGeO2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); LiaNiGbO2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaCoGbO2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMnGbO2(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMn2GbO4(식 중, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O2; LiRO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(식 중, 0≤f≤2); 및 LiFePO4, 화학식에서 A는 Ni, Co, 또는 Mn; M은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 또는 희토류원소(rare-earth element); D는 O, F, S, 또는 P; E는 Co 또는 Mn; X는 F, S, 또는 P; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, 또는 V; Q는 Ti, Mo 또는 Mn; R은 Cr, V, Fe, Sc, 또는 Y; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, 또는 Cu이다.For example, the positive electrode active material may be a compound represented by the following formula: Li a A lb M b D 2 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5); Li a E lb M b O 2-c D c (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE 2-b M b O 4-c D c (wherein 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); Li a Ni 1-bc Co b M c D α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1-bc Co b M c O 2- α Li a Ni 1-bc CO b M c O 2- α Li a Ni 1-bc Mn b M c D α (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1-bc Mn b M c O 2- α Li a Ni 1-bc Mn b M c O 2-α Li a Ni b E c G d O 2 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1); Li a Ni b Co c Mn d GeO 2 (wherein, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); Li a NiGbO 2 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a CoGbO 2 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a MnGbO 2 (wherein, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a Mn 2 GbO 4 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 2 ; LiRO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (wherein 0≤f≤2); and LiFePO 4 , where A is Ni, Co, or Mn; M is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, or a rare-earth element; D is O, F, S, or P; E is Co or Mn; X is F, S, or P; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, or V; Q is Ti, Mo or Mn; R is Cr, V, Fe, Sc, or Y; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, or Cu.
양극 활물질은 또한, LiCoO2, LiMnxO2x(식 중, x =1 또는 2), LiNi1-xMnxO2x(식 중, 0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2(식 중, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2, TiS3, 또는 FeS3일 수 있다.The positive electrode active material is also LiCoO 2 , LiMn x O 2x (where x = 1 or 2), LiNi 1-x Mn x O 2x (where 0<x<1), LiNi 1-xy Co x Mn y It may be O 2 (where 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), LiFePO 4 , TiS 2 , FeS 2 , TiS 3 , or FeS 3 .
고체 전해질은 한 실시예에 따른 리튬 이온 전도체를 포함할 수 있다. 고체 전해질의 함량은 양극 활물질의 전체 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 중량부 이상이며, 1 중량부 이상, 또는 10 중량부 이상일 수 있고, 80 중량부 이하, 60 중량부 이하, 또는 50 중량부 이하일 수 있다.The solid electrolyte may include a lithium ion conductor according to one embodiment. The content of the solid electrolyte may be 0.1 parts by weight or more, 1 part by weight or more, or 10 parts by weight or more, and 80 parts by weight or less, 60 parts by weight, or 50 parts by weight or less, based on a total of 100 parts by weight of the positive electrode active material. there is.
도전제로는 전고체 전지(100)에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 도전제로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본계 물질; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the all-solid-state battery 100. For example, the conductive agent includes graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; fluorinated carbon; Metal powders such as aluminum and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
도전제의 함량은 양극 활물질의 전체 100 중량부를 기준으로 하여 1 중량부 내지 10 중량부, 예를 들어 2 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. 도전제의 함량이 상기 범위일 때 최종적으로 얻어진 전극이 우수한 전도도 특성을 가질 수 있다.The content of the conductive agent may be 1 part by weight to 10 parts by weight, for example, 2 parts by weight to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material. When the content of the conductive agent is within the above range, the finally obtained electrode may have excellent conductivity characteristics.
바인더는, 활물질과 도전제 등의 결합력을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 바인더는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무 또는 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. A binder can be used to improve the bonding strength between an active material and a conductive agent. The binder is polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, poly Examples include propylene, ethylene-propylene-dienter polymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluorine rubber, or various copolymers.
바인더의 함량은 양극 활물질 전체 100 중량부를 기준으로 하여 1 중량부 내지 50 중량부, 예를 들어 2 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. 바인더의 함량이 상기 범위를 만족할 때 활물질층이 높은 결합력을 가질 수 있다.The content of the binder may be 1 part by weight to 50 parts by weight, for example, 2 parts by weight to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total positive electrode active material. When the binder content satisfies the above range, the active material layer can have high bonding strength.
양극 집전체(123)로는 망상 또는 메시 모양 등의 다공체를 사용할 수 있으며, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 등의 다공성 금속판을 사용할 수 있다. 또한, 양극 집전체(123)는 산화를 방지하기 위하여 내산화성의 금속 또는 합금 피막으로 피복될 수도 있다.As the positive electrode current collector 123, a porous material such as a network or mesh shape can be used, and a porous metal plate such as stainless steel, nickel, or aluminum can be used. Additionally, the positive electrode current collector 123 may be coated with an oxidation-resistant metal or alloy film to prevent oxidation.
음극 활물질층(141, 142)은 음극 활물질과, 선택적으로 고체 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 음극 활물질층(141, 142)은 선택적으로 결착제, 또는 도전제 등의 첨가재를 더 포함할 수 있다.The negative electrode active material layers 141 and 142 may include a negative electrode active material and, optionally, a solid electrolyte. Additionally, the negative electrode active material layers 141 and 142 may optionally further include additives such as a binder or a conductive agent.
음극 활물질은 탄소계 재료, 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘계 합금, 실리콘-탄소계 재료 복합체, 주석, 주석계 합금, 주석-탄소 복합체, 금속 산화물 또는 그 조합을 사용할 수 있으며, 리튬 금속 및/또는 리튬 금속 합금을 포함할 수 있다.The negative electrode active material may be carbon-based material, silicon, silicon oxide, silicon-based alloy, silicon-carbon-based material composite, tin, tin-based alloy, tin-carbon composite, metal oxide, or a combination thereof, and may be lithium metal and/or lithium metal. May contain alloys.
리튬 금속 합금은 리튬과, 리튬과 합금 가능한 금속/준금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 리튬과 합금 가능한 금속/준금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13 족 내지 16 족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 포함하지 않는다), Sn-Y 합금(Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 리튬티타늄옥사이드(Li4Ti5O12) 등의 전이금속 산화물, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 포함하지 않는다) 또는 MnOx(0<x≤2) 등일 수 있다.The lithium metal alloy may include lithium and metals/metalloids capable of alloying with lithium. For example, metals/metalloids that can be alloyed with lithium include Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y alloy (Y is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 to 16 element, a transition metal, Rare earth elements or combination elements thereof, not including Si), Sn-Y alloy (Y is an alkali metal, alkaline earth metal, group 13 to 16 element, transition metal, lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ) It may be a transition metal oxide, a rare earth element, or a combination thereof, but does not include Sn) or M n O x (0<x≤2).
원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.Element Y includes Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb. , Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se , Te, Po, or a combination thereof.
또한, 리튬과 합금가능한 금속/준금속의 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물, SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질은 원소 주기율표의 13 족 내지 16 족 원소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질은 Si, Ge 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.Additionally, oxides of metals/metalloids that can be alloyed with lithium may be lithium titanium oxide, vanadium oxide, lithium vanadium oxide, SnO 2 , SiO x (0<x<2), etc. For example, the negative electrode active material may include one or more elements selected from the group consisting of elements in groups 13 to 16 of the periodic table of elements. For example, the negative electrode active material may include one or more elements selected from the group consisting of Si, Ge, and Sn.
탄소계 재료는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 결정질 탄소는 무정형, 판상, 인편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연일 수 있다. 또한, 비정질 탄소는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치(mesophase pitch) 탄화물, 소성된 코크스, 그래핀, 카본블랙, 플러렌 수트(fullerene soot), 카본나노튜브, 및 탄소섬유 등일 수 있다.The carbon-based material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or mixtures thereof. Crystalline carbon may be graphite, such as natural graphite or artificial graphite, in the form of amorphous, plate-shaped, flake, spherical or fibrous shapes. In addition, amorphous carbon is soft carbon (low-temperature calcined carbon) or hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, graphene, carbon black, fullerene soot, and carbon. It may be nanotube, carbon fiber, etc.
실리콘은 Si, SiOx(0<x<2, 예를 들어 0.5 내지 1.5), Sn, SnO2, 또는 실리콘 함유 금속 합금 및 이들이 혼합물을 사용할 수 있다. 실리콘 함유 금속 합금은 예를 들어 실리콘과, Al, Sn, Ag, Fe, Bi, Mg, Zn, in, Ge, Pb 및 Ti 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.Silicon may be Si , SiO The silicon-containing metal alloy may include, for example, silicon and one or more of Al, Sn, Ag, Fe, Bi, Mg, Zn, in, Ge, Pb, and Ti.
고체 전해질은 한 실시예에 따른 리튬 이온 전도체를 포함할 수 있다. 고체 전해질의 함량은 음극 활물질의 전체 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 중량부 이상이며, 1 중량부 이상, 또는 10 중량부 이상일 수 있고, 80 중량부 이하, 60 중량부 이하, 또는 50 중량부 이하일 수 있다.The solid electrolyte may include a lithium ion conductor according to one embodiment. The content of the solid electrolyte is 0.1 part by weight or more, 1 part by weight or more, or 10 parts by weight or more, and 80 parts by weight or less, 60 parts by weight, or 50 parts by weight or less, based on a total of 100 parts by weight of the negative electrode active material. there is.
음극 활물질층도 양극 활물질층에서 설명한 바와 같은, 도전제 및 바인더를 선택적으로 포함할 수 있다. The negative electrode active material layer may also optionally include a conductive agent and a binder as described in the positive electrode active material layer.
음극 집전체(143)로는 망상 또는 메시 모양 등의 다공체를 사용할 수 있으며, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 등의 다공성 금속판을 사용할 수 있다. 또한, 음극 집전체(143)은 산화를 방지하기 위하여 내산화성의 금속 또는 합금 피막으로 피복될 수도 있다.As the negative electrode current collector 143, a porous material such as a network or mesh shape can be used, and a porous metal plate such as stainless steel, nickel, or aluminum can be used. Additionally, the negative electrode current collector 143 may be coated with an oxidation-resistant metal or alloy film to prevent oxidation.
고체 전해질층(130)은 양극층(120)과 음극층(140)의 사이에 개재되어 적층될 수 있다. 따라서 고체 전해질층(130)은 양극층(120)의 양극 활물질층(121, 122)과 음극층(140)의 음극 활물질층(141, 142) 사이에 적층 방향으로 인접하여 배치될 수 있다. 따라서 전고체 전지(100) 내에서 복수의 양극층(120)과 음극층(140)이 교번하여 배치되고, 그 사이 사이에 복수의 고체 전해질층(130)이 개재되어 적층될 수 있다. 전고체 전지(100)는 복수의 양극층(120)과 음극층(140)을 교번하여 적층하고, 그 사이 사이에 복수의 고체 전해질층(130)이 개재시켜 셀 적층체를 제조한 후, 이를 일괄 소성하여 제조한 적층형 전고체 전지(100)일 수 있다.The solid electrolyte layer 130 may be stacked between the anode layer 120 and the cathode layer 140. Accordingly, the solid electrolyte layer 130 may be disposed adjacent to the positive electrode active material layers 121 and 122 of the positive electrode layer 120 and the negative electrode active material layers 141 and 142 of the negative electrode layer 140 in the stacking direction. Accordingly, in the all-solid-state battery 100, a plurality of positive electrode layers 120 and negative electrode layers 140 may be alternately arranged and stacked with a plurality of solid electrolyte layers 130 interposed between them. The all-solid-state battery 100 is manufactured by alternately stacking a plurality of positive electrode layers 120 and negative electrode layers 140, and interposing a plurality of solid electrolyte layers 130 between them to produce a cell stack. It may be a stacked all-solid-state battery (100) manufactured by batch firing.
고체 전해질층(130)은 산화물계 고체 전해질, 황화물계 고체 전해질, 또는 이들의 조합을 포함하는 무기계 고체 전해질을 포함할 수 있다. 일 예로, 고체 전해질층(130)은 한 실시예에 따른 리튬 이온 전도체를 포함할 수 있다.The solid electrolyte layer 130 may include an inorganic solid electrolyte including an oxide-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, or a combination thereof. As an example, the solid electrolyte layer 130 may include a lithium ion conductor according to one embodiment.
산화물계 고체 전해질은 가넷계(Garnet-type), 나시콘계(Nasicon-type), 리시콘계(LISICON-type), 페로브스카이트계(perovskite-type), 리폰계(LiPON-type), 또는 비정질계(유리, Glass) 전해질 등일 수 있다.The oxide-based solid electrolyte is Garnet-type, Nasicon-type, LISICON-type, perovskite-type, LiPON-type, or amorphous type. (Glass) It may be an electrolyte, etc.
가넷계 고체 전해질은 Li7La3Zr2O12 등의 LiaLabZrcO12로 표시되는 리튬-란타늄-지르코늄-산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO)을 의미할 수 있으며, 나시콘계 고체 전해질은 Li1+xAlxM2-x(PO4)3(LAMP)(0<x<2, M은 Zr, Ti, 또는 Ge)형 화합물에 Ti가 도입된 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0<x<1)의 리튬-알루미늄-티타늄-인산염(LATP), 과량의 리튬이 도입된 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 등의 Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(0<x<1)로 표시되는 리튬-알루미늄-게르마늄-인산염(LAGP) 및/또는 LiZr2(PO4)3의 리튬-지르코늄-인산염(LZP)을 의미할 수 있다.The garnet-based solid electrolyte may refer to lithium-lanthanum zirconium oxide (LLZO) represented by Li a La b Zr c O 12 , such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , and is a nasicon-based solid. The electrolyte is Li 1+x Al x Ti with Ti introduced into a Li 1+x Al x M 2-x (PO 4 ) 3 (LAMP) (0<x<2, M is Zr, Ti, or Ge) type compound Lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP) of 2-x (PO 4 ) 3 (0<x<1), Li 1+x of Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 with excess lithium introduced, etc. Lithium-aluminium-germanium - phosphate (LAGP) and/or lithium-zirconium-phosphate ( LZP) of LiZr 2 (PO 4 ) 3 , denoted by Al It can mean.
또한, 리시콘계 고체 전해질은 xLi3AO4-(1-x)Li4BO4(A는 P, As, 또는 V 등, B는 Si, Ge, 또는 Ti 등)로 표시될 수 있으며, Li4Zn(GeO4)4, Li10GeP2O12(LGPO), Li3.5Si0.5P0.5O4, Li10.42Si(Ge)1.5P1.5Cl0.08O11.92 등을 포함하는 고용체 산화물, 또는 Li4-xM1-yM'yS4(M은 Si, Ge이고, M'는 P, Al, Zn, 또는 Ga)로 표시되는 Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-P2S5, 또는 Li2S-GeS2 등을 포함하는 고용체 황화물을 의미할 수 있다.In addition, the risicon-based solid electrolyte may be represented by xLi 3 AO 4 -(1-x)Li 4 BO 4 (A is P, As, or V, etc., B is Si, Ge, or Ti, etc.), and Li 4 Solid solution oxides including Zn(GeO 4 ) 4 , Li 10 GeP 2 O 12 (LGPO), Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 , Li 10.42 Si(Ge) 1.5 P 1.5 Cl 0.08O11.92 , or Li 4 Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , Li 2 , denoted as -x M 1-y M' y S 4 (M is Si, Ge, and M' is P, Al, Zn, or Ga) It may refer to a solid solution sulfide containing S-SiS 2 -P 2 S 5 , or Li 2 S-GeS 2 .
페로브스카이트계 고체 전해질은 Li1/8La5/8TiO3 등의 Li3xLa2/3-x1/3-2xTiO3 (0<x<0.16)으로 표시되는 리튬-란타늄-티타늄-산화물(lithium lanthanum titanate, LLTO)을 의미할 수 있으며, 리폰계 고체 전해질은 Li2.8PO3.3N0.46 등의 리튬-포스포러스-옥시나이트라이드(lithium phosphorous oxynitride)와 같은 질화물을 의미할 수 있다.The perovskite-based solid electrolyte is lithium-lanthanum-titanium-oxide expressed as Li 3x La 2/3-x1/3-2x TiO 3 (0<x<0.16), such as Li 1/8 La 5/8 TiO 3 (lithium lanthanum titanate, LLTO), and the lipon-based solid electrolyte may refer to a nitride such as lithium phosphorous oxynitride such as Li 2.8 PO 3.3 N 0.46 .
비정질계 전해질은 Li2O-B2O3-SiO2, Li2O-B2O3-P2O5, Li3BO3-Li2SO4, 또는 Li3BO3-Li2CO3 등을 들 수 있다.Amorphous electrolytes include Li 2 OB 2 O 3 -SiO 2 , Li 2 OB 2 O 3 -P 2 O 5 , Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 , or Li 3 BO 3 -Li 2 CO 3 . there is.
황화물계 고체 전해질은 전해질 성분 중 황 원자를 포함하는 것으로서 특별히 구체적인 성분으로 한정되는 것은 아니며, 결정성 고체 전해질, 비결정성 고체 전해질(유리질 고체 전해질), 또는 유리 세라믹 고체 전해질 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte contains sulfur atoms among the electrolyte components and is not particularly limited to specific components, and may include one or more of a crystalline solid electrolyte, an amorphous solid electrolyte (glassy solid electrolyte), or a glass ceramic solid electrolyte. there is.
예를 들어, 황화물계 고체 전해질은 황과 인을 포함하는 LPS형 황화물(예를 들어, Li2S-P2S5), Li4-xGe1-xPxS4(x는 0.1 내지 2, 또는 x는 3/4, 또는 2/3일 수 있음), Li10±1MP2X12(M은 Ge, Si, Sn, 또는 Al이고, X는S, 또는 Se), Li3.833Sn0.833As0.166S4, Li4SnS4, Li3.25Ge0.25P0.75S4, Li2S-P2S5, B2S3-Li2S, xLi2S-(100-x)P2S5(x는 70 내지 80), Li2S-SiS2-Li3N, Li2S-P2S5-LiI, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-B2S3-LiI, Li10SnP2S12, Li3.25Ge0.25P0.75S4와 같은 Thio-LISICON계 화합물 등일 수 있다. For example, the sulfide-based solid electrolyte is an LPS-type sulfide containing sulfur and phosphorus (for example, Li 2 SP 2 S 5 ), Li 4-x Ge 1-x P x S 4 (x is 0.1 to 2, or x may be 3/4 , or 2/3 ), Li 10±1 MP 2 0.166 S 4 , Li 4 SnS 4 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 2 SP 2 S 5 , B 2 S 3 -Li 2 S, xLi 2 S-(100-x)P 2 S 5 (x is 70 to 80), Li 2 S-SiS 2 -Li 3 N, Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 -LiI, Li 10 SnP 2 S 12 , It may be a Thio-LISICON type compound such as Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 .
고체 전해질의 이온전도도는 1X10-6 S/cm 이상일 수 있다. 이온전도도는 25 ℃의 온도에서 측정한 값일 수 있다. 이온전도도는 1X10-6 S/cm 이상, 2X10-6 S/cm 이상, 3X10-6 S/cm 이상, 4X10-6 S/cm 이상, 5X10-6 S/cm 이상, 또는 1X10-3 S/cm 이상일 수 있으며, 상한은 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 범위의 이온전도도를 만족하는 고체 전해질을 사용하는 경우 전고체 전지(100)는 높은 출력을 나타낼 수 있다.The ionic conductivity of the solid electrolyte may be 1X10 -6 S/cm or more. Ion conductivity may be a value measured at a temperature of 25°C. Ion conductivity is more than 1 It may be more than this, and the upper limit is not particularly limited. When a solid electrolyte that satisfies the ionic conductivity in the above range is used, the all-solid-state battery 100 can exhibit high output.
양극층(120)과 음극층(140)의 가장자리를 따라서는 마진 절연층(150)이 배치될 수 있다. 마진 절연층(150)은 고체 전해질층(130) 상에 위치하며, 양극 활물질층(121, 122) 또는 음극 활물질층(141, 142)의 가장자리에 측방으로 인접하여 형성될 수 있다. 따라서 마진 절연층(150)은 양극층(120)과 음극층(140)에서 각각 동일한 층에 위치할 수 있다.A margin insulating layer 150 may be disposed along the edges of the anode layer 120 and the cathode layer 140. The margin insulating layer 150 is located on the solid electrolyte layer 130 and may be formed laterally adjacent to the edge of the positive electrode active material layers 121 and 122 or the negative electrode active material layers 141 and 142. Accordingly, the margin insulating layer 150 may be located on the same layer of the anode layer 120 and the cathode layer 140, respectively.
마진 절연층(150)은 1.0X10-10 S/cm 이하, 또는 1.0X10-6 S/cm 이하의 이온전도도를 가지는 절연 재료를 포함할 수 있고, 예를 들어 상기한 고체 전해질 재료 또는 수지와 같은 절연 재료를 포함할 수 있다.The margin insulating layer 150 may include an insulating material having an ionic conductivity of 1.0 May include insulating material.
예를 들어, 절연 재료는 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리에스테르, 폴리우레탄, 또는 폴리이미드일 수 있다. For example, the insulating material may be polyolefin such as polyethylene or polypropylene, polyester such as polyethylene terephthalate (PET), polyurethane, or polyimide.
또한, 마진 절연층(150)은 고체 전해질층(130)에 사용되는 산화물계 고체 전해질, 황화물계 고체 전해질, 또는 이들의 조합을 포함하는 무기계 고체 전해질을 포함할 수도 있다. 다만, 마진 절연층(150)이 포함하는 재료는 이에 한정되지 않으며, 다양한 재료를 포함할 수 있다.Additionally, the margin insulating layer 150 may include an inorganic solid electrolyte including an oxide-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, or a combination thereof used in the solid electrolyte layer 130. However, the material included in the margin insulating layer 150 is not limited to this and may include various materials.
양극층(120), 고체 전해질층(130), 음극층(140), 및 마진 절연층(150)이 상기한 바와 같이 적층되어 전고체 전지(100)의 셀 적층체를 구성할 수 있다. 전고체 전지(100)의 셀 적층체의 상단과 하단에는 절연 재료로 보호층이 형성될 수 있다. The anode layer 120, the solid electrolyte layer 130, the cathode layer 140, and the margin insulating layer 150 may be stacked as described above to form a cell stack of the all-solid-state battery 100. A protective layer may be formed with an insulating material on the top and bottom of the cell stack of the all-solid-state battery 100.
또한 전고체 전지(100)의 셀 적층체의 양 측면으로는 양극 집전체(123)의 단자와 음극 집전체(143)의 단자가 노출되며, 이렇게 노출된 단자들에 외부 전극(112, 114)이 접속되어 결합될 수 있다. 즉, 외부 전극(112, 114)은 양극 집전체(123)의 단자에 접속되어 양극을 띠고, 음극 집전체(143)의 단자에 접속되어 음극을 띠도록 구성될 수 있다. 양극 집전체(123)의 단자와 음극 집전체(143)의 단자가 서로 반대 방향을 향하도록 구성되면 외부 전극(112, 114)도 양 쪽에 각각 위치할 수 있다.In addition, the terminals of the positive electrode current collector 123 and the terminals of the negative electrode current collector 143 are exposed on both sides of the cell stack of the all-solid-state battery 100, and external electrodes 112 and 114 are connected to these exposed terminals. These can be connected and combined. That is, the external electrodes 112 and 114 may be configured to be connected to the terminal of the positive electrode current collector 123 to have a positive electrode, and to be connected to the terminal of the negative electrode current collector 143 to have a negative electrode. If the terminals of the positive electrode current collector 123 and the terminals of the negative electrode current collector 143 are configured to face opposite directions, the external electrodes 112 and 114 may also be located on both sides, respectively.
외부 전극(112, 114)은 도전성 금속 및 글라스를 포함할 수 있다. The external electrodes 112 and 114 may include conductive metal and glass.
도전성 금속은 예를 들어 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 납(Pb), 또는 이들의 합금을 포함하는 도전성 금속일 수 있다. Conductive metals include, for example, copper (Cu), nickel (Ni), tin (Sn), palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), tungsten (W), and titanium (Ti). It may be a conductive metal containing , lead (Pb), or an alloy thereof.
외부 전극(112, 114)에 포함되는 글라스 성분은 산화물들이 혼합된 조성일 수 있다. 글라스 성분은, 예를 들어 규소 산화물, 붕소 산화물, 알루미늄 산화물, 전이금속 산화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서, 전이금속은 아연(Zn), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 또는 니켈(Ni)에서 선택되고, 알칼리 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 또는 칼륨(K)에서 선택되고, 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 또는 바륨(Ba)에서 선택될 수 있다. The glass component included in the external electrodes 112 and 114 may be a mixture of oxides. The glass component may include, for example, silicon oxide, boron oxide, aluminum oxide, transition metal oxide, alkali metal oxide, alkaline earth metal oxide, or combinations thereof. Here, the transition metal is selected from zinc (Zn), titanium (Ti), copper (Cu), vanadium (V), manganese (Mn), iron (Fe), or nickel (Ni), and the alkali metal is lithium (Li). ), sodium (Na), or potassium (K), and the alkaline earth metal may be selected from magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), or barium (Ba).
외부 전극(112, 114)의 형성 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 도전성 금속 및 글라스를 포함하는 도전성 페이스트에 셀 적층체를 딥핑하여 형성하거나, 도전성 페이스트를 셀 적층체의 표면에 스크린 인쇄법 또는 그라비아 인쇄법 등으로 인쇄하여 형성할 수 있다. 또한, 도전성 페이스트를 셀 적층체의 표면에 도포하거나 또는 도전성 페이스트를 건조시킨 건조막을 셀 적층에에 전사하여 형성하는 등 다양한 방법을 사용할 수 있다.The method of forming the external electrodes 112 and 114 is not particularly limited. For example, the cell stack can be formed by dipping it into a conductive paste containing conductive metal and glass, or it can be formed by printing the conductive paste on the surface of the cell stack using a screen printing method or gravure printing method. Additionally, various methods can be used, such as applying the conductive paste to the surface of the cell stack or forming a dry film by drying the conductive paste onto the cell stack.
이하에서는 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 발명의 범위가 제한되어서는 아니된다.Below, specific embodiments of the invention are presented. However, the examples described below are only for illustrating or explaining the invention in detail, and should not limit the scope of the invention.
[제조예][Manufacturing example]
(제조예 1: 리튬 이온 전도체 컬릿의 제조)(Preparation Example 1: Preparation of lithium ion conductor cullet)
리튬산화물(Li2O), 보론산화물(B2O3), 및 실리카(SiO2)를 원료로 사용하여 리튬보로실레케이트 유리를 제조한다. 필요에 따라, 추가 산화물로 인산화물(P2O5), 게르마늄산화물(GeO2) 등을 합쳐 약 5 몰%로 포함시킨다. Lithium borosilicate glass is manufactured using lithium oxide (Li 2 O), boron oxide (B 2 O 3 ), and silica (SiO 2 ) as raw materials. If necessary, additional oxides such as phosphorus oxide (P 2 O 5 ) and germanium oxide (GeO 2 ) are included in a total amount of about 5 mol%.
원료를 균질하게 섞고 플라티늄 크루시블(Crucible)에 넣어 900 ℃ 내지 1100 ℃에서 녹인다. 결정화 발생 온도 이하의 환경에서 녹은 유리 액체를 급속 ??칭하여 무색 투명한 컬릿(cullet)을 획득한다. 컬릿을 조분쇄, 미분쇄 공정을 거쳐 미분화하여 프릿을 획득한다. 프릿의 평균 입경은 1.0 ㎛ 내지 10 ㎛이며, 필요에 따라서 입도 범위를 다르게 조절한다. The raw materials are mixed homogeneously and placed in a platinum crucible and melted at 900°C to 1100°C. Colorless and transparent cullets are obtained by rapidly quenching the molten glass liquid in an environment below the temperature at which crystallization occurs. Frit is obtained by pulverizing cullet through a coarse grinding and fine grinding process. The average particle diameter of the frit is 1.0 ㎛ to 10 ㎛, and the particle size range is adjusted differently as needed.
제조된 Li2O-B2O3-SiO2 비정질 리튬 이온 전도체 컬릿의 이온밀링 단면 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 4에 나타낸다.An ion milling cross-sectional scanning electron microscope (SEM) photograph of the prepared Li 2 OB 2 O 3 -SiO 2 amorphous lithium ion conductor cullet is shown in FIG. 4 .
(제조예 2: 리튬 이온 전도체 펠릿의 제조)(Preparation Example 2: Preparation of lithium ion conductor pellets)
제조된 유리 프릿의 평가를 위해 원형 형태의 펠렛으로 가공한다. 이때 소성은 기공율 감소를 위해 가압 소성 장비를 사용한다. 압력은 1 MPa 내지 200 MPa의 범위에서 기공율을 1 % 이하로 만들 수 있는 조건이면 어떤 조건에서도 충분하다. 온도 범위는 열분석(Tg-DTA 또는 DSC)을 통해 유리 조성에 따라 적합한 영역을 설정할 수 있다. 결정화도가 25.5 % 이하인 리튬 이온 전도체를 제조하기 위하여, 결정화 온도 이하에서 소성한다. 결정화 온도는 유리의 성분비에 의해 좌우되며, Li2O와 B2O3의 함량이 증가함에 따라 감소하며, SiO2의 함량비가 증가할 수록 증가하는 경향이 있다. 다만, 추가 산화물의 종류에 따라서 결정화 온도는 다양하게 변할 수 있다. 아래 표 1 및 표 2에서와 같이 가압 조건 및 소성 조건을 조절하여 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이온 전도체를 제조한다.To evaluate the manufactured glass frit, it is processed into pellets of circular shape. At this time, pressure firing equipment is used for firing to reduce porosity. The pressure is sufficient under any conditions as long as it can reduce the porosity to 1% or less in the range of 1 MPa to 200 MPa. The temperature range can be set to an appropriate temperature range depending on the glass composition through thermal analysis (Tg-DTA or DSC). To manufacture a lithium ion conductor with a crystallinity of 25.5% or less, it is fired below the crystallization temperature. The crystallization temperature depends on the composition ratio of the glass, decreases as the content of Li 2 O and B 2 O 3 increases, and tends to increase as the content ratio of SiO 2 increases. However, the crystallization temperature may vary depending on the type of additional oxide. Lithium ion conductors according to Examples and Comparative Examples were manufactured by adjusting the pressurizing conditions and firing conditions as shown in Tables 1 and 2 below.
제조된 실시예 1, 비교예 1, 비교예 3, 및 비교예 4에 따른 리튬 이온 전도체 펠렛의 이온밀링 단면 주사전자현미경(SEM) 사진을 각각 도 5 내지 도 8에 나타낸다.Ion milling cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) photographs of the lithium ion conductor pellets prepared in Example 1, Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Comparative Example 4 are shown in FIGS. 5 to 8, respectively.
[실험예][Experimental example]
(실험예 1: 리튬 이온 전도체의 합성 평가)(Experimental Example 1: Synthesis evaluation of lithium ion conductor)
도 9는 DSC 분석을 통해 Li2O가 50 몰%인 컬릿과 프릿의 열적 거동을 파악한 결과이다. 도 9를 참조하면, 리튬 이온 전도체의 치밀화는 Tg와 Tx 사이의 제한된 조건에서 이루어짐을 확인할 수 있다.Figure 9 shows the results of determining the thermal behavior of cullet and frit containing 50 mol% Li 2 O through DSC analysis. Referring to FIG. 9, it can be seen that densification of the lithium ion conductor occurs under limited conditions between Tg and Tx.
도 10은 XRD 분석을 통해 컬릿, 프릿, 및 리튬 이온 전도체의 결정 상태를 분석한 결과이다. 도 10을 참조하면, 비정질인 컬릿 및 프릿과 달리 리튬 이온 전도체는 결정화도 25.5 % 이하 수준의 결정화가 이루어졌음을 확인할 수 있다. Figure 10 shows the results of analyzing the crystalline states of cullet, frit, and lithium ion conductor through XRD analysis. Referring to Figure 10, it can be seen that, unlike the amorphous cullet and frit, the lithium ion conductor was crystallized to a level of crystallinity of 25.5% or less.
도 11은 리튬 이온 전도체의 SEM-EDAX 맵핑 분석을 수행한 결과이다. 도 11을 참조하면, 제조된 리튬 이온 전도체에서는 시드(seed)가 Si를 포함하는 결정 등으로 성장했음을 XRD 결과와 매칭하여 증명될 수 있다.Figure 11 shows the results of SEM-EDAX mapping analysis of a lithium ion conductor. Referring to FIG. 11, in the manufactured lithium ion conductor, it can be proven by matching the XRD results that the seed has grown into a crystal containing Si.
(실험예 2: 리튬 이온 전도체의 전기화학적 특성 평가)(Experimental Example 2: Evaluation of electrochemical properties of lithium ion conductor)
리튬 이온 전도체의 리튬 이온 전도 성능을 평가하기 위해 전기화학분석을 수행한다. Electrochemical analysis is performed to evaluate the lithium ion conduction performance of lithium ion conductors.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체의 cole-cole plot 결과이다. 도 12를 참조하면, 실시예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체는 비교예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체에 비하여 우수한 이온전도도를 가짐을 알 수 있다. 또한, 결정화가 이루어진 비교예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체의 저항은 2 배 증가함을 알 수 있다.Figure 12 is a cole-cole plot result of the lithium ion conductor manufactured in Example 1 and Comparative Example 1. Referring to FIG. 12, it can be seen that the lithium ion conductor prepared in Example 1 has superior ionic conductivity compared to the lithium ion conductor prepared in Comparative Example 1. In addition, it can be seen that the resistance of the lithium ion conductor prepared in Comparative Example 1 in which crystallization was performed increased by two times.
도 13은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체의 symmetric cell에서의 전압-용량 그래프이다. 도 13을 참조하면, 실시예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체는 10 μA·cm-2에서 1 mAh·cm-2(200 h 이상)까지 반응하여도 과전압이 30 mV로 나타나 액상 전해질의 근접하는 전기화학적 특성을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에서 제조된 리튬 이온 전도체는 결정화가 일어나 전반적으로 성능이 떨어짐을 알 수 있다.Figure 13 is a voltage-capacitance graph in a symmetric cell of the lithium ion conductor prepared in Example 1 and Comparative Example 1. Referring to FIG. 13, the lithium ion conductor prepared in Example 1 shows an overvoltage of 30 mV even when reacted at 10 μA·cm -2 to 1 mAh·cm -2 (over 200 h), which is similar to the electric current of the liquid electrolyte. It can be seen that chemical properties can be secured. On the other hand, it can be seen that the lithium ion conductor prepared in Comparative Example 1 suffers from crystallization and deteriorates overall performance.
(실험예 3: 리튬 이온 전도체의 특성 분석)(Experimental Example 3: Characteristic analysis of lithium ion conductor)
고온, 고압 소성을 통해 제조된 투명도가 높은 리튬 이온 전도체 펠렛 양면에 플라티늄 또는 골드 원소를 100 nm 이상 코팅하여 전극면을 형성한다. 이때, 양면이 전기적으로 이어져서는 안된다. 전기화학적 임피던스 분석장비를 통해 1 MHz 내지 0.01 Hz의 주파수 범위에서 cole-cole plot을 획득하여 리튬 이온 전도체의 면적, 두께를 고려한 이온전도도를 얻고, 그 결과도 표 1 및 표 2에 정리한다.High transparency manufactured through high temperature and high pressure firing The electrode surface is formed by coating 100 nm or more of platinum or gold on both sides of the lithium ion conductor pellet. At this time, the two sides must not be electrically connected. A cole-cole plot is obtained in the frequency range of 1 MHz to 0.01 Hz using electrochemical impedance analysis equipment to obtain ionic conductivity considering the area and thickness of the lithium ion conductor, and the results are summarized in Tables 1 and 2.
표 1 및 표 2를 참조하면, 리튬 이온 전도체의 결정화도가 25.5 % 이하임에 따라, 1.0X10-7 S/cm 이상의 이온전도도를 나타냄을 알 수 있다. Referring to Tables 1 and 2, it can be seen that as the crystallinity of the lithium ion conductor is 25.5% or less, the ion conductivity is 1.0X10 -7 S/cm or more.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and can be implemented with various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings. It is natural that it falls within the scope of the invention.
100: 전고체 전지
112, 114: 외부 전극
120: 양극층
121, 122: 양극 활물질층
123: 양극 집전체
130: 고체 전해질층
140: 음극층
141, 142: 음극 활물질층
143: 음극 집전체
150: 마진 절연층100: All-solid-state battery
112, 114: external electrode
120: anode layer
121, 122: positive active material layer
123: Anode current collector
130: solid electrolyte layer
140: cathode layer
141, 142: Negative active material layer
143: negative electrode current collector
150: Margin insulating layer
Claims (18)
하기 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하인,
전고체 전지용 리튬 이온 전도체.
[수학식 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100
(상기 수학식 1에서, 상기 Ic는 상기 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고,
상기 Ia는 상기 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다)Contains oxides containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B),
The crystallinity calculated by Equation 1 below is 25.5% or less,
Lithium ion conductor for all-solid-state batteries.
[Equation 1]
Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
(In Equation 1, Ic is the sum of the integral values of the scattering intensity of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor,
Ia is the sum of the integral values of the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction spectrum of the lithium ion conductor)
상기 리튬 이온 전도체는 상기 결정화도가 0 % 내지 12.5 %인, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 1:
The lithium ion conductor is a lithium ion conductor for an all-solid-state battery having a crystallinity of 0% to 12.5%.
상기 리튬 이온 전도체는 기공율이 1 % 이하인, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 1:
The lithium ion conductor is a lithium ion conductor for an all-solid-state battery having a porosity of 1% or less.
상기 리튬 이온 전도체는 기공율이 0 % 내지 0.5 %인, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 3,
The lithium ion conductor is a lithium ion conductor for an all-solid-state battery having a porosity of 0% to 0.5%.
상기 리튬 이온 전도체는 상기 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 상기 리튬(Li) 산화물을 45 몰% 내지 80 몰%, 상기 규소(Si) 산화물을 5 몰% 내지 20 몰%, 상기 붕소(B) 산화물을 15 몰% 내지 50 몰%로 포함하는, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 1:
The lithium ion conductor contains 45 mol% to 80 mol% of the lithium (Li) oxide, 5 mol% to 20 mol% of the silicon (Si) oxide, and 15 mol% of the boron (B) oxide relative to the entire lithium ion conductor. A lithium ion conductor for an all-solid-state battery, comprising from mol% to 50 mol%.
상기 리튬 이온 전도체는 상기 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 상기 리튬(Li) 산화물을 50 몰% 내지 70 몰%로 포함하는, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 5,
The lithium ion conductor is a lithium ion conductor for an all-solid-state battery, comprising 50 mol% to 70 mol% of lithium (Li) oxide relative to the entire lithium ion conductor.
상기 리튬 이온 전도체는 Na(나트륨), Mg(마그네슘), Al(알루미늄), P(인), K(칼륨), Ca(칼슘), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연), Ga(갈륨), Ge(게르마늄), Se(셀레늄), Rb(루비듐), S(황), Y(이트륨), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴), Ag(은), In(인듐), Sn(주석), Sb(안티몬), Cs(세슘), Ba(바나듐), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Pb(납), Bi(비스무트), Au(금), La(란탄), Nd(네오디뮴), Eu(유로퓸), 또는 이들의 조합을 포함하는 추가 산화물을 더 포함하는, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 1:
The lithium ion conductor is Na (sodium), Mg (magnesium), Al (aluminium), P (phosphorus), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (zinc), Ga (gallium), Ge (germanium), Se (selenium), Rb (rubidium), S (sulfur), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Ag (silver), In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Cs (cesium), Ba (vanadium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pb (lead), Bi (bismuth), Au (gold), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium), Or a lithium ion conductor for an all-solid-state battery, further comprising an additional oxide including a combination thereof.
상기 리튬 이온 전도체는 P(인) 및 Ge(게르마늄)을 포함하는 추가 산화물을 더 포함하는, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 7:
The lithium ion conductor further includes additional oxides including P (phosphorus) and Ge (germanium).
상기 리튬 이온 전도체는 상기 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 상기 추가 산화물을 5 몰% 이하로 포함하는, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 7:
The lithium ion conductor is a lithium ion conductor for an all-solid-state battery, wherein the lithium ion conductor contains 5 mol% or less of the additional oxide relative to the entire lithium ion conductor.
상기 리튬 이온 전도체는 상기 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 상기 추가 산화물을 1 몰% 이하로 포함하는, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체.In paragraph 9:
The lithium ion conductor is a lithium ion conductor for an all-solid-state battery, wherein the lithium ion conductor contains 1 mol% or less of the additional oxide relative to the entire lithium ion conductor.
하기 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하인,
전고체 전지용 리튬 이온 전도체의 제조 방법.
[수학식 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100
(상기 수학식 1에서, 상기 Ic는 상기 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고,
상기 Ia는 상기 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다)It includes the step of calcining oxide powder containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B) while pressurizing,
The crystallinity calculated by Equation 1 below is 25.5% or less,
Method for manufacturing lithium ion conductors for all-solid-state batteries.
[Equation 1]
Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
(In Equation 1, Ic is the sum of the integral values of the scattering intensity of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor,
Ia is the sum of the integral values of the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction spectrum of the lithium ion conductor)
상기 소성 온도는 300 ℃ 내지 550 ℃인, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체의 제조 방법.In paragraph 11:
A method for producing a lithium ion conductor for an all-solid-state battery, wherein the firing temperature is 300°C to 550°C.
상기 가압은 1 MPa 내지 200 MPa의 압력을 가하는, 전고체 전지용 리튬 이온 전도체의 제조 방법.In paragraph 11:
A method of manufacturing a lithium ion conductor for an all-solid-state battery, wherein the pressurization applies a pressure of 1 MPa to 200 MPa.
상기 고체 전해질층, 양극, 음극, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나는 리튬(Li), 규소(Si) 및 붕소(B)를 포함하는 산화물을 포함하는 리튬 이온 전도체를 포함하고,
상기 리튬 이온 전도체는 하기 수학식 1에 의해 계산된 결정화도가 25.5 % 이하인,
전고체 전지.
[수학식 1]
결정화도(%)=〔Ic/(Ic+Ia)〕×100
(상기 수학식 1에서, 상기 Ic는 상기 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 결정질 피크의 산란 강도 적분값의 합이고,
상기 Ia는 상기 리튬 이온 전도체의 X-선 회절 분석 스펙트럼에서 비정질 할로(halo)의 산란 강도의 적분값의 합이다)It includes a solid electrolyte layer and an anode and a cathode disposed between the solid electrolyte layer,
Any one selected from the group consisting of a solid electrolyte layer, an anode, a cathode, and a combination thereof includes a lithium ion conductor containing an oxide containing lithium (Li), silicon (Si), and boron (B),
The lithium ion conductor has a crystallinity of 25.5% or less calculated by Equation 1 below,
All-solid-state battery.
[Equation 1]
Crystallinity (%) = [Ic/(Ic+Ia)] × 100
(In Equation 1, Ic is the sum of the integral values of the scattering intensity of the crystalline peak in the X-ray diffraction analysis spectrum of the lithium ion conductor,
Ia is the sum of the integral values of the scattering intensity of the amorphous halo in the X-ray diffraction spectrum of the lithium ion conductor)
상기 리튬 이온 전도체는 기공율이 1 % 이하인, 전고체 전지.In paragraph 14:
The lithium ion conductor is an all-solid-state battery with a porosity of 1% or less.
상기 리튬 이온 전도체는 상기 리튬 이온 전도체 전체에 대하여 상기 리튬(Li) 산화물을 45 몰% 내지 80 몰%, 상기 규소(Si) 산화물을 5 몰% 내지 20 몰%, 상기 붕소(B) 산화물을 15 몰% 내지 50 몰%로 포함하는, 전고체 전지.In paragraph 14:
The lithium ion conductor contains 45 mol% to 80 mol% of the lithium (Li) oxide, 5 mol% to 20 mol% of the silicon (Si) oxide, and 15 mol% of the boron (B) oxide relative to the entire lithium ion conductor. An all-solid-state battery comprising from mol% to 50 mol%.
상기 리튬 이온 전도체는 Na(나트륨), Mg(마그네슘), Al(알루미늄), P(인), K(칼륨), Ca(칼슘), Ti(티타늄), V(바나듐), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Cu(구리), Zn(아연), Ga(갈륨), Ge(게르마늄), Se(셀레늄), Rb(루비듐), S(황), Y(이트륨), Zr(지르코늄), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴), Ag(은), In(인듐), Sn(주석), Sb(안티몬), Cs(세슘), Ba(바나듐), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), Pb(납), Bi(비스무트), Au(금), La(란탄), Nd(네오디뮴), Eu(유로퓸), 또는 이들의 조합을 포함하는 추가 산화물을 더 포함하는, 전고체 전지.In paragraph 14:
The lithium ion conductor is Na (sodium), Mg (magnesium), Al (aluminium), P (phosphorus), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (zinc), Ga (gallium), Ge (germanium), Se (selenium), Rb (rubidium), S (sulfur), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Ag (silver), In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Cs (cesium), Ba (vanadium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pb (lead), Bi (bismuth), Au (gold), La (lanthanum), Nd (neodymium), Eu (europium), or an all-solid-state battery further comprising an additional oxide including a combination thereof.
상기 전고체 전지는 복수의 상기 고체 전해질층들 및 상기 복수의 고체 전해질층들을 사이에 두고 교대 배치되는 복수의 상기 양극들과 상기 음극들을 포함하는 적층체, 그리고 상기 적층체의 일면 및 상기 일면에 대향하는 타면에 배치되고 상기 양극 및 음극과 각각 연결되는 제1 및 제2 외부전극들을 포함하는, 전고체 전지.
In paragraph 14:
The all-solid-state battery includes a laminate including a plurality of the solid electrolyte layers and a plurality of the anodes and the cathodes alternately disposed with the plurality of solid electrolyte layers interposed therebetween, and one surface of the laminate and the one surface. An all-solid-state battery comprising first and second external electrodes disposed on opposing surfaces and connected to the positive and negative electrodes, respectively.
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