KR102562150B1 - Garnet-based solid state electrolyte for lithium secondary battery including the sintering additives and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소결 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 소결첨가제를 사용하여 전해질 제조에 필요한 소결 온도를 낮추고, 전고체 전해질의 치밀성을 향상시킴으로써 전해질 소결 시 Li의 휘발을 방지하며 이온전도도가 높은 전고체 전해질을 제공한다.The present invention relates to a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery including a sintering additive and a method for manufacturing the same. The sintering additive is used to lower the sintering temperature required for preparing the electrolyte and improve the density of the all-solid electrolyte, thereby providing Li during electrolyte sintering. It prevents volatilization and provides an all-solid electrolyte with high ionic conductivity.
Description
본 발명은 소결 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery including a sintering additive and a manufacturing method thereof.
이차전지는 전지의 사용 후 충전을 통해 일정 횟수 이상 재사용이 가능한 전지를 일컫는 것으로, 니켈-카드뮴 전지, 납 축전지 및 리튬 이차전지 등이 있다. 그 중에서도 리튬 이차전지는 에너지밀도가 높고, 무게 대비 용량이 매우 높아 현재까지 이차전지 시장의 중심에 있다.A secondary battery refers to a battery that can be reused a certain number of times or more through charging after use of the battery, and includes a nickel-cadmium battery, a lead storage battery, and a lithium secondary battery. Among them, the lithium secondary battery has a high energy density and a very high capacity-to-weight ratio, so it has been at the center of the secondary battery market to date.
특히 리튬이차전지는 종래 이차전지에서 발생하는 방전이 충분하지 않은 상태에서 다시 충전하는 경우 전지의 최대 용량이 감소하는 메모리효과로부터 자유롭고, 기전력이 높아 지속적으로 소형전자기기용 전지에 사용되어 왔고, 나아가 전기자동차 및 ESS(Energy Storage System)과 같은 중, 대형 전지 시장의 파이 확대에 따라 수요가 급격하게 늘고 있다. 그러나, 중, 대형 전지에서는 안전성이 가장 우선시되지만, 기존 리튬 이차전지에 사용되는 유기 전해질이 화재에 취약하다는 점이 문제점으로 급부상하여 기술적 발전이 요구되는 실정이다.In particular, lithium secondary batteries are free from the memory effect in which the maximum capacity of the battery decreases when recharged in a state where the discharge generated in the conventional secondary battery is not sufficient, and has been continuously used in batteries for small electronic devices due to its high electromotive force. Demand is rapidly increasing with the expansion of the pie in the medium and large battery markets such as automobiles and ESS (Energy Storage System). However, although safety is given the highest priority in medium and large batteries, the fact that organic electrolytes used in conventional lithium secondary batteries are vulnerable to fire has emerged as a problem, and technological development is required.
현재 상용화되어 널리 쓰이는 리튬 이차전지는 주로 유기 전해질 또는 유기 고분자 전해질을 사용하는데, 이와 같은 유기 물질은 고온 다습한 환경에서 화재에 노출되기 쉬운 단점이 있다. 유기 고분자를 사용하는 전해질은 유기 전해질에 비해 공정과 비용 소요가 소폭 높지만, 고온 다습한 환경에서 보다 안정적인 성능을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 유기 고분자 전해질은 이온전도도가 매우 낮고, 이로 인해 저온 환경에서는 기능하기 어렵다는 단점이 있어 특히 전기자동차용 전지로는 적합하지 않다고 평가되고 있다.Currently commercially available and widely used lithium secondary batteries mainly use organic electrolytes or organic polymer electrolytes, but such organic materials have a disadvantage in that they are easily exposed to fire in a high temperature and high humidity environment. Electrolytes using organic polymers require a slightly higher process and cost compared to organic electrolytes, but have the advantage of maintaining more stable performance in a high temperature and high humidity environment. However, organic polymer electrolytes have a very low ion conductivity, and thus have a disadvantage in that they are difficult to function in a low temperature environment, and are therefore not suitable for batteries for electric vehicles.
이를 해결하기 위한 방안으로 이온전도도가 높고 화학적으로 안정한 무기계 전고체 전해질에 관한 연구 개발이 가속화되는 실정이다. 무기계 전고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계로 나뉘는데, 황화물계 전고체 전해질은 이온전도도가 높지만 대기와 반응하여 유독성 기체인 황화수소를 배출하는 문제점이 있다.As a way to solve this problem, research and development on inorganic all-solid electrolytes with high ion conductivity and chemical stability are being accelerated. Inorganic all-solid electrolytes are largely divided into sulfide-based and oxide-based. Sulfide-based all-solid electrolytes have a high ion conductivity, but react with the atmosphere to emit hydrogen sulfide, a toxic gas.
한편, 산화물계 전고체 전해질은 황화물계에 비해 이온전도도가 다소 낮은 경향이 있으나, 환경 오염 문제로부터 자유롭다는 장점이 있어, 이의 이온전도도를 높여 실사용하기 위한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.On the other hand, oxide-based all-solid electrolytes tend to have slightly lower ionic conductivity than sulfide-based electrolytes, but have the advantage of being free from environmental pollution problems, and research and development for practical use by increasing their ionic conductivity are actively progressing.
이 중에서도 가장 대표적인 것은 Garnet 구조를 갖는 전고체 전해질 LLZO(Li7La3Zr2O12)로, 상대적으로 높은 이온전도도를 갖는 장점이 있다. 그러나, LLZO의 이온전도도를 실사용이 가능한 수준으로 높이려면 고온에서 장시간 소결해야만 하여 공정 비용과 시간이 매우 길어지는 문제점이 있다. 이때, 장시간의 소결에 의해 Li의 휘발이 발생하고, 이온전도도가 더욱 감소하게 되어 전해질의 재현성이 떨어지며, 밀도가 감소하고, 화학적으로 불안정한 물질이 제조된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 소결 온도를 감소시키며, 동시에 소결 시간을 줄이면서도 전해질의 밀도를 높이기 위한 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.Among them, the most representative is an all-solid electrolyte LLZO (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) having a Garnet structure, which has the advantage of having relatively high ionic conductivity. However, in order to increase the ionic conductivity of LLZO to a level that can be used in practice, it must be sintered at a high temperature for a long time, resulting in a very long process cost and time. At this time, volatilization of Li occurs due to sintering for a long time, and ionic conductivity is further reduced, so that the reproducibility of the electrolyte is lowered, the density is reduced, and a chemically unstable material is produced. In order to solve these problems, research on a method for increasing the density of the electrolyte while reducing the sintering temperature and at the same time reducing the sintering time is required.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 소결 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery including a sintering additive and a manufacturing method thereof.
본 발명은 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질을 제공하는 방법에 관한 것으로, 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 Li, La, Zr 및 Ta의 산화물로 이루어진 금속 산화물 전해질과, Al, Bi 및 Cu 중 어느 하나 이상의 금속 산화물로 이루어진 소결 첨가제를 포함하는 것일 수 있다.The present invention relates to a method for providing a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, wherein the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery is a metal oxide electrolyte composed of oxides of Li, La, Zr and Ta, and Al, Bi and Cu It may include a sintering additive made of any one or more metal oxides.
이때, 상기 금속 산화물 전해질은 Li 24 내지 28 원자%, La 11 내지 13 원자%, Zr 4 내지 7 원자% 및 Ta 1 내지 4 원자%, 잔부 O로 이루어진 것일 수 있다.In this case, the metal oxide electrolyte may be composed of 24 to 28 atomic% Li, 11 to 13 atomic% La, 4 to 7 atomic% Zr, 1 to 4 atomic% Ta, and the balance O.
상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 상기 금속 산화물 전해질 100 중량부에 대하여 상기 소결 첨가제를 5 중량부 이내로 포함하는 것일 수 있다.The garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery may include 5 parts by weight or less of the sintering additive based on 100 parts by weight of the metal oxide electrolyte.
상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 이온전도도가 1.0×10-4 S cm-1 이상인 것일 수 있다.The garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery may have an ion conductivity of 1.0×10 -4 S cm -1 or more.
본 발명은 상기와 같은 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질을 제조하기 위한 방법으로서, (A) LiOH 100 중량부에 대하여, La2O3가 400 내지 800 중량부, ZrO2가 75 내지 130 중량부, Ta2O5가 120 내지 200 중량부가 되도록 분말을 준비하고, 이를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계; (B) 상기 혼합 분말에 소결첨가제를 투입하고 밀링하는 단계; 및 (C) 밀링이 완료된 분말을 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법을 제공한다.The present invention is a method for producing the above garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, (A) 400 to 800 parts by weight of La 2 O 3 and 75 to 130 parts by weight of ZrO 2 based on 100 parts by weight of LiOH , Preparing a powder such that Ta 2 O 5 is 120 to 200 parts by weight, and mixing them to prepare a mixed powder; (B) adding a sintering additive to the mixed powder and milling; and (C) sintering the milled powder.
상기 (A) 단계에 있어서, 상기 분말에 볼 밀을 수행한 다음 건조 및 하소를 수행하는 것일 수 있다.In the step (A), ball milling may be performed on the powder, followed by drying and calcination.
상기 (A) 단계에 있어서, 상기 볼 밀은 LiOH, La2O3, ZrO2 및 Ta2O5 분말을 유기용매에 투입하여 수행하는 것일 수 있다.In the step (A), the ball mill may be performed by introducing powders of LiOH, La 2 O 3 , ZrO 2 and Ta 2 O 5 into an organic solvent.
상기 (A) 단계에 있어서, 상기 분말의 하소는 600 내지 900℃의 온도를 6 내지 12시간 동안 유지하여 수행하는 것일 수 있다.In the step (A), the calcination of the powder may be performed by maintaining a temperature of 600 to 900 ° C. for 6 to 12 hours.
상기 (B) 단계에 있어서, 상기 소결첨가제는 Al2O3, CuO 및 Bi2O3 중 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.In step (B), the sintering additive may be one or more selected from among Al 2 O 3 , CuO and Bi 2 O 3 .
상기 (B) 단계에 있어서, 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 100 중량부에 대하여, 상기 소결첨가제가 5 중량부 이내로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법.In the step (B), the sintering additive is included in an amount of 5 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery. Method for producing a garnet-based all-solid electrolyte.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 소결첨가제를 사용하여 전해질 입자의 소결을 수행함으로써, 전해질의 치밀성을 향상하여 이온전도도가 증가하는 효과가 있으며, 종래에 비해 낮은 온도에서 소결을 수행하였을 때에도 입자의 치밀성이 보다 높아지는 효과가 있다.The garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention performs sintering of electrolyte particles using a sintering additive, thereby improving the density of the electrolyte and increasing ion conductivity, and sintering is performed at a lower temperature than the prior art Even when this is done, there is an effect of increasing the density of the particles.
도 1은 소결하기 전 실시예의 XRD(X-Ray Diffraction) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 소결한 후 실시예의 XRD 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 1100℃에서 소결한 실시예와 비교예의 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 1000℃에서 소결한 실시예와 비교예의 EIS를 측정한 결과를 나타낸 것이다.1 shows XRD (X-Ray Diffraction) measurement results of Examples before sintering.
Figure 2 shows the XRD measurement results of the examples after sintering.
Figure 3 shows the results of measuring EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) of Examples and Comparative Examples sintered at 1100 °C.
Figure 4 shows the results of measuring the EIS of Examples and Comparative Examples sintered at 1000 ° C.
이하 본 발명에 따른 소결 첨가제를 포함하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개하는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로써 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 본 발명에서 사용하는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery including a sintering additive according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented below, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used in the present invention, they have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and in the following description and accompanying drawings, the present invention Descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of will be omitted.
본 발명은 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질을 제공하는 방법에 관한 것으로, 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 Li, La, Zr 및 Ta의 산화물로 이루어진 금속 산화물 전해질과, Al, Bi 및 Cu 중 어느 하나 이상의 금속 산화물로 이루어진 소결 첨가제를 포함하는 것일 수 있다.The present invention relates to a method for providing a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, wherein the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery is a metal oxide electrolyte composed of oxides of Li, La, Zr and Ta, and Al, Bi and Cu It may include a sintering additive made of any one or more metal oxides.
이때, 상기 금속 산화물 전해질은 상기 금속 산화물 전해질은 Li 24 내지 28 원자%, La 11 내지 13 원자%, Zr 4 내지 7 원자% 및 Ta 1 내지 4 원자%, 잔부 O로 이루어지고, 화학식이 Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(0<x<1)일 수 있다. 이러한 금속 산화물 전해질은 종래 LLZO계로 대표되는 Li7La3Zr2O12 전고체 전해질에 비하여 이온전도도가 높고 전하 전이 저항(charge-trasfer resistance)가 낮은 특성이 있어 리튬 이차전지의 성능을 더 향상할 수 있다. 여기서, 상기 이온전도도는 특히 Li 이온의 전도도를 의미하는 것일 수 있다.At this time, the metal oxide electrolyte is composed of 24 to 28 atomic% Li, 11 to 13 atomic% La, 4 to 7 atomic% Zr, and 1 to 4 atomic% Ta, the balance being O, and the chemical formula is Li 7 -x La 3 Zr 2-x Ta x O 12 (0<x<1). These metal oxide electrolytes have higher ionic conductivity and lower charge-transfer resistance than Li 7 La 3 Zr 2 O 12 all-solid electrolytes represented by the conventional LLZO system, which can further improve the performance of lithium secondary batteries. can Here, the ion conductivity may mean conductivity of Li ions in particular.
상기 소결 첨가제는 Al, Bi 및 Cu 중 선택되는 어느 하나 이상의 금속 산화물로, 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 내에 금속 산화물 전해질 100 중량부에 대하여 5 중량부 이내로 첨가되는 것일 수 있다. 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 이와 같이 Al, Bi 및 Cu 중 선택되는 어느 하나 이상의 금속의 산화물인 소결 첨가제를 포함함으로써 결정 구조를 안정화하고, 소결특성이 개선되어 전고체 전해질의 이온전도도가 향상될 수 있다. 이때, 상기 소결 특성은 특정 온도에서 소결을 진행하였을 때, 입자가 소결되는 정도를 의미하는 것일 수 있다. The sintering additive is one or more metal oxides selected from Al, Bi, and Cu, and may be added within 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide electrolyte in the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery. The garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery contains a sintering additive that is an oxide of one or more metals selected from Al, Bi, and Cu as described above, thereby stabilizing the crystal structure and improving the sintering characteristics, thereby increasing the ion conductivity of the all-solid electrolyte can be improved In this case, the sintering characteristics may mean the degree to which particles are sintered when sintering is performed at a specific temperature.
이와 같이 상기 리튬 이차전지용 전고체 전해질의 소결 특성을 향상하기 위하여 전해질 내 0.1 내지 2.0 원자%의 일부 금속이 Al, Bi 또는 Cu 중 선택되는 어느 하나 이상의 금속으로 치환될 수 있다. 이때, 이와 같은 치환 금속으로는 Al과 Bi를 함께 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 소결에 필요한 온도가 큰 폭으로 낮아질 수 있고, 소결 시 전해질의 밀집도와 소결 특성이 더욱 개선되어, 전고체 전해질의 이온전도도가 매우 큰 폭으로 향상될 수 있다.In this way, in order to improve the sintering characteristics of the all-solid-state electrolyte for a lithium secondary battery, 0.1 to 2.0 atomic percent of a metal in the electrolyte may be substituted with one or more metals selected from Al, Bi, and Cu. At this time, it is preferable to use Al and Bi together as such a substitution metal. In this case, the temperature required for sintering can be significantly lowered, and the density and sintering characteristics of the electrolyte are further improved during sintering, so that the ionic conductivity of the all-solid electrolyte can be greatly improved.
이때, 상기한 Al, Bi 및 Cu의 함량이 상기한 범위보다 작은 경우 소결 특성의 향상이 거의 발생하지 않을 수 있고, 상기한 범위보다 큰 경우 소결 특성은 보다 향상될 수 있으나, 전해질 내 리튬 이온의 전도가 가능한 부분이 줄어들어 이온전도도가 악화되거나, 격자 구조의 안정성이 감소하여 전지의 실사용 중 격자 구조가 붕괴되어 가용면적이 줄어드는 등의 악영향을 미칠 수 있어 좋지 않다.At this time, when the contents of Al, Bi, and Cu are smaller than the above ranges, sintering properties may hardly be improved, and when larger than the above ranges, sintering properties may be further improved. It is not good to have adverse effects such as deterioration of ionic conductivity due to a decrease in conductive parts or decrease in stability of the lattice structure, which may cause the lattice structure to collapse during actual use of the battery and reduce the usable area.
상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 이온전도도가 1.0×10-4 S cm-1 이상인 것일 수 있다. 이때, 상기 이온전도도가 바람직하게는 2.5×10-4 S cm-1 이상, 더욱 바람직하게는 4.0×10-4 S cm-1 이상일 수 있다. 종래 전고체 전해질의 사용이 어려운 이유로 이온전도도가 액체 전해질보다 낮아 전지의 용량이 매우 적다는 점이 꼽히나, 본 발명은 이와 같이 높은 이온전도도를 가짐으로써 전지의 용량을 보다 향상할 수 있다.The garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery may have an ion conductivity of 1.0×10 -4 S cm -1 or more. In this case, the ionic conductivity may be preferably 2.5×10 -4 S cm -1 or more, more preferably 4.0×10 -4 S cm -1 or more. One of the reasons for the difficulty in using the conventional all-solid electrolyte is that the capacity of the battery is very small because the ionic conductivity is lower than that of the liquid electrolyte, but the present invention can further improve the capacity of the battery by having such a high ionic conductivity.
본 발명은 상기와 같은 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질을 제조하기 위한 방법으로서, (A) LiOH 100 중량부에 대하여, La2O3가 400 내지 800 중량부, ZrO2가 75 내지 130 중량부, Ta2O5가 120 내지 200 중량부가 되도록 분말을 준비하고, 이를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계; (B) 상기 혼합 분말에 소결첨가제를 투입하고 밀링하는 단계; 및 (C) 밀링이 완료된 분말을 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법을 제공한다.The present invention is a method for producing the above garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, (A) 400 to 800 parts by weight of La 2 O 3 and 75 to 130 parts by weight of ZrO 2 based on 100 parts by weight of LiOH , Preparing a powder such that Ta 2 O 5 is 120 to 200 parts by weight, and mixing them to prepare a mixed powder; (B) adding a sintering additive to the mixed powder and milling; and (C) sintering the milled powder.
상기 (A) 단계에 있어서, 상기 LiOH 100 중량부에 대하여, 상기 La2O3가 400 내지 800 중량부, 상기 ZrO2가 75 내지 130 중량부, 상기 Ta2O5가 120 내지 200 중량부 혼합되는 것일 수 있다. 이와 같은 범위 내에서 물질을 혼합하여 전해질을 제조함으로써 전술한 바와 같은 조성이 나타날 수 있다. In step (A), 400 to 800 parts by weight of La 2 O 3 , 75 to 130 parts by weight of ZrO 2 , and 120 to 200 parts by weight of Ta 2 O 5 were mixed with respect to 100 parts by weight of LiOH. it may be A composition as described above may be obtained by preparing an electrolyte by mixing materials within this range.
이때, 상기 (A) 단계에 혼합되는 LiOH의 양은 전술한 바와 같은 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 조성의 화학양론으로 계산되는 양보다 과량 첨가되는 것일 수 있다. 이는 전해질의 건조, 하소 및 후속되는 소결 과정에서 Li의 휘발이 발생하기 때문으로, LiOH를 과량 첨가하지 않는 경우 전해질 내 Li의 조성 함량이 미달되어 전해질 내 Li 이온전도도의 하락, 전해질의 상분리와 같은 현상이 발생할 수 있어 좋지 않다.In this case, the amount of LiOH mixed in the step (A) may be added in excess of the amount calculated from the stoichiometry of the composition of the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery as described above. This is because Li volatilization occurs during drying, calcination, and subsequent sintering of the electrolyte. If an excessive amount of LiOH is not added, the composition content of Li in the electrolyte is insufficient, resulting in a decrease in Li ionic conductivity in the electrolyte and phase separation of the electrolyte. It's not good because it can happen.
이때, 이와 같이 과량 첨가되는 LiOH의 양은 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 내 화학양론적으로 계산되는 LiOH의 양 대비 10 내지 30%일 수 있다. 이와 같은 범위 내에서 LiOH를 더 첨가함으로써 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 조성 범위를 만족할 수 있다. 단, 상기한 양을 초과하는 경우에는 전술한 바와 같은 Li 휘발에 대비하는 효과가 더 좋아지지는 않아 비용과 화학양론적 측면에서 바람직하지 않다.In this case, the amount of LiOH added in excess may be 10 to 30% of the amount of LiOH calculated stoichiometrically in the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery. By further adding LiOH within this range, the composition range of the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery may be satisfied. However, when the above amount is exceeded, the effect of preparing for Li volatilization as described above is not better, which is not preferable in terms of cost and stoichiometry.
상기 (A) 단계에 있어서, 상기 분말에 볼 밀을 수행한 다음 건조 및 하소를 수행하는 것일 수 있다.In the step (A), ball milling may be performed on the powder, followed by drying and calcination.
상기 볼 밀은 습식 밀링으로, LiOH, La2O3, ZrO2 및 Ta2O5 분말을 유기용매에 투입하여 수행하는 것일 수 있다. 이때, 더욱 구체적으로는 수분함량이 1ppm 미만인 무수물을 유기용매로 사용하는 것일 수 있다. 이와 같은 유기용매를 사용한 습식 밀링을 수행함으로써, 용매 내 수분에 의해 Li2CO3가 형성되는 현상을 방지할 수 있다. 만약 Li2CO3가 발생하는 경우, 상기 La2O3, ZrO2와 반응하지 못하고 Li 이온을 전도하지 못하는 불순물로 잔존하여 고체 전해질의 이온전도도를 낮추기 때문에 위와 같은 습식 밀링을 수행하는 것이 좋다. 또한, 용매로써 물을 사용하는 경우에는 상기한 분말 중 이온화도가 높은 LiOH가 용해되어 반응이 적절하게 수행되지 못하여 전해질 내 Li 함량이 미달되어 Li 이온의 전도도가 감소할 수 있고, 격자 구조의 안정성이 감소할 수 있어 좋지 않다.The ball mill may be wet milling, which is performed by adding powders of LiOH, La 2 O 3 , ZrO 2 and Ta 2 O 5 to an organic solvent. At this time, more specifically, it may be to use an anhydride having a water content of less than 1 ppm as an organic solvent. By performing wet milling using such an organic solvent, a phenomenon in which Li 2 CO 3 is formed due to moisture in the solvent can be prevented. If Li 2 CO 3 is generated, it is preferable to perform wet milling as described above because it does not react with the La 2 O 3 and ZrO 2 and remains as an impurity that does not conduct Li ions, lowering the ionic conductivity of the solid electrolyte. In addition, when water is used as a solvent, LiOH having a high ionization degree is dissolved in the above powder, and the reaction is not properly performed, so that the Li content in the electrolyte is insufficient, and the conductivity of Li ions may decrease, and the stability of the lattice structure may be reduced. It's not good because it can decrease.
따라서, 상기 유기용매로는 수분함량이 1ppm 미만인 무수물을 사용하는 것이 좋고, 상기 유기용매의 종류는 특별히 한정하지는 않으나 예를 들어 비용이 저렴하고 반응성이 적으면서도 점도가 높지 않아 볼 밀을 용이하게 수행할 수 있는 무수 에탄올을 사용할 수 있다. 단, 메탄올은 흡습성이 있고, 물과 공비점이 있어 무수 메탄올의 제조가 쉽지 않으므로 무수 에탄올에 비해 투자되는 비용 대비 공정 상 얻을 수 있는 이점이 적다.Therefore, it is preferable to use an anhydride having a moisture content of less than 1 ppm as the organic solvent, and the type of the organic solvent is not particularly limited. Absolute ethanol can be used. However, since methanol is hygroscopic and has an azeotrope with water, it is not easy to manufacture anhydrous methanol, so the advantages obtained in the process compared to the investment cost compared to anhydrous ethanol are small.
이때, 상기 볼 밀은 100 내지 500 rpm으로 8 내지 20시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 또한, 상기 볼 밀에 사용되는 볼은 지르코니아 볼이 좋고, 이의 직경은 1 내지 10 mm인 것이 좋다.At this time, the ball mill may be performed for 8 to 20 hours at 100 to 500 rpm. In addition, the ball used in the ball mill is preferably a zirconia ball, and preferably has a diameter of 1 to 10 mm.
전술한 바와 같이 상기 분말의 습식 볼 밀이 수행된 이후, 상기 분말의 건조를 수행하는 단계를 거칠 수 있다. 상기 분말의 건조는 60 내지 120℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 이와 같은 온도 범위에서 건조를 수행하여 무수 에탄올을 제거함으로써 금속 산화물 전해질 입자가 응집되지 않으며 후속되는 분말의 하소 과정에서 기포 및 공극 형성이 줄어들 수 있다.As described above, after the wet ball milling of the powder is performed, a step of drying the powder may be performed. Drying of the powder may be performed at a temperature of 60 to 120 ℃. By removing anhydrous ethanol by performing drying in this temperature range, the metal oxide electrolyte particles are not agglomerated and the formation of bubbles and pores can be reduced during the subsequent calcination of the powder.
이어서, 상기 분말의 하소는 600 내지 900℃의 온도를 6 내지 12시간 동안 유지하여 수행하는 것일 수 있다. 이때, 바람직하게는 분말의 하소 온도가 650 내지 900℃, 더욱 바람직하게는 700 내지 900℃일 수 있다. 또한, 바람직하게는 상기 분말의 하소가 7 내지 12시간, 더욱 바람직하게는 8 내지 12시간 수행되는 것이 좋다. 이와 같은 조건으로 상기 분말의 하소를 수행함으로써 금속 산화물 전해질 입자의 조성이 더욱 균일해지며 후속되는 소결 공정에서 입자의 응집을 방지할 수 있다.Subsequently, calcination of the powder may be performed by maintaining a temperature of 600 to 900 ° C. for 6 to 12 hours. At this time, preferably, the calcination temperature of the powder may be 650 to 900 ° C, more preferably 700 to 900 ° C. Also, preferably, the calcination of the powder is performed for 7 to 12 hours, more preferably for 8 to 12 hours. By performing the calcination of the powder under such conditions, the composition of the metal oxide electrolyte particles becomes more uniform, and aggregation of the particles can be prevented in a subsequent sintering process.
상기 (B) 단계에 있어서, 상기 소결첨가제는 Al2O3, Bi2O3 및 CuO 중 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다. 이때, 바람직하게는 Al2O3 및 Bi2O3를 사용하는 것이 좋다. 이와 같은 소결첨가제를 사용함으로써, 종래의 발명에 비해 적정한 소결 온도가 약 100℃ 가량 하락할 수 있다. 이때, 상기한 적정한 소결 온도는 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질 입자가 소결되어 높은 이온전도도를 갖는 데 필요한 온도이며, 본 발명의 경우 상기한 소결의 정도는 완성된 전해질의 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)와 같은 수단을 통해 간접적으로 관측할 수 있다. 예를 들어, 전해질의 소결된 정도가 높을 경우 EIS의 임피던스(저항) 성분이 더욱 작아지며, 반대의 경우 EIS의 임피던스 성분이 더욱 커지는 특징이 있다.In step (B), the sintering additive may be one or more selected from among Al 2 O 3 , Bi 2 O 3 and CuO. At this time, it is preferable to use Al 2 O 3 and Bi 2 O 3 . By using such a sintering additive, the proper sintering temperature can be lowered by about 100 ° C. compared to the prior art. At this time, the appropriate sintering temperature is the temperature required for the garnet-based all-solid electrolyte particles for lithium secondary batteries to be sintered to have high ionic conductivity. ) can be observed indirectly through means such as For example, when the degree of sintering of the electrolyte is high, the impedance (resistance) component of the EIS becomes smaller, and in the opposite case, the impedance component of the EIS becomes larger.
또한, 상기 (B) 단계에 있어서, 상기 소결첨가제는 상기 금속 산화물 전해질 100 중량부에 대하여 5 중량부 이내로 첨가되는 것일 수 있다. 이와 같은 범위 내에서 소결첨가제를 포함함으로써 전해질 내 이차상의 형성이 방지되며, 이온전도도를 더욱 높게 향상할 수 있다. 상기 이차상은 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조 중 소결 과정에서 Li가 과도하게 휘발되는 경우 발생할 수 있고, 예를 들어 La-Zr과 같은 상이 형성될 수 있다. 이와 같은 이차상은 Li를 전도하는 것이 불가능하며, 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질과 상분리가 발생하여 저항, 이온전도도와 같은 전해질의 성능에 매우 큰 악영향을 미칠 수 있다. 본 발명은 상기 소결첨가제를 통해 소결 온도를 내리고, 소요 시간을 단축함으로써 이와 같은 이차상의 형성을 방지할 수 있다.In addition, in the step (B), the sintering additive may be added within 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide electrolyte. By including the sintering additive within this range, the formation of a secondary phase in the electrolyte is prevented, and the ionic conductivity can be further improved. The secondary phase may occur when Li is excessively volatilized during a sintering process during the manufacture of a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, and a phase such as La-Zr may be formed. Such a secondary phase cannot conduct Li, and phase separation occurs with the garnet-based all-solid electrolyte for lithium secondary batteries, which can have a very adverse effect on the performance of the electrolyte, such as resistance and ionic conductivity. The present invention can prevent the formation of such a secondary phase by lowering the sintering temperature and shortening the required time through the sintering additive.
이와 같은 효과를 위하여 바람직하게는 상기 소결첨가제가 금속 산화물 전해질 100 중량부에 대하여 4.5 중량부 이내, 더욱 바람직하게는 4 중량부 이내로 첨가되는 것이 좋다. 이러한 소결첨가제 첨가량의 하한은 특별하게 제한은 없으나, 상기한 효과를 나타내기 위해서는 적어도 0.5 중량부 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 중량부 이상을 포함하는 것이 좋다. 단, 상기한 범위를 초과하여 첨가하는 경우 전해질의 이온전도도가 낮아질 수 있고, 격자 구조가 불안정해질 수 있어 좋지 않다.For this effect, the sintering additive is preferably added within 4.5 parts by weight, more preferably within 4 parts by weight, based on 100 parts by weight of the metal oxide electrolyte. The lower limit of the amount of the sintering additive is not particularly limited, but it is preferable to include at least 0.5 parts by weight or more, more preferably 1 part by weight or more in order to exhibit the above effects. However, when added in excess of the above range, the ionic conductivity of the electrolyte may be lowered and the lattice structure may become unstable, which is not good.
상기 (C) 단계에 있어서, 상기 소결은 900 내지 1200℃에서 6 내지 12시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 이때, 바람직하게는 상기 소결이 925 내지 1175℃에서 수행되는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 950 내지 1150℃에서 수행되는 것이 좋다. 이와 같은 온도에서 소결을 수행함으로써 Li의 휘발을 최소화하면서도 치밀성이 높고 이온전도도가 높아 전기화학적 특성이 우수한 전고체 전해질을 제조할 수 있다. 이때, (B) 단계의 설명에서 서술한 바와 같이, 이와 같은 소결 온도가 너무 높은 경우 Li의 휘발이 가속화되어 La-Zr과 같은 이차상이 형성되는 양이 늘어 전해질의 이온전도도, 물리적 강도와 같은 물성에 악영향을 끼칠 수 있고, 이보다 낮은 온도에서는 입자의 소결이 잘 발생하지 않아 전해질의 입계 저항이 매우 크기 때문에 바람직하지 않다.In the step (C), the sintering may be performed at 900 to 1200 ° C. for 6 to 12 hours. In this case, preferably, the sintering is performed at 925 to 1175 ° C, more preferably at 950 to 1150 ° C. By performing sintering at such a temperature, it is possible to prepare an all-solid electrolyte having excellent electrochemical characteristics due to high density and high ionic conductivity while minimizing volatilization of Li. At this time, as described in the description of step (B), if the sintering temperature is too high, the volatilization of Li is accelerated and the amount of secondary phase such as La-Zr is increased, resulting in an increase in physical properties such as ionic conductivity and physical strength of the electrolyte. At a temperature lower than this, sintering of the particles does not occur easily, which is undesirable because the intergranular resistance of the electrolyte is very high.
또한, 본 발명은 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지는 양극; 음극; 및 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질을 포함하는 것으로, 상기 양극과 음극 사이에 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질이 위치하는 것일 수 있다.The lithium secondary battery may include a cathode; cathode; and the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, wherein the garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery may be positioned between the positive electrode and the negative electrode.
상기 양극은 양극활물질; 도전재; 바인더; 및 양극집전체를 포함하는 것일 수 있다.The cathode may include a cathode active material; conductive material; bookbinder; And it may include a positive electrode current collector.
상기 양극활물질은 리튬을 포함하는 금속산화물로써, 구체적으로 LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4, LiFe1-xMxPO4(M은 2가 또는 3가 전이금속), LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2 LiMn2O4, LiNi1-xCoxO2, LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1), LiNixCoyAlzO2(x+y+z=1), LiNixMnyMtzO2 (x+y+z=1, Mt는 2가 또는 3가 전이금속), Li1.2Ni0.13Co0.13-xMn0.54AlxO2(1-y)F2y(x, y는 서로 독립적인 0 내지 0.05인 실수), Li1.2Mn(0.8-a)MtaO2 (Mt는 2가 또는 3가 전이금속), a(Li2MnO3)*b(LiNixCoyMnzO2)(a+b=1, x+y+z=1), Li2Nt1-xMtxO3 (Nt는 2가, 3가 또는 4가 전이금속, Mt는 2가 또는 3가 전이금속), Li1+xNty-zMtzO2 (Nt는 Ti 또는 Nb, Mt는 V, Ti, Mo 또는 W), LixMt2-xO2 (Mt는 Ti, Zr, Nb, Mn 등의 전이금속) 및 Li2O/Li2Ru1-xMtxO3 (Mt는 Ti, Zr, Nb, Mn 등의 전이금속) 등으로 이루어진 리튬을 포함하는 전이금속 산화물 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이는 일 예시일 뿐 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The cathode active material is a metal oxide containing lithium, specifically LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiCoPO 4 , LiFe 1-x M x PO 4 (M is a divalent or trivalent transition metal), LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 LiMn 2 O 4 , LiNi 1-x Co x O 2 , LiNi x Co y Mn z O 2 (x+y+z=1), LiNi x Co y Al z O 2 (x+y+z=1) , LiNi x Mn y Mt z O 2 (x+y+z=1, Mt is a divalent or trivalent transition metal), Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13-x Mn 0.54 Al x O 2(1-y) F 2y (x, y are real numbers from 0 to 0.05 independent of each other), Li 1.2 Mn (0.8-a) Mt a O 2 (Mt is a divalent or trivalent transition metal), a(Li 2 MnO 3 )*b(LiNi x Co y Mn z O 2 )(a+b=1, x+y+z=1), Li 2 Nt 1-x Mt x O 3 (Nt is a divalent, trivalent or tetravalent transition metal, Mt is divalent or trivalent transition metal), Li 1+x Nt yz Mt z O 2 (Nt is Ti or Nb, Mt is V, Ti, Mo or W), Li x Mt 2-x O 2 (Mt is Ti, A transition metal oxide containing lithium composed of a transition metal such as Zr, Nb, or Mn) and Li 2 O/Li 2 Ru 1-x Mt x O 3 (Mt is a transition metal such as Ti, Zr, Nb, or Mn). Any one or a mixture of two or more selected from the group may be used, but this is only an example and is not necessarily limited thereto.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로써, 화학적 안정성이 뛰어나며 전자 전도성을 갖는 것을 사용한다. 구체적인 예로는 흑연, 카본 블랙, 슈퍼 피, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 그래핀, 흑연화 메조카본 마이크로비드, 풀러렌 및 비정질탄소 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연 및 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이는 일 예시일 뿐 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and is excellent in chemical stability and has electronic conductivity. Specific examples include graphite, carbon black, super blood, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanowire, graphene, graphitized mesocarbon microbeads , carbon-based materials such as fullerene and amorphous carbon; metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one or a mixture of two or more of them may be used, but this is only an example and is not necessarily limited thereto.
상기 바인더는 양극활물질, 도전재 및 양극집전체 간에 접착성을 부여하는 것으로, 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리이미드(PI), 플루오르폴리이미드(FPI), 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알코올(PVA), 카르복시메틸셀룰로스(CMC), 전분, 히드록시프로필 셀룰로스, 재생 셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 풀리우레탄, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(S-EPDM), 스타이렌-부타디엔 고무(SBR), 불소 고무 또는 이들의 공중합체, 알긴 등을 들 수 있으며, 이 중 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있으나, 이는 일 예시일 뿐 반드시 이에 제한되지는 않는다.The binder imparts adhesion between the cathode active material, the conductive material and the cathode current collector, and specific examples include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyimide (PI), fluoropolyimide (FPI), polyacrylic acid (PAA) , polyvinyl alcohol (PVA), carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone (PVP), tetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, polypropylene, polyurethane, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated ethylene-propylene-diene polymer (S-EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), fluororubber or copolymers thereof, algin, and the like, among which Any one or more selected may be used, but this is only an example and is not necessarily limited thereto.
상기 양극 집전체는 양극활물질과 전원 사이에 전기적 통로를 제공하는 것으로, 알루미늄박 또는 알루미늄 메쉬와 같은 형태로 가공된 알루미늄으로 이루어진 것일 수 있다.The cathode current collector provides an electrical passage between the cathode active material and the power source, and may be made of aluminum processed into an aluminum foil or aluminum mesh.
상기 음극은 음극활물질, 도전재, 바인더 및 음극 집전체를 포함하는 것일 수 있다.The negative electrode may include a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a negative electrode current collector.
상기 음극활물질은 리튬 이온을 저장할 수 있는 물질로, 흑연, 활성탄, 하드 카본, 소프트 카본 등의 탄소계 물질; 및 리튬 금속; 중 선택되는 어느 하나를 사용하는 것일 수 있으나, 이는 일 예시일 뿐 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 전지의 비용량과 에너지밀도를 매우 큰 폭으로 높일 수 있기에 바람직하게는 리튬 금속을 음극활물질로 사용하는 것이 좋다.The anode active material is a material capable of storing lithium ions, and includes carbon-based materials such as graphite, activated carbon, hard carbon, and soft carbon; and lithium metal; It may be to use any one selected from, but this is only an example and is not necessarily limited thereto. At this time, since the specific capacity and energy density of the battery can be greatly increased, it is preferable to use lithium metal as an anode active material.
상기 도전재 및 바인더는 전술한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.Since the conductive material and the binder are the same as those described above, overlapping descriptions will be omitted.
상기 음극 집전체는 음극활물질과 전원 사이에 전기적 통로를 제공하는 것으로, 동박 또는 구리 메쉬와 같은 형태로 가공된 구리로 이루어진 것일 수 있다.The anode current collector provides an electrical passage between the anode active material and the power source, and may be made of copper processed into a copper foil or copper mesh.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 소결첨가제, 이를 이용한 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법 및 이로부터 제조되는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, the sintering additive according to the present invention, a method for manufacturing a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery using the same, and a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery prepared therefrom will be described in more detail through examples. However, the following examples are only one reference for explaining the present invention in detail, but the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description herein is merely to effectively describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. In addition, the unit of additives not specifically described in the specification may be % by weight.
[실시예][Example]
LiOH, La2O3, ZrO2 및 Ta2O5 분말을 Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12의 조성비와 일치하도록 칭량하여 혼합하였다. 이때, LiOH 분말을 위의 칭량된 양보다 20% 증량하여 혼합함으로써 Li의 휘발로 인해 Li의 함량이 미달되어 La-Zr 이차 상이 형성되는 현상을 방지하였다. 위와 같이 혼합된 분말을 지르코니아 볼과 함께 무수 에탄올에 투입하고 12시간 동안 200~250 rpm으로 습식 밀링을 진행하였다.LiOH, La 2 O 3 , ZrO 2 and Ta 2 O 5 powders were weighed and mixed to match the composition ratio of Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Ta 0.6 O 12 . At this time, the LiOH powder was increased by 20% from the above weighed amount and mixed to prevent the formation of a La—Zr secondary phase due to an insufficient Li content due to volatilization of Li. The powder mixed as above was put into absolute ethanol together with a zirconia ball, and wet milling was performed at 200 to 250 rpm for 12 hours.
혼합된 분말의 습식 밀링을 종료한 후, 약 100℃로 유지되는 오븐에서 무수 에탄올을 증발시킨 다음, 잔존한 분말을 900℃에서 12시간 동안 하소하였다.After completion of the wet milling of the mixed powder, absolute ethanol was evaporated in an oven maintained at about 100° C., and then the remaining powder was calcined at 900° C. for 12 hours.
다음으로, 상기 분말 100 중량부에 대하여 Al2O3 1.5중량부, Bi2O3 2 중량부를 첨가하여 이를 볼 밀하고, 볼 밀이 완료된 분말을 몰드에 넣어 평탄화하고 가압을 수행하여 직경이 12mm인 펠렛을 제작하였다. 이때, 상기 가압은 압력을 2 Ton으로 인가하여 3분 동안 수행하였다.Next, with respect to 100 parts by weight of the powder, 1.5 parts by weight of Al 2 O 3 and 2 parts by weight of Bi 2 O 3 were added and ball milled, and the ball milled powder was put into a mold, flattened, and pressed to obtain a diameter of 12 mm. Phosphorus pellets were produced. At this time, the pressurization was performed for 3 minutes by applying a pressure of 2 Ton.
[비교예][Comparative example]
실시예와 모든 과정을 동일하게 수행하되, Al2O3 및 Bi2O3를 첨가하지 않았다.All procedures were performed in the same manner as in Example, but Al 2 O 3 and Bi 2 O 3 were not added.
[특성 평가 방법][Characteristic evaluation method]
A. 결정구조 분석A. Crystal structure analysis
도 1을 참조하면, 실시예의 하소 후 XRD(X-Ray Diffraction) 측정 결과를 확인할 수 있다. 이를 큐빅 구조를 갖는 LLZTO의 JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards) 데이터와 비교하면, 피크의 위치가 일치하고, 피크가 좁고 날카롭게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이로부터 하소 직후 시점에서 LLZTO와 동일한 결정구조를 가지고 있고, 결정구조가 매우 치밀하다는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 1, it can be confirmed the XRD (X-Ray Diffraction) measurement results after calcination of the embodiment. Comparing this with JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) data of LLZTO having a cubic structure, it can be seen that the positions of the peaks coincide and the peaks are formed narrowly and sharply. From this, it can be seen that it has the same crystal structure as LLZTO at the time immediately after calcination, and that the crystal structure is very dense.
도 2를 참조하면, 실시예를 1000℃로 소결 후 수행한 XRD 측정 결과를 확인할 수 있다. 이를 큐빅 구조를 갖는 LLZTO의 JCPDS 데이터와 비교하면, 피크의 위치가 일치하고, 피크의 넓이가 소폭 증가했으나, 결정구조는 동일하게 유지되었다는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 2, it can be confirmed the XRD measurement results performed after sintering the embodiment at 1000 ℃. Comparing this with the JCPDS data of LLZTO having a cubic structure, it can be seen that the peak position is consistent and the peak width slightly increased, but the crystal structure remains the same.
B. 이온전도도 측정B. Measurement of ionic conductivity
실시예, 비교예를 각각 1000℃, 1100℃에서 12시간 동안 소결하여 총 4개의 시편을 준비하였다. 상기 시편을 #600, 1000, 1500, 2000, 4000 사포를 사용하여 경면화하고 건식 Au 스퍼터링을 통해 시편 양면에 전극을 증착하였다. 이와 같은 Au 전극은 실험에서 차단전극 역할을 수행한다.A total of 4 specimens were prepared by sintering Examples and Comparative Examples at 1000 ° C and 1100 ° C for 12 hours, respectively. The specimen was mirror polished using #600, 1000, 1500, 2000, and 4000 sandpaper, and electrodes were deposited on both sides of the specimen through dry Au sputtering. Such an Au electrode serves as a blocking electrode in the experiment.
EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 측정은 OCP(Open Circuit Potential)에서 9MHz~1Hz의 주파수 범위에서 진폭을 0.1V로 설정하여 수행하였다. 측정된 EIS 결과를 토대로 하여 전해질의 총 저항(R)을 구하고, 아래의 수식을 통해 시편의 두께(t) 및 넓이(A)로부터 이온전도도(σ)를 계산하였다.EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) measurement was performed by setting the amplitude to 0.1V in the frequency range of 9MHz to 1Hz at OCP (Open Circuit Potential). Based on the measured EIS results, the total resistance (R) of the electrolyte was obtained, and the ionic conductivity (σ) was calculated from the thickness (t) and width (A) of the specimen through the following formula.
σ (Ω cm)-1= (1/R)(t/A)σ (Ω cm) -1 = (1/R)(t/A)
이온전도도 계산 결과를 표 1에 나타내었다.The ionic conductivity calculation results are shown in Table 1.
표 1을 참조하면, 소결 온도에 관계없이 실시예의 이온전도도가 비교예에 비해 2배 이상 높은 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, regardless of the sintering temperature, it can be seen that the ionic conductivity of the examples is more than twice as high as that of the comparative examples.
또한, 도 3을 참조하면, 비교예의 x절편이 실시예의 x절편에 비해 저항값이 낮은 것을 알 수 있고, 형성되는 반원의 크기 차이가 큰 것을 알 수 있다. 나아가, 도 4를 참조하면, 비교예의 반원 크기가 매우 커져 실시예의 변화를 알아보기 힘들 정도인 것을 알 수 있다.In addition, referring to FIG. 3 , it can be seen that the x-intercept of Comparative Example has a lower resistance value than the x-intercept of Example, and it can be seen that the size difference of the formed semicircles is large. Furthermore, referring to FIG. 4 , it can be seen that the size of the semicircle of the comparative example is very large, making it difficult to recognize the change in the example.
이상과 같은 EIS 측정 결과를 통해, 비교예는 1000℃에서 소결하는 경우 이온전도도의 증가폭은 그리 크지 않으나, 실사용이 어려울 정도로 전고체 전해질의 치밀성이 낮아지고 저항이 증가하여 1000℃에서는 소결이 잘 수행되지 않았음을 유추할 수 있다. 반면, 실시예는 1000℃에서 소결하는 경우 이온전도도가 소폭 감소하지만 치밀성과 저항의 변화폭이 그리 크지 않아 소결을 위해 필요한 온도 조건이 비교예에 비해 완화되었음을 알 수 있다.Through the above EIS measurement results, the comparative example does not have a very large increase in ionic conductivity when sintering at 1000 ° C, but the density of the all-solid electrolyte is lowered and the resistance is increased to the extent that practical use is difficult, so that sintering is well performed at 1000 ° C. It can be inferred that this has not been done. On the other hand, in the case of sintering at 1000 ° C., the ion conductivity slightly decreases in the examples, but the change in density and resistance is not so large, so it can be seen that the temperature conditions required for sintering are alleviated compared to the comparative examples.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. Although the present invention has been described through specific details and limited examples as described above, these are only provided to help the overall understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above examples, and the field to which the present invention belongs Those skilled in the art can make various modifications and variations from these descriptions.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and it will be said that not only the claims to be described later, but also all modifications equivalent or equivalent to these claims belong to the scope of the present invention. .
Claims (13)
Li 24 내지 28 원자%, La 11 내지 13 원자%, Zr 4 내지 7 원자% 및 Ta 1 내지 4 원자% 및 잔부의 O로 이루어진 금속 산화물 전해질과,
Al2O3 및 Bi2O3로 이루어진 소결 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질.In the garnet-based all-solid electrolyte for lithium secondary batteries,
A metal oxide electrolyte composed of 24 to 28 atomic% Li, 11 to 13 atomic% La, 4 to 7 atomic% Zr, and 1 to 4 atomic% Ta, and the remainder being O;
A garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery comprising a sintering additive composed of Al 2 O 3 and Bi 2 O 3 .
상기 금속 산화물 전해질 100 중량부에 대하여 상기 소결 첨가제를 5 중량부 이내로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질.According to claim 1,
A garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that it contains within 5 parts by weight of the sintering additive based on 100 parts by weight of the metal oxide electrolyte.
상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질은 이온전도도가 1.0×10-4 S cm-1 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질.According to claim 1,
The garnet-based all-solid electrolyte for lithium secondary batteries has an ion conductivity of 1.0×10 -4 S cm -1 or more.
상기 제조방법은,
(A) LiOH, La2O3, ZrO2, Ta2O5 분말을 준비하고, 이를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계;
(B) 상기 혼합 분말에 Al2O3 및 Bi2O3로 이루어진 소결첨가제를 투입하고 밀링하는 단계; 및
(C) 밀링이 완료된 분말을 925 내지 1100℃로 6 내지 12 시간 유지하여 소결하는 단계;
를 포함하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법.As a method for manufacturing a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery,
The manufacturing method,
(A) preparing powders of LiOH, La 2 O 3 , ZrO 2 , and Ta 2 O 5 and mixing them to prepare a mixed powder;
(B) adding a sintering additive composed of Al 2 O 3 and Bi 2 O 3 to the mixed powder and milling; and
(C) sintering the milled powder by maintaining it at 925 to 1100° C. for 6 to 12 hours;
Method for producing a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery comprising a.
(A) 단계에 있어서, 상기 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 화학양론적 당량에 대하여 LiOH를 10 내지 30 중량% 증량하여 분말을 준비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법.According to claim 5,
In step (A), powder is prepared by increasing LiOH in an amount of 10 to 30% by weight relative to the stoichiometric equivalent of the garnet-based all-solid electrolyte for lithium secondary battery Preparation of a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery method.
(A) 단계에 있어서, 상기 분말에 볼 밀을 수행한 다음 건조 및 하소를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법.According to claim 5,
In step (A), the method for producing a garnet-based all-solid electrolyte for a lithium secondary battery, characterized in that performing a ball mill on the powder and then further performing drying and calcination.
(A) 단계에 있어서, LiOH, La2O3, ZrO2 및 Ta2O5 분말을 유기용매에 투입하여 볼 밀을 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법.According to claim 7,
In step (A), a ball mill is performed by adding LiOH, La 2 O 3 , ZrO 2 and Ta 2 O 5 powder to an organic solvent.
(A) 단계에 있어서, 상기 분말의 하소는 600 내지 900℃의 온도를 6 내지 12시간 동안 유지하여 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법.According to claim 7,
In step (A), the calcination of the powder is performed by maintaining a temperature of 600 to 900 ° C. for 6 to 12 hours.
(B) 단계에 있어서, 상기 혼합 분말 100 중량부에 대하여 상기 소결첨가제가 5 중량부 이내로 투입되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 가넷계 전고체 전해질의 제조방법.According to claim 5,
In step (B), the sintering additive is added in an amount of less than 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed powder.
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