KR102776436B1 - Llzo solid electrolyte manufacturing method using microwave solvothermal synthesis method and llzo solid electrolyte prepared thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용하여 단시간내에 전구체 분말을 합성하고, LLZO 분말의 입자크기를 세밀화하며, 이에 따른 소결성 향상에 의해 전기화학적 특성이 향상된 LLZO계 고체전해질을 제조할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질를 제공한다.
상기한 바에 따르면, 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용하여 단시간내에 전구체 분말을 합성하고, LLZO 분말의 입자크기를 세밀화하며, 이에 따른 소결성 향상에 의해 전기화학적 특성이 향상된 LLZO계 고체전해질을 제조할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질을 제공할 수 있으며, 리튬이온배터리의 용량을 향상시킴과 동시에 안정성을 보장할 수 있고 높은 이온전도성을 가지며 누액 및 발화의 문제 없이 안전하게 사용할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질을 제공할 수 있다. The present invention relates to a method for producing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, and to an LLZO-based solid electrolyte produced thereby, and more particularly, to a method for producing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, and to an LLZO-based solid electrolyte produced thereby, and more particularly, to a method for producing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can synthesize a precursor powder in a short period of time using a microwave solvothermal synthesis method, refine the particle size of the LLZO powder, and produce an LLZO-based solid electrolyte having improved electrochemical characteristics through improved sinterability thereby, and to an LLZO-based solid electrolyte produced thereby.
According to the above, the present invention provides a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can synthesize a precursor powder in a short period of time using a microwave solvothermal synthesis method, refine the particle size of the LLZO powder, and manufacture an LLZO-based solid electrolyte having improved electrochemical characteristics through improved sinterability thereby, and an LLZO-based solid electrolyte manufactured thereby, and the present invention also provides a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can improve the capacity of a lithium-ion battery while ensuring stability, has high ionic conductivity, and can be used safely without problems of leakage and ignition.
Description
본 발명은 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용하여 단시간내에 전구체 분말을 합성하고, LLZO 분말의 입자크기를 세밀화하며, 이에 따른 소결성 향상에 의해 전기화학적 특성이 향상된 LLZO계 고체전해질을 제조할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, and to an LLZO-based solid electrolyte produced thereby. More specifically, the present invention relates to a method for producing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can synthesize a precursor powder in a short period of time using a microwave solvothermal synthesis method, refine the particle size of the LLZO powder, and produce an LLZO-based solid electrolyte having improved electrochemical properties through improved sinterability thereby.
현재 자동차 및 에너지 저장 시스템의 동력원 등에서 리튬이온배터리의 수요가 증가하는 추세에 따라 리튬이온배터리는 저가격, 고안정성, 고용량 그리고 대면적화를 추구하고 있다.As the demand for lithium-ion batteries is increasing as a power source for automobiles and energy storage systems, lithium-ion batteries are pursuing low price, high stability, high capacity, and large area.
그러나 기존의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리는 누액 및 발화의 가능성이 높아 안전성에 문제가 있고, 이러한 안전성 문제는 전지의 대용량화와 대면적화에 따라 더욱 대두되고 있다.However, lithium-ion batteries using existing liquid electrolytes have safety issues due to the high possibility of leakage and ignition, and these safety issues are becoming more prominent as batteries become larger in capacity and area.
이에 따라 최근 리튬이온배터리의 용량을 향상시키면서 안정성을 보장하기 위한 목적으로 불연 재료인 무기 고체전해질을 이용한 전고체전지(전고체 리튬이온배터리)에 대한 연구가 진행되고 있다.Accordingly, research is being conducted on all-solid-state batteries (all-solid-state lithium-ion batteries) using inorganic solid electrolytes, which are non-flammable materials, to increase the capacity of lithium-ion batteries while ensuring stability.
무기 고체전해질로는 황화물, 산화물이 있지만, 황화물계 고체전해질은 대기 중 수분과 반응하여 공정 분위기의 제어가 힘들고 전극과의 계면에서 부반응이 일어난다는 단점을 가지고 있다. 이에 반해 산화물계 고체전해질은 수분과 대기에서 높은 안정성을 가진다.Inorganic solid electrolytes include sulfides and oxides, but sulfide-based solid electrolytes have the disadvantages of reacting with moisture in the air, making it difficult to control the process atmosphere, and causing side reactions at the interface with the electrode. In contrast, oxide-based solid electrolytes have high stability in moisture and the air.
산화물계 고체전해질은 LLTO와 LLZO가 대표적으로 알려져 있다. LLTO는 입계에서의 저항이 높아 전체적인 이온전도도가 낮다는 단점을 가지고 있다. 반면에 LLZO는 LLTO에 비해 넓은 전위창 특성 및 입계에서의 저항 또한 낮아 전체적인 이온전도도가 높기 때문에 현재 많은 연구가 이루어지고 있다. Representative examples of oxide-based solid electrolytes include LLTO and LLZO. LLTO has the disadvantage of high resistance at grain boundaries and low overall ionic conductivity. On the other hand, LLZO has a wide potential window characteristic and low resistance at grain boundaries compared to LLTO, so it has high overall ionic conductivity, and therefore, much research is currently being conducted on it.
LLZO계 고체전해질은 정방정상(Tetragonal) 구조 또는 입방정상(Cubic)의 구조를 가진다. 입방정상의 구조는 정방정상의 구조보다 100배 정도의 높은 이온전도도를 가진다고 보고되어 있다. 입방정상 구조의 LLZO는 팔면체 자리의 리튬이온이 뒤틀린 형태로 존재하기 때문에 사면체 자리의 리튬이온과의 짧은 거리 그리고 3차원의 이온전도 채널의 구조 때문에 높은 이온전도도를 나타내게 된다. 반면 정방정상의 LLZO는 리튬 이온들이 질서 정연한 구조를 가지고 있어 이온 간의 거리가 길게 되고 2차원의 이온전도 채널 구조 때문에 입방정상의 LLZO에 비해서 낮은 이온전도도를 가지는 것으로 보고되어 있다.LLZO solid electrolytes have a tetragonal or cubic structure. It has been reported that the cubic structure has ionic conductivity about 100 times higher than the tetragonal structure. The cubic LLZO has high ionic conductivity because the lithium ions in the octahedral sites exist in a twisted form, which is due to the short distance between the lithium ions in the tetrahedral sites and the three-dimensional ion conduction channel structure. On the other hand, the tetragonal LLZO has a well-ordered lithium ions structure, which makes the distance between the ions long and has a two-dimensional ion conduction channel structure, which is reported to have lower ionic conductivity than the cubic LLZO.
이러한 이유로 높은 이온전도도를 가지기 위해서는 입방정상 구조를 형성하여야 하지만 입방정상 구조는 실온에서 불안정하고 1,200℃ 이상의 높은 소결 온도가 요구된다. 이러한 높은 온도는 리튬의 휘발 또한 동반하기 때문에 리튬이온의 농도가 감소하는 결과를 초래하게 된다. 이러한 이유로 입방정상 구조를 실온에서 안정화 시키기 위해 기존의 리튬이온 자리에 Al3+, Ga3+, Fe3+, B3+ 등의 양이온을 도핑하여 리튬과 치환시키게 되면 엔트로피는 증가하고 프리 에너지는 감소하여 입방정상 구조의 안정화를 가져오는 선행연구가 진행되고 있다.For this reason, in order to have high ionic conductivity, the cubic structure must be formed, but the cubic structure is unstable at room temperature and requires a high sintering temperature of 1,200℃ or higher. This high temperature also causes lithium volatilization, which results in a decrease in the concentration of lithium ions. For this reason, in order to stabilize the cubic structure at room temperature, prior research is being conducted on doping cations such as Al3 + , Ga3 + , Fe3 + , and B3 + in the existing lithium ion site and substituting them with lithium, which increases entropy and decreases free energy, thereby stabilizing the cubic structure.
또한, 도핑 없이 입방정상 LLZO 합성이 어렵지만 입자의 크기가 작아질 경우 도핑없이 입방정상 LLZO 합성이 가능함이 보고되었다. 종래의 LLZO 분말의 합성 방법으로는 고상반응법 그리고 졸겔법이 있다.In addition, it has been reported that although it is difficult to synthesize cubic LLZO without doping, it is possible to synthesize cubic LLZO without doping when the particle size is reduced. Conventional methods for synthesizing LLZO powder include the solid-state reaction method and the sol-gel method.
상기 고상반응법 같은 경우에는 합성 공정의 시간이 길고, 1,000℃ 이상의 높은 온도에서 하소가 이루어져야 하기 때문에 분말의 입자크기가 커지며 소결시 소결성이 떨어져 전기화학적 특성(이온전도도)이 낮아진다는 단점을 가지고 있다.In the case of the above solid-state reaction method, the synthesis process time is long and calcination must be performed at a high temperature of 1,000℃ or higher, so the particle size of the powder increases and the sinterability decreases during sintering, which has the disadvantage of lowering the electrochemical characteristics (ionic conductivity).
이에 따라 합성 공정의 간단화와 분말의 입자크기를 줄이기 위해 졸겔법을 도입하여 합성을 하는 연구가 진행되었는데, 졸겔법은 고상반응법에 비해서 제조공정이 간단하고 분말의 입자크기가 상대적으로 작아 이에 따른 소결성의 증가로 상대적으로 전기화학적 특성(이온전도도)을 향상시키는 선행연구의 결과가 있다.Accordingly, research has been conducted to introduce the sol-gel method for synthesis in order to simplify the synthesis process and reduce the particle size of the powder. However, compared to the solid-state reaction method, the sol-gel method has a simple manufacturing process and the particle size of the powder is relatively small, so there is a result of a previous study that relatively improves the electrochemical characteristics (ionic conductivity) due to the increase in sinterability.
이와 같이 이온전도도 등의 전기화학적 특성은 파우더의 입자크기 그리고 그에 따른 소결성에 비례해서 나타나기 때문에 분말의 입자크기를 더욱 세밀화할 수 있는 기술의 개발이 필요하고 공정시간의 감소 및 간단화 또한 추구하는 새로운 합성법의 개발이 필요한 실정이다.As electrochemical properties such as ionic conductivity are proportional to the particle size of the powder and the resulting sinterability, there is a need to develop a technology that can further refine the particle size of the powder, and there is also a need to develop a new synthesis method that pursues reduction and simplification of the process time.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방법이 필요하게 되었다.Therefore, a new method to solve these problems became necessary.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용하여 단시간내에 전구체 분말을 합성하고, LLZO 분말의 입자크기를 세밀화하며, 이에 따른 소결성 향상에 의해 전기화학적 특성이 향상된 LLZO계 고체전해질을 제조할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and more specifically, the present invention provides a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can synthesize a precursor powder in a short period of time using a microwave solvothermal synthesis method, refine the particle size of the LLZO powder, and manufacture an LLZO-based solid electrolyte having improved electrochemical properties through improved sinterability thereby, and an LLZO-based solid electrolyte manufactured thereby.
또한, 본 발명은 리튬이온배터리의 용량을 향상시킴과 동시에 안정성을 보장할 수 있고 높은 이온전도성을 가지며 누액 및 발화의 문제 없이 안전하게 사용할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can improve the capacity of a lithium ion battery while ensuring stability, has high ion conductivity, and can be used safely without problems of leakage and ignition, and an LLZO-based solid electrolyte manufactured thereby.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The various problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법은, 혼합용액을 제조하는 혼합용액 제조 단계; 상기 혼합용액에 마이크로웨이브를 처리하여 전구체 용액을 제조하는 전구체 용액 제조 단계; 상기 전구체 용액을 냉각한 후 생성된 침전물을 포함하는 전구체 용액을 혼합하는 냉각 및 혼합 단계; 상기 침전물을 포함하는 전구체 용액을 원심분리하여 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리하는 원심분리 단계; 상기 침전물을 분리한 후 상기 침전물을 건조하여 건조 침전물 분말을 제조하는 건조 침전물 분말 제조 단계; 상기 건조 침전물 분말을 분쇄하여 전구체 분말을 제조하는 전구체 분말 제조 단계; 상기 전구체 분말을 가열하여 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 분말을 제조하는 하소(calcination) 단계; 상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 압착하여 펠릿을 제조하는 펠릿 제조 단계; 및 상기 펠릿을 소결(sintering)시켜 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 펠릿 소결체를 제조하는 소결 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, a method for preparing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method comprises: a mixed solution preparing step of preparing a mixed solution; a precursor solution preparing step of preparing a precursor solution by treating the mixed solution with microwaves; a cooling and mixing step of mixing a precursor solution including a precipitate produced after cooling the precursor solution; a centrifugation step of centrifuging the precursor solution including the precipitate to separate it into a precipitate and a residual solution including an organic solvent; a dried precipitate powder preparing step of drying the precipitate after separating the precipitate to prepare a dried precipitate powder; a precursor powder preparing step of pulverizing the dried precipitate powder to prepare a precursor powder; a calcination step of heating the precursor powder to prepare lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder; It is characterized by including a pellet manufacturing step of putting the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder into a mold and then pressing it to manufacture pellets; and a sintering step of sintering the pellets to manufacture a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) pellet sintered body.
또한, 상기 혼합용액 제조 단계에서 상기 혼합용액은 리튬염, 란타늄염, 지르코늄염, 착화제 및 유기용매를 혼합하여 제조되되, 상기 리튬염으로는 수산화리튬(LiOH), 탄산리튬(Li2CO3), 질산리튬(LiNO3)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용되고, 란타늄염으로는 질산란타늄(La(NO3)3), 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용되며, 지르코늄염으로는 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2), 산화지르코늄(ZrO2)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용되고, 상기 착화제는 시트르산(citric acid), 타타르산(tartaric acid) 및 아스코르빈산(ascorbic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용되며, 상기 유기용매는 디에틸렌글리콜(DEG(Diethylene glycol)), 에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the mixed solution preparation step, the mixed solution is prepared by mixing a lithium salt, a lanthanum salt, a zirconium salt, a complexing agent, and an organic solvent, wherein the lithium salt is at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and lithium nitrate (LiNO 3 ), the lanthanum salt is at least one selected from the group consisting of lanthanum nitrate (La( NO 3 ) 3 ) and lanthanum oxide (La 2 O 3 ), the zirconium salt is at least one selected from the group consisting of zirconyl nitrate (ZrO(NO 3 ) 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ), the complexing agent is at least one selected from the group consisting of citric acid, tartaric acid, and ascorbic acid, and the organic solvent is diethylene glycol (DEG (Diethylene glycol)), It is characterized in that at least one selected from the group consisting of ethylene glycol and propylene glycol is used.
또한 상기 혼합용액은 리튬염 2 내지 4 중량부, 란타늄염 10 내지 15 중량부, 지르코늄염 4 내지 8 중량부, 착화제 20 내지 30 중량부 및 유기용매 800 내지 1,200 중량부의 중량 비율로 혼합한 후, 20 내지 70℃의 온도에서 40 내지 180분 동안 교반함으로써 제조된 것을 특징으로 한다.In addition, the mixed solution is characterized in that it is prepared by mixing 2 to 4 parts by weight of a lithium salt, 10 to 15 parts by weight of a lanthanum salt, 4 to 8 parts by weight of a zirconium salt, 20 to 30 parts by weight of a complexing agent, and 800 to 1,200 parts by weight of an organic solvent in a weight ratio, and then stirring at a temperature of 20 to 70°C for 40 to 180 minutes.
또한, 상기 하소(calcination) 단계는 상기 전구체 분말을 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 600 내지 900℃의 온도까지 도달시킨 후 2 내지 8시간 동안 가열하여 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 분말을 제조하되, 상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 분말은 하기의 [화학식 1]로 표시되고, 상기 소결 단계에서는 상기 펠릿을 지르코니아 도가니에 투입하고 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 1,000 내지 1,200℃의 온도까지 도달시킨 후 8 내지 24시간 동안 소결시켜 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 펠릿 소결체를 제조하는 것을 특징으로 한다.In addition, the calcination step is characterized in that the precursor powder is heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 600 to 900°C and then heated for 2 to 8 hours to produce lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder, wherein the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder is represented by the following [Chemical Formula 1], and in the sintering step, the pellet is placed into a zirconia crucible and heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 1,000 to 1,200°C and then sintered for 8 to 24 hours to produce a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) pellet sintered body.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
LixLayZrzO12 Li x La y Zr z O 12
여기서, 4 ≤ x ≤ 9, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3 이다.Here, 4 ≤ x ≤ 9, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3.
또한 상기 혼합용액 제조 단계에서 상기 혼합용액은 리튬염, 란타늄염, 지르코늄염, 갈륨염, 착화제 및 유기용매를 혼합하여 제조되되, 상기 리튬염으로는 수산화리튬(LiOH), 탄산리튬(Li2CO3), 질산리튬(LiNO3)이 사용되고, 란타늄염으로는 질산란타늄(La(NO3)3), 산화란타늄(La2O3)이 사용되며, 지르코늄염으로는 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2), 산화지르코늄(ZrO2)이 사용되고, 갈륨염으로는 질산갈륨(Ga(NO3)3)이 사용되며, 상기 착화제는 시트르산(citric acid)이 사용되고, 상기 유기용매는 디에틸렌글리콜(Diethylene glycol)이 사용되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the mixed solution preparation step, the mixed solution is prepared by mixing a lithium salt, a lanthanum salt, a zirconium salt, a gallium salt, a complexing agent, and an organic solvent, wherein lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and lithium nitrate (LiNO 3 ) are used as the lithium salt, lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) and lanthanum oxide (La 2 O 3 ) are used as the lanthanum salt, zirconyl nitrate (ZrO(NO 3 ) 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) are used as the zirconium salt, and gallium nitrate (Ga(NO 3 ) 3 ) is used as the gallium salt, citric acid is used as the complexing agent, and diethylene glycol is used as the organic solvent.
또한, 상기 혼합용액은 리튬염 2 내지 4 중량부, 란타늄염 10 내지 15 중량부, 지르코늄염 4 내지 8 중량부, 갈륨염 0.5 내지 2 중량부, 착화제 20 내지 30 중량부 및 유기용매 800 내지 1,200 중량부의 중량 비율로 혼합한 후, 20 내지 70℃의 온도에서 40 내지 180분 동안 교반함으로써 제조된 것을 특징으로 한다.In addition, the mixed solution is characterized in that it is prepared by mixing 2 to 4 parts by weight of a lithium salt, 10 to 15 parts by weight of a lanthanum salt, 4 to 8 parts by weight of a zirconium salt, 0.5 to 2 parts by weight of a gallium salt, 20 to 30 parts by weight of a complexing agent, and 800 to 1,200 parts by weight of an organic solvent in a weight ratio, and then stirring the mixture at a temperature of 20 to 70°C for 40 to 180 minutes.
또한, 상기 하소(calcination) 단계는 전구체 분말을 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 650 내지 900℃의 온도까지 도달시킨 후 2 내지 8시간 동안 가열하여 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 분말을 제조하되, 상기 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 분말은 하기의 [화학식 2]로 표시되는 것을 특징으로 한다.In addition, the calcination step heats the precursor powder at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 650 to 900°C and then heats it for 2 to 8 hours to manufacture a gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) powder, wherein the gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) powder is characterized by being represented by the following [chemical formula 2].
[화학식 2][Chemical formula 2]
LixGawLayZrzO12 Li x Ga w La y Zr z O 12
여기서, 4 ≤ x ≤ 9, 0.1 ≤ w ≤ 1, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3 이다.Here, 4 ≤ x ≤ 9, 0.1 ≤ w ≤ 1, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3.
또한, 본 발명의 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질은, 상기 어느 하나의 방법으로 제조된 것을 특징으로 한다.In addition, the LLZO-based solid electrolyte using the microwave solvothermal synthesis method of the present invention is characterized by being manufactured by any one of the above methods.
또한, 본 발명의 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질의 리튬 자리의 도핑 원소는 Al, B, Be, Br, Fe, Ga, H, Zn 중 적어도 하나 이상이고, 란타늄 자리의 도핑 원소는 Ac, Ba, Bi, Ca, Dy, Er, Gd, Ho, K, Lu, Na, Nd, Pm, Pr, Rb, Sm, Sr, Tb, Tm, Y 중 적어도 하나 이상이며, 지르코늄 자리의 도핑 원소는 As, Au, C, Cd, Ce, Cl, Co, Cr, Cu, Eu, Ge, Hf, Hg, I, In, Ir, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, Np, Pa, Pb, Pd, Pt, Pu, Rh, Ru, S, Sc, Se, Si, Sn, Ta, Tc, Te, Th, Ti, V, W 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.In addition, the doping element of the lithium site of the LLZO-based solid electrolyte using the microwave solvothermal synthesis method of the present invention is at least one or more of Al, B, Be, Br, Fe, Ga, H, and Zn, the doping element of the lanthanum site is at least one or more of Ac, Ba, Bi, Ca, Dy, Er, Gd, Ho, K, Lu, Na, Nd, Pm, Pr, Rb, Sm, Sr, Tb, Tm, and Y, and the doping element of the zirconium site is at least one or more of As, Au, C, Cd, Ce, Cl, Co, Cr, Cu, Eu, Ge, Hf, Hg, I, In, Ir, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, Np, Pa, Pb, Pd, Pt, Pu, Rh, Ru, S, Sc, Se, Si, Sn, Ta, Tc, Te, Th, Ti, V, and W.
한편 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 함으로써 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Meanwhile, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, and these embodiments are provided only to completely disclose the present invention and to fully inform a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용하여 단시간내에 전구체 분말을 합성하고, LLZO 분말의 입자크기를 세밀화하며, 이에 따른 소결성 향상에 의해 전기화학적 특성이 향상된 LLZO계 고체전해질을 제조할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질을 제공할 수 있다.The present invention has been created to solve the problems of the prior art, and more specifically, provides a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can synthesize a precursor powder in a short period of time using a microwave solvothermal synthesis method, refine the particle size of the LLZO powder, and manufacture an LLZO-based solid electrolyte having improved electrochemical characteristics through improved sinterability thereby, and an LLZO-based solid electrolyte manufactured thereby.
또한, 본 발명은 리튬이온배터리의 용량을 향상시킴과 동시에 안정성을 보장할 수 있고 높은 이온전도성을 가지며 누액 및 발화의 문제없이 안전하게 사용할 수 있는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법 및 이에 의해 제조된 LLZO계 고체전해질을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, which can improve the capacity of a lithium ion battery while ensuring stability, has high ion conductivity, and can be used safely without problems of leakage and ignition, and an LLZO-based solid electrolyte manufactured thereby.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 갈륨이 도핑된(Ga doped) LLZO(Ga-LLZO) 고체전해질 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따라 합성된 cubic 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 분말을 X선 회절분석법(XRD)으로 분석한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 합성된 cubic 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 분말을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 합성된 cubic 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li5.5Ga0.5La3Zr2O12) 분말을 X선 회절분석법(XRD)으로 분석한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 합성된 cubic 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li5.5Ga0.5La3Zr2O12) 분말을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 7은 실시예 1 내지 9에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 XRD 분석을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 10 내지 15에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 XRD 분석을 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 16 내지 17에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 XRD 분석을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 16 내지 17에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 임피던스 분석을 통한 이온전도도를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a flow chart for explaining a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method according to one embodiment of the technical idea of the present invention.
FIG. 2 is a flow chart for explaining a method for manufacturing a gallium-doped LLZO (Ga-LLZO) solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method according to another embodiment of the technical idea of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the results of analyzing cubic lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) powder synthesized according to the present invention using X-ray diffraction (XRD).
FIG. 4 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of cubic lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) powder synthesized according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of analyzing cubic gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Li 5.5 Ga 0.5 La 3 Zr 2 O 12 ) powder synthesized according to the present invention using X-ray diffraction (XRD).
FIG. 6 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of cubic gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Li 5.5 Ga 0.5 La 3 Zr 2 O 12 ) powder synthesized according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing XRD analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 1 to 9.
FIG. 8 is a graph showing XRD analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 10 to 15.
FIG. 9 is a graph showing XRD analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 16 to 17.
FIG. 10 is a graph showing the ionic conductivity through impedance analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 16 to 17.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 1 is a flow chart for explaining a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method according to one embodiment of the technical idea of the present invention.
도 1을 참조하면, 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법은 혼합용액 제조 단계(S110), 전구체 용액 제조 단계(S120), 냉각 및 혼합 단계(S130), 원심분리 단계(S140), 건조 침전물 분말 제조 단계(S150), 전구체 분말 제조 단계(S160), 하소(calcination) 단계(S170), 펠릿 제조 단계(S180) 및 소결 단계(S190)를 포함하며 하기에 제조단계를 더 상세히 설명한다.Referring to FIG. 1, the method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method includes a mixed solution manufacturing step (S110), a precursor solution manufacturing step (S120), a cooling and mixing step (S130), a centrifugation step (S140), a dried precipitate powder manufacturing step (S150), a precursor powder manufacturing step (S160), a calcination step (S170), a pellet manufacturing step (S180), and a sintering step (S190), and the manufacturing steps are described in more detail below.
1. 혼합용액 제조 단계(S110)1. Mixed solution preparation step (S110)
상기 혼합용액 제조 단계(S110)는 리튬염, 란타늄염, 지르코늄염, 착화제 및 유기용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계이다.The above mixed solution preparation step (S110) is a step of preparing a mixed solution by mixing a lithium salt, a lanthanum salt, a zirconium salt, a complexing agent, and an organic solvent.
상기 혼합용액 제조 단계(S110)에서 상기 리튬염으로는 수산화리튬(LiOH), 탄산리튬(Li2CO3), 질산리튬(LiNO3)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 리튬염으로 수산화리튬(LiOH)이 사용될 수 있다. 란타늄염으로는 질산란타늄(La(NO3)3), 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 리튬염으로 질산란타늄(La(NO3)3)이 사용될 수 있다. 지르코늄염으로는 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2), 산화지르코늄(ZrO2)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 리튬염으로 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2)이 사용될 수 있다.In the above mixed solution preparation step (S110), as the lithium salt, at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and lithium nitrate (LiNO 3 ) may be used, and preferably, lithium hydroxide (LiOH) may be used as the lithium salt. As the lanthanum salt, at least one selected from the group consisting of lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) and lanthanum oxide (La 2 O 3 ) may be used, and preferably, lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) may be used as the lithium salt. As the zirconium salt, at least one selected from the group consisting of zirconyl nitrate (ZrO(NO 3 ) 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) may be used, and preferably, zirconyl nitrate (ZrO(NO 3 ) 2 ) may be used as the lithium salt.
또한, 상기 착화제는 시트르산(citric acid), 타타르산(tartaric acid) 및 아스코르빈산(ascorbic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 착화제로 시트르산(citric acid)이 사용될 수 있다.In addition, the complexing agent may be at least one selected from the group consisting of citric acid, tartaric acid, and ascorbic acid, and citric acid may be preferably used as the complexing agent.
또한, 상기 유기용매는 디에틸렌글리콜(DEG(Diethylene glycol)), 에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 유기용매로 디에틸렌글리콜(DEG(Diethylene glycol))이 사용될 수 있다.In addition, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of diethylene glycol (DEG), ethylene glycol, and propylene glycol, and preferably, diethylene glycol (DEG) may be used as the organic solvent.
또한, 상기 혼합용액 제조 단계(S110)에서 상기 혼합용액은 리튬염 2 내지 4 중량부, 란타늄염 10 내지 15 중량부, 지르코늄염 4 내지 8 중량부, 착화제 20 내지 30 중량부 및 유기용매 800 내지 1,200 중량부의 중량 비율로 혼합한 후, 20 내지 70℃의 온도에서 40 내지 180분 동안 교반함으로써 제조될 수 있으며, 바람직하게는 20내지 30℃의 온도에서 40 내지 80분 동안 교반함으로써 제조될 수 있다.In addition, in the mixed solution preparation step (S110), the mixed solution can be prepared by mixing 2 to 4 parts by weight of a lithium salt, 10 to 15 parts by weight of a lanthanum salt, 4 to 8 parts by weight of a zirconium salt, 20 to 30 parts by weight of a complexing agent, and 800 to 1,200 parts by weight of an organic solvent in a weight ratio, and then stirring at a temperature of 20 to 70°C for 40 to 180 minutes, and preferably stirring at a temperature of 20 to 30°C for 40 to 80 minutes.
2. 전구체 용액 제조 단계(S120)2. Precursor solution preparation step (S120)
상기 전구체 용액 제조 단계(S120)는 상기 혼합용액에 마이크로웨이브를 처리하여 전구체 용액을 제조하는 단계이다.The above precursor solution preparation step (S120) is a step of preparing a precursor solution by treating the mixed solution with microwaves.
상기 전구체 용액 제조 단계(S120)에서는 상기 혼합용액을 40 내지 60 중량부 단위로 소분하고 상기 소분된 혼합용액을 마이크로웨이브 테프론에 넣은 후 400 내지 800와트(W) 및 200 내지 280℃의 온도에서 2 내지 15분 동안 교반함으로써 전구체 용액을 제조할 수 있으며, 바람직하게는 45 내지 55 중량부 단위로 소분하고 상기 소분된 혼합용액을 마이크로웨이브 테프론에 넣은 후 400와트(W) 및 240 내지 260℃의 온도에서 5 내지 15분 동안 교반함으로써 전구체 용액을 제조할 수 있다.In the precursor solution preparation step (S120), the mixed solution is divided into 40 to 60 parts by weight units, the divided mixed solution is placed in a microwave Teflon, and stirred at 400 to 800 watts (W) and a temperature of 200 to 280°C for 2 to 15 minutes to prepare the precursor solution. Preferably, the precursor solution is prepared by dividing the mixed solution into 45 to 55 parts by weight units, and the divided mixed solution is placed in a microwave Teflon, and stirred at 400 watts (W) and a temperature of 240 to 260°C for 5 to 15 minutes.
3. 냉각 및 혼합 단계(S130)3. Cooling and mixing step (S130)
상기 냉각 및 혼합 단계(S130)는 상기 전구체 용액을 냉각한 후 생성된 침전물을 포함하는 전구체 용액을 혼합하는 단계이다.The above cooling and mixing step (S130) is a step of mixing the precursor solution including the precipitate generated after cooling the precursor solution.
상기 냉각 및 혼합 단계(S130)에서는 상기 전구체 용액을 20 내지 30℃의 온도에서 냉각한 후, 공지의 교반기를 이용하여 생성된 침전물을 포함하는 전구체 용액을 균일하게 혼합할 수 있다.In the above cooling and mixing step (S130), the precursor solution is cooled to a temperature of 20 to 30°C, and then the precursor solution including the generated precipitate can be uniformly mixed using a known stirrer.
4. 원심분리 단계(S140)4. Centrifugation step (S140)
상기 원심분리 단계(S140)는 상기 침전물을 포함하는 전구체 용액을 원심분리하여 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리하는 단계이다.The above centrifugation step (S140) is a step of centrifuging the precursor solution containing the precipitate to separate it into the precipitate and a residual solution containing the organic solvent.
상기 원심분리 단계(S140)에서는 상기 침전물을 포함하는 전구체 용액을 원심분리기를 이용하여 8,000 내지 12,000RPM의 속도로 50 내지 100분 동안 원심분리를 진행함으로써, 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리할 수 있다.In the centrifugation step (S140), the precursor solution containing the precipitate can be separated into the precipitate and the residual solution containing the organic solvent by centrifuging the precursor solution containing the precipitate using a centrifuge at a speed of 8,000 to 12,000 RPM for 50 to 100 minutes.
5. 건조 침전물 분말 제조 단계(S150)5. Dry sediment powder manufacturing step (S150)
상기 건조 침전물 분말 제조 단계(S150)는 상기 침전물을 분리한 후 상기 침전물을 건조하여 건조 침전물 분말을 제조하는 단계이다.The above-mentioned dry sediment powder manufacturing step (S150) is a step of manufacturing dry sediment powder by separating the sediment and then drying the sediment.
상기 건조 침전물 분말 제조 단계(S150)에서는 상기 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액을 공지의 필터를 이용하여 침전물만을 분리한 후 상기 침전물을 알루미나 도가니에 넣고 15℃/min의 승온 속도로 가열하여 240 내지 260℃의 온도까지 도달시킨 후 100 내지 150분 동안 가열함으로써 건조 침전물 분말을 제조할 수 있다.In the above dry sediment powder manufacturing step (S150), the dry sediment powder can be manufactured by separating only the sediment from the residual solution containing the sediment and the organic solvent using a known filter, placing the sediment in an alumina crucible, heating at a heating rate of 15°C/min to reach a temperature of 240 to 260°C, and then heating for 100 to 150 minutes.
6. 전구체 분말 제조 단계(S160)6. Precursor powder manufacturing step (S160)
상기 전구체 분말 제조 단계(S160)는 상기 건조 침전물 분말을 분쇄하여 전구체 분말을 제조하는 단계이다.The above precursor powder manufacturing step (S160) is a step of manufacturing precursor powder by grinding the dried sediment powder.
상기 전구체 분말 제조 단계(S160)에서는 상기 건조 침전물 분말을 공지의 분쇄기를 이용하여 분쇄함으로써, 덩어리로 형성된 건조 침전물 분말을 고운 입자로 형성된 전구체 분말을 제조할 수 있다.In the above precursor powder manufacturing step (S160), the dried sediment powder is pulverized using a known pulverizer, thereby manufacturing a precursor powder formed into fine particles from the dried sediment powder formed into lumps.
7. 하소(calcination) 단계(S170)7. Calcination stage (S170)
상기 하소(calcination) 단계(S170)는 상기 전구체 분말을 가열하여 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO) 분말을 제조하는 단계이다.The above calcination step (S170) is a step of heating the precursor powder to manufacture lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder.
상기 하소(calcination) 단계(S170)는 상기 전구체 분말을 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 650 내지 900℃의 온도까지 도달시킨 후 2 내지 8시간 동안 가열하되 바람직하게는 650 내지 750℃의 온도까지 도달시킨 후 4 내지 6시간 동안 가열하여 상기 전구체 분말에 잔류하는 휘발성분이나 불순물을 제거하고 전구체 물질들이 합성됨으로써 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO) 분말을 제조할 수 있다.The above calcination step (S170) heats the precursor powder at a temperature rising rate of 5°C/min to reach a temperature of 650 to 900°C, and then heats it for 2 to 8 hours, preferably 650 to 750°C, and then heats it for 4 to 6 hours to remove volatile components or impurities remaining in the precursor powder and synthesize precursor materials, thereby manufacturing lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder.
상기 하소(calcination) 단계(S170)에서 제조되는 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO) 분말은 하기의 [화학식 1]로 표시될 수 있다.The lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder manufactured in the above calcination step (S170) can be represented by the following [chemical formula 1].
[화학식 1][Chemical Formula 1]
LixLayZrzO12 Li x La y Zr z O 12
여기서, 4 ≤ x ≤ 9, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3 이다.Here, 4 ≤ x ≤ 9, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3.
상기 화학식 1은 Li7La3Zr2O12 인 것이 바람직하며, Li7La3Zr2O12 를 적용한 고체전해질은 파우더의 크기가 나노화로 합성되어 입방정상으로 안정화된 효과를 가지며, 보다 상세하게 파우더의 크기는 약 100~500nm이다.The above chemical formula 1 is preferably Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , and the solid electrolyte using Li 7 La 3 Zr 2 O 12 has the effect of being stabilized in a cubic phase by synthesizing the powder in a nano size, and more specifically, the powder size is about 100 to 500 nm.
8. 펠릿 제조 단계(S180)8. Pellet manufacturing step (S180)
상기 펠릿 제조 단계(S180)는 상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 압착하여 펠릿을 제조하는 단계이다.The above pellet manufacturing step (S180) is a step of manufacturing pellets by putting lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder into a mold and then pressing it.
예를 들어, 상기 펠릿 제조 단계(S180)에서는 상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 1,500 내지 5,000PSI의 압력으로 압착하여 펠릿을 제조할 수 있다.For example, in the pellet manufacturing step (S180), the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder may be injected into a mold and then compressed at a pressure of 1,500 to 5,000 PSI to manufacture a pellet.
9. 소결 단계(S190)9. Sintering step (S190)
상기 소결 단계(S190)는 상기 펠릿을 소결(sintering)시켜 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO) 펠릿 소결체를 제조할 수 있다.The above sintering step (S190) can manufacture a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) pellet sintered body by sintering the pellet.
예를 들어, 상기 소결 단계(S190)에서는 상기 펠릿을 지르코니아 도가니에 투입하고 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 1,000 내지 1,200℃의 온도까지 도달시킨 후 8 내지 24시간 동안 소결시켜 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(lithium lanthanum zirconium oxide, LLZO) 펠릿 소결체를 제조할 수 있다.For example, in the sintering step (S190), the pellets may be placed in a zirconia crucible and heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 1,000 to 1,200°C, and then sintered for 8 to 24 hours to manufacture a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) pellet sintered body.
이하, 도2를 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 갈륨이 도핑된(Ga doped) LLZO(Ga-LLZO) 고체전해질 제조방법에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 2, a preferred embodiment of a method for manufacturing a gallium-doped LLZO (Ga-LLZO) solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method according to another embodiment of the technical idea of the present invention will be described in detail.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 갈륨이 도핑된(Ga doped) LLZO(Ga-LLZO) 고체전해질 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 2 is a flow chart for explaining a method for manufacturing a gallium-doped LLZO (Ga-LLZO) solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method according to another embodiment of the technical idea of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 갈륨이 도핑된(Ga doped) LLZO(Ga-LLZO) 고체전해질 제조방법은 혼합용액 제조 단계(S210), 전구체 용액 제조 단계(S220), 냉각 및 혼합 단계(S230), 원심분리 단계(S240), 건조 침전물 분말 제조 단계(S250), 전구체 분말 제조 단계(S260), 하소(calcination) 단계(S270), 펠릿 제조 단계(S280) 및 소결 단계(S290)를 포함하며 하기에 제조단계를 더 상세히 설명한다.Referring to FIG. 2, a method for manufacturing a gallium-doped LLZO (Ga-LLZO) solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method according to another embodiment of the technical idea of the present invention includes a mixed solution manufacturing step (S210), a precursor solution manufacturing step (S220), a cooling and mixing step (S230), a centrifugation step (S240), a dried precipitate powder manufacturing step (S250), a precursor powder manufacturing step (S260), a calcination step (S270), a pellet manufacturing step (S280), and a sintering step (S290), and the manufacturing steps are described in more detail below.
1. 혼합용액 제조 단계(S210)1. Mixed solution preparation step (S210)
상기 혼합용액 제조 단계(S210)는 리튬염, 란타늄염, 지르코늄염, 갈륨염, 착화제 및 유기용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계이다.The above mixed solution preparation step (S210) is a step of preparing a mixed solution by mixing a lithium salt, a lanthanum salt, a zirconium salt, a gallium salt, a complexing agent, and an organic solvent.
상기 혼합용액 제조 단계(S210)에서 상기 리튬염으로는 수산화리튬(LiOH), 탄산리튬(Li2CO3), 질산리튬(LiNO3)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 리튬염으로 수산화리튬(LiOH)이 사용될 수 있다. 란타늄염으로는 질산란타늄(La(NO3)3), 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 리튬염으로 질산란타늄(La(NO3)3)이 사용될 수 있다. 지르코늄염으로는 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2), 산화지르코늄(ZrO2)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 리튬염으로 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2)이 사용될 수 있다. 갈륨염으로는 질산갈륨(Ga(NO3)3)이 사용될 수 있다.In the above mixed solution preparation step (S210), as the lithium salt, at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and lithium nitrate (LiNO 3 ) may be used, and preferably, lithium hydroxide (LiOH) may be used as the lithium salt. As the lanthanum salt, at least one selected from the group consisting of lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) and lanthanum oxide (La 2 O 3 ) may be used, and preferably, lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) may be used as the lithium salt. As the zirconium salt, at least one selected from the group consisting of zirconyl nitrate (ZrO(NO 3 ) 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) may be used, and preferably, zirconyl nitrate (ZrO(NO 3 ) 2 ) may be used as the lithium salt. Gallium nitrate (Ga(NO 3 ) 3 ) can be used as a gallium salt.
또한, 상기 착화제는 시트르산(citric acid), 타타르산(tartaric acid) 및 아스코르빈산(ascorbic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 착화제로 시트르산(citric acid)이 사용될 수 있다.In addition, the complexing agent may be at least one selected from the group consisting of citric acid, tartaric acid, and ascorbic acid, and citric acid may be preferably used as the complexing agent.
또한, 상기 유기용매는 디에틸렌글리콜(DEG(Diethylene glycol)), 에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 상기 유기용매로 디에틸렌글리콜(DEG(Diethylene glycol))이 사용될 수 있다.In addition, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of diethylene glycol (DEG), ethylene glycol, and propylene glycol, and preferably, diethylene glycol (DEG) may be used as the organic solvent.
또한, 상기 혼합용액 제조 단계(S210)에서 상기 혼합용액은 리튬염 2 내지 4 중량부, 란타늄염 10 내지 15 중량부, 지르코늄염 4 내지 8 중량부, 갈륨염 0.5 내지 2 중량부, 착화제 20 내지 30 중량부 및 유기용매 800 내지 1,200 중량부의 중량 비율로 혼합한 후, 20 내지 70℃의 온도에서 40 내지 180분 동안 교반함으로써 제조될 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 30℃의 온도에서 40 내지 80분 동안 교반함으로써 제조될 수 있다.In addition, in the mixed solution preparation step (S210), the mixed solution can be prepared by mixing 2 to 4 parts by weight of a lithium salt, 10 to 15 parts by weight of a lanthanum salt, 4 to 8 parts by weight of a zirconium salt, 0.5 to 2 parts by weight of a gallium salt, 20 to 30 parts by weight of a complexing agent, and 800 to 1,200 parts by weight of an organic solvent in a weight ratio, and then stirring at a temperature of 20 to 70°C for 40 to 180 minutes, and preferably stirring at a temperature of 20 to 30°C for 40 to 80 minutes.
2. 전구체 용액 제조 단계(S220)2. Precursor solution preparation step (S220)
상기 전구체 용액 제조 단계(S220)는 상기 혼합용액에 마이크로웨이브를 처리하여 전구체 용액을 제조하는 단계이다.The above precursor solution preparation step (S220) is a step of preparing a precursor solution by treating the mixed solution with microwaves.
상기 전구체 용액 제조 단계(S220)에서는 상기 혼합용액을 45 내지 55 중량부 단위로 소분하고 상기 소분된 혼합용액을 마이크로웨이브 테프론에 넣은 후 400내지 800와트(W) 및 200 내지 260℃의 온도에서 2 내지 15분 동안 교반함으로써 제조될 수 있으며, 바람직하게는 400와트(W) 및 240 내지 260℃의 온도에서 5 내지 15분 동안 교반함으로써 전구체 용액을 제조할 수 있다.In the precursor solution preparation step (S220), the mixed solution is divided into 45 to 55 parts by weight units, the divided mixed solution is placed in a microwave Teflon, and stirred at 400 to 800 watts (W) and a temperature of 200 to 260°C for 2 to 15 minutes, thereby preparing the precursor solution. Preferably, the precursor solution is prepared by stirring at 400 watts (W) and a temperature of 240 to 260°C for 5 to 15 minutes.
3. 냉각 및 혼합 단계(S230)3. Cooling and mixing step (S230)
상기 냉각 및 혼합 단계(S230)는 상기 전구체 용액을 냉각한 후 생성된 침전물을 포함하는 전구체 용액을 혼합하는 단계이다.The above cooling and mixing step (S230) is a step of mixing the precursor solution including the precipitate generated after cooling the precursor solution.
상기 냉각 및 혼합 단계(S230)에서는 상기 전구체 용액을 20 내지 30℃의 온도에서 냉각한 후, 공지의 교반기를 이용하여 생성된 침전물을 포함하는 전구체 용액을 균일하게 혼합할 수 있다.In the above cooling and mixing step (S230), the precursor solution is cooled to a temperature of 20 to 30°C, and then the precursor solution including the generated precipitate can be uniformly mixed using a known stirrer.
4. 원심분리 단계(S240)4. Centrifugation step (S240)
상기 원심분리 단계(S240)는 상기 침전물을 포함하는 전구체 용액을 원심분리하여 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리하는 단계이다.The above centrifugation step (S240) is a step of centrifuging the precursor solution containing the precipitate to separate it into the precipitate and a residual solution containing the organic solvent.
상기 원심분리 단계(S240)에서는 상기 침전물을 포함하는 전구체 용액을 원심분리기를 이용하여 8,000 내지 12,000RPM의 속도로 50 내지 100분 동안 원심분리를 진행함으로써, 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리할 수 있다.In the centrifugation step (S240), the precursor solution containing the precipitate can be separated into the precipitate and the residual solution containing the organic solvent by centrifuging the precursor solution containing the precipitate using a centrifuge at a speed of 8,000 to 12,000 RPM for 50 to 100 minutes.
5. 건조 침전물 분말 제조 단계(S250)5. Dry sediment powder manufacturing step (S250)
상기 건조 침전물 분말 제조 단계(S250)는 상기 침전물을 분리한 후 상기 침전물을 건조하여 건조 침전물 분말을 제조하는 단계이다.The above-mentioned dry sediment powder manufacturing step (S250) is a step of manufacturing dry sediment powder by separating the sediment and then drying the sediment.
상기 건조 침전물 분말 제조 단계(S250)에서는 상기 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액을 공지의 필터를 이용하여 침전물만을 분리한 후 상기 침전물을 알루미나 도가니에 넣고 15℃/min의 승온 속도로 가열하여 240 내지 260℃의 온도까지 도달시킨 후 100 내지 150분 동안 가열함으로써 건조 침전물 분말을 제조할 수 있다.In the above dry sediment powder manufacturing step (S250), the dry sediment powder can be manufactured by separating only the sediment from the residual solution containing the sediment and the organic solvent using a known filter, placing the sediment in an alumina crucible, heating at a heating rate of 15°C/min to reach a temperature of 240 to 260°C, and then heating for 100 to 150 minutes.
6. 전구체 분말 제조 단계(S260)6. Precursor powder manufacturing step (S260)
상기 전구체 분말 제조 단계(S260)는 상기 건조 침전물 분말을 분쇄하여 전구체 분말을 제조하는 단계이다.The above precursor powder manufacturing step (S260) is a step of manufacturing precursor powder by crushing the dried sediment powder.
상기 전구체 분말 제조 단계(S260)에서는 상기 건조 침전물 분말을 공지의 분쇄기를 이용하여 분쇄함으로써, 덩어리로 형성된 건조 침전물 분말을 고운 입자로 형성된 전구체 분말을 제조할 수 있다.In the above precursor powder manufacturing step (S260), the dried precipitate powder is pulverized using a known pulverizer, thereby manufacturing a precursor powder formed into fine particles from the dried precipitate powder formed into lumps.
7. 하소(calcination) 단계(S270)7. Calcination stage (S270)
상기 하소(calcination) 단계(S270)는 상기 전구체 분말을 가열하여 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 분말을 제조하는 단계이다.The above calcination step (S270) is a step of heating the precursor powder to manufacture gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) powder.
상기 하소(calcination) 단계(S270)는 상기 전구체 분말을 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 650 내지 900℃의 온도까지 도달시킨 후 2 내지 8시간 동안 가열하여 상기 전구체 분말에 잔류하는 휘발성분이나 불순물을 제거함으로써 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 분말을 제조할 수 있다.The above calcination step (S270) can manufacture gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) powder by heating the precursor powder at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 650 to 900°C and then heating for 2 to 8 hours to remove volatile components or impurities remaining in the precursor powder.
상기 하소(calcination) 단계(S270)에서 제조되는 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 분말은 하기의 [화학식 2]로 표시될 수 있다.The gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) powder manufactured in the above calcination step (S270) can be represented by the following [chemical formula 2].
[화학식 2][Chemical formula 2]
LixGawLayZrzO12 Li x Ga w La y Zr z O 12
여기서, 4 ≤ x ≤ 9, 0.1 ≤ w ≤ 1, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3 이다.Here, 4 ≤ x ≤ 9, 0.1 ≤ w ≤ 1, 2 ≤ y ≤ 4, 1 ≤ z ≤ 3.
상기 화학식은 Li6.25Ga0.25La3Zr2O12 인 것이 바람직하며, Li6.25Ga0.25La3Zr2O12 를 적용한 고체전해질은 1050℃의 온도로 소결 시에도 Li의 증발이 나타나지 않으며 Ga의 함량이 0.25일 때 저항이 더 작으며 이온전도도가 더 높다.The above chemical formula is preferably Li 6.25 Ga 0.25 La 3 Zr 2 O 12 , and a solid electrolyte using Li 6.25 Ga 0.25 La 3 Zr 2 O 12 does not show evaporation of Li even when sintered at a temperature of 1050℃, and when the Ga content is 0.25, the resistance is smaller and the ionic conductivity is higher.
8. 펠릿 제조 단계(S280)8. Pellet manufacturing step (S280)
상기 펠릿 제조 단계(S280)는 상기 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 압착하여 펠릿을 제조하는 단계이다.The above pellet manufacturing step (S280) is a step of manufacturing pellets by putting the gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) powder into a mold and then pressing it.
예를 들어, 상기 펠릿 제조 단계(S280)에서는 상기 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 1,500 내지 5,000PSI의 압력으로 압착하여 제조될 수 있으며, 바람직하게는 1,500 내지 2,500PSI의 압력으로 압착하여 펠릿을 제조할 수 있다.For example, in the pellet manufacturing step (S280), the gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) powder may be injected into a mold and then compressed at a pressure of 1,500 to 5,000 PSI to manufacture the pellet, preferably by compression at a pressure of 1,500 to 2,500 PSI.
9. 소결 단계(S290)9. Sintering step (S290)
상기 소결 단계(S290)는 상기 펠릿을 소결(sintering)시켜 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 펠릿 소결체를 제조할 수 있다.The above sintering step (S290) can manufacture a gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) pellet sintered body by sintering the pellet.
예를 들어, 상기 소결 단계(S290)에서는 상기 펠릿을 지르코니아 도가니에 투입하고 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 1,000 내지 1,200℃의 온도까지 도달시킨 후 8 내지 24시간 동안 소결시켜 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Ga-LLZO) 펠릿 소결체를 제조할 수 있으며 바람직하게는 1,000 내지 1,100℃의 온도까지 도달시킨 후 8 내지 12시간 동안 소결시켜 제조할 수 있다.For example, in the sintering step (S290), the pellets are placed in a zirconia crucible and heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 1,000 to 1,200°C and then sintered for 8 to 24 hours to manufacture a gallium-doped (Ga-doped) lithium lanthanum zirconium oxide (Ga-LLZO) pellet sintered body, and preferably, the pellets are manufactured by reaching a temperature of 1,000 to 1,100°C and then sintering for 8 to 12 hours.
한편, 본 발명은 상기 방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 제조된 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질을 제공할 수 있다.Meanwhile, the present invention can provide an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method manufactured by one method selected from the above methods.
본 발명에 따른 고체전해질 및 고체전해질 소결체는 큐빅(cubic) 구조 및 테트라고날(tetragonal) 구조 중에서 선택된 1종 이상의 구조를 포함하며, 바람직하게는 상기 고체전해질 및 상기 고체전해질 소결체는 단일상의 큐빅 구조일 수 있다.The solid electrolyte and the solid electrolyte sintered body according to the present invention include at least one structure selected from a cubic structure and a tetragonal structure, and preferably, the solid electrolyte and the solid electrolyte sintered body may have a single-phase cubic structure.
또한, 상기 LLZO계 고체 전해질은 전도도가 높은 큐빅 구조를 안정화시키기 위하여, 리튬 자리에 Al, B, Be, Br, Fe, Ga, H, Zn 중 적어도 하나 이상의 원소를 도핑할 수 있다. 상기 원소를 도핑할 경우 큐빅 구조가 더욱 안정화될 수 있고, 더욱 상세하게는 리튬 자리에 상기 원소들을 도핑할 경우 Li 공공(vacancy)의 형성으로 인해 이온전도도를 향상시킬 수 있으며, 기존보다 평균 200℃ 정도 낮은 소결온도를 얻을 수 있는 효과를 가진다.In addition, the LLZO-based solid electrolyte may be doped with at least one element among Al, B, Be, Br, Fe, Ga, H, and Zn in the lithium site in order to stabilize the cubic structure with high conductivity. When the above elements are doped, the cubic structure can be further stabilized, and more specifically, when the above elements are doped in the lithium site, the ionic conductivity can be improved due to the formation of Li vacancies, and there is an effect of being able to obtain a sintering temperature that is about 200℃ lower on average than before.
또한, 이온전도도를 더욱 향상시키기 위하여 단일 이온 도핑이 아닌 다중 이온 도핑을 하며, 바람직한 실시예로 란타늄 자리에 Ac, Ba, Bi, Ca, Dy, Er, Gd, Ho, K, Lu, Na, Nd, Pm, Pr, Rb, Sm, Sr, Tb, Tm, Y 중 적어도 하나 이상의 원소를 도핑할 수 있고, 지르코늄 자리에 As, Au, C, Cd, Ce, Cl, Co, Cr, Cu, Eu, Ge, Hf, Hg, I, In, Ir, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, Np, Pa, Pb, Pd, Pt, Pu, Rh, Ru, S, Sc, Se, Si, Sn, Ta, Tc, Te, Th, Ti, V, W 중 적어도 하나 이상의 원소를 도핑할 수 있다.In addition, in order to further improve the ionic conductivity, multiple ion doping is performed instead of single ion doping, and as a preferred embodiment, at least one element among Ac, Ba, Bi, Ca, Dy, Er, Gd, Ho, K, Lu, Na, Nd, Pm, Pr, Rb, Sm, Sr, Tb, Tm, Y can be doped in the lanthanum position, and at least one element among As, Au, C, Cd, Ce, Cl, Co, Cr, Cu, Eu, Ge, Hf, Hg, I, In, Ir, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, Np, Pa, Pb, Pd, Pt, Pu, Rh, Ru, S, Sc, Se, Si, Sn, Ta, Tc, Te, Th, Ti, V, W can be doped in the zirconium position.
이하, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법에 대한 구체적인 실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing an LLZO-based solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method according to one embodiment of the technical idea of the present invention will be described in more detail with specific examples.
제조예 1. LLZO 분말 및 LLZO 펠릿 소결체 제조Manufacturing Example 1. Manufacturing of LLZO powder and LLZO pellet sintered body
수산화리튬(LiOH(Alfa-Aesar 사(社) 제조, 98%) 0.2495g or 0.2744g or 0.2994g (+0% or +10% or +20%), 질산란타늄(La(NO3)3)(Aldrich 사(社) 제조, 99.9% trace metal basis) 1.2185g, 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2)(Aldrich 사(社), 99%) 0.5780g 및 시트르산(citric acid)(Alfa-Aesar 사(社) 제조, 99.5%) 2.4g을 디에틸렌글리콜(DEG(Diethylene glycol))(Sigma-Aldrich 사(社) 제조, 99%) 100㎖에 첨가하여 혼합하고 25℃의 온도에서 60분 동안 교반함으로써 혼합용액을 제조하였다.Lithium hydroxide (LiOH (manufactured by Alfa-Aesar, 98%) 0.2495g or 0.2744g or 0.2994g (+0% or +10% or +20%), lanthanum nitrate (La( NO3 ) 3 ) (manufactured by Aldrich, 99.9% trace metal basis) 1.2185g, zirconyl nitrate (ZrO( NO3 ) 2 ) (manufactured by Aldrich, 99%) 0.5780g and citric acid (manufactured by Alfa-Aesar, 99.5%) 2.4g were added to 100㎖ of diethylene glycol (DEG (diethylene glycol)) (manufactured by Sigma-Aldrich, 99%), mixed and stirred at 25℃ for 60 minutes to obtain a mixed solution. was manufactured.
다음으로, 상기 혼합용액을 50㎖씩 마이크로웨이브 테프론에 각각 담고 마이크로웨이브(Microwave)를 사용하여 400W의 파워로 250℃의 온도에서 10분 동안 교반함으로써 전구체 용액을 제조하였다.Next, 50 mL of the above mixed solution was placed in each microwave Teflon and stirred at 250°C for 10 minutes with a power of 400 W using a microwave to prepare a precursor solution.
그 다음으로, 상기 전구체 용액을 상온(25℃)에서 공냉한 후 교반기(Voltex mixer)를 사용하여 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리하였다.Next, the precursor solution was cooled to room temperature (25°C) and separated into a precipitate and a residual solution containing an organic solvent using a vortex mixer.
이어서, 상기 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액을 공지의 필터를 이용하여 침전물만을 분리한 후 상기 침전물을 알루미나 도가니에 넣고 15℃/min의 승온 속도로 가열하여 250℃의 온도까지 도달시킨 후 120분 동안 가열함으로써 건조 침전물 분말을 제조하였다.Next, the precipitate and the residual solution containing the organic solvent were separated using a known filter to separate only the precipitate, and the precipitate was placed in an alumina crucible and heated at a heating rate of 15°C/min to reach a temperature of 250°C and then heated for 120 minutes to produce a dry precipitate powder.
다음으로, 상기 건조 침전물 분말을 분쇄하여 전구체 분말을 제조하한 후, 상기 전구체 분말을 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 700℃의 온도까지 도달시킨 후 5시간 동안 가열하여 상기 전구체 분말에 잔류하는 휘발성분이나 불순물을 제거함으로써 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 분말을 제조하였다.Next, the dried sediment powder was pulverized to prepare a precursor powder, and the precursor powder was heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 700°C, and then heated for 5 hours to remove volatile components or impurities remaining in the precursor powder, thereby preparing lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) powder.
그 다음으로, 상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 2,000PSI의 압력으로 압착하여 펠릿을 제조하였다.Next, the lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) powder was placed into a mold and pressed at a pressure of 2,000 PSI to produce pellets.
이어서, 상기 압착된 펠릿을 지르코니아 도가니에 투입하고 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 1,050℃의 온도까지 도달시킨 후 10시간 동안 소결시켜 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 펠릿 소결체를 제조하였다.Next, the pressed pellets were placed in a zirconia crucible and heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 1,050°C and then sintered for 10 hours to produce a lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) pellet sintered body.
제조예 2. 갈륨이 도핑된(Ga doped) LLZO 분말 및 갈륨이 도핑된(Ga doped) LLZO 펠릿 소결체 제조Manufacturing Example 2. Manufacturing of gallium-doped LLZO powder and gallium-doped LLZO pellet sintered body
수산화리튬(LiOH(Alfa-Aesar 사(社) 제조, 98%) 0.2495g or 0.2744g or 0.2994g (+0% or +10% or +20%), 질산란타늄(La(NO3)3)(Aldrich 사(社) 제조, 99.9% trace metal basis) 1.2185g, 질산갈륨(Ga(NO3)3)(Acros-Organics 사(社) 제조, 99.9998% trace metal basis) 0.1066g, 지르코닐질산염(ZrO(NO3)2)(Aldrich 사(社), 99%) 0.5780g 및 시트르산(citric acid)(Alfa-Aesar 사(社) 제조, 99.5%) 2.4g을 디에틸렌글리콜(DEG(Diethylene glycol))(Sigma-Aldrich 사(社) 제조, 99%) 100㎖에 첨가하여 혼합하고 25℃의 온도에서 60분 동안 교반함으로써 혼합용액을 제조하였다.Lithium hydroxide (LiOH (manufactured by Alfa-Aesar, 98%) 0.2495g or 0.2744g or 0.2994g (+0% or +10% or +20%), lanthanum nitrate (La( NO3 ) 3 ) (manufactured by Aldrich, 99.9% trace metal basis) 1.2185g, gallium nitrate (Ga( NO3 ) 3 ) (manufactured by Acros-Organics, 99.9998% trace metal basis) 0.1066g, zirconyl nitrate (ZrO( NO3 ) 2 ) (Aldrich, 99%) 0.5780g and citric acid (manufactured by Alfa-Aesar, 99.5%) 2.4g A mixed solution was prepared by adding 100 ml of diethylene glycol (DEG) (manufactured by Sigma-Aldrich, 99%), mixing, and stirring at 25°C for 60 minutes.
다음으로, 상기 혼합용액을 50㎖씩 마이크로웨이브 테프론에 각각 담고 마이크로웨이브(Microwave)를 사용하여 400W의 파워로 250℃의 온도에서 10분 동안 교반함으로써 전구체 용액을 제조하였다.Next, 50 mL of the above mixed solution was placed in each microwave Teflon and stirred at 250°C for 10 minutes with a power of 400 W using a microwave to prepare a precursor solution.
그 다음으로, 상기 전구체 용액을 상온(25℃)에서 공냉한 후 교반기(Voltex mixer)를 사용하여 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리하였다.Next, the precursor solution was cooled to room temperature (25°C) and separated into a precipitate and a residual solution containing an organic solvent using a vortex mixer.
이어서, 상기 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액을 공지의 필터를 이용하여 침전물만을 분리한 후 상기 침전물을 알루미나 도가니에 넣고 15℃/min의 승온 속도로 가열하여 250℃의 온도까지 도달시킨 후 120분 동안 가열함으로써 건조 침전물 분말을 제조하였다.Next, the precipitate and the residual solution containing the organic solvent were separated using a known filter to separate only the precipitate, and the precipitate was placed in an alumina crucible and heated at a heating rate of 15°C/min to reach a temperature of 250°C and then heated for 120 minutes to produce a dry precipitate powder.
다음으로, 상기 건조 침전물 분말을 분쇄하여 전구체 분말을 제조하한 후, 상기 전구체 분말을 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 700℃의 온도까지 도달시킨 후 5시간 동안 가열하여 상기 전구체 분말에 잔류하는 휘발성분이나 불순물을 제거함으로써 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li6.25Ga0.25La3Zr2O12) 분말을 제조하였다.Next, the dried sediment powder was pulverized to prepare a precursor powder, and the precursor powder was heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 700°C, and then heated for 5 hours to remove volatile components or impurities remaining in the precursor powder, thereby preparing a gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Li 6.25 Ga 0.25 La 3 Zr 2 O 12 ) powder.
그 다음으로, 상기 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li6.25Ga0.25La3Zr2O12) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 2,000PSI의 압력으로 압착하여 펠릿을 제조하였다.Next, the gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Li 6.25 Ga 0.25 La 3 Zr 2 O 12 ) powder was placed into a mold and pressed at a pressure of 2,000 PSI to produce pellets.
이어서, 상기 압착된 펠릿을 지르코니아 도가니에 투입하고 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 1,050℃의 온도까지 도달시킨 후 10시간 동안 소결시켜 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li6.25Ga0.25La3Zr2O12) 펠릿 소결체를 제조하였다.Next, the pressed pellet was placed in a zirconia crucible and heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 1,050°C and then sintered for 10 hours to produce a gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Li 6.25 Ga 0.25 La 3 Zr 2 O 12 ) pellet sintered body.
실시예 1 내지 실시예 15.Examples 1 to 15.
상기 제조예 1 및 제조예 2를 이용하여 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 분말 및 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li5.5Ga0.5La3Zr2O12) 분말을 제조하고, 하기 표 1에 나타내었다.Using the above Manufacturing Examples 1 and 2, lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) powder and gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (Li 5.5 Ga 0.5 La 3 Zr 2 O 12 ) powder were manufactured, and the results are shown in Table 1 below.
(%)Li excess
(%)
(℃/m)Rising temperature
(℃/m)
(℃)Low temperature
(℃)
(h)Time to settle
(h)
도 3은 본 발명에 따라 합성된 입방정 구조의 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 분말을 X선 회절분석법(XRD)으로 분석한 그래프이며, 마이크로웨이브 수열합성법으로 제조한 LLZO는 파우더의 크기가 나노화로 합성이 되어 입방정상으로 안정화된 결과를 보인다는 것을 알 수 있다.도 4는 본 발명에 따라 합성된 입방정 구조의 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li7La3Zr2O12) 분말을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진으로, SEM 데이터 분석 결과 현재 보고된 LLZO 파우더의 크기보다 작은 약 100~500nm의 LLZO 파우더가 성공적으로 합성된 것을 볼 수 있다.FIG. 3 is a graph showing the results of analyzing lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) powder having a cubic structure synthesized according to the present invention using X-ray diffraction (XRD). It can be seen that LLZO manufactured by microwave hydrothermal synthesis is synthesized with a powder size of nanometers and stabilized in a cubic phase. FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of lithium lanthanum zirconium oxide (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) powder having a cubic structure synthesized according to the present invention. As a result of analyzing the SEM data, it can be seen that LLZO powder having a size of about 100 to 500 nm, which is smaller than the size of the currently reported LLZO powder, was successfully synthesized.
도 5는 본 발명에 따라 합성된 입방정 구조의 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li5.5Ga0.5La3Zr2O12) 분말을 X선 회절분석법(XRD)으로 분석한 그래프이며, 입방정상의 XRD패턴을 보아 도핑을 하지 않았을 때 일반적으로 나타나는 정방정상의 LLZO계 패턴이 아닌 갈륨 도핑을 함으로써 입방정상의 Ga-LLZO로 안정화가 성공적이었다는 것을 알 수 있다.FIG. 5 is a graph showing the analysis of lithium lanthanum zirconium oxide (Li 5.5 Ga 0.5 La 3 Zr 2 O 12 ) powder with a cubic structure doped with Ga, synthesized according to the present invention, using X-ray diffraction (XRD). As can be seen from the cubic XRD pattern, it can be seen that stabilization was successfully achieved as a cubic Ga-LLZO pattern by gallium doping, rather than the tetragonal LLZO pattern that generally appears when no doping is performed.
도 6은 본 발명에 따라 합성된 입방정 구조의 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(Li5.5Ga0.5La3Zr2O12) 분말을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진으로 SEM 데이터 분석 결과, 현재 보고된 LLZO 파우더의 크기보다 작은 약 100~500nm의 Ga-LLZO 파우더가 성공적으로 합성된 것을 볼 수 있다.FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of lithium lanthanum zirconium oxide (Li 5.5 Ga 0.5 La 3 Zr 2 O 12 ) powder having a cubic structure synthesized according to the present invention. As a result of analysis of the SEM data, it can be seen that Ga-LLZO powder of about 100 to 500 nm, which is smaller than the size of the currently reported LLZO powder, was successfully synthesized.
도 7은 실시예 1 내지 9에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 XRD 분석을 나타낸 그래프로, 실시예에 따른 XRD 분석 결과 700℃ 에서 2.5 시간의 하소 시간으로도 LLZO는 성공적으로 합성된 것을 볼 수 있으며 그 외에 650℃ 및 600℃의 조건으로 하소를 한 데이터로 보았을 때 650℃ 하소로는 LLZO 합성되지만 600℃에서는 온도의 부족으로 인해 LLZO의 합성이 제대로 되지 않았음을 확인할 수 있다.FIG. 7 is a graph showing XRD analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 1 to 9. As a result of XRD analysis according to the Examples, it can be seen that LLZO was successfully synthesized even with a calcination time of 2.5 hours at 700°C, and when looking at data obtained by calcination at conditions of 650°C and 600°C, it can be confirmed that LLZO was synthesized by calcination at 650°C, but LLZO was not properly synthesized at 600°C due to insufficient temperature.
도 8은 실시예 10 내지 15에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 XRD 분석을 나타낸 그래프이며, 실시예에 따른 XRD 분석결과 도핑을 하지 않은 LLZO일 경우 Li의 추가함량의 양에 따라 입자의 크기가 점진적으로 커진다는 것을 알 수 있으며 그에 따라 극단적인 70~90%의 Li 추가 함량의 경우에는 입자의 크기가 나노화 안됨에 따라 정방정상의 LLZO가 합성이 되었으며 0~20%의 Li추가 함량의 경우에는 입자의 크기가 나노화가 됨에 따라 입방정상이 안정화가 된 것을 확인할 수 있다.FIG. 8 is a graph showing XRD analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 10 to 15. As a result of XRD analysis according to Examples, it can be seen that in the case of LLZO without doping, the particle size gradually increases depending on the amount of additional Li content, and accordingly, in the case of an extreme additional Li content of 70 to 90%, tetragonal LLZO was synthesized as the particle size was not nanosized, and in the case of an additional Li content of 0 to 20%, it can be confirmed that the cubic phase was stabilized as the particle size was nanosized.
실시예 16 내지 실시예 17.Examples 16 to 17.
상기 제조예 1 및 제조예 2를 이용하여 하기의 실시예 16 및 실시예 17에 나타낸 바와 같은 갈륨이 도핑된(Ga doped) 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 분말을 제조하고, 하기 표 2에 나타내었다.Using the above Manufacturing Examples 1 and 2, gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide powders as shown in Examples 16 and 17 below were manufactured, and the results are shown in Table 2 below.
(%)Li excess
(%)
온도
(℃/m)Temperature rise
temperature
(℃/m)
(℃)Low temperature
(℃)
(h)Time to settle
(h)
(℃)Sintering temperature
(℃)
(h)Sintering time
(h)
(bulk)
(S/cm)Ionic conductivity
(bulk)
(S/cm)
도 9는 실시예 16 내지 17에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 XRD 분석을 나타낸 그래프로 분석 결과 1050℃의 온도로 소결 시에도 입방정상의 LLZO의 XRD 분석 결과가 나타난 것으로 보아 Li의 증발이 나타나지 않았음을 확인할 수 있다.FIG. 9 is a graph showing XRD analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 16 to 17. As a result of the analysis, it can be confirmed that no evaporation of Li occurred, as the XRD analysis result of cubic LLZO was observed even when sintered at a temperature of 1050°C.
도 10은 실시예 16 내지 17에 따른 리튬 란타늄 지르코늄 산화물 펠릿 소결체의 임피던스 분석을 통한 이온전도도를 나타낸 그래프이며 갈륨의 도핑 함량이 낮아질수록 Li의 함량이 늘어나 Li 이온의 이온전도도가 높아지며 실시예 16과 17에서도 이런 결과를 바탕으로 Ga의 함량이 0.3에서 0.25로 낮아짐에 따라 저항이 줄어듦과 동시에 이온전도도 또한 높아진 것을 확인할 수 있다.FIG. 10 is a graph showing the ionic conductivity through impedance analysis of lithium lanthanum zirconium oxide pellet sintered bodies according to Examples 16 and 17. As the doping content of gallium decreases, the content of Li increases and the ionic conductivity of Li ions increases. Based on these results, it can be confirmed that in Examples 16 and 17, as the content of Ga decreases from 0.3 to 0.25, the resistance decreases and the ionic conductivity also increases.
이상, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Above, although a preferred embodiment of the present invention has been described, it will be understood by those skilled in the art to which the present invention pertains that the present invention may be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the above-described embodiment is exemplary in all respects and not restrictive.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, although the present invention has been described by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations are possible from this description by those with ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only by the scope of the patent claims described below, and all equivalent or equivalent modifications thereof will be considered to fall within the scope of the spirit of the present invention.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.A singular expression should be understood to include the plural expression unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as “comprises” or “have” should be understood to specify the presence of a stated feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but not to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
Claims (9)
상기 혼합용액을 45 내지 55 중량부 단위로 소분하고, 상기 소분된 혼합용액을 마이크로웨이브 테프론에 넣은 후 400와트(W) 및 240 내지 260℃의 온도에서 5 내지 15분 동안 교반하여 전구체 용액을 제조하는 전구체 용액 제조 단계;
상기 전구체 용액을 20 내지 30℃의 온도에서 냉각한 후 생성된 침전물을 포함하는 전구체 용액을 혼합하는 냉각 및 혼합 단계;
상기 침전물을 포함하는 전구체 용액을 원심분리하여 침전물과, 유기용매를 포함하는 잔류 용액으로 분리하는 원심분리 단계;
상기 침전물을 분리한 후 상기 침전물을 건조하여 건조 침전물 분말을 제조하는 건조 침전물 분말 제조 단계;
상기 건조 침전물 분말을 분쇄하여 전구체 분말을 제조하는 전구체 분말 제조 단계;
상기 전구체 분말을 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 650 내지 750℃의 온도까지 도달시킨 후 2 내지 8시간 동안 가열하여 Li6.25Ga0.25La3Zr2O12로 표시되는 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 분말을 제조하는 하소(calcination) 단계;
상기 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 분말을 성형 몰드에 투입한 후 압착하여 펠릿을 제조하는 펠릿 제조 단계; 및
상기 펠릿을 지르코니아 도가니에 투입하고 5℃/min의 승온 속도로 가열하여 1,000 내지 1,100℃의 온도까지 도달시킨 후 8 내지 12시간 동안 소결시켜 갈륨이 도핑된 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO) 펠릿 소결체를 제조하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 용매열합성법을 이용한 LLZO계 고체전해질 제조방법.
A mixed solution preparation step of preparing a mixed solution by stirring the mixture of 2 to 4 parts by weight of lithium hydroxide (LiOH), 10 to 15 parts by weight of lanthanum nitrate (La( No3 ) 3 ), 4 to 8 parts by weight of zirconyl nitrate (ZrO( NO3 ) 2 ), and 0.5 to 2 parts by weight of gallium nitrate (Ga(NO3)3), 20 to 30 parts by weight of citric acid as a complexing agent, and 800 to 1,200 parts by weight of diethylene glycol (DEG) as an organic solvent at a temperature of 20 to 70°C for 40 to 180 minutes.
A precursor solution preparation step of dividing the above mixed solution into 45 to 55 parts by weight units, placing the divided mixed solution into a microwave Teflon, and stirring for 5 to 15 minutes at 400 watts (W) and a temperature of 240 to 260°C to prepare a precursor solution;
A cooling and mixing step of mixing the precursor solution containing the precipitate produced after cooling the precursor solution at a temperature of 20 to 30°C;
A centrifugation step of centrifuging a precursor solution containing the above precipitate to separate the precipitate and a residual solution containing an organic solvent;
A dry sediment powder manufacturing step of manufacturing a dry sediment powder by drying the sediment after separating the sediment;
A precursor powder manufacturing step of manufacturing a precursor powder by grinding the above-mentioned dry sediment powder;
A calcination step of heating the precursor powder at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 650 to 750°C and then heating for 2 to 8 hours to produce a gallium-doped lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder represented by Li 6.25 Ga 0.25 La 3 Zr 2 O 12 ;
A pellet manufacturing step of putting the lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) powder into a mold and then pressing it to manufacture pellets; and
A method for producing a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) solid electrolyte using a microwave solvothermal synthesis method, characterized in that the pellets are placed in a zirconia crucible, heated at a heating rate of 5°C/min to reach a temperature of 1,000 to 1,100°C, and then sintered for 8 to 12 hours to produce a sintered body of lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) pellets doped with gallium.
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