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KR20180036410A - All solid state battery - Google Patents

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KR20180036410A
KR20180036410A KR1020160126980A KR20160126980A KR20180036410A KR 20180036410 A KR20180036410 A KR 20180036410A KR 1020160126980 A KR1020160126980 A KR 1020160126980A KR 20160126980 A KR20160126980 A KR 20160126980A KR 20180036410 A KR20180036410 A KR 20180036410A
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KR
South Korea
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lithium
solid electrolyte
sulfide
buffer layer
battery
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Ceased
Application number
KR1020160126980A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
성다영
박은경
장민철
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020160126980A priority Critical patent/KR20180036410A/en
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Abstract

본 발명은 전고체 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극 및 이들 사이에 개재된 황화물계 고체 전해질을 구비한 전고체 전지에 있어서, 상기 음극과 황화물계 고체 전해질 사이에 리튬 이온 전도성 고분자 및 리튬염을 포함하는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지에 관한 것이다.
상기 전고체 전지는 버퍼층으로 인해 황화물계 고체 전해질과 음극의 계면에서 발생하는 저항 증가를 억제하여 안정한 사이클 성능을 갖는 고용량의 전지 구현을 가능케 한다.
More particularly, the present invention relates to an all solid-state battery comprising a positive electrode, a negative electrode and a sulfide-based solid electrolyte interposed therebetween, wherein the lithium-ion conductive polymer and the lithium- And a buffer layer comprising a lithium salt.
The entire solid-state cell suppresses an increase in resistance occurring at the interface between the sulfide-based solid electrolyte and the cathode due to the buffer layer, thereby realizing a high capacity battery having a stable cycle performance.

Description

전고체 전지 {All solid state battery}All solid state battery < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 음극과 고체 전해질 사이의 계면에서의 저항 증가를 억제하여 고용량의 전지 구현이 가능한 전고체 전지에 관한 것이다.The present invention relates to an all-solid-state cell capable of realizing a high-capacity battery by suppressing an increase in resistance at an interface between a cathode and a solid electrolyte.

전지의 용량, 안전성, 출력, 대형화, 초소형화 등의 관점에서 현재 리튬 이차 전지의 한계를 극복할 수 있는 다양한 전지들이 연구되고 있다.Various batteries capable of overcoming the limitations of lithium secondary batteries at present are being studied from the viewpoints of capacity, safety, output, enlargement and miniaturization of batteries.

대표적으로 리튬 이차 전지에 비해 용량 측면에서 이론 용량이 매우 큰 금속-공기 전지(metal-air battery), 안전성 측면에서 폭발 위험이 없는 전고체 전지(all-solid-state battery), 출력 측면에서는 슈퍼 캐퍼시터(supercapacitor), 대형화 측면에서는 NaS 전지 혹은 RFB(redox flow battery), 초소형화 측면에서는 박막전지(thin film battery) 등이 학계 및 산업계에서 지속적인 연구가 진행되고 있다.Typical examples are metal-air batteries with a theoretical capacity in terms of capacity as compared to lithium secondary batteries, all-solid-state batteries with no risk of explosion in terms of safety, and super- (supercapacitor), NaS cell or RFB (redox flow battery) in the aspect of enlargement, and thin film battery in the aspect of miniaturization have been continuously studied in academia and industry.

전고체 전지는 기존에 리튬 이차 전지에서 사용되는 액체 전해질을 고체로 대체한 전지를 의미하며, 전지 내 가연성의 용매를 사용하지 않아 종래 전해액의 분해반응 등에 의한 발화나 폭발이 전혀 발생하지 않으므로 안전성을 대폭 개선할 수 있다. 또한, 음극 소재로 Li 금속 또는 Li 합금을 사용할 수 있기 때문에 전지의 질량 및 부피에 대한 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.All solid-state batteries refer to a battery in which a liquid electrolyte used in a lithium secondary battery has been replaced with a solid. Since no flammable solvent is used in the battery, no ignition or explosion occurs due to the decomposition reaction of the conventional electrolyte solution. Can be greatly improved. In addition, since Li metal or Li alloy can be used as a negative electrode material, energy density with respect to the mass and volume of the battery can be remarkably improved.

전고체 전지는 고체 전해질로는 폴리스타이렌-폴리에틸렌 옥사이드 블록 공중합체와 같은 고분자 고체 전해질, LLT(Li0.35La0.55TiO3) 등의 결정성 고체 전해질과 실리카 계통의 비정질 고체 전해질, thio-LISICON과 같은 황화물계 고체 전해질 등이 있다. 그 중 황화물계 고체 전해질은 높은 이온 전도성으로 인해 관심이 집중되고 있다. The solid electrolyte may be a polymer solid electrolyte such as a polystyrene-polyethylene oxide block copolymer, a crystalline solid electrolyte such as LLT (Li0.35La0.55TiO3), a silica-based amorphous solid electrolyte, a sulfide system such as thio-LISICON Solid electrolytes and the like. Among them, sulfide-based solid electrolytes are attracting attention due to their high ion conductivity.

전고체 전지는 전해질이 액상이 아닌 고상이므로 전극과 고체 전해질이 접촉하는 계면이 매우 중요하다. 즉, 계면에 장애가 발생하거나 계면 접촉량이 미비할 경우 전지의 특성이 크게 저하되므로, 이의 제어가 중요하다.Since the solid electrolyte is a solid phase in which the electrolyte is not liquid, the interface between the electrode and the solid electrolyte is very important. That is, when a failure occurs at the interface or when the amount of interfacial contact is insufficient, the characteristics of the battery greatly deteriorate, and control thereof is important.

이에 고체 전해질의 조성을 달리하거나 다층 구조로 적층하는 구조적인 변화를 통해 계면 특성을 개선하고자 하는 노력이 있어왔다.Therefore, efforts have been made to improve the interfacial characteristics through structural changes in which the compositions of the solid electrolytes are changed or laminated in a multilayer structure.

대한민국 공개특허 제2015-0018559호에서는 황화물 고체 전해질 분말로만 이루어진 제1고체 전해질층/황화물 고체 전해질과 바인더의 혼합물을 포함하는 제2고체 전해질층이 구비된 전고체 전지를 제안하였다. 이 특허에서는 2층의 전해질층의 형성에 의해 리튬 이온 전도성을 더욱 높이고 전지 단락을 방지하여 전지 특성을 개선할 수 있다고 언급하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0018559 proposes a pre-solid battery having a second solid electrolyte layer including a mixture of a first solid electrolyte layer / a sulfide solid electrolyte and a binder composed of a sulfide solid electrolyte powder. This patent mentions that the formation of a two-layered electrolyte layer can further improve lithium ion conductivity and prevent battery shorting, thereby improving battery characteristics.

그러나 상기 다층 구조의 전해질을 갖는 전고체 전지는 전극의 두께가 두꺼워지고, 황화물계 고체 전해질의 반복 충방전시 음극으로 사용하는 리튬 금속과 반응하여 계면에 Li2S의 고저항층이 형성되었다. 또한, 황화물계 고체 전해질 내 포함된 금속 원소가 상기 전극과의 계면에 석출되는 등 불안정한 계면 특성이 관찰되었다. However, in the case of the all solid electrolyte having the electrolyte of the multi-layered structure, the thickness of the electrode became thick and a high resistance layer of Li 2 S was formed at the interface with the lithium metal used as a cathode when the sulfide-based solid electrolyte was repeatedly charged and discharged. In addition, unstable interfacial properties such as a metal element contained in the sulfide-based solid electrolyte precipitated at the interface with the electrode were observed.

더욱이, 리튬 전극의 사용에 따른 리튬 덴드라이트 형성에 대한 전지 특성 저하가 더욱 심각하게 발생하였다. 이에 황화물계 고체 전해질을 사용할 경우에는 음극으로서 그라파이트를 사용하는 것이 일반적이나, 상기 그라파이트의 사용으로는 고용량의 전지 구현에 제약이 있다.Furthermore, the deterioration of the battery characteristics with respect to the formation of lithium dendrite due to the use of the lithium electrode occurred more seriously. When a sulfide-based solid electrolyte is used, graphite is generally used as a negative electrode. However, use of the graphite has a limitation in implementation of a high capacity battery.

대한민국 공개특허 제2015-0018559호 (2015.02.23), 전고체 전지 및 그 제조방법Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0018559 (Feb. 22, 2013), a whole solid battery and a manufacturing method thereof

상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명자들은 고체 전해질과 음극 사이의 계면에 버퍼층을 형성하여 안정적인 계면 상태를 유지함으로써 계면에서의 저항 증가를 억제하고, 음극 및 고체 전해질로서 리튬 전극 및 황화물계 고체 전해질의 도입이 가능해져 고용량의 전지 구현이 가능함을 확인하여 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above-described problems, the present inventors have found that a buffer layer is formed at the interface between a solid electrolyte and a cathode to maintain a stable interface state, thereby suppressing an increase in resistance at the interface and to provide a lithium electrode and a sulfide-based solid electrolyte It is possible to realize a high capacity battery, and thus the present invention has been completed.

따라서, 본 발명의 목적은 음극과 고체 전해질 간 계면에 버퍼층이 형성된 전고체 전지를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a pre-solid battery in which a buffer layer is formed at an interface between a cathode and a solid electrolyte.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 양극과 음극 및 이들 사이에 개재된 황화물계 고체 전해질을 구비한 전고체 전지에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides an all solid-state battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a sulfide-based solid electrolyte interposed therebetween,

상기 음극과 황화물계 고체 전해질 사이에 리튬 이온 전도성 고분자 및 리튬염을 포함하는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지를 제공한다.And a buffer layer comprising a lithium ion conductive polymer and a lithium salt between the cathode and the sulfide-based solid electrolyte.

이때 상기 리튬 이온 전도성 고분자는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴. 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로포스페이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌이민, 및 폴리에틸렌 설파이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.The lithium ion conductive polymer may be polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile. And at least one member selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluorophosphate, polyvinyl acetate, polyethyleneimine, and polyethylene sulfide.

또한, 상기 리튬염은 대표적으로 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSCN, Li(FSO2)2N, LiCF3CO2, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬 및 4-페닐 붕산 리튬 이미드으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.The lithium salt is typically LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiSCN, Li (FSO 2 ) 2 N, LiCF 3 CO 2, LiCH 3 SO 3, LiCF 3 SO 3, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiC 4 F 9 SO 3, LiC (CF 3 SO 2) 3, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylate lithium, and 4-phenylborate lithium imide.

본 발명에 의해 음극과 황화물계 고체 전해질 사이에 위치한 버퍼층으로 인해 이들 계면에서 발생하는 저항 증가를 억제하여 안정한 사이클 성능을 갖는 전고제 전지를 제작할 수 있다.According to the present invention, a buffer layer positioned between a cathode and a sulfide-based solid electrolyte suppresses an increase in resistance occurring at these interfaces, thereby making it possible to produce a cell having a stable cycle performance.

이러한 전고체 전지는 음극으로 리튬 금속의 사용이 가능하여 고용량의 전지 구현을 가능케 한다. Such a pre-solid battery enables lithium metal to be used as a cathode, thereby enabling a high capacity battery to be realized.

도 1은 본 발명의 제1구현예에 따른 전고체 전지를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전고체 전지를 보여주는 단면도로 (a) 충전 전, 및 (b) 충전 후를 보여준다.
도 3은 본 발명의 제2구현예에 따른 전고체 전지를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3구현예에 따른 전고체 전지를 보여주는 단면도이다.
1 is a cross-sectional view showing a pre-solid battery according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a pre-solid battery according to the present invention, showing (a) before charging, and (b) after charging.
3 is a cross-sectional view illustrating a pre-solid battery according to a second embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a pre-solid battery according to a third embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 전고체 전지는 전극, 특히 음극과 황화물계 고체 전해질 사이의 계면 특성을 제어하여 전지 특성을 향상시킬 수 있도록 설계된 것으로, 상기 음극과 황화물계 고체 전해질 사이에 이들 간의 계면 저항을 낮출 수 있는 새로운 층을 포함한다. The entire solid-state cell according to the present invention is designed to improve the characteristics of the cell by controlling the interface characteristics between the electrode, particularly the anode and the sulfide-based solid electrolyte, so that the interface resistance between the anode and the sulfide- It contains a new layer.

도 1은 본 발명에 따른 전고체 전지(10)를 보여주는 단면도로, 상기 전고체 전지(10)는 음극(11), 고체 전해질(13) 및 양극(15)으로 구성되고, 상기 음극(11)과 고체 전해질(13) 사이에 버퍼층(17)이 형성된다. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a pre-solid battery 10 according to the present invention. The pre-solid battery 10 is composed of a cathode 11, a solid electrolyte 13 and a cathode 15, A buffer layer 17 is formed between the solid electrolyte 13 and the solid electrolyte 13.

버퍼층(17)은 황화물 고체 전해질 재료는 리튬 금속과의 계면에서 반응해, 양자의 경계면에 고저항층이 형성되어 계면 저항이 커지는 문제를 해결하기 위해 사용한다. 이때 버퍼층(17)의 도입으로 인해 음극(11)으로 리튬 금속을 사용할 경우 상기 리튬 금속과 황화물계 고체 전해질(13) 사이의 계면 저항 증가를 억제한다. 이때 상기 계면에서 저항 증가의 억제는 이온 전도성을 높임으로써 달성될 수 있다.The buffer layer 17 is used for solving the problem that the sulfide solid electrolyte material reacts at the interface with the lithium metal and a high resistance layer is formed at the interface between the sulfide solid electrolyte material and the interface resistance. At this time, when the lithium metal is used for the cathode 11 due to the introduction of the buffer layer 17, an increase in the interface resistance between the lithium metal and the sulfide-based solid electrolyte 13 is suppressed. At this time, the suppression of the increase in resistance at the interface can be achieved by increasing the ion conductivity.

이온 전도성을 높이기 위해, 버퍼층(17)은 리튬 이온 전도성 고분자와 리튬염을 포함하여 형성한다.In order to enhance the ion conductivity, the buffer layer 17 is formed by including a lithium ion conductive polymer and a lithium salt.

리튬 이온 전도성 고분자로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴. 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로포스페이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌이민, 및 폴리에틸렌 설파이드로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하고, 바람직하기로는 폴리에틸렌 옥사이드를 사용한다. The lithium ion conductive polymer is not particularly limited in the present invention, but may be polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile. It is possible to use one species selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluorophosphate, polyvinyl acetate, polyethyleneimine, and polyethylene sulfide, preferably polyethylene oxide do.

상기 리튬 이온 전도성 고분자는 중량평균분자량이 10,000 내지 5,000,000 g/mol인 것을 사용한다. 분자량이 상기 범위 미만이면 고분자 보호막으로서 강도가 약해 전해액과 접촉시 용해될 우려가 있고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 리튬 이온의 이동을 억제하여 전지의 성능을 저하시킬 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.The lithium ion conductive polymer has a weight average molecular weight of 10,000 to 5,000,000 g / mol. If the molecular weight is less than the above range, the polymer protective film may be weak in strength and may be dissolved in contact with the electrolyte. On the other hand, if the molecular weight exceeds the above range, migration of lithium ions may be suppressed to deteriorate the performance of the battery. use.

리튬염은 리튬 이온 전도성 고분자의 리튬 이온 전도도를 높이기 위해 사용하며, 이의 사용을 통해 버퍼층(17)이 저항층으로 작용하지 않으며, 충방전시 과전압(overpotential)이 걸리지 않기 때문에 전지의 성능 저하를 방지한다.The lithium salt is used to increase the lithium ion conductivity of the lithium ion conductive polymer. Through the use of the lithium salt, the buffer layer 17 does not act as a resistance layer and overpotential does not occur during charging and discharging, do.

사용 가능한 리튬염은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 전지 분야의 리튬염으로 사용되는 것이면 어느 것이든 가능하며, 대표적으로 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, LiSCN, Li(FSO2)2N (Lithium bis(fluorosulfonyl)imide, 이하 'LiFSI'라 한다) LiCF3CO2, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬 이미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하고, 바람직하기로 LiFSI를 사용한다. 리튬염은 그 종류에 따라 이온전도도가 달라지며, 리튬 이온과 고분자 사슬(chain)과의 상호작용으로 이온 이동도가 강해지거나 약해질 수 있는바, PEO와 LiFSI를 함께 사용한 경우 최적의 효과를 얻을 수 있다.LiBCl 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiBF 6 , LiBF 4 , LiBF 6 , LiBF 4 , LiBF 6 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4 , LiSCN, Li (FSO 2) 2 N (Lithium bis (fluorosulfonyl) imide, hereinafter referred to as 'LiFSI') LiCF 3 CO 2 , LiCH 3 SO 3, LiCF 3 SO 3, LiN ( SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, Lithium perchlorate, lithium peroxide, lithium 4-phenylborate, and a combination thereof. Preferably, LiFSI is used. The ionic conductivity of the lithium salt varies depending on the kind thereof. The ion mobility can be strengthened or weakened due to the interaction between the lithium ion and the polymer chain. When PEO and LiFSI are used together, the optimum effect is obtained .

이러한 리튬염의 농도는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 0.1 내지 10M 농도 등 저농도에서 고농도까지 농도에 한정하지 않고 넓은 범위로 사용할 수 있다.The concentration of such a lithium salt is not particularly limited in the present invention, and it can be used in a wide range from a low concentration to a high concentration such as a concentration of 0.1 to 10M.

상기 본 발명에 따른 버퍼층(17)은 리튬 이온 전도도 증가에 의한 계면 저항 증가 억제 효과와 함께 리튬 이온 전도성 고분자의 사용으로 인해 리튬 덴드라이트의 성장을 물리적으로 억제한다.The buffer layer 17 according to the present invention physically inhibits the growth of lithium dendrite due to the use of the lithium ion conductive polymer, together with the effect of suppressing the increase in the interfacial resistance due to the increase in the lithium ion conductivity.

리튬 금속을 음극(11)으로 사용할 경우 전지의 구동 시, 집전체를 통해 리튬 호일로 이동하는 전자는 단일 방향의 흐름으로 이동한다. 이로 인해 리튬 표면상에서 전자밀도의 불균일화가 발생하게 되며, 이로써 리튬 덴드라이트(dendrite)가 형성될 수 있었다. 이러한 리튬 덴드라이트는, 종국적으로는 고체 전해질(13)의 손상을 유발시킬 수 있고, 전고체 전지(10)의 단락을 발생시킬 수 있다.When lithium metal is used as the cathode 11, electrons moving to the lithium foil through the current collector move in a single direction flow when the battery is driven. This causes non-uniformity of the electron density on the lithium surface, and thus lithium dendrite can be formed. Such lithium dendrites may ultimately cause damage to the solid electrolyte 13 and may cause short-circuiting of the pre-solid battery 10.

이에 상기 버퍼층(17)으로 인해 음극(11)과 고체 전해질(13) 간의 직접적인 접촉을 저감시켜 리튬 덴드라이트의 성장을 물리적으로 억제한다. 이때 버퍼층(17)은 그 강도가 높을수록 표면에서의 리튬 덴드라이트의 발생을 물리적으로 억제할 수 있으나, 너무 높은 강도로 사용할 경우 보다 딱딱해지며 깨지기 쉬운 상태가 되어, 충/방전시 리튬음극 표면의 부피변화에 의해 버퍼층(17)의 손상될 우려가 있다. 이에 본 발명에서는 유연성이 있는 상기 제시한 리튬 이온 전도성 고분자를 사용한다.The buffer layer 17 reduces the direct contact between the cathode 11 and the solid electrolyte 13 to physically suppress the growth of the lithium dendrite. At this time, the higher the strength of the buffer layer 17, the more physically the generation of lithium dendrite on the surface can be suppressed. However, the buffer layer 17 becomes harder and fragile than the case of using too high a strength, The buffer layer 17 may be damaged by the volume change of the buffer layer 17. Therefore, in the present invention, the above-mentioned lithium ion conductive polymer having flexibility is used.

버퍼층(17)의 두께는 본 발명에서 한정하지 않으며, 상기 효과를 확보하면서도 전지의 내부 저항을 높이지 않는 범위를 가지며, 일례로 1 내지 10㎛일 수 있다. 만약 그 두께가 상기 범위 미만이면 버퍼층(17)으로서의 기능을 수행할 수 없고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 안정적인 계면 특성을 부여할 수 있지만, 초기 계면 저항이 높아져 전지 제조 시 내부 저항의 증가를 초래할 수 있다.The thickness of the buffer layer 17 is not limited to the present invention. The thickness of the buffer layer 17 is within a range not securing the internal resistance of the battery while securing the above effect, for example, 1 to 10 탆. If the thickness is less than the above range, the function as the buffer layer 17 can not be performed. On the contrary, if the thickness exceeds the above range, stable interface characteristics can be provided, but the initial interface resistance is increased, .

이러한 버퍼층은 리튬 이온 전도도가 1×10-5 S/cm 이상인 것이 바람직하며, 상기 리튬 이온 전도도가 너무 낮을 경우 Li2S와 같은 저항층으로 작용할 수 있으므로, 리튬 이온 전도성 고분자와 리튬염의 종류 및 농도 등을 조절하여 상기 리튬 이온 전도도를 조절한다.The buffer layer is a lithium ion conductivity of 1 × 10 -5 S / cm or more is preferred, if the lithium ion conductivity is too low may act as a resistance layer, such as Li 2 S, Li-ion conductive polymer and a lithium salt type and concentration And so on to control the lithium ion conductivity.

버퍼층(17)의 제조는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나, 일례로 용매 내에 리튬염, PEO 및 개시제를 첨가한 후, 코팅 후 건조하여 제조할 수 있다.The production of the buffer layer 17 is not particularly limited in the present invention. For example, the buffer layer 17 may be prepared by adding a lithium salt, PEO, and an initiator in a solvent, followed by coating and drying.

용매는 리튬염 및 PEO를 용해할 수 있는 것이면 어느 것이든 가능하며, 바람직하기로는 비수계 유기용매를 사용한다. 비수계 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 하며, 공지의 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 일례로, 상기 비수계 유기용매로는 N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라하이드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아마이드, 디메틸포름아마이드, 디옥솔란, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥솔란 유도체, 설포란, 메틸설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Any solvent may be used as long as it can dissolve the lithium salt and PEO, preferably a non-aqueous organic solvent. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move, and known carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, alcohol-based or aprotic solvents can be used. Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, gamma-butyrolactone, -Dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, 4-methyl- The organic solvent may be selected from the group consisting of diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivative, An aprotic organic solvent such as dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyrophosphate, and ethyl propionate may be used.

코팅은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 코팅, 딥 코팅 등과 같은 통상의 습식 공정에서 사용되는 방법을 사용할 수 있다. 다만, 코팅의 균일성 및 코팅 두께 제어의 용이성을 위해 스핀 코팅으로 수행하는 것이 바람직할 수 있다.The coating may be a method used in conventional wet processes such as spin coating, spray coating, doctor blade coating, dip coating and the like. However, it may be preferable to perform spin coating for uniformity of the coating and ease of control of the coating thickness.

상기 코팅 후 건조를 수행한다. 상기 건조는 용매의 끓는점 이상 및 보호층의 고분자 재질의 Tg 이하의 온도에서 적절하게 선택할 수 있다. 건조 과정을 통해 리튬의 표면에 잔류하는 용매를 제거하는 동시에 고분자 보호막의 접착력을 향상시킬 수 있다.After the coating, drying is performed. The drying can be appropriately selected at a temperature higher than the boiling point of the solvent and at a temperature lower than the Tg of the polymeric material of the protective layer. The solvent remaining on the surface of the lithium can be removed through the drying process and the adhesion of the polymer protective film can be improved.

상기 버퍼층(17)은 전극 상에 직접 형성하거나, 별도의 기판에서 형성한 후 얻어진 도막을 전극 상으로 전사할 수 있다. The buffer layer 17 may be formed directly on the electrode or formed on a separate substrate, and then transferred onto the electrode.

본 발명에서 제시하는 전고체 전지(10)는 상기 제시한 바와 같이 고체 전해질의 구성을 한정하고, 이를 구성하는 다른 요소, 즉 양극(15) 및 음극(11)은 본 발명에 특별히 한정하지 않으며 하기 설명을 따른다.The entire solid battery 10 proposed in the present invention defines the structure of the solid electrolyte as described above, and the other components constituting the solid electrolyte 10, namely, the anode 15 and the cathode 11 are not particularly limited to the present invention, Follow the instructions.

전고체 전지(10)의 음극(11)은 리튬 금속을 단독으로 사용하거나 음극 집전체 상에 리튬 금속이 적층된 것을 사용한다. The cathode (11) of the pre-solid electrolyte (10) is made of lithium metal alone or a lithium metal laminated on the anode current collector.

특히, 본 발명에 따른 전고체 전지(10)는 상기 버퍼층(17)의 존재로 인해 고체 전해질(13)로서 황화물계 고체 전해질을 사용하더라도 음극(11)으로서 리튬 금속의 사용이 가능하다. Particularly, in the pre-solid battery 10 according to the present invention, lithium metal can be used as the cathode 11 even if a sulfide-based solid electrolyte is used as the solid electrolyte 13 due to the presence of the buffer layer 17. [

이때 음극 활물질은 리튬 금속 또는 리튬 합금일 수 있다. 상기 리튬 합금은 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속으로 이루어진 합금을 사용할 수 있다.In this case, the negative electrode active material may be a lithium metal or a lithium alloy. The lithium alloy may be an alloy of lithium and at least one metal selected from Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al and Sn.

또한, 음극 집전체는 전고체 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철이 형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 사용될 수 있다. The anode current collector is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing any chemical change in the whole solid battery. For example, the anode current collector may be formed on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, Carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. The negative electrode current collector may be formed in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a nonwoven fabric, and the like having fine irregularities on its surface.

본 발명에 따른 전고체 전지(10)의 양극(15)은 특별히 한정하지 않으며, 공지의 전고체 전지(10)에 사용되는 재질일 수 있다.The anode (15) of the pre-solid battery (10) according to the present invention is not particularly limited and may be a material used for a known pre-solid battery (10).

전극이 양극(15)일 경우 양극 집전체이고, 음극일 경우에는 음극 집전체이다.The electrode is a positive electrode collector when the electrode is the anode 15, and is a negative electrode collector when the electrode is a cathode.

양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, carbon, nickel , Titanium, silver, or the like may be used.

양극 활물질은 전고체 전지(10)의 용도에 따라 달라질 수 있으며, LiNi0.8-xCo 0.2AlxO2, LiCoxMnyO2, LiNixCoyO2, LiNixMnyO2, LiNixCoyMnzO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, LiMnPO4 및 Li4Ti5O12 등의 리튬 전이금속 산화물; Cu2Mo6S8, FeS, CoS 및 MiS 등의 칼코겐화물, 스칸듐, 루테늄, 티타늄, 바나듐, 몰리브덴, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 등의 산화물, 황화물 또는 할로겐화물이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로는, TiS2, ZrS2, RuO2, Co3O4, Mo6S8, V2O5 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material may vary according to the application of the all-solid battery (10), LiNi 0.8-x Co 0.2 AlxO 2, LiCo x Mn y O 2, LiNi x Co y O 2, LiNi x Mn y O 2, LiNi x Co lithium transition metal oxides such as y Mn z O 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 and Li 4 Ti 5 O 12 ; Cu 2 Mo 6 S 8 , chalcogenides such as FeS, CoS and MiS, oxides, sulfides or halides of scandium, ruthenium, titanium, vanadium, molybdenum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, And more specifically TiS 2 , ZrS 2 , RuO 2 , Co 3 O 4 , Mo 6 S 8 , V 2 O 5 and the like may be used, but the present invention is not limited thereto.

양극 활물질의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 입자형, 예컨대 구형, 타원형, 직육면체형 등일 수 있다. 양극 활물질의 평균 입경은 1 내지 50 ㎛ 범위 내일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 양극 활물질의 평균 입경은 예를 들어 주사형 전자현미경에 의하여 관찰되는 활물질의 입경을 측정하고, 이의 평균값을 계산함으로써 얻을 수 있다.The shape of the cathode active material is not particularly limited and may be a particle shape, for example, a spherical shape, an elliptical shape, a rectangular parallelepiped shape, or the like. The average particle diameter of the cathode active material may be within the range of 1 to 50 占 퐉, but is not limited thereto. The average particle diameter of the cathode active material can be obtained, for example, by measuring the particle size of the active material observed by a scanning electron microscope and calculating the average value thereof.

양극(15)에 포함되는 바인더로는 특별히 한정되지 않으며, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE) 등의 불소 함유 바인더가 사용될 수 있다.The binder contained in the anode 15 is not particularly limited, and a fluorine-containing binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used.

바인더의 함량은 양극 활물질을 고정할 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않으며, 양극(15) 전체에 대하여 0 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다.The content of the binder is not particularly limited as long as it can fix the cathode active material, and may be in the range of 0 to 10 wt% with respect to the entire anode 15.

양극(15)에는 추가로 도전재가 포함될 수 있다. 도전재는 양극(15)의 도전성을 향상시킬 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 니켈 분말, 산화 코발트, 산화 티탄, 카본 등을 예시할 수 있다. 카본으로는, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 흑연, 탄소 섬유 및 플러렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 1종 이상을 들 수 있다.The anode 15 may further include a conductive material. The conductive material is not particularly limited as long as it can improve the conductivity of the anode 15, and examples thereof include nickel powder, cobalt oxide, titanium oxide, and carbon. Examples of the carbon include any one selected from the group consisting of Ketjen black, acetylene black, furnace black, graphite, carbon fiber and fullerene, or at least one of them.

이때 도전재의 함량은 도전재의 종류 등 기타 전지의 조건을 고려하여 선택될 수 있으며, 예컨대 양극(15) 전체에 대하여 1 내지 10 중량% 범위 내일 수 있다At this time, the content of the conductive material may be selected in consideration of the conditions of other cells such as the kind of the conductive material, and may be, for example, in the range of 1 to 10 wt%

또한, 본 발명에 따른 전고체 전지(10)의 고체 전해질(13)은 황화물계 고체 전해질(13)이 가능하다. Further, the solid electrolyte 13 of the pre-solid battery 10 according to the present invention can be a sulfide-based solid electrolyte 13.

전고체 전지의 고체 전해질(13)은 고체 전해질 중에 이온전도율이 높고 (10-3 S/cm), 전기화학적 안정성이 우수한 것이면 어느 것이든 사용 가능하며, 그 중에서도 황화물계 고체 전해질(13)일 수 있다. 고체 전해질의 이온 전도도는 10-2 S/cm)로 유기 전해액에 근접한 수준의 이온 전도도를 갖는다. The solid electrolyte 13 of the pre-solid battery may be any solid electrolyte having a high ion conductivity (10 -3 S / cm) and excellent electrochemical stability. Among them, the solid electrolyte 13 may be a sulfide-based solid electrolyte 13 have. The ionic conductivity of the solid electrolyte is 10 -2 S / cm), and the ion conductivity is close to that of the organic electrolyte.

상기 황화물계 고체 전해질(13)은 전극과의 계면 저항이 높다는 문제가 있으나, 상기 제시한 바와 같이 버퍼층(17)의 존재로 인해 이러한 문제를 해소할 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte 13 has a problem in that the interface resistance with the electrode is high. However, this problem can be solved by the presence of the buffer layer 17 as described above.

사용 가능한 황화물계 고체 전해질(13)은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 모든 황화물계 고체 전해질(13)이 사용될 수 있다.The sulfide-based solid electrolytes 13 which can be used are not particularly limited in the present invention, and all the known sulfide-based solid electrolytes 13 may be used.

구체적으로, 상기 황화물계 고체 전해질(13)은 Li2S, Li3PS4, Li7P3S11, SiS2, Al2S3, B2S3, GeS2, P2S3, P2S5, As2S3, Sb2S3 및 Li2SO4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 황 화합물을 포함하고, 여기에 LiF, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)3, Li(CF3SO2) 2N, LiC4F9SO3 및 LiN(CxF2x+1SO2)(CxF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 리튬 불소 화합물, 또는 LiI, Li3PO4, Li4SiO4, Li4GeO4, Li3BO3, Li3AlO3, LiCl, LiBr, Li2O, Li3BO3I, Li2CO3 및 Li3N으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물 등의 조합이 가능하다.Specifically, the sulfide-based solid electrolyte 13 may include at least one of Li 2 S, Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , SiS 2 , Al 2 S 3 , B 2 S 3 , GeS 2 , P 2 S 3 , P 2 S 5, as 2 S 3 , Sb 2 S 3 , and includes at least one sulfur compound selected from the group consisting of Li 2 SO 4, here in LiF, LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAsF 6, LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 and LiN (CxF 2x + 1 SO 2 ) (C x F 2y + 1 SO 2 ) x and y are natural numbers) at least one member selected from the group lithium consisting of fluorine compounds, or LiI, Li 3 PO 4, Li 4 SiO 4, Li 4 GeO 4, Li 3 BO 3, Li 3 AlO 3, LiCl, LiBr , Li 2 O, Li 3 BO 3 I, Li 2 CO 3 and Li 3 N, and the like.

일례로, Li2S-P2S5, Li2S-B2S3, Li2S-Si2S3, Li2S-SiS2, LiI-Li2S-B2S3, LiI-Li2S-SiS2, Li2S-P2S5-Li4SiO, Li2S-Ga2S3-GeS2와 Li2S-Sb2S3-GeS2, Li11Si2PS12, Li10SnP2S12, Li2.2Zn0.1Zr1.9S3 등이 가능하며, 일례로 하기 표 1로 표시되는 티오-LISICON(thio- (lithium super ionic conductor)계 고체 전해질의 사용이 가능하다.For example, Li 2 SP 2 S 5, Li 2 SB 2 S3, Li 2 S-Si 2 S 3, Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 SB 2 S 3, LiI-Li 2 S-SiS 2, Li 2 SP 2 S 5 -Li 4 SiO, Li 2 S-Ga 2 S 3 -GeS 2 and Li 2 S-Sb 2 S 3 -GeS 2 , Li 11 Si 2 PS 12 , Li 10 SnP 2 S 12 , Li 2.2 Zn 0.1 Zr 1.9 S 3 , and the like. For example, a thio- (lithium super ionic conductor) solid electrolyte represented by the following Table 1 can be used.

화합물compound 재료material 이온 전도도Ion conductivity Li2S-P2S5 Li 2 SP 2 S 5 80Lis2-20P2S5 80Lis 2 -20P 2 S 5 3.2 × 10-3 S·cm-1 3.2 x 10 -3 S · cm -1 70Li2S-20P2S6 70Li 2 S-20P 2 S 6 2.1 × 10-3 S·cm-1 2.1 × 10 -3 S · cm -1 Li2S-P2S5-LiI Li 2 SP 2 S 5 -Li I 10-3 S·cm-1 10 -3 S · cm -1 Li2S-P2S5 글래스세라믹Li 2 SP 2 S 5 Glass ceramic 32 × 10-3 S·cm-1 32 × 10 -3 S · cm -1 LiI-Li2S-P2S5-P2O5 LiI-Li 2 SP 2 S5-P 2 O 5 1 × 10-7 S·cm-1 1 × 10 -7 S · cm -1 Li2S-SiS2 Li 2 S-SiS 2 Li2S-SiS2 Li 2 S-SiS 2 2 × 10-3 S·cm-1 2 × 10 -3 S · cm -1 0.6Li2S-0.4SiS2 0.6Li 2 S-0.4SiS 2 8 × 10-3 S·cm-1(30% LiI doped)8 × 10 -3 S · cm -1 (30% LiI doped) Li2S-SiS2-Li3PO4 Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 7.6 × 10-4 S·cm-1 7.6 × 10 -4 S · cm -1 0.97[0.6Li2S-0.4SiS2]-0.03 Li4SiO4 0.97 [0.6Li 2 S-0.4SiS 2 ] -0.03 Li 4 SiO 4 1.5 × 10-3 S·cm-1 1.5 × 10 -3 S · cm -1 Li2S-SiS2-LiSiO4 Li 2 S-SiS 2 -LiSiO 4 1.1 × 10-4 S·cm-1 1.1 × 10 -4 S · cm -1 Li2-SiS2-LixMoy Li 2 -SiS 2 -Li x Mo y 1.1 × 10-3 S·cm-1 (M = Si, p)
7 × 10-3 S·cm-1 (M = Ge)
1.1 × 10 -3 S · cm -1 (M = Si, p)
7 × 10 -3 S · cm -1 (M = Ge)
Li3.4Si0.4P0.6S4 Li 3.4 Si 0.4 P 0.6 S 4 6.4 × 10-4 S·cm-1 6.4 × 10 -4 S · cm -1 Li2S-GeS2 Li 2 S-GeS 2 Li2-GeS2-LiI Li 2 -GeS 2 -Li I 10-5 S·cm-1 10 -5 S · cm -1 Li4GeS4 Li 4 GeS 4 10-3 S·cm-1 10 -3 S · cm -1 Li3.35Ge0.35P0.65S4 Li 3.35 Ge 0.35 P 0.65 S 4 2.39 × 10-3 S·cm-1 2.39 × 10 -3 S · cm -1 95Li3PS4·5Li4GeS4 95Li 3 PS 4 · 5Li 4 GeS 4 9.9 × 10-3 S·cm-1 9.9 × 10 -3 S · cm -1 Li4-xGe1-xPxS4 Li 4-x Ge 1-x P x S 4 10-3 S·cm-1 10 -3 S · cm -1 Li3PS4 Li 3 PS 4 1.5 × 10-4 S·cm-1 1.5 × 10 -4 S · cm -1 Li4SiPS4 Li 4 SiPS 4 6.4 × 10-4 S·cm-1 6.4 × 10 -4 S · cm -1 Li4GePS4 Li 4 GePS 4 2.2 × 10-3 2.2 x 10 -3

황화물계 고체 전해질(13)은 결정질 또는 비정질 모두 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 그리고 그 형태에 있어서도 특별히 제한되지 않으나 평균 입경이 0.1μm 내지 50μm의 범위 내인 것이 바람직하다. The sulfide-based solid electrolyte 13 can be either crystalline or amorphous, and is not particularly limited in the present invention. Also, although the shape is not particularly limited, it is preferable that the average particle diameter is within the range of 0.1 μm to 50 μm.

이러한 황화물계 고체 전해질층(13)의 두께는 전고체 전지(10)의 구조에 따라 크게 상이하다. 그러나, 예를 들면, 0.1 ㎛ 이상 1 mm 이하가 바람직하고, 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이러한 고체 전해질(13)은 리튬 이온 전도성이 높은 것이 바람직하다. The thickness of the sulfide-based solid electrolyte layer 13 greatly differs depending on the structure of the pre-solid battery 10. However, for example, it is preferably 0.1 m or more and 1 mm or less, and more preferably 1 m or more and 100 m or less. It is preferable that such a solid electrolyte 13 has a high lithium ion conductivity.

전술한 바의 구성을 갖는 전고체 전지(10)의 제조는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지의 방법을 통해 제조가 가능하다.  The production of the all-solid-state cell 10 having the above-described structure is not particularly limited in the present invention, and can be manufactured by a known method.

일례로, 양극(15) 및 음극(11) 사이에 고체 전해질(13)을 배치시킨 후 이를 압축 성형하여 셀을 조립한다. For example, the solid electrolyte 13 is disposed between the anode 15 and the cathode 11, and the cell is assembled by compression molding.

이때 버퍼층(17)은 상기 음극(11) 상에 형성하거나 고체 전해질(13) 상에 형성한 후 조립할 수 있다. 또는, 별도로 버퍼층(17)을 제조한 후 상기 음극(11)과 고체 전해질(13) 사이에 배치하여 셀을 조립한다.At this time, the buffer layer 17 may be formed on the cathode 11 or may be formed on the solid electrolyte 13 and assembled. Alternatively, the buffer layer 17 may be prepared separately, and then the cathode 11 may be disposed between the cathode 11 and the solid electrolyte 13 to assemble the cells.

상기 조립된 셀은 외장재 내에 설치한 후 가열 압축 등에 의해 봉지한다. 외장재로는 알루미늄, 스테인레스 등의 라미네이트 팩, 원통형이나 각형의 금속제 용기가 매우 적합하다.The assembled cell is installed in the casing and then sealed by heat compression or the like. Laminate packs made of aluminum, stainless steel or the like, and cylindrical or square metal containers are very suitable for the exterior material.

본 발명에서 제시하는 전고체 전지(10)는 음극(11)으로 리튬 금속을, 고체 전해질(13)로 황화물계 고체 전해질(13)을 사용하더라도 안전한 전지 구동이 가능하여 고용량의 전고체 전지(10)의 구현이 가능하다. The entire solid battery 10 proposed in the present invention can operate safely even if lithium metal is used for the cathode 11 and the sulfide-based solid electrolyte 13 is used for the solid electrolyte 13, ) Can be implemented.

일례로, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.For example, portable devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, power tools; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle, and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV); Or a power storage system, as shown in FIG.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. Changes and modifications may fall within the scope of the appended claims.

[실시예][Example]

실시예 1: 전고체 전지의 제조(Half-cell)Example 1: Preparation of Whole Solid Battery (Half-cell)

에틸렌 옥사이드(ethylene oxide: EO)/Li=9인 비율로 용매에 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 LiTFSI 리튬염을 넣어 버퍼층 형성용 코팅액을 제조하였다. 상기 코팅액을 음극으로 리튬 금속(150㎛) 상에 도포 후 건조하여 20㎛의 버퍼층을 형성하였다.Polyethylene oxide (PEO) and LiTFSI lithium salt were added to the solvent at a ratio of ethylene oxide (EO) / Li = 9 to prepare a coating solution for forming a buffer layer. The coating solution was coated on lithium metal (150 mu m) as a negative electrode and dried to form a 20 mu m buffer layer.

상기 버퍼층이 형성된 Li극을 Li10SnP2S12 300 mg으로 제조된 고체 전해질 층 양면에 오도록 하여 Li-Li symmetric cell을 제작하였다. 리튬 대극을 사용하여 Φ14의 크기로 타발한 뒤, 100MPa로 압착하고, 코인 타입의 반쪽셀을 제조하였다.The Li electrode where the buffer layer was formed was called Li 10 SnP 2 S 12 Li-Li symmetric cell was fabricated on both sides of the solid electrolyte layer made of 300 mg. A lithium counter electrode was used to strike at a size of? 14, and then pressed at 100 MPa to prepare a coin-type half cell.

비교예 1: 전고체 전지의 제조Comparative Example 1: Preparation of all solid batteries

버퍼층을 형성하지 않고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 코인 타입의 Li-Li symmetric 셀을 제조하였다.A coin-type Li-Li symmetric cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that a buffer layer was not formed.

실험예 1: 계면 저항 특성 평가Experimental Example 1: Evaluation of interfacial resistance characteristics

상기 실시예 1 및 비교예 1의 전지를 이용하여 버퍼층의 적용에 따라 음극과 고체 전해질 간의 계면 저항 변화를 측정하였다.Using the cells of Example 1 and Comparative Example 1, the change of the interface resistance between the negative electrode and the solid electrolyte was measured according to the application of the buffer layer.

도 2는 비교예 1에서 제조된 전지의 계면 저항을 보여주는 그래프로서, 전지 구동 24시간 이후 계면 저항이 급격히 증가함을 알 수 있다.FIG. 2 is a graph showing the interfacial resistance of the battery manufactured in Comparative Example 1, showing that the interfacial resistance rapidly increased after 24 hours of battery operation.

도 3은 실시예 1과 비교예 1의 시간에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 비교예 1과 같이 버퍼층이 없는 경우 시간이 지남에 따라 계면 저항이 비례적으로 크게 증가한 반면에, 실시예 1과 같이 버퍼층을 적용할 경우 상기 계면 저항의 증가가 거의 이뤄지지 않음을 알 수 있다.FIG. 3 is a graph showing resistance changes with time in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. Referring to FIG. 3, when the buffer layer is absent as in Comparative Example 1, the interface resistance increases proportionally with time, whereas when the buffer layer is applied as in Embodiment 1, the interface resistance hardly increases .

실시예 2: 전고체 전지의 제조(full-cell)Example 2: Preparation of full solid cell (full-cell)

몰타르(mortar)에 활물질 TiS2와 고체전해질 Li10SnP2S12을 1:2 중량비로 3g을 넣고, 5분간 hand mixing 하여 양극 복합 분말을 제조하였다.The positive electrode composite powder was prepared by adding 3 g of active material TiS 2 and solid electrolyte Li 10 SnP 2 S 12 at a weight ratio of 1: 2 to the mortar and hand mixing for 5 minutes.

지름 Φ 16mm의 금형 몰드에 고체 전해질로 Li10SnP2S12 300 mg을 투여한 다음 400 MPa의 압력으로 인가하여 고체전해질 층을 형성하였다.A solid electrolyte layer was formed by applying 300 mg of Li 10 SnP 2 S 12 as a solid electrolyte to a mold having a diameter of Φ 16 mm and applying it at a pressure of 400 MPa.

이어 금형몰드의 장축을 뽑아 상기 고체전해질 층의 한쪽 면에 상기 제조한 혼합 분체 0.025g을 투입하고, 25℃에서 유압프레스기로 400MPa의 압력으로 인가하여 양극층을 제조하였다.Then, the long axis of the mold mold was drawn out, and 0.025 g of the prepared mixed powder was put on one side of the solid electrolyte layer, and the positive electrode layer was prepared by applying a pressure of 400 MPa at 25 캜 in a hydraulic press machine.

에틸렌 옥사이드(ethylene oxide: EO)/Li=9인 비율로 용매에 제조하였다. 상기 코팅액을 음극 리튬 금속(150㎛) 상에 도포 후 건조하여 10 ㎛의 버퍼층을 형성하였다.Ethylene oxide (EO) / Li = 9 in a solvent. The coating solution was coated on a negative electrode lithium metal (150 mu m) and dried to form a buffer layer having a thickness of 10 mu m.

이후 양극이 형성된 반대면 (금형몰드의 단축이 닿아있는 부분)에 상기 버퍼층이 형성된 Li 호일을 넣고 100 MPa의 압력으로 10초간 프레스하였다.Then, an Li foil having the buffer layer formed thereon was put on the opposite surface (the portion where the short axis of the mold mold reached) on which the anode was formed, and pressed at a pressure of 100 MPa for 10 seconds.

완성된 펠릿(전지구성체)을 꺼내어 코인셀에 넣고 조립하여 전지를 완성하였다.The completed pellet (cell structure) was taken out and placed in a coin cell and assembled to complete the cell.

실험예 2: 전지 특성 평가Experimental Example 2: Evaluation of cell characteristics

상기 실시예 2에서 제조한 전고체 전지의 전지 특성을 60℃에서 1.5V 내지 3.0V 영역에서 0.1C 조건으로 전고체 전지의 충방전을 수행하였고, 얻어진 결과를 도 4에 나타내었다.Charging and discharging of all solid-state batteries were performed at 60 ° C in the range of 1.5V to 3.0V at 0.1C, and the results obtained are shown in FIG.

도 4는 실시예 2에서 제조한 전고체 전지의 전지 특성을 보여주는 것으로, 66회 사이클까지 87%의 용량을 유지함을 알 수 있는바, 초기 용량 발현 및 사이클 성능 면에서 우수한 특성을 보이는 전지 제작이 가능함을 알 수 있다. FIG. 4 shows the battery characteristics of the all-solid battery prepared in Example 2, showing that the capacity was maintained at 87% up to the 66th cycle, and the battery production showing excellent characteristics in terms of initial capacity and cycle performance It is possible to know.

본 발명에 따른 전고체 전지는 다양한 기술분야에서 고용량 고출력 전지로서 응용 가능하다.The pre-solid battery according to the present invention can be applied as a high capacity high output battery in various technical fields.

10: 전고체 전지 11: 음극
13: 고체 전해질 15: 양극
17: 버퍼층
10: all solid state batteries 11: cathode
13: solid electrolyte 15: anode
17: buffer layer

Claims (8)

양극과 음극 및 이들 사이에 개재된 황화물계 고체 전해질을 구비한 전고체 전지에 있어서,
상기 음극과 황화물계 고체 전해질 사이에 리튬 이온 전도성 고분자 및 리튬염을 포함하는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
In an all-solid-state cell having an anode, a cathode, and a sulfide-based solid electrolyte interposed therebetween,
And a buffer layer comprising a lithium ion conductive polymer and a lithium salt between the cathode and the sulfide-based solid electrolyte.
제1항에 있어서,
상기 리튬 이온 전도성 고분자는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴. 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로포스페이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌이민, 및 폴리에틸렌 설파이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
The method according to claim 1,
The lithium ion conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile. Wherein the polymer electrolyte is at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluorophosphate, polyvinyl acetate, polyethyleneimine, and polyethylene sulfide.
제1항에 있어서,
상기 리튬 이온 전도성 고분자는 중량평균분자량이 10,000 내지 5,000,000 g/mol인 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium ion conductive polymer has a weight average molecular weight of 10,000 to 5,000,000 g / mol.
제1항에 있어서,
상기 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, (FSO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬 및 리튬 이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
The method according to claim 1,
The lithium salt is LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (FSO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylate lithium, And at least one member selected from the group consisting of iron and iron.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 두께가 1 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the buffer layer has a thickness of 1 to 10 mu m.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 리튬 이온 전도도가 1×10-5 S/cm 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the buffer layer has a lithium ion conductivity of 1 x 10 < -5 > S / cm or more.
제1항에 있어서,
상기 음극은 리튬 금속 또는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속으로 이루어진 리튬 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the negative electrode comprises lithium metal or a lithium alloy composed of lithium and at least one metal selected from Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, A pre-solid state battery.
제1항에 있어서,
상기 황화물계 고체 전해질은 Li2S, Li3PS4, Li7P3S11, SiS2, Al2S3, B2S3, GeS2, P2S3, P2S5, As2S3, Sb2S3, 및 Li2SO4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 황 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고체 전지
The method according to claim 1,
The sulfide-based solid electrolyte may be selected from the group consisting of Li 2 S, Li 3 PS 4 , Li 7 P 3 S 11 , SiS 2 , Al 2 S 3 , B 2 S 3 , GeS 2 , P 2 S 3 , P 2 S 5 , As 2 S 3 , Sb 2 S 3 , and Li 2 SO 4 .
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