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KR20210137263A - All-solid state composite electrode based on metal support and method of manufacturing thereof and all-solid state secondary battery including the same - Google Patents

All-solid state composite electrode based on metal support and method of manufacturing thereof and all-solid state secondary battery including the same Download PDF

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KR20210137263A
KR20210137263A KR1020200054251A KR20200054251A KR20210137263A KR 20210137263 A KR20210137263 A KR 20210137263A KR 1020200054251 A KR1020200054251 A KR 1020200054251A KR 20200054251 A KR20200054251 A KR 20200054251A KR 20210137263 A KR20210137263 A KR 20210137263A
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Abstract

Disclosed are a metal support-based all-solid-state composite electrode, a method for manufacturing the same, and an all-solid-state secondary battery having the same, wherein a metal support is used instead of a conductive agent to secure electrical conductivity, and an electrode active material and a solid electrolyte are complexed through high-temperature compression sintering to secure interfacial stability in a composite electrode. A method for manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode according to the present invention includes the steps of: preparing the metal support; applying the electrode active material and a solid electrolyte composite solution on the metal support; and high-temperature compression sintering the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution.

Description

금속 지지체 기반 전고상 복합전극 및 그 제조 방법과 이를 갖는 전고상 이차전지{ALL-SOLID STATE COMPOSITE ELECTRODE BASED ON METAL SUPPORT AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF AND ALL-SOLID STATE SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}Metal support-based all-solid-state composite electrode, manufacturing method thereof, and all-solid-state secondary battery having same

본 발명은 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 및 그 제조 방법과 이를 갖는 전고상 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도전제 대신 금속 지지체를 사용하여 전기 전도도를 확보하고, 고온 압축 소결을 통하여 전극 활물질과 고체 전해질을 복합화시키는 것에 의해 복합전극 내의 계면 안정성을 확보할 수 있는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 및 그 제조 방법과 이를 갖는 전고상 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a metal support-based all-solid-state composite electrode, a method for manufacturing the same, and an all-solid-state secondary battery having the same, and more particularly, to secure electrical conductivity by using a metal support instead of a conductive agent, and to obtain an electrode active material through high-temperature compression sintering The present invention relates to a metal support-based all-solid-state composite electrode capable of securing interfacial stability in a composite electrode by complexing a solid electrolyte with a composite electrode, a method for manufacturing the same, and an all-solid-state secondary battery having the same.

전고상 이차전지의 전극은 기존의 리튬 이차전지의 전극(액체-고체)과 달리 전극 활물질과 고체 전해질 고체-고체 계면으로 형성되어 있어 계면에서 높은 안정성(낮은 저항)을 가지는 것이 중요하다.Unlike the electrode (liquid-solid) of the conventional lithium secondary battery, the electrode of the all-solid-state secondary battery is formed of the electrode active material and the solid electrolyte solid-solid interface, so it is important to have high stability (low resistance) at the interface.

종래의 전고상 전지용 전극은 고체 전해질과의 계면 안정성 확보를 위해서 박막구조를 가지나 이러한 박막 구조를 가지는 전고상 이차전지는 낮은 용량으로 다양한 분야에 사용을 하기 위해서 제약을 받고 있다.Conventional all-solid-state battery electrodes have a thin-film structure to secure interfacial stability with a solid electrolyte, but all-solid-state secondary batteries having such a thin-film structure are limited in order to be used in various fields with low capacity.

최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해서 전고상 이차전지의 전극 활물질의 증가를 위한 연구가 많이 진행되고 있으나, 단순 복합화를 통한 전극 활물질 증가 시 전고상 전극 내에 고체 전해질과 도전제의 함량이 저하된다. 이 결과, 전극이 가지는 이온 전도도 및 전기 전도도 저하뿐만 아니라 고체 전해질과 전극 활물질 계면에서 안전성 저하 및 기계적 강도 저하로 인하여 성능 저하되는 문제가 있었다.Recently, in order to solve this problem, many studies have been conducted to increase the electrode active material of the all-solid-state secondary battery. However, when the electrode active material is increased through simple compounding, the content of the solid electrolyte and the conductive agent in the all-solid-state electrode is reduced. As a result, there was a problem in that the performance was deteriorated due to a decrease in safety and mechanical strength at the interface between the solid electrolyte and the electrode active material as well as a decrease in ionic and electrical conductivity of the electrode.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0073719호(2014.06.17. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 고상 전해질의 전극과의 접촉저항을 최소화하기 위한 유연성을 가지는 전고상 전지 제작 방법이 기재되어 있다.As a related prior document, there is Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0073719 (published on Jun. 17, 2014), which discloses a method for manufacturing an all-solid-state battery having flexibility to minimize contact resistance of a solid-state electrolyte with an electrode. is described.

본 발명의 목적은 도전제 대신 금속 지지체를 사용하여 전기 전도도를 확보하고, 고온 압축 소결을 통하여 전극 활물질과 고체 전해질을 복합화시키는 것에 의해 복합전극 내의 계면 안정성을 확보할 수 있는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 및 그 제조 방법과 이를 갖는 전고상 이차전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to secure electrical conductivity by using a metal support instead of a conductive agent, and by compounding an electrode active material and a solid electrolyte through high-temperature compression sintering, a metal support-based all-solid-state composite that can secure interfacial stability in a composite electrode An electrode, a method for manufacturing the same, and an all-solid-state secondary battery having the same are provided.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법은 금속 지지체를 준비하는 단계; 상기 금속 지지체 상에 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 도포하는 단계; 및 상기 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 도포된 금속 지지체를 고온 압축 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A metal support-based all-solid-state composite electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of preparing a metal support; applying an electrode active material and a solid electrolyte composite solution on the metal support; and high-temperature compression sintering of the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution.

상기 금속 지지체는 플레이트 구조 또는 메시 구조를 가지며, 0.1 ~ 2mm의 두께를 갖는다.The metal support has a plate structure or a mesh structure, and has a thickness of 0.1 to 2 mm.

이때, 상기 금속 지지체는 Ni, NiCo, Cu, Al 및 SUS 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 재질을 이용한다.At this time, the metal support uses a metal material including at least one selected from Ni, NiCo, Cu, Al, and SUS.

상기 전극 활물질 및 고체 전해질 각각은 상기 금속 지지체의 표면 또는 내부에 배치된다.Each of the electrode active material and the solid electrolyte is disposed on or inside the metal support.

상기 전극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiNi2O4, LiMn2O4, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (여기서, 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNixCoyAlzO2 및 LiNi0.5Mn1.5O4중 선택된 1종 이상을 포함한다.The electrode active material is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , Li(Ni 1-xy Mn x Co y )O 2 (where 0 < x ≤ 2) , 0 < y ≤ 2), LiNi x Co y Al z O 2 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 At least one selected from the group consisting of.

또한, 상기 고체 전해질은 Li-La-M-O계(여기서, M은 Co, B, Zr, Mn, Ni 및 P 중 어느 하나임), Li-B-O계, Li-P-O계, Li-S계 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In addition, the solid electrolyte is one selected from Li-La-MO-based (where M is any one of Co, B, Zr, Mn, Ni, and P), Li-BO, Li-PO, and Li-S. includes more than one species.

아울러, 상기 전극 활물질 및 고체 전해질은 5 : 1 ~ 1 : 3의 중량비로 첨가하는 것이 바람직하다.In addition, the electrode active material and the solid electrolyte are preferably added in a weight ratio of 5: 1 to 1: 3.

상기 고온 압축 소결은 핫 프레스(hot press) 및 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 중 선택된 어느 하나의 방식으로 실시한다.The high-temperature compression sintering is performed by any one method selected from hot press and spark plasma sintering.

여기서, 상기 고온 압축 소결은 600 ~ 750℃ 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.Here, the high-temperature compression sintering is preferably carried out at 600 ~ 750 ℃ conditions.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고상 복합전극은 금속 지지체; 상기 금속 지지체에 코팅된 전극 활물질; 및 상기 금속 지지체에 코팅되며, 상기 전극 활물질과 혼합된 고체 전해질;을 포함하는 것을 특징으로 한다.A metal support-based all-solid-state composite electrode according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a metal support; an electrode active material coated on the metal support; and a solid electrolyte coated on the metal support and mixed with the electrode active material.

상기 금속 지지체는 플레이트 구조 또는 메시 구조를 가지며, 0.1 ~ 2mm의 두께를 갖는다.The metal support has a plate structure or a mesh structure, and has a thickness of 0.1 to 2 mm.

이때, 상기 금속 지지체는 Ni, NiCo, Cu, Al 및 SUS 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 재질을 이용한다.At this time, the metal support uses a metal material including at least one selected from Ni, NiCo, Cu, Al, and SUS.

상기 전극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiNi2O4, LiMn2O4, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (여기서, 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNixCoyAlzO2 및 LiNi0.5Mn1.5O4 중 선택된 1종 이상을 포함한다.The electrode active material is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , Li(Ni 1-xy Mn x Co y )O 2 (where 0 < x ≤ 2) , 0 < y ≤ 2), LiNi x Co y Al z O 2 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 At least one selected from the group consisting of.

또한, 상기 고체 전해질은 Li-La-M-O계(여기서, M은 Co, B, Zr, Mn, Ni 및 P 중 어느 하나임), Li-B-O계, Li-P-O계, Li-S계 중 선택된 1종 이상을 포함한다.In addition, the solid electrolyte is one selected from Li-La-MO-based (where M is any one of Co, B, Zr, Mn, Ni, and P), Li-BO, Li-PO, and Li-S. includes more than one species.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고상 복합전극을 갖는 전고상 이차전지는 전고상 복합전극인 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치된 전해질층; 및 상기 전해질층 상에 배치된 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.An all-solid-state secondary battery having a metal support-based all-solid-state composite electrode according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a first electrode that is an all-solid-state composite electrode; an electrolyte layer disposed on the first electrode; and a second electrode disposed on the electrolyte layer.

또한, 상기 전고상 전지는 상기 제1 전극의 하부에 배치된 전류 집전체; 상기 전류 집전체, 제1 전극, 고체 전해질층 및 제2 전극의 측면을 감싸 보호하는 절연체; 상기 전류 집전체 및 절연체의 하부를 덮는 제1 캡; 및 상기 제2 전극 및 절연체의 상부를 덮는 제2 캡;을 더 포함할 수 있다.In addition, the all-solid-state battery may include a current collector disposed under the first electrode; an insulator surrounding and protecting side surfaces of the current collector, the first electrode, the solid electrolyte layer, and the second electrode; a first cap covering lower portions of the current collector and the insulator; and a second cap covering upper portions of the second electrode and the insulator.

본 발명은 전고상 복합전극의 형성 시 금속 지지체를 활용하여 전고상 복합전극 내의 전기 전도도를 확보하고, 고온 압축 소결을 통하여 전극 활물질과 고체 전해질을 금속 지지체에 복합화시키는 것에 의해 복합전극 내의 계면 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.The present invention secures the electrical conductivity in the all-solid-state composite electrode by using a metal support when forming the all-solid-state composite electrode, and combines the electrode active material and the solid electrolyte with the metal support through high-temperature compression sintering to improve interfacial stability in the composite electrode. be able to improve

아울러, 본 발명은 플레이트 구조 또는 메시 구조를 갖는 금속 지지체를 사용함으로서 전고상 복합전극이 가지는 기계적 강도를 크게 증가시킬 수 있다.In addition, the present invention can greatly increase the mechanical strength of the all-solid-state composite electrode by using a metal support having a plate structure or a mesh structure.

또한, 본 발명은 금속 지지체 기반 전고상 복합전극의 형성시 복합전극 내의 고체 전해질과 금속 지지체를 통해서 전고상 복합전극 내에 리튬 이온과 전자의 이동도를 확보할 수 있다.In addition, the present invention can secure the mobility of lithium ions and electrons in the all-solid-state composite electrode through the solid electrolyte and the metal support in the composite electrode when the metal support-based all-solid-state composite electrode is formed.

아울러, 본 발명은 금속 지지체를 사용하는 것에 의해 전극 활물질을 보다 증가시킬 수 있으므로 높은 에너지 밀도를 가질 수 있으며, 고온 압축 소결을 통하여 금속 지지체에 전극 활물질 및 고체 전해질이 압착되는 형태로 제조되므로, 금속 지지체와 전극 활물질 및 고체 전해질 간의 계면 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, the present invention can have a high energy density because the electrode active material can be further increased by using the metal support, and is manufactured in a form in which the electrode active material and the solid electrolyte are compressed on the metal support through high-temperature compression sintering, so that the metal Interfacial stability between the support and the electrode active material and the solid electrolyte may be improved.

이 결과, 본 발명은 전고상 이차전지가 가지는 기계적 강도 및 전극 안정성을 향상시킬 수 있으며, 성능을 장시간 유지할 수 가능성을 보다 확대하는 것에 의해, 이와 관련된 산업체의 대외경쟁력을 확보할 수 있다.As a result, the present invention can improve the mechanical strength and electrode stability of the all-solid-state secondary battery, and by further expanding the possibility of maintaining the performance for a long time, it is possible to secure the external competitiveness of related industries.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전고상 이차전지를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 3은 도 2의 B 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 4 및 도 5는 도 3의 금속 지지체를 확대하여 나타낸 평면도들.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고성 복합전극 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 전극을 적용한 전고상 이차전지에 대한 전기화학적 특성 측정 결과를 나타낸 그래프.
1 is a cross-sectional view showing an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view of part A of FIG. 1;
3 is a cross-sectional view showing an enlarged portion B of FIG.
4 and 5 are enlarged plan views of the metal support of FIG. 3 .
6 is a process flowchart illustrating a method for manufacturing a metal support-based all-solidity composite electrode according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the electrochemical property measurement results of the all-solid-state secondary battery to which the electrode prepared according to Example 1 is applied.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be embodied in various different forms, only this embodiment allows the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 및 그 제조 방법과 이를 갖는 전고상 이차전지에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a metal support-based all-solid-state composite electrode according to a preferred embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and an all-solid-state secondary battery having the same will be described in detail as follows.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전고상 이차전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating an all-solid-state secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of part A of FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전고상 이차전지(800)는 제1 전극(100), 전해질층(200) 및 제2 전극(300)을 포함한다.1 and 2 , an all-solid-state secondary battery 800 according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 100 , an electrolyte layer 200 , and a second electrode 300 .

제1 전극(100)은 양극으로 사용될 수 있다. 이때, 제1 전극(100)은 금속 지지체, 전극 활물질 및 고체 전해질을 포함한다. 이러한 제1 전극(100)의 세부 구성에 대해서는 후술하도록 한다.The first electrode 100 may be used as an anode. In this case, the first electrode 100 includes a metal support, an electrode active material, and a solid electrolyte. A detailed configuration of the first electrode 100 will be described later.

전해질층(200)은 제1 전극(100) 상에 배치된다. 이때, 전해질층(200)으로는 세라믹계 고상 전해질 또는 유기 고체 전해질이 이용될 수 있다. 세라믹계 고상 전해질로는 Li-La-M-O계(여기서, M은 Co, B, Zr, Mn, Ni 및 P 중 어느 하나임), Li-B-O계, Li-P-O계, Li-S계 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 유기 고체 전해질로는 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리 에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴 중 선택된 1종 이상에 리튬염을 혼합한 것이 이용될 수 있다.The electrolyte layer 200 is disposed on the first electrode 100 . In this case, a ceramic-based solid electrolyte or an organic solid electrolyte may be used as the electrolyte layer 200 . As the ceramic solid electrolyte, one selected from Li-La-MO-based (where M is any one of Co, B, Zr, Mn, Ni, and P), Li-BO, Li-PO, and Li-S More than one species may be used. Examples of the organic solid electrolyte include a lithium salt in at least one selected from polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, and polyvinylidene fluoride. A mixture of may be used.

제2 전극(300)은 전해질층(200) 상에 배치된다. 이러한 제2 전극(300)은 음극으로 사용될 수 있다. 이때, 제2 전극(300)은 리튬을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 제2 전극(300)은 리튬 금속, 리튬 합금, 리튬 산화물 및 리튬 화합물 중 선택된 1종 이상을 이용하여 형성될 수 있다. 리튬 합금은 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어진 그룹에서 선택되는 금속 합금이 이용될 수 있다. 또한, 리튬 화합물은 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 예를 들어 주석(Sn), 산화 주석(SnO2), 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 나이트레이트 등에서 선택될 수 있다.The second electrode 300 is disposed on the electrolyte layer 200 . This second electrode 300 may be used as a cathode. In this case, the second electrode 300 may be formed of a material containing lithium. That is, the second electrode 300 may be formed using at least one selected from lithium metal, lithium alloy, lithium oxide, and lithium compound. As the lithium alloy, a metal alloy selected from the group consisting of lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al and Sn may be used. In addition, the lithium compound is a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, for example, tin (Sn), tin oxide (SnO 2 ), silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ), titanium nitrates and the like.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전고상 이차전지(800)는 전류 집전체(400), 절연체(500), 제1 캡(600) 및 제2 캡(700)을 더 포함할 수 있다.In addition, the all-solid-state secondary battery 800 according to the embodiment of the present invention may further include a current collector 400 , an insulator 500 , a first cap 600 , and a second cap 700 .

전류 집전체(400)는 제1 전극(100)의 하부에 배치된다. 이러한 전류 집전체(400)는 일반적인 금속박막이 사용될 수 있으며, 구체적으로는 Cu, Ni, Li, SUS, Al 등에서 선택된 어느 하나의 금속박막이 이용될 수 있다.The current collector 400 is disposed under the first electrode 100 . As the current collector 400, a general metal thin film may be used, and specifically, any one metal thin film selected from Cu, Ni, Li, SUS, Al, and the like may be used.

절연체(500)는 전류 집전체(400), 제1 전극(100), 전해질충(200) 및 제2 전극(300)의 측면을 감싸 보호한다. 이러한 절연체(400)로는 절연성을 갖는 것이라면 특별히 제한 없이 사용될 수 있으며, 일 예로 PET(polyethylene terephthalate) 재질이 이용될 수 있다.The insulator 500 surrounds and protects the sides of the current collector 400 , the first electrode 100 , the electrolyte charge 200 , and the second electrode 300 . The insulator 400 may be used without particular limitation as long as it has insulating properties, and as an example, a PET (polyethylene terephthalate) material may be used.

제1 캡(600)은 전류 집전체(400) 및 절연체(500)의 하부를 덮고, 제2 캡(700)은 제2 전극(300) 및 절연체(500)의 상부를 덮는다. 이러한 제1 및 제2 캡(600, 700) 각각으로는 Au가 코팅된 SUS(stainless steel) 재질이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first cap 600 covers the lower portions of the current collector 400 and the insulator 500 , and the second cap 700 covers the second electrode 300 and the upper portions of the insulator 500 . Each of the first and second caps 600 and 700 may be made of a stainless steel (SUS) material coated with Au, but is not limited thereto.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 제1 전극인 금속 지지체 기반 전고상 복합전극에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the metal support-based all-solid-state composite electrode, which is the first electrode, will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 도 2의 B 부분을 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 금속 지지체를 확대하여 나타낸 평면도들로, 도 2와 연계하여 설명하도록 한다.FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of part B of FIG. 2 , and FIGS. 4 and 5 are plan views showing enlarged views of the metal support of FIG. 3 , which will be described in conjunction with FIG. 2 .

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극인 금속 지지체 기반 전고상 복합전극(100)은 금속 지지체(120), 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160)을 포함한다.As shown in FIGS. 2 and 3 , the first electrode, the metal support-based all-solid-state composite electrode 100 , includes a metal support 120 , an electrode active material 140 , and a solid electrolyte 160 .

이러한 금속 지지체(120)는, 기존의 분말 형태의 도전제를 사용하는 것이 아니라, 강성이 우수한 금속 재질의 구조물이 이용된다.The metal support 120 does not use a conventional powder-type conductive agent, but a structure made of a metal material having excellent rigidity.

이러한 금속 지지체(120)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 기공을 갖는 메시 구조를 가질 수 있다. 또한, 금속 지지체(120)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 일체형의 플레이트 구조를 가질 수도 있다.As shown in FIG. 4 , the metal support 120 may have a mesh structure having a plurality of pores. Also, the metal support 120 may have an integrated plate structure, as shown in FIG. 5 .

이와 같이, 본 발명에서는 메시 구조 또는 플레이트 구조의 금속 구조물인 금속 지지체(120)를 사용하는 것에 의해, 전고성 복합전극(100)의 강도 및 강성 확보가 가능하여 우수한 기계적 물성을 가질 수 있게 된다. 이를 위해, 금속 지지체(120)의 재질로는 Ni, NiCo, Cu, Al 및 SUS(stainless steel) 중 선택된 1종 이상을 이용하는 것이 바람직하다.As described above, in the present invention, by using the metal support 120 , which is a metal structure having a mesh structure or a plate structure, it is possible to secure the strength and rigidity of the all-high-performance composite electrode 100 , so that it can have excellent mechanical properties. To this end, it is preferable to use at least one selected from among Ni, NiCo, Cu, Al, and stainless steel (SUS) as a material of the metal support 120 .

이러한 금속 지지체(120)는 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160)이 코팅된 상태에서 고온 압축 소결을 통하여 압착이 이루어지게 된다. 이러한 고온 압축 공정을 통한 소결 효과로 인해 최종 소결된 금속 지지체(120)를 포함하는 복합전극의 두께는 50% 이하로 감소하게 된다.The metal support 120 is compressed through high-temperature compression sintering in a state in which the electrode active material 140 and the solid electrolyte 160 are coated. Due to the sintering effect through the high-temperature compression process, the thickness of the composite electrode including the final sintered metal support 120 is reduced to 50% or less.

이때, 금속 지지체(120)의 최종 두께는 0.1 ~ 2mm의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 범위로는 1 ~ 300㎛의 두께를 제시할 수 있다.In this case, the final thickness of the metal support 120 may preferably have a thickness of 0.1 to 2 mm, and a thickness of 1 to 300 μm may be presented as a more preferable range.

금속 지지체(120)의 최종 두께가 0.1㎛ 미만일 경우에는 복합전극(100)이 가지는 기계적 강도 확보에 어려움이 있을 뿐만 아니라 복합전극(100) 내 전극 활물질(140)의 양이 적어 전지가 가지는 용량이 저하될 수 있다. 반대로, 금속 지지체(120)의 최종 두께가 2mm를 초과할 경우에는 복합전극(100) 내 전도체로 작용한 금속 지지체(120) 보다 전극 활물질(140)의 양이 많아 복합전극(100)이 가지는 전기 전도도 확보가 어려울 뿐만 아니라 계면 안정성 확보에 어려움이 따를 수 있다.When the final thickness of the metal support 120 is less than 0.1 μm, it is difficult to secure the mechanical strength of the composite electrode 100 as well as the amount of the electrode active material 140 in the composite electrode 100 is small, so that the capacity of the battery is reduced. may be lowered. Conversely, when the final thickness of the metal support 120 exceeds 2 mm, the amount of the electrode active material 140 is greater than that of the metal support 120 acting as a conductor in the composite electrode 100, so that the composite electrode 100 has electricity. It may be difficult to secure conductivity as well as difficulty in securing interfacial stability.

전극 활물질(140)은 LiCoO2, LiNiO2, LiNi2O4, LiMn2O4, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (여기서, 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNixCoyAlzO2 및 LiNi0.5Mn1.5O4 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The electrode active material 140 is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , Li(Ni 1-xy Mn x Co y )O 2 (where 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNi x Co y Al z O 2 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 At least one selected from the group consisting of.

고체 전해질(160)은 Li-La-M-O계(여기서, M은 Co, B, Zr, Mn, Ni 및 P 중 어느 하나임), Li-B-O계, Li-P-O계 및 Li-S계 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The solid electrolyte 160 is one selected from Li-La-MO-based (where M is any one of Co, B, Zr, Mn, Ni, and P), Li-BO, Li-PO, and Li-S-based. It may include more than one species.

여기서, 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160)은 용매에 혼합시킨 상태에서, 금속 지지체(120)에 코팅하고, 고온 압축 소결을 통하여 압착이 이루어진다. 이러한 고온 압축 소결에 의한 압착으로 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160) 각각은 금속 지지체(120)의 표면 또는 내부에 배치된다.Here, the electrode active material 140 and the solid electrolyte 160 are mixed in a solvent, coated on the metal support 120 , and compressed through high-temperature compression sintering. Each of the electrode active material 140 and the solid electrolyte 160 is disposed on the surface or inside of the metal support 120 by compression by the high-temperature compression sintering.

여기서, 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160)은 5 : 1 ~ 1 : 3의 중량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명에서는 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160)의 함량비를 상기의 범위로 엄격히 제어함으로써, 전극 활물질(140)의 함량 증가에 의해 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있게 된다.Here, the electrode active material 140 and the solid electrolyte 160 are preferably added in a weight ratio of 5:1 to 1:3. As described above, in the present invention, by strictly controlling the content ratio of the electrode active material 140 and the solid electrolyte 160 within the above range, it is possible to secure a high energy density by increasing the content of the electrode active material 140 .

전술한 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 복합전극(100)은 도전제 없이 금속 지지체(120)를 사용하여 기계적 강도를 향상시킬 수 있으며, 전고상 이차전지에 적용시 우수한 전기 전도도 확보가 가능해질 수 있다.The metal support-based composite electrode 100 according to the embodiment of the present invention described above can improve mechanical strength by using the metal support 120 without a conductive agent, and excellent electrical conductivity can be secured when applied to an all-solid-state secondary battery can be done

또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 복합전극(100)은 고온 압축 소결을 통하여 금속 지지체(120)에 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160)이 압착되는 형태로 제조되므로, 금속 지지체(120)와 전극 활물질(140) 및 고체 전해질(160) 간의 계면 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the metal support-based composite electrode 100 according to an embodiment of the present invention is manufactured in a form in which the electrode active material 140 and the solid electrolyte 160 are compressed to the metal support 120 through high-temperature compression sintering, the metal support body Interfacial stability between 120 and the electrode active material 140 and the solid electrolyte 160 may be improved.

이 결과, 본 발명은 전고상 복합전극(100) 내의 고체 전해질(160)과 전극 활물질(140), 금속 지지체(120) 간의 계면 안정성을 향상시킬 수 있으므로, 전고상 이차전지가 가지는 기계적 강도 및 용량을 안정적으로 유지할 수 있다.As a result, since the present invention can improve the interfacial stability between the solid electrolyte 160, the electrode active material 140, and the metal support 120 in the all-solid-state composite electrode 100, the mechanical strength and capacity of the all-solid-state secondary battery can be kept stable.

이에 대해서는 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법을 통하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.This will be described in more detail through a method for manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고성 복합전극 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.6 is a process flowchart illustrating a method for manufacturing a metal support-based all-solidity composite electrode according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법은 금속 지지체 준비 단계(S210), 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액 도포 단계(S220) 및 고온 압축 소결 단계(S230)를 포함한다.As shown in FIG. 6 , the method for manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode according to an embodiment of the present invention includes a metal support preparation step (S210), an electrode active material and a solid electrolyte composite solution application step (S220), and a high-temperature compression sintering step (S230).

금속 지지체 준비Metal support preparation

금속 지지체 준비 단계(S210)에서는 플레이트 구조 또는 메시 구조를 갖는 금속 지지체를 준비한다.In the metal support preparation step ( S210 ), a metal support having a plate structure or a mesh structure is prepared.

이러한 금속 지지체는, 기존의 도전제와 달리, 강성이 우수한 플레이트 구조 또는 메시 구조를 갖는 금속 재질로 이루어진다. 이를 위해, 금속 지지체의 재질로는 Ni, NiCo, Cu, Al 및 SUS(stainless steel) 중 선택된 1종 이상을 이용하는 것이 바람직하다.The metal support is made of a metal material having a plate structure or a mesh structure having excellent rigidity, unlike the conventional conductive material. For this, it is preferable to use at least one selected from Ni, NiCo, Cu, Al, and stainless steel (SUS) as the material of the metal support.

전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액 도포Application of electrode active material and solid electrolyte composite solution

전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액 도포 단계(S220)에서는 금속 지지체 상에 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 도포한다.In the step of applying the electrode active material and the solid electrolyte composite solution ( S220 ), the electrode active material and the solid electrolyte composite solution are applied on the metal support.

본 단계에서, 도포는 스프레이 코팅, 울트라 초음파 스프레이 코팅, 콤마 코팅, 바 코팅 등에서 선택된 어느 하나의 방식이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 금속 지지체 상에 균일하게 코팅할 수 있는 방법이라면 제한 없이 이용될 수 있다.In this step, any one method selected from spray coating, ultra ultrasonic spray coating, comma coating, bar coating, etc. may be used for application, but is not limited thereto. Therefore, any method capable of uniformly coating the metal support may be used without limitation.

이때, 전극 활물질 및 고체 전해질은 5 : 1 ~ 1 : 3의 중량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명에서는 전극 활물질 및 고체 전해질의 함량비를 상기의 범위로 엄격히 제어함으로써, 전극 활물질의 함량 증가에 의해 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있게 된다.In this case, the electrode active material and the solid electrolyte are preferably added in a weight ratio of 5: 1 to 1: 3. As described above, in the present invention, by strictly controlling the content ratio of the electrode active material and the solid electrolyte within the above range, it is possible to secure a high energy density by increasing the content of the electrode active material.

여기서, 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액은 전극 활물질 및 고체 전해질을 용매에 혼합하고 교반하는 것에 의해 제조된 것이 이용될 수 있다.Here, the electrode active material and the solid electrolyte composite solution may be prepared by mixing the electrode active material and the solid electrolyte in a solvent and stirring.

전극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiNi2O4, LiMn2O4, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (여기서, 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNixCoyAlzO2 및 LiNi0.5Mn1.5O4 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The electrode active material is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , Li(Ni 1-xy Mn x Co y )O 2 , where 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNi x Co y Al z O 2 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 At least one selected from the group consisting of.

고체 전해질은 Li-La-M-O계(여기서, M은 Co, B, Zr, Mn, Ni 및 P 중 어느 하나임), Li-B-O계, Li-P-O계 및 Li-S계 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The solid electrolyte comprises at least one selected from Li-La-MO-based (where M is any one of Co, B, Zr, Mn, Ni, and P), Li-BO, Li-PO, and Li-S. may include

그리고, 용매로는 NMP(N-메틸(methyl)-2-피롤리돈(pyrrolidone)), 물, 알코올, 크실렌(xylen), 톨루엔(toluene) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.In addition, as the solvent, at least one selected from NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), water, alcohol, xylene, toluene, and the like may be used.

고온 압축 소결high temperature compression sintering

고온 압축 소결 단계(S230)에서는 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 도포된 금속 지지체를 고온 압축 소결한다.In the high-temperature compression sintering step (S230), the high-temperature compression sintering of the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution is performed.

본 단계에서, 고온 압축 소결은 핫 프레스(hot press) 및 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 중 선택된 어느 하나의 방식으로 실시하는 것이 바람직하다.In this step, the high-temperature compression sintering is preferably performed by any one method selected from hot press and spark plasma sintering.

이러한 고온 압축 소결에 의해, 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액 내의 용매는 휘발되어 제거된다. 아울러, 고온 압축 소결에 의한 압착으로 전극 활물질 및 고체 전해질 각각은 금속 지지체의 표면 또는 내부에 배치된다.By such high-temperature compression sintering, the solvent in the electrode active material and the solid electrolyte composite solution is volatilized and removed. In addition, each of the electrode active material and the solid electrolyte is disposed on the surface or inside of the metal support by compression by high-temperature compression sintering.

복합전극을 제조하기 위한 고온 압축 소결은 600 ~ 750℃ 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 고온 압축 소결 온도가 600℃ 미만일 경우에는 낮은 온도이므로 소결이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 고온 압축 소결 온도가 750℃를 초과할 경우에는 복합전극에 적용되는 전극 활물질의 구조가 변경되어 전극 활물질로서의 역할을 수행할 수 없게 되므로, 바람직하지 못하다.High-temperature compression sintering for manufacturing the composite electrode is preferably performed at 600 ~ 750 °C conditions. When the high-temperature compression sintering temperature is less than 600° C., since the temperature is low, sintering may not be performed properly. Conversely, when the high-temperature compression sintering temperature exceeds 750° C., the structure of the electrode active material applied to the composite electrode is changed, so that it cannot function as the electrode active material, which is not preferable.

상술한 방법(S210 ~ S230)으로 제조되는 금속 지지체 기반 전고성 복합전극은 도전제 대신 금속 지지체를 사용하는 것에 의해 우수한 기계적 강도를 가지면서 전기 전도도를 확보할 수 있게 된다.The metal support-based all-solidity composite electrode manufactured by the above-described methods (S210 to S230) can secure electrical conductivity while having excellent mechanical strength by using a metal support instead of a conductive agent.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 지지체 기반 전고성 복합전극은 고온 압축 소결을 통하여 전극 활물질과 고체 전해질을 복합화시키는 것에 의해 복합전극 내의 계면 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the metal support-based all-solidity composite electrode manufactured by the method according to the embodiment of the present invention can improve interfacial stability in the composite electrode by compounding the electrode active material and the solid electrolyte through high-temperature compression sintering.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전고상 복합전극의 형성 시 금속 지지체를 활용하여 전고상 복합전극 내의 전기 전도도를 확보하고, 고온 압축 소결을 통하여 전극 활물질과 고체 전해질을 금속 지지체에 복합화시키는 것에 의해 복합전극 내의 계면 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.As described so far, the present invention secures electrical conductivity in the all-solid-state composite electrode by using a metal support when forming the all-solid-state composite electrode, and complexes the electrode active material and the solid electrolyte on the metal support through high-temperature compression sintering. It is possible to improve the interfacial stability in the composite electrode.

아울러, 본 발명은 플레이트 구조 또는 메시 구조를 갖는 금속 지지체를 사용함으로서 전고상 복합전극이 가지는 기계적 강도를 크게 증가시킬 수 있다.In addition, the present invention can greatly increase the mechanical strength of the all-solid-state composite electrode by using a metal support having a plate structure or a mesh structure.

또한, 본 발명은 금속 지지체 기반 전고상 복합전극의 형성시 복합전극 내의 고체 전해질과 금속 지지체를 통해서 전고상 복합전극 내에 리튬 이온과 전자의 이동도를 확보할 수 있다.In addition, the present invention can secure the mobility of lithium ions and electrons in the all-solid-state composite electrode through the solid electrolyte and the metal support in the composite electrode when the metal support-based all-solid-state composite electrode is formed.

아울러, 본 발명은 금속 지지체를 사용하는 것에 의해 전극 활물질을 보다 증가시킬 수 있으므로 높은 에너지 밀도를 가질 수 있으며, 고온 압축 소결을 통하여 금속 지지체에 전극 활물질 및 고체 전해질이 압착되는 형태로 제조되므로, 금속 지지체와 전극 활물질 및 고체 전해질 간의 계면 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, the present invention can have a high energy density because the electrode active material can be further increased by using the metal support, and is manufactured in a form in which the electrode active material and the solid electrolyte are compressed on the metal support through high-temperature compression sintering, so that the metal Interfacial stability between the support and the electrode active material and the solid electrolyte may be improved.

이 결과, 본 발명은 전고상 이차전지가 가지는 기계적 강도 및 전극 안정성을 향상시킬 수 있으며, 성능을 장시간 유지할 수 가능성을 보다 확대하는 것에 의해, 이와 관련된 산업체의 대외경쟁력을 확보할 수 있다.As a result, the present invention can improve the mechanical strength and electrode stability of the all-solid-state secondary battery, and by further expanding the possibility of maintaining the performance for a long time, it is possible to secure the external competitiveness of related industries.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속 지지체 기반 전고상 전극을 사용한 전고성 이차전지는 차세대 이차전지를 위한 기초 기술을 확립할 수 있다.In addition, the all-solid-state secondary battery using the metal support-based all-solid-state electrode according to an embodiment of the present invention can establish a basic technology for a next-generation secondary battery.

이 결과, 전고상 이차전지의 성능 및 그와 관련된 소재의 국산화로 인하여 이들 기술의 실질적 응용의 가능성을 보다 확대할 수 있으므로, 이와 관련된 산업체의 대외경쟁력을 확보할 수 있다.As a result, the possibility of practical application of these technologies can be further expanded due to the localization of the performance of the all-solid-state secondary battery and related materials, and thus the external competitiveness of related industries can be secured.

실시예Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Content not described here will be omitted because it can be technically inferred sufficiently by a person skilled in the art.

1. 전고상 복합전극 제조1. Manufacturing of all-solid-state composite electrode

실시예 1Example 1

메시 구조를 가지며, 5㎛의 두께를 갖는 Al 재질의 금속 지지체를 준비하였다.A metal support made of Al having a mesh structure and a thickness of 5 μm was prepared.

다음으로, 금속 지지체의 양면에 전극 활물질인 LiCoO2 50g 및 고체 전해질인 Li7La3Zr2O12 100g을 무수에탄올 200ml에 혼합하고 교반시킨 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 스프레이 코팅 방식으로 코팅하였다.Next, on both sides of the metal support, 50 g of the electrode active material LiCoO 2 and 100 g of the solid electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 were mixed in 200 ml of absolute ethanol, and the electrode active material and the solid electrolyte composite solution were stirred and coated in a spray coating method. .

다음으로, 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 코팅된 금속 지지체를 핫프레스 내에 투입한 후, 600℃에서 1분 동안 고온 압축 소결하여 전고상 복합전극을 제조하였다.Next, the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution was put into a hot press, and then high-temperature compression sintered at 600° C. for 1 minute to prepare an all-solid-state composite electrode.

여기서, 금속 지지체는 고온 압축 소결에 의하여, 금속 지지체의 최종 두께가 1.5㎛로 압착되었다.Here, the metal support was compressed to a final thickness of 1.5 μm by high-temperature compression sintering.

실시예 2Example 2

플레이트 구조를 가지며, 30㎛의 두께를 갖는 Al 재질의 금속 지지체를 준비하였다.A metal support made of Al having a plate structure and having a thickness of 30 μm was prepared.

다음으로, 금속 지지체의 양면에 전극 활물질인 LiCoO2 50g 및 고체 전해질인 Li7La3Zr2O12 100g을 무수에탄올 200ml에 혼합하고 교반시킨 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 스프레이 코팅 방식으로 코팅하였다.Next, on both sides of the metal support, 50 g of the electrode active material LiCoO 2 and 100 g of the solid electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 were mixed in 200 ml of absolute ethanol, and the electrode active material and the solid electrolyte composite solution were stirred and coated in a spray coating method. .

다음으로, 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 코팅된 금속 지지체를 핫프레스 내에 투입한 후, 680℃에서 50초 동안 고온 압축 소결하여 전고상 복합전극을 제조하였다.Next, the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution was put into a hot press, and then high-temperature compression sintered at 680° C. for 50 seconds to prepare an all-solid-state composite electrode.

여기서, 금속 지지체는 고온 압축 소결에 의하여, 금속 지지체의 최종 두께가 12.5㎛로 압착되었다.Here, the metal support was compressed to a final thickness of 12.5 μm by high-temperature compression sintering.

실시예 3Example 3

플레이트 구조를 가지며, 100㎛의 두께를 갖는 Al 재질의 금속 지지체를 준비하였다.A metal support made of Al having a plate structure and having a thickness of 100 μm was prepared.

다음으로, 금속 지지체의 양면에 전극 활물질인 LiCoO2 50g 및 고체 전해질인 Li7La3Zr2O12 100g을 무수에탄올 200ml에 혼합하고 교반시킨 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 스프레이 코팅 방식으로 코팅하였다.Next, on both sides of the metal support, 50 g of the electrode active material LiCoO 2 and 100 g of the solid electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 were mixed in 200 ml of absolute ethanol, and the electrode active material and the solid electrolyte composite solution were stirred and coated in a spray coating method. .

다음으로, 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 코팅된 금속 지지체를 핫프레스 내에 투입한 후, 700℃에서 40초 동안 고온 압축 소결하여 전고상 복합전극을 제조하였다.Next, the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution was put into a hot press, and then high-temperature compression sintered at 700° C. for 40 seconds to prepare an all-solid-state composite electrode.

여기서, 금속 지지체는 고온 압축 소결에 의하여, 금속 지지체의 최종 두께가 31.6㎛로 압착되었다.Here, the metal support was compressed to a final thickness of 31.6 μm by high-temperature compression sintering.

실시예 4Example 4

메시 구조를 가지며, 2mm의 두께를 갖는 Al 재질의 금속 지지체를 준비하였다.A metal support made of Al having a mesh structure and a thickness of 2 mm was prepared.

다음으로, 금속 지지체의 양면에 전극 활물질인 LiCoO2 50g 및 고체 전해질인 Li7La3Zr2O12 100g을 무수에탄올 200ml에 혼합하고 교반시킨 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 스프레이 코팅 방식으로 코팅하였다.Next, on both sides of the metal support, 50 g of the electrode active material LiCoO 2 and 100 g of the solid electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 were mixed in 200 ml of absolute ethanol, and the electrode active material and the solid electrolyte composite solution were stirred and coated in a spray coating method. .

다음으로, 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 코팅된 금속 지지체를 핫프레스 내에 투입한 후, 640℃에서 70초 동안 고온 압축 소결하여 전고상 복합전극을 제조하였다.Next, the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution was put into a hot press, and then high-temperature compression sintered at 640° C. for 70 seconds to prepare an all-solid-state composite electrode.

여기서, 금속 지지체는 고온 압축 소결에 의하여, 금속 지지체의 최종 두께가 296.8㎛로 압착되었다.Here, the metal support was compressed to a final thickness of 296.8 µm by high-temperature compression sintering.

실시예 5Example 5

금속 지지체의 양면에 전극 활물질인 LiCoO2 70g 및 고체 전해질인 Li7La3Zr2O12 100g을 무수에탄올 200ml에 혼합하고 교반시킨 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전고상 복합전극을 제조하였다.On both sides of the metal support, 70 g of the electrode active material LiCoO 2 and 100 g of the solid electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 were mixed in 200 ml of absolute ethanol, and the electrode active material and the solid electrolyte composite solution were used, except for using Example 1 An all-solid-state composite electrode was prepared in the same manner.

비교예 1Comparative Example 1

메시 구조를 가지며, 10mm의 두께를 갖는 Al 재질의 금속 지지체를 준비하였다.A metal support made of Al having a mesh structure and a thickness of 10 mm was prepared.

다음으로, 금속 지지체의 양면에 전극 활물질인 LiCoO2 50g 및 고체 전해질인 Li7La3Zr2O12 100g을 무수에탄올 200ml에 혼합하고 교반시킨 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 스프레이 코팅 방식으로 코팅하였다.Next, on both sides of the metal support, 50 g of the electrode active material LiCoO 2 and 100 g of the solid electrolyte Li 7 La 3 Zr 2 O 12 were mixed in 200 ml of absolute ethanol, and the electrode active material and the solid electrolyte composite solution were stirred and coated in a spray coating method. .

다음으로, 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 코팅된 금속 지지체를 핫프레스 내에 투입한 후, 650℃에서 1분 동안 고온 압축 소결하여 전고상 복합전극을 제조하였다.Next, the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution was put into a hot press, and then high-temperature compression sintered at 650° C. for 1 minute to prepare an all-solid-state composite electrode.

여기서, 금속 지지체는 고온 압축 소결에 의하여, 금속 지지체의 최종 두께가 3.5mm로 압착되었다.Here, the metal support was compressed to a final thickness of 3.5 mm by high-temperature compression sintering.

2. 물성 평가2. Physical property evaluation

표 1은 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1에 따라 제조된 전고상 복합전극을 적용한 전고상 이차전지에 대한 전기화학적 특성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 7은 실시예 1에 따라 제조된 전고상 복합전극을 적용한 전고상 이차전지에 대한 전기화학적 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.Table 1 shows the results of measuring the electrochemical properties of the all-solid-state secondary batteries to which the all-solid-state composite electrodes prepared according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 are applied. 7 is a graph showing the results of measuring the electrochemical properties of the all-solid-state secondary battery to which the all-solid-state composite electrode prepared according to Example 1 is applied.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 금속 지지체 기반 전고상 복합전극이 적용된 전고상 이차전지는 2.0 mAh/cm-2 이상의 용량을 나타내는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the all-solid-state secondary battery to which the metal support-based all-solid-state composite electrode prepared according to Examples 1 to 5 is applied exhibits a capacity of 2.0 mAh/cm -2 or more.

특히, 도 7에 도시된 바와 같이 실시예 1에 따라 제조된 금속 지지체 기반 전고상 복합전극이 적용된 전고상 이차전지는 2.5 mAh/cm-2의 용량을 나타내어 가장 우수한 물성을 갖는 것을 확인하였다.In particular, as shown in FIG. 7 , the all-solid-state secondary battery to which the metal support-based all-solid-state composite electrode prepared according to Example 1 was applied exhibited a capacity of 2.5 mAh/cm -2 and thus it was confirmed that it had the best physical properties.

반면, 비교예 1에 따라 제조된 전고상 복합전극이 적용된 전고상 이차전지는 목표값에 해당하는 2.0 mAh/cm-2 이상을 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 이는 금속 지지체가 과도한 두께로 형성하는데 기인하여 전극 활물질의 양이 많아져 전기 전도도가 낮아진 데 기인한 것으로 판단된다. 또한, 금속지지체를 기반으로 하는 전고상 복합전극 내 계면 안정성 저하로 인해 전고상 이차전지가 가지는 용량이 저하된 것으로 판단된다.On the other hand, it was confirmed that the all-solid-state secondary battery to which the all-solid-state composite electrode manufactured according to Comparative Example 1 was applied did not satisfy the target value of 2.0 mAh/cm -2 or more. This is considered to be due to the decrease in electrical conductivity due to the increase in the amount of the electrode active material due to the formation of the metal support to an excessive thickness. In addition, it is judged that the capacity of the all-solid-state secondary battery is reduced due to the decrease in interfacial stability in the all-solid-state composite electrode based on the metal support.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been mainly described, but various changes or modifications can be made at the level of those skilled in the art to which the present invention pertains. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical spirit provided by the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be judged by the claims described below.

800 : 전고상 전지 100 : 제1 전극
120 : 전극 활물질 140 : 고체 전해질
160 : 도전제 200 : 전해질층
300 : 제2 전극 400 : 전류 집전체
500 : 절연체 600 : 제1 캡
700 : 제2 캡
800: all-solid-state battery 100: first electrode
120: electrode active material 140: solid electrolyte
160: conductive agent 200: electrolyte layer
300: second electrode 400: current collector
500: insulator 600: first cap
700: second cap

Claims (16)

금속 지지체를 준비하는 단계;
상기 금속 지지체 상에 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액을 도포하는 단계; 및
상기 전극 활물질 및 고체 전해질 복합 용액이 도포된 금속 지지체를 고온 압축 소결하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
preparing a metal support;
applying an electrode active material and a solid electrolyte composite solution on the metal support; and
high-temperature compression sintering of the metal support coated with the electrode active material and the solid electrolyte composite solution;
Metal support-based all-solid-state composite electrode manufacturing method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 금속 지지체는
플레이트 구조 또는 메시 구조를 가지며, 0.1 ~ 2mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
The metal support
A metal support-based all-solid-state composite electrode manufacturing method, characterized in that it has a plate structure or a mesh structure and has a thickness of 0.1 to 2 mm.
제1항에 있어서,
상기 금속 지지체는
Ni, NiCo, Cu, Al 및 SUS 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 재질을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
The metal support
A method for manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode, characterized in that a metal material containing at least one selected from Ni, NiCo, Cu, Al and SUS is used.
제1항에 있어서,
상기 전극 활물질 및 고체 전해질 각각은
상기 금속 지지체의 표면 또는 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
Each of the electrode active material and the solid electrolyte
A metal support-based all-solid-state composite electrode manufacturing method, characterized in that it is disposed on the surface or inside of the metal support.
제1항에 있어서,
상기 전극 활물질은
LiCoO2, LiNiO2, LiNi2O4, LiMn2O4, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (여기서, 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNixCoyAlzO2 및 LiNi0.5Mn1.5O4 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
The electrode active material is
LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , Li(Ni 1-xy Mn x Co y )O 2 , where 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNi x Co y Al z O 2 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 Metal support-based all-solid-state composite electrode manufacturing method, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질은
Li-La-M-O계(여기서, M은 Co, B, Zr, Mn, Ni 및 P 중 어느 하나임), Li-B-O계, Li-P-O계, Li-S계 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
The solid electrolyte is
Li-La-MO-based (where M is any one of Co, B, Zr, Mn, Ni, and P), Li-BO-based, Li-PO-based, Li-S-based containing at least one selected from the group consisting of Method for manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 전극 활물질 및 고체 전해질은
5 : 1 ~ 1 : 3의 중량비로 첨가하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
The electrode active material and the solid electrolyte are
A method for manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode, characterized in that it is added in a weight ratio of 5: 1 to 1: 3.
제1항에 있어서,
상기 고온 압축 소결은
핫 프레스(hot press) 및 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 중 선택된 어느 하나의 방식으로 실시하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
The high-temperature compression sintering is
A method of manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode, characterized in that it is carried out by any one method selected from hot press and spark plasma sintering.
제1항에 있어서,
상기 고온 압축 소결은
600 ~ 750℃ 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극 제조 방법.
According to claim 1,
The high-temperature compression sintering is
A method for manufacturing a metal support-based all-solid-state composite electrode, characterized in that carried out at 600 ~ 750 ℃ conditions.
금속 지지체;
상기 금속 지지체에 코팅된 전극 활물질; 및
상기 금속 지지체에 코팅되며, 상기 전극 활물질과 혼합된 고체 전해질;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극.
metal support;
an electrode active material coated on the metal support; and
a solid electrolyte coated on the metal support and mixed with the electrode active material;
A metal support-based all-solid-state composite electrode comprising a.
제10항에 있어서,
상기 금속 지지체는
플레이트 구조 또는 메시 구조를 가지며, 0.1 ~ 2mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극.
11. The method of claim 10,
The metal support
A metal support-based all-solid-state composite electrode having a plate structure or a mesh structure, and having a thickness of 0.1 to 2 mm.
제10항에 있어서,
상기 금속 지지체는
Ni, NiCo, Cu, Al 및 SUS 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 재질을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극.
11. The method of claim 10,
The metal support
A metal support-based all-solid-state composite electrode, characterized in that it uses a metal material comprising at least one selected from Ni, NiCo, Cu, Al and SUS.
제10항에 있어서,
상기 전극 활물질은
LiCoO2, LiNiO2, LiNi2O4, LiMn2O4, LiMnO2, LiFePO4, LiCoPO4, Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (여기서, 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNixCoyAlzO2 및 LiNi0.5Mn1.5O4 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극.
11. The method of claim 10,
The electrode active material is
LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , Li(Ni 1-xy Mn x Co y )O 2 , where 0 < x ≤ 2, 0 < y ≤ 2), LiNi x Co y Al z O 2 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 A metal support-based all-solid-state composite electrode comprising at least one selected from the group consisting of.
제10항에 있어서,
상기 고체 전해질은
Li-La-M-O계(여기서, M은 Co, B, Zr, Mn, Ni 및 P 중 어느 하나임), Li-B-O계, Li-P-O계, Li-S계 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극.
11. The method of claim 10,
The solid electrolyte is
Li-La-MO-based (where M is any one of Co, B, Zr, Mn, Ni, and P), Li-BO-based, Li-PO-based, Li-S-based containing at least one selected from the group consisting of A metal support-based all-solid-state composite electrode.
제10항 내지 제14항 중 어느 하나 항에 기재된 전고상 복합전극인 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 배치된 전해질층; 및
상기 전해질층 상에 배치된 제2 전극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극을 갖는 전고상 이차전지.
A first electrode which is an all-solid-state composite electrode according to any one of claims 10 to 14;
an electrolyte layer disposed on the first electrode; and
a second electrode disposed on the electrolyte layer;
All-solid-state secondary battery having a metal support-based all-solid-state composite electrode comprising a.
제15항에 있어서,
상기 전고상 전지는
상기 제1 전극의 하부에 배치된 전류 집전체;
상기 전류 집전체, 제1 전극, 고체 전해질층 및 제2 전극의 측면을 감싸 보호하는 절연체;
상기 전류 집전체 및 절연체의 하부를 덮는 제1 캡; 및
상기 제2 전극 및 절연체의 상부를 덮는 제2 캡;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체 기반 전고상 복합전극을 갖는 전고상 이차전지.
16. The method of claim 15,
The all-solid-state battery is
a current collector disposed under the first electrode;
an insulator surrounding and protecting side surfaces of the current collector, the first electrode, the solid electrolyte layer, and the second electrode;
a first cap covering lower portions of the current collector and the insulator; and
a second cap covering upper portions of the second electrode and the insulator;
An all-solid-state secondary battery having a metal support-based all-solid-state composite electrode further comprising a.
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