KR101308096B1 - Anode for rechargeable lithium thin film battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium thin film battery comprising the same - Google Patents
Anode for rechargeable lithium thin film battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium thin film battery comprising the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR101308096B1 KR101308096B1 KR1020060055368A KR20060055368A KR101308096B1 KR 101308096 B1 KR101308096 B1 KR 101308096B1 KR 1020060055368 A KR1020060055368 A KR 1020060055368A KR 20060055368 A KR20060055368 A KR 20060055368A KR 101308096 B1 KR101308096 B1 KR 101308096B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thin film
- silicon
- metal
- layer
- negative electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0402—Methods of deposition of the material
- H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
- H01M4/0423—Physical vapour deposition
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0402—Methods of deposition of the material
- H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
- H01M4/0423—Physical vapour deposition
- H01M4/0426—Sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
- H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/027—Negative electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
본 발명은 리튬 이차 박막 전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 박막 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬과 반응하지 않으면서 실리콘과 반응하는 금속을 포함하는 실리콘-금속 활성층과, 상기 실리콘-금속 활성층 상에 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층을 포함하는 음극 박막을 포함하고, 상기 실리콘-금속 활성층과 완충층이 교호적으로 적층된 다층 박막을 포함하는 리튬 이차 박막 전지용 음극 및 이의 제조방법과, 이를 포함하는 리튬 이차 박막 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary thin film battery, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary thin film battery including the same, and more particularly, a silicon-metal active layer including a metal that reacts with silicon without reacting with lithium, and the silicon A negative electrode thin film including a metal layer or a silicon-metal layer having a low silicon concentration on the metal active layer, and including a multilayer thin film in which the silicon-metal active layer and the buffer layer are alternately stacked, and a method of manufacturing the same. And it relates to a lithium secondary thin film battery comprising the same.
상기 다층 박막 구조의 음극은 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘이 리튬과 반응시 부피 변화를 제어함으로써 종래 음극 박막에서 발생하는 기계적인 균열 현상을 방지하여, 음극과 고체 전해질 층 사이의 계면의 화학적 및 기계적 안정성이 크게 개선됨에 따라 리튬 이차 박막 전지의 수명 특성을 향상시킨다.The negative electrode of the multilayer thin film structure prevents mechanical cracking occurring in the conventional negative electrode thin film by controlling the volume change when silicon generated during the charge and discharge reaction with lithium, so that the chemical As the mechanical stability is greatly improved, the life characteristics of the lithium secondary thin film battery are improved.
박막 전지, 실리콘, 다층구조 음극 박막 Thin Film Cell, Silicon, Multilayer Cathode Thin Film
Description
도 1a는 실리콘-금속(Si-Ma) 활성층과 합금(Ma-Mb)층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도.1A is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-metal (Si-Ma) active layer and an alloy (Ma-Mb) layer are alternately stacked.
도 1b는 실리콘-합금(Si-Ma-Mb) 활성층과 금속(Ma)층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도.1B is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy (Si-Ma-Mb) active layer and a metal (Ma) layer are alternately stacked.
도 1c는 실리콘-합금 (Si-Ma-Mb) 활성층과 합금(Ma-Mb)층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도.1C is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy (Si-Ma-Mb) active layer and an alloy (Ma-Mb) layer are alternately stacked.
도 2a는 실리콘-금속(Si-Ma) 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(Si'-Ma)이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도.FIG. 2A is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-metal (Si-Ma) active layer and a low silicon concentration silicon-metal layer (Si′-Ma) are alternately stacked.
도 2b는 실리콘-합금(Si-Ma-Mb) 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속(Si'-Ma)층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도.2B is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy (Si-Ma-Mb) active layer and a low silicon concentration silicon-metal (Si'-Ma) layer are alternately stacked.
도 2c는 실리콘-금속(Si-Ma) 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금(Si'-Ma-Mb)층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도.FIG. 2C is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-metal (Si-Ma) active layer and a low silicon concentration (Si'-Ma-Mb) layer are alternately stacked.
도 2d는 실리콘-합금 (Si-Ma-Mb) 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금 (Si'-Ma-Mb)층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도.2D is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy (Si-Ma-Mb) active layer and a low silicon concentration (Si'-Ma-Mb) layer are alternately stacked.
도 3은 전기 절연성 기판; 양극 전류 집전체; 양극; 고체 전해질; 음극; 음극 전류 집전체; 및 보호막이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬 이차 박막 전지의 단면도.3 is an electrically insulating substrate; Anode current collector; anode; Solid electrolytes; cathode; Cathode current collector; And a cross-sectional view of a lithium secondary thin film battery having a structure in which protective films are sequentially stacked.
도 4는 전기 전도성 기판 또는 양극 전류 집전체; 양극; 고체 전해질; 음극; 음극 전류 집전체; 및 보호막이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬 이차 박막 전지의 단면도.4 is an electrically conductive substrate or anode current collector; anode; Solid electrolytes; cathode; Cathode current collector; And a cross-sectional view of a lithium secondary thin film battery having a structure in which protective films are sequentially stacked.
도 5는 전기 절연성 기판; 음극 전류 집전체; 음극; 고체 전해질; 양극; 양극 전류 집전체; 및 보호막이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬 이차 박막 전지의 단면도.5 is an electrically insulating substrate; Cathode current collector; cathode; Solid electrolytes; anode; Anode current collector; And a cross-sectional view of a lithium secondary thin film battery having a structure in which protective films are sequentially stacked.
도 6은 전기 전도성 기판 또는 음극 전류 집전체; 음극; 고체 전해질; 양극; 양극 전류 집전체; 및 보호막이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬 이차 박막 전지의 단면도.6 is an electrically conductive substrate or cathode current collector; cathode; Solid electrolytes; anode; Anode current collector; And a cross-sectional view of a lithium secondary thin film battery having a structure in which protective films are sequentially stacked.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 음극 박막을 포함하는 전지의 사이클에 따른 충방전 용량 변화를 보여주는 그래프.Figure 7 is a graph showing the charge and discharge capacity change according to the cycle of the battery comprising a negative electrode film prepared in Example 1 of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 음극 박막을 포함하는 전지의 사이클에 따른 충방전 용량 변화를 보여주는 그래프.8 is a graph showing the charge-discharge capacity change according to the cycle of the battery including the negative electrode film prepared in Example 2 of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시예 4에서 제조된 박막 전지의 사이클에 따른 방전 용량 변화를 보여주는 그래프.9 is a graph showing a change in discharge capacity according to the cycle of the thin film battery prepared in Example 4 of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시예 4에서 제조된 박막 전지의 첫 번째 사이클의 충방전 그래프.10 is a charge and discharge graph of the first cycle of the thin film battery prepared in Example 4 of the present invention.
도 11은 본 발명의 실시예 5에서 제조된 박막 전지의 사이클에 따른 방전 용량의 변화를 보여주는 그래프.11 is a graph showing the change in discharge capacity according to the cycle of the thin film battery prepared in Example 5 of the present invention.
도 12은 본 발명의 실시예 5에서 제조된 박막 전지의 첫 번째 사이클의 충방전 그래프.12 is a charge and discharge graph of the first cycle of the thin film battery prepared in Example 5 of the present invention.
본 발명은 리튬 이차 박막 전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 박막 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘이 리튬과 반응시 부피 변화를 제어하여 음극 박막의 기계적인 균열 현상을 방지함으로써 음극과 고체 전해질 층 사이의 계면의 화학적 및 기계적 안정성이 크게 개선되어 리튬 이차 박막 전지의 수명 특성을 향상시키는 리튬 이차 박막 전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 박막 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary thin film battery, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary thin film battery including the same. More specifically, the silicon thin film battery generated during the charge / discharge process controls the volume change when reacting with a lithium thin film machine. A negative electrode for a lithium secondary thin film battery, a method of manufacturing the same, and a lithium secondary thin film battery comprising the same, by improving the chemical and mechanical stability of the interface between the negative electrode and the solid electrolyte layer by preventing a crack, thereby improving the life characteristics of the lithium secondary thin film battery. It is about.
박막 전지는 휴대용 전자기기 및 정보 통신 기기가 소형화됨에 따라 이들을 구동하기 위한 초소형 전원 시스템으로서 이용이 크게 기대된다. 더욱이, 최근에는 유연성(Flexibility), 저가격, 제작 용이성 등의 장점을 이용한 고분자계 전자기기 및 소자의 개발 및 연구가 활발하게 진행되고 있다. 따라서 고분자를 비롯한 유연성의 특성을 기판 위에 박막 전지를 형성하는 기술 개발이 필요하다.Thin film batteries are expected to be greatly used as miniature power supply systems for driving them as portable electronic devices and information and communication devices are miniaturized. Moreover, in recent years, development and research of polymer electronic devices and devices using advantages such as flexibility, low cost, and ease of manufacture have been actively conducted. Therefore, it is necessary to develop a technology for forming a thin film battery on a substrate with flexibility characteristics including a polymer.
이러한 박막 전지는 LiCoO2, LiMn2O4 와 같은 리튬 전이 금속 산화물을 양극 활물질로 사용하고, 음극 활물질로는 리튬 금속이 주로 사용되어 왔다. 그러나 리튬 금속은 대기 중의 산소 및 수분과 반응성이 강해 증착 공정이 복잡하고 제조된 박막 전지의 취급이 어렵다. 또한 리튬 금속은 융점(181 ℃)이 낮아 이용이 제한되는 문제점이 있다.In such a thin film battery, lithium transition metal oxides such as LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 are used as the positive electrode active material, and lithium metal has been mainly used as the negative electrode active material. However, lithium metal is highly reactive with oxygen and moisture in the air, which makes the deposition process complicated and difficult to handle the manufactured thin film battery. In addition, lithium metal has a low melting point (181 ℃) has a problem that the use is limited.
한편, 상기 문제점을 극복하고자 주석 산화물계(Tin oxide and its derivatives) 음극 활물질을 사용하였다. 그러나, 초기 충전반응 동안 음극 산화물이 리튬 이온에 의해 환원반응이 일어나 리튬이 소모되는 초기 비가역 반응이 일어나는 문제점이 나타났다. 초기 충전 반응 동안 리튬은 리튬 전이금속 산화물 양극으로부터 공급되기 때문에 상기 초기 비가역 리튬 손실은 최소화 되어야한다.On the other hand, to overcome the above problems, a tin oxide-based (tin oxide and its derivatives) negative active material was used. However, a problem arises that an initial irreversible reaction in which lithium is consumed occurs because the cathode oxide is reduced by lithium ions during the initial charging reaction. The initial irreversible lithium loss should be minimized since lithium is supplied from the lithium transition metal oxide anode during the initial charge reaction.
실리콘(Si)은 리튬에 대해 낮은 전압구간에서 많은 양의 리튬과 반응하며, 가역적으로 리튬을 삽입, 탈리가 가능하여 음극 활물질로서 이용 되고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 리튬의 삽입, 탈리시 Si의 큰 부피 변화로 인해 기계적 응력이 발생, 박막 음극의 열화(degradation) 현상이 일어날 수 있다. Silicon (Si) reacts with a large amount of lithium in a low voltage range with respect to lithium, and is used as a negative electrode active material because lithium can be reversibly inserted and detached. However, due to the large volume change of Si during insertion and desorption of lithium during charging and discharging, mechanical stress may occur and degradation of the thin film anode may occur.
더욱이 전체가 고상인 박막 전지(All-solid-state thin-film battery)에 상기 음극 박막을 사용할 경우와 전해질과 음극 사이의 접착성(Adhesion)이 저하되어 전지의 수명 특성이 크게 저하된다.Furthermore, when the negative electrode thin film is used in an all-solid-state thin-film battery, the adhesion between the electrolyte and the negative electrode is lowered, and the lifespan characteristics of the battery are greatly reduced.
본 발명자는 상기와 같은 실리콘의 문제점을 보완하고자 집전체와 그 상부에 형성된 음극 활물질 층을 구비하고 리튬 이차 박막 전지용 음극 박막으로서, 리튬과 반응하지 않으면서, 실리콘과 반응하는 금속으로 이루어진 매트릭스에 실리콘이 분산된 실리콘-금속 활성층과, 리튬과 반응하지 않으면서 실리콘과 반응하는 금속 층이 교호적으로 적층된 다층 박막인 리튬 이차 전지용 음극 박막을 개발하여 대한민국 특허 제563081호로 등록된 바 있다. The present inventors have a current collector and a negative electrode active material layer formed thereon to supplement the above problems of silicon, and as a negative electrode thin film for a lithium secondary thin film battery, without reacting with lithium, silicon in a matrix made of a metal that reacts with silicon The dispersed silicon-metal active layer and a negative electrode film for a lithium secondary battery, which is a multilayer thin film in which a metal layer reacting with silicon without reacting with lithium, are alternately stacked and registered with Korean Patent No. 563081.
한편, 리튬 이차전지용 양극 박막은 리튬 전이금속 산화물(예를 들어, LiCoO2)을 스퍼터링과 같은 방법으로 증착하여 제조한다. 일반적으로, 상기 리튬 전이금속 산화물은 결정성이 잘 발달된 상태에서 리튬 삽입-탈리 반응과 전기 전도도가 우수한 것으로 알려져 있다. 이를 위해 증착 후 700℃ 정도의 고온에서 열처리하는 공정을 포함한다. 그러나 이러한 고온에서의 열처리 공정은 본 발명에서 사용하고자하는 상기 음극 박막의 경우, 400℃ 이상의 온도에서 열처리시 충·방전 가역 용량이 크게 감소하는 것으로 나타나기 때문에, 상기 음극 활물질을 포함하는 공정에는 적합하지 않다. On the other hand, the positive electrode thin film for a lithium secondary battery is manufactured by depositing a lithium transition metal oxide (for example, LiCoO 2 ) by the same method as sputtering. In general, the lithium transition metal oxide is known to have excellent lithium insertion-desorption reaction and electrical conductivity in a well-developed state of crystallinity. To this end, the process includes a heat treatment at a high temperature of about 700 ℃ after deposition. However, the heat treatment process at such a high temperature is not suitable for the process including the negative electrode active material, since the charge and discharge reversible capacity is greatly reduced in the case of the negative electrode thin film to be used in the present invention at a temperature of 400 ° C. or higher. not.
따라서 상기 음극 박막을 포함하는 박막 전지로서 음극 박막의 리튬 저장 용량을 크게 감소시키지 않고 우수하고 안정된 특성을 갖는 박막 전지의 제조방법의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a method for manufacturing a thin film battery having excellent and stable characteristics as a thin film battery including the negative electrode thin film without significantly reducing the lithium storage capacity of the negative electrode thin film.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘이 리튬과 반응시 부피 변화를 제어함으로써 종래 음극 박막에서 발생하는 기계적인 균열 현상을 방지하는 리튬 이차 박막 전지용 음극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to control the volume change when the silicon generated during the charge and discharge reaction with lithium negative electrode for a lithium secondary thin film battery to prevent mechanical cracking occurring in the conventional negative electrode thin film and It is to provide a preparation method thereof.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기 다층 박막 구조의 음극을 포함하여, 음극 과 고체 전해질막 사이의 계면의 화학적 및 기계적 안정성이 크게 개선됨에 따라 수명 특성이 향상된 리튬 이차 박막 전지를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a lithium secondary thin film battery having improved life characteristics as the chemical and mechanical stability of the interface between the anode and the solid electrolyte membrane is greatly improved, including the cathode of the multilayer thin film structure.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
(a) 리튬과 반응하지 않으면서 실리콘과 반응하는 금속을 포함하는 실리콘-금속 활성층과,(a) a silicon-metal active layer comprising a metal that reacts with silicon without reacting with lithium,
(b) 상기 실리콘-금속 활성층 상에 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층을 포함하는 음극 박막을 포함하고, (b) a cathode thin film including a metal layer or a silicon-metal layer having a low silicon concentration on the silicon-metal active layer,
상기 실리콘-금속 활성층과 완충층이 교호적으로 적층된 다층 박막을 포함하는 리튬 이차 박막 전지용 음극을 제공한다.Provided is a negative electrode for a lithium secondary thin film battery including a multilayer thin film in which the silicon-metal active layer and the buffer layer are alternately stacked.
또한 본 발명은 Also,
(i) 기판 상에 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층 중의 어느 하나의 완충층을 형성하고, (i) forming a buffer layer of either a metal layer or a silicon-metal layer having a low silicon concentration on the substrate,
(ii) 상기 완충층 상에 실리콘-금속 활성층을 형성하는 단계를 적어도 1회 이상 수행하는 리튬 이차 박막 전지용 음극의 제조방법을 제공한다.(ii) a method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary thin film battery which performs at least one or more steps of forming a silicon-metal active layer on the buffer layer.
또한 본 발명은 상기 다층 박막 구조의 음극을 포함하는 리튬 이차 박막 전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a lithium secondary thin film battery comprising a negative electrode of the multilayer thin film structure.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
실리콘은 원래 리튬(Li)에 대해 낮은 전압 구간에서 큰 용량을 나타내며 다음과 같은 반응식에 따라 리튬과 반응한다.Silicon originally exhibits a large capacity in the low voltage range with respect to lithium (Li) and reacts with lithium according to the following equation.
Si + 4.4 Li ↔ Li4 .4SiSi + 4.4 Li ↔ Li 4 .4 Si
실리콘의 에너지 밀도는 9320 mAh/㎤으로 매우 큰 용량을 나타내는 등의 많은 장점을 가짐에도 불구하고 충방전 과정이 진행됨에 따라 리튬의 삽입과 탈리가 반복되면서 실리콘 입자의 부피 팽창과 수축이 반복되어 균열이 발생하면서 깨진다. 이에 따라 전기적으로 접촉상태를 이루지 못한 실리콘 입자가 발생하여 충방전 용량이 감소하는 문제가 발생하여 음극 활물질로서의 이용이 제한적이었다.Although the energy density of silicon is 9320 mAh / cm 3, it has many advantages such as a very large capacity, and as the charge and discharge process proceeds, lithium is repeatedly inserted and desorbed, causing volume expansion and contraction of silicon particles to be cracked. It breaks while it happens. As a result, a problem arises in that the silicon particles which are not in electrical contact with each other generate charge and discharge capacities, thereby limiting their use as a negative electrode active material.
이에 본 발명에서는 종래 음극 박막에서 발생하는 기계적인 균열 현상을 방지하는 다층 박막 구조의 음극을 제시한다. 상기 다층 박막 구조의 음극은 실리콘이 갖고 있는 단점, 즉 실리콘의 부피팽창에 따른 응력을 완화해주며 구조적으로 음극 활물질층의 안정성을 향상시켜 충·방전 특성을 향상시키는 효과가 있다. 그 결과 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘이 리튬과 반응시 부피 변화의 제어가 가능해진다. 더불어 음극과 고체 전해질 층 사이의 계면의 화학적 및 기계적 안정성이 크게 개선됨에 따라 수명 특성이 향상되는 이점이 있다.Accordingly, the present invention provides a cathode having a multilayer thin film structure that prevents mechanical cracking occurring in a conventional cathode thin film. The negative electrode of the multi-layered thin film structure has the disadvantages of silicon, that is, to relieve the stress caused by the volume expansion of silicon and structurally improve the stability of the negative electrode active material layer has the effect of improving the charge and discharge characteristics. As a result, it is possible to control the volume change when silicon generated during the charge and discharge reaction with lithium. In addition, as the chemical and mechanical stability of the interface between the anode and the solid electrolyte layer is greatly improved, there is an advantage that the life characteristics are improved.
이때 상기 음극은 실리콘-금속 활성층과 완충층이 교호적으로 적층된 다층 박막의 구조를 가진다. 본 명세서에서 "교호적"이란 의미는 두 개의 층이 서로 번갈아 형성되는 것으로 두 개의 층 중 어느 하나의 층이 먼저 시작될 수 있다는 의미로 사용된 것이다.In this case, the cathode has a structure of a multilayer thin film in which a silicon-metal active layer and a buffer layer are alternately stacked. As used herein, the term "alternatively" is used to mean that two layers are formed alternately with each other and any one of the two layers may be started first.
이때 상기 완충층은 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층이 가능하며, 이하 각각의 경우를 더욱 상세히 설명한다.In this case, the buffer layer may be a metal layer or a silicon-metal layer having a low silicon concentration, and each case will be described in more detail below.
(a) 완충층이 금속층인 경우(a) When the buffer layer is a metal layer
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다층 박막 구조의 음극은 기판 상에 금속층을 증착하여 완충층을 형성하고, 상기 완충층 상에 실리콘과 함께 금속을 동시 증착하여 실리콘-금속 활성층을 형성한다. 상기 완충층 및 실리콘-금속 활성층을 포함하는 음극은 바람직하기로 최상부에 금속층이 위치하도록 제조한다.The cathode of the multilayer thin film structure according to the first preferred embodiment of the present invention forms a buffer layer by depositing a metal layer on a substrate, and simultaneously forms a silicon-metal active layer by depositing metal together with silicon on the buffer layer. The negative electrode comprising the buffer layer and the silicon-metal active layer is preferably manufactured so that the metal layer is located on the top.
상기 실리콘-금속 활성층은 하기 화학식 1로 표시된다:The silicon-metal active layer is represented by the following Chemical Formula 1:
상기 화학식 1에서 Mx는 Ma 또는 Ma-Mb이고, In Formula 1, M x is Ma or Ma-Mb,
이때 Ma는 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 탈륨(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이고, In this case, Ma is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zirconium (Zr), niobium ( Nb), molybdenum (Mo), thallium (Ta), tungsten (W), hafnium (Hf), rhenium (Re) and one kind of metal selected from the group consisting of
Mb는 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 안티몬(Sb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이고, Mb is one metal selected from the group consisting of silver (Ag), gold (Au), aluminum (Al), zinc (Zn), tin (Sn), antimony (Sb), and combinations thereof,
x는 0.2 내지 0.5의 실수이다.x is a real number from 0.2 to 0.5.
이러한 실리콘-금속 활성층은 구조 내 실리콘과 금속이 강한 화학적 친화력을 가져 리튬과의 반응시 실리콘-리튬 간의 반응량을 제한하여 반복적인 리튬의 삽입과 탈리 과정에서 순수 실리콘에 비해 구조적 안정성을 기대할 수 있다.Such a silicon-metal active layer has a strong chemical affinity between silicon and metal in the structure, thereby limiting the amount of reaction between silicon and lithium during the reaction with lithium, so that structural stability is expected to be higher than that of pure silicon during repeated lithium insertion and desorption processes. .
구체적으로 Ma 금속의 경우 실리콘 자체의 부피 팽창을 완화시키고 실리콘의 전기 전도도를 향상시킨다. 또한 Mb 금속의 경우 다층 박막 구조를 가지는 음극의 전기 전도성을 더욱 향상시켜, 충·방전 반응 동안 기계적 균열에 대한 완충 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. Specifically, in the case of Ma metal, the volume expansion of the silicon itself is alleviated and the electrical conductivity of the silicon is improved. In addition, in the case of Mb metal, it is possible to further improve the electrical conductivity of the negative electrode having a multi-layered thin film structure, thereby further improving the buffering property against mechanical cracking during the charge and discharge reaction.
바람직하기로 상기 실리콘-금속 활성층은 Ma를 단독으로 사용하는 '실리콘-금속 활성층' 또는 Ma-Mb 합금을 사용한 '실리콘-합금 활성층'이 가능하다.Preferably, the silicon-metal active layer may be a 'silicon-metal active layer' using Ma alone or a 'silicon-alloy active layer' using Ma-Mb alloy.
이때 x는 0.2 내지 0.5로 금속과 동일하거나 높은 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 만약 x가 상기 범위를 초과하는 경우 리튬과의 반응 활물질인 실리콘의 미세 입자 주위를 많은 금속 원자가 둘러싸게 되어 실리콘이 주위의 금속에 의해 차폐되는 효과를 나타낸다. 그 결과 실리콘 원자가 리튬과 반응을 일으킬 수 없게 되어 전극의 용량이 실제 설계한 용량보다 매우 낮아지게 된다.In this case, x is 0.2 to 0.5 is preferably present in the same or higher concentration than the metal. If x exceeds the above range, many metal atoms are surrounded around the fine particles of silicon, which is a reactive active material with lithium, and the silicon is shielded by the surrounding metal. As a result, the silicon atoms cannot react with lithium, so that the electrode capacity is much lower than the actual designed capacity.
상기 실리콘-금속 활성층 상에 형성되는 금속층은 Ma 금속 또는 Ma-Mb 합금 중 어느 하나의 금속이 가능하다. 이때 Ma는 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 탈륨(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이고, Mb는 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 안티몬(Sb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이 가능하다.The metal layer formed on the silicon-metal active layer may be any one metal of Ma metal or Ma-Mb alloy. In this case, Ma is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zirconium (Zr), niobium ( Nb), molybdenum (Mo), thallium (Ta), tungsten (W), hafnium (Hf), rhenium (Re), and one metal selected from the group consisting of a combination thereof, Mb is silver (Ag), gold One metal selected from the group consisting of (Au), aluminum (Al), zinc (Zn), tin (Sn), antimony (Sb), and combinations thereof is possible.
본 명세서에서 상기 금속층은 Ma를 단독으로 사용하는 '금속층' 또는 Ma-Mb 합금을 사용한 '합금층'을 모두 포함한다.In the present specification, the metal layer includes both the 'metal layer' using Ma alone or the 'alloy layer' using Ma-Mb alloy.
상기 금속층은 리튬과 반응하지 않고 실리콘-금속 활성층과의 계면에서 실리콘과 금속 결합을 유지한다. 이러한 금속층은 전자와 함께 리튬이온이 이동할 수 있는 매질로서 작용하여, 리튬-실리콘 반응시 발생할 수 있는 응력을 완화시키는 완충 역할을 함으로써 활물질 구조의 안정성을 확보할 수 있게 된다.The metal layer does not react with lithium and maintains a metal bond with silicon at the interface with the silicon-metal active layer. The metal layer acts as a medium through which lithium ions can move together with the electrons, and serves to buffer the stress that may occur during the lithium-silicon reaction, thereby securing stability of the active material structure.
다만, 상기 실리콘-금속 활성층의 Mx가 Ma인 경우 금속층은 Ma-Mb의 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.However, when M x of the silicon-metal active layer is Ma, the metal layer is preferably formed of an alloy of Ma-Mb.
도 1a 내지 도 1c는 실리콘-금속 또는 실리콘-합금의 활성층과, 완충층으로 금속층 또는 합금층이 적층된 음극의 구조를 보여주는 단면도이다. 이때 도면의 이해를 돕기 위해 Ma를 단독으로 사용한 경우를 '금속층'으로, Ma-Mb를 사용한 경우는 '합금층'으로 언급한다. 1A to 1C are cross-sectional views showing the structure of an active layer of silicon-metal or silicon-alloy and a cathode in which a metal layer or an alloy layer is laminated as a buffer layer. In this case, the case of using Ma alone as a metal layer, and the case of using Ma-Mb, is referred to as an 'alloy layer' for better understanding of the drawings.
구체적으로, 도 1a는 실리콘-금속 활성층과 합금층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도이다.Specifically, FIG. 1A is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-metal active layer and an alloy layer are alternately stacked.
도 1a를 참조하면, 다층 박막 구조의 음극은 기판 또는 음극 집전체(101) 상에 합금층(Ma-Mb, 103a)이 형성되고, 상기 합금층(103a) 상에 실리콘-금속 활성층(Si-Ma, 105a)이 형성되고, 그 상부로 합금층(103a) 및 실리콘-금속 활성층(105a)이 순차적으로 적층되고, 최상부층에 합금층(103a)이 적층된 구조를 가진다.Referring to FIG. 1A, in the cathode of a multilayer thin film structure, an alloy layer (Ma-Mb, 103a) is formed on a substrate or a cathode
도 1b는 실리콘-합금 활성층과 금속층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도이다.1B is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy active layer and a metal layer are alternately stacked.
도 1b를 참조하면, 다층 박막 구조의 음극은 기판 또는 음극 집전체(101) 상에 금속층(Ma, 103b)이 형성되고, 상기 금속층(103b) 상에 실리콘-합금 활성층(Si-Ma-Mb, 105b)이 형성되고, 그 상부로 금속층(103b) 및 실리콘-합금 활성층(105b)이 순차적으로 적층되고, 최상부층에 금속층(103b)이 적층된 구조를 가진다. Referring to FIG. 1B, the cathode of the multilayer thin film structure includes metal layers Ma and 103b formed on a substrate or an anode
도 1c는 실리콘-합금 활성층과 합금층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도이다.1C is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy active layer and an alloy layer are alternately stacked.
도 1c를 참조하면, 다층 박막 구조의 음극은 기판 또는 음극 집전체(101) 상에 합금층(Ma-Mb, 103a)이 형성되고, 상기 합금층(103a) 상에 실리콘-합금 활성층(Si-Ma-Mb, 105b)이 형성되고, 그 상부로 합금층(103a) 및 실리콘-합금 활성층(105b)이 순차적으로 적층되고, 최상부층에 합금층(103a)이 적층된 구조를 가진다. Referring to FIG. 1C, in the cathode of the multilayer thin film structure, an alloy layer (Ma-Mb, 103a) is formed on a substrate or an anode
(b) 완충층이 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층인 경우(b) the buffer layer is a silicon-metal layer having a low silicon concentration
본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 다층 박막 구조의 음극은 실리콘과 함께 금속을 동시 증착하여 실리콘-금속 활성층을 형성하고, 완충층으로 상기 실리콘-금속층 상에 상기 실리콘-금속 활성층보다 실리콘의 농도가 낮은 실리콘-금속층을 증착하여 제조한다.In the cathode of the multilayer thin film structure according to the second preferred embodiment of the present invention, a silicon-metal active layer is formed by simultaneously depositing metal together with silicon, and the concentration of silicon is higher than the silicon-metal active layer on the silicon-metal layer as a buffer layer. Prepared by depositing a low silicon-metal layer.
상기 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층은 하기 화학식 2로 표시된다:The silicon-metal layer having a low silicon concentration is represented by the following Chemical Formula 2:
상기 화학식 2에서 My는 Ma 또는 Ma-Mb이고, In
이때 Ma는 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 탈륨(Ta), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 레늄(Re) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이고, In this case, Ma is titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zirconium (Zr), niobium ( Nb), molybdenum (Mo), thallium (Ta), tungsten (W), hafnium (Hf), rhenium (Re) and one kind of metal selected from the group consisting of
Mb는 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 안티몬(Sb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이고, Mb is one metal selected from the group consisting of silver (Ag), gold (Au), aluminum (Al), zinc (Zn), tin (Sn), antimony (Sb), and combinations thereof,
y는 0.4 내지 1.0의 실수이다.y is a real number between 0.4 and 1.0.
상기 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층은 충·방전시 리튬 이온의 확산 속도가 증가되는 효과가 있다. 이때 실리콘의 농도가 낮은 실리콘-금속(Si1-y-My)층 내 금속의 함량은 0.4<y<1.0의 범위에 있는 것이 바람직하다. 만약, 상기 y가 상기 범위 미만이면 완충층으로의 응력 완화 효과가 충분하지 못하게 되는 문제를 야기한다.The silicon-metal layer having a low silicon concentration has an effect of increasing the diffusion rate of lithium ions during charging and discharging. In this case, the content of the metal in the silicon-metal (Si 1-y -M y ) layer having a low concentration of silicon is preferably in the range of 0.4 <y <1.0. If y is less than the above range, it causes a problem that the stress relaxation effect to the buffer layer is insufficient.
본 명세서에서 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층은 금속으로 Ma를 사용한 '실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층' 또는 Ma-Mb의 합금으로 사용한 '실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층'을 모두 포함한다.In this specification, the silicon-metal layer having a low silicon concentration includes both a 'low silicon concentration silicon-metal layer' using Ma as a metal or a 'low silicon concentration silicon-alloy layer' used as an alloy of Ma-Mb.
도 2a 내지 도 2d는 제2 실시예에 따른 다층 박막 구조의 음극을 보여주는 단면도이다. 이때 도면의 이해를 돕기 위해 Ma를 단독으로 사용한 경우를 '금속층'으로, Ma-Mb를 사용한 경우는 '합금층'으로 언급한다. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a cathode of a multilayer thin film structure according to a second embodiment. In this case, the case of using Ma alone as a metal layer, and the case of using Ma-Mb, is referred to as an 'alloy layer' for better understanding of the drawings.
구체적으로, 도 2a는 실리콘-금속 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도이다.Specifically, FIG. 2A is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-metal active layer and a silicon-metal layer having a low silicon concentration are alternately stacked.
도 2a를 참조하면, 다층 박막 구조의 음극은 기판 또는 음극 집전체(201) 상에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(Si'-Ma, 203a)이 형성되고, 상기 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(203a) 상에 실리콘-금속 활성층(Si-Ma, 205a)이 형성되고, 그 상부로 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(203a) 및 실리콘-금속 활성층(205a)이 순차적으로 적층되고, 최상부층에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(203a)이 적층된 구조를 가진다. Referring to FIG. 2A, the cathode of the multilayer thin film structure has a silicon-metal layer (Si′-Ma, 203a) having a low silicon concentration formed on a substrate or a cathode
도 2b는 실리콘-합금 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도이다.FIG. 2B is a cross-sectional view of a negative electrode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy active layer and a low silicon concentration silicon-metal layer are alternately stacked.
도 2b를 참조하면, 다층 박막 구조의 음극은 기판 또는 음극 집전체(201) 상에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(Si'-Ma, 203a)이 형성되고, 상기 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(203a) 상에 실리콘-합금 활성층(Si-Ma-Mb, 205b)이 형성되고, 그 상부로 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(203a) 및 실리콘-합금 활성층(205b)이 순차적으로 적층되고, 최상부층에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층(203a)이 적층된 구조를 가진다.Referring to FIG. 2B, in the cathode of the multilayer thin film structure, a silicon-metal layer (Si′-Ma) 203a having a low silicon concentration is formed on a substrate or a cathode
도 2c는 실리콘-금속 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도이다.2C is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-metal active layer and a silicon-alloy layer having a low silicon concentration are alternately stacked.
도 2c를 참조하면, 다층 박막 구조의 음극은 기판 또는 음극 집전체(201) 상에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(Si'-Ma-Mb, 203b)이 형성되고, 상기 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(203b) 상에 실리콘-금속 활성층(Si-Ma, 205a)이 형성되고, 그 상부로 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(203b) 및 실리콘-금속 활성층(205a)이 순차적으로 적층되고, 최상부층에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(203b)이 적층된 구조를 가진다. Referring to FIG. 2C, in the cathode of the multilayer thin film structure, a silicon-alloy layer (Si′-Ma-Mb, 203b) having a low silicon concentration is formed on a substrate or a cathode
도 2d는 실리콘-합금 활성층과 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조를 포함하는 음극의 단면도이다. 2D is a cross-sectional view of a cathode including a multilayer thin film structure in which a silicon-alloy active layer and a silicon-alloy layer having a low silicon concentration are alternately stacked.
도 2d에 따른 다층 박막 구조의 음극은 기판 또는 음극 집전체(201) 상에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(Si'-Ma-Mb, 203b)이 형성되고, 상기 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(Si'-Ma-Mb, 203b) 상에 실리콘-합금 활성층(Si-Ma-Mb, 205b)이 형성되고, 그 상부로 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(203b) 및 실리콘-합금 활성층(205b)이 순차적으로 적층되고, 최상부층에 실리콘 농도가 낮은 실리콘-합금층(203b)이 적층된 구조를 가진다. In the cathode of the multilayer thin film structure according to FIG. 2D, a silicon-alloy layer (Si′-Ma-Mb, 203b) having a low silicon concentration is formed on a substrate or a cathode
이와 같이 본 발명에 따른 다층 박막 구조의 음극은 실리콘-금속 활성층과, 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층의 완충층이 교호적으로 적층된 다층 박막으로 이루어진다. 이때 상기 다층 박막 구조의 음극의 최상층이 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.As described above, the cathode of the multilayer thin film structure according to the present invention includes a multilayer thin film in which a silicon-metal active layer and a buffer layer of a metal layer or a silicon-metal layer having a low silicon concentration are alternately stacked. At this time, it is preferable that the uppermost layer of the cathode of the multilayer thin film structure is made of a metal layer or a silicon-metal layer having a low silicon concentration.
바람직하기로, 본 발명에 따른 다층 박막 구조의 음극은 실리콘-금속 활성층의 두께 및 적층 수는 음극 활물질의 양과 비례하므로 디바이스의 요구와 양극의 용량에 따라 다양하게 변화시킬 수 있으며, 두께가 50 내지 5000 Å의 범위인 것이 바람직하다. 만약 실리콘-금속 활성층의 두께가 상기 범위를 초과하면 완충층이 실리콘의 부피 팽창을 충분히 억제하지 못하는 문제가 있고, 상기 범위 미만이면 요구되는 용량의 설계를 위해 다층 박막의 총수가 증가하게 되는데 금속층의 수가 소정범위 이상으로 증가하면 다층 박막 구조를 가지는 음극의 과전압(over potential)이 증가하는 문제가 있다.Preferably, since the thickness of the silicon-metal active layer and the number of stacked layers of the negative electrode of the multilayer thin film structure according to the present invention are proportional to the amount of the negative electrode active material, the negative electrode may be variously changed according to the requirements of the device and the capacity of the positive electrode. It is preferable that it is the range of 5000 kPa. If the thickness of the silicon-metal active layer exceeds the above range, there is a problem that the buffer layer does not sufficiently suppress the volume expansion of silicon. If the silicon-metal active layer is less than the above range, the total number of the multilayer thin films is increased to design the required capacity. Increasing above a predetermined range, there is a problem that the over-voltage (over potential) of the cathode having a multi-layer thin film structure increases.
또한 완충층은 전자와 함께 리튬이온이 이동할 수 있는 매질로서 작용하고 실리콘-금속 활성층의 부피변화를 완화하는 역할을 수행할 수 있는 최소한의 두께로 증착하며 10 내지 500 Å 범위로 형성하는 것이 바람직하다. 만약 상기 완충층의 두께가 상기 범위 미만이면 실리콘-금속 활성층의 부피 변화를 억제하는 효과가 작고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 완충층을 통한 리튬이온의 이동이 어려워지는 문제점이 있다.In addition, the buffer layer is preferably formed in a range of 10 to 500 kPa and deposited to a minimum thickness capable of acting as a medium through which lithium ions can move together with electrons and to mitigate the volume change of the silicon-metal active layer. If the thickness of the buffer layer is less than the range, the effect of suppressing the volume change of the silicon-metal active layer is small. On the contrary, if the thickness exceeds the range, it is difficult to move lithium ions through the buffer layer.
이와 같이 실리콘-금속 활성층과 완충층이 교호적으로 적층된 다층 박막 구조의 음극은 최종적으로 두께가 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛ 가 되도록 하며, 실리콘-금속 활성층과 완충층을 적어도 2층 이상, 최대 500 층으로 적층한다.As described above, the cathode of the multilayer thin film structure in which the silicon-metal active layer and the buffer layer are alternately stacked has a thickness of 0.1 μm to 3 μm, and the silicon-metal active layer and the buffer layer are laminated in at least two layers, up to 500 layers. do.
상기 다층 박막 구조의 음극은 The cathode of the multilayer thin film structure
(i) 기판 상에 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층의 완충층을 형성하고,(i) forming a buffer layer of a metal layer or a silicon-metal layer having a low silicon concentration on the substrate,
(ii) 상기 완충층 상에 실리콘-금속 활성층을 형성하는 단계를 적어도 1회 이상 수행하여 제조된다.(ii) forming the silicon-metal active layer on the buffer layer at least once or more.
이때 상기 실리콘-금속 활성층과 금속층, 및 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층의 완충층은 통상적으로 이 분야에서 사용되는 마그네트론 스퍼터링, DC 다이 오드 스퍼터링(DC diode sputtering), 전자빔 증착(electron beam vapor deposition), 및 이온빔 스퍼터링으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법을 수행하여 형성한다.In this case, the silicon-metal active layer, the metal layer, and the buffer layer of the silicon-metal layer having a low silicon concentration are typically magnetron sputtering, DC diode sputtering, electron beam vapor deposition, and electron beam vapor deposition used in the art. It is formed by performing one method selected from the group consisting of ion beam sputtering.
이때 열처리 이후 음극에 상기와 같은 직류 바이어스 공정을 통하여 층간 계면 결합력을 증가시킬 수 있으며, 기재를 가열하는 공정, 이온빔 조사 공정 또는 플라즈마 처리 공정 등을 통하여 계면의 결합력을 증가시킬 뿐만 아니라 계면의 안전성 확보 등 계면의 물성을 향상시킬 수 있다.In this case, after the heat treatment, the interfacial bonding strength between layers may be increased through the DC bias process as described above, and the bonding strength of the interface may be increased through the process of heating the substrate, the ion beam irradiation process, or the plasma treatment process, as well as ensuring the safety of the interface. Etc. physical properties of the interface can be improved.
상기한 구조를 가지는 다층 박막 구조의 음극은 리튬 이차 박막 전지의 음극으로 적용되어 종래 음극 박막에서 발생하는 기계적인 균열 현상을 방지하여, 음극과 고체 전해질막 사이의 계면의 화학적 및 기계적 안정성이 크게 개선됨에 따라 리튬 이차 박막 전지의 수명 특성을 향상시킨다.The negative electrode of the multilayer thin film structure having the above structure is applied as a negative electrode of the lithium secondary thin film battery to prevent mechanical cracking occurring in the conventional negative electrode thin film, thereby greatly improving the chemical and mechanical stability of the interface between the negative electrode and the solid electrolyte membrane. Accordingly, the life characteristics of the lithium secondary thin film battery are improved.
이때 리튬 이차 박막 전지의 충·방전 사이클 특성은 다층 박막을 구성하는 실리콘-금속 활성층과 금속층 또는 실리콘 농도가 낮은 실리콘-금속층의 각 두께와 배열순서, 전체적인 음극의 두께, 박막 형성 조건, 실리콘과 금속의 혼합비 등에 의해 적층구조의 안정성이 제어됨으로써 다양한 특성을 기대할 수 있다.At this time, the charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary thin film battery are characterized by the thickness and arrangement order of the silicon-metal active layer and the metal layer or the silicon-metal layer having low silicon concentration, the overall thickness of the cathode, the thin film formation conditions, and the silicon and metal. Various properties can be expected by controlling the stability of the laminated structure by the mixing ratio and the like.
도 3은 리튬 이차 박막 전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이때 적용되는 리튬 이차 박막 전지의 구조는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 통상적으로 이 분야에서 사용되는 구조 모두가 가능하다.3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a lithium secondary thin film battery. The structure of the lithium secondary thin film battery applied at this time is not particularly limited in the present invention, and all of the structures commonly used in this field are possible.
도 3을 참조하면, 리튬 이차 박막 전지는 전기 절연성 기판; 양극 전류 집전체; 양극; 고체 전해질; 음극; 음극 전류 집전체; 및 보호막이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.Referring to FIG. 3, a lithium secondary thin film battery may include an electrically insulating substrate; Anode current collector; anode; Solid electrolytes; cathode; Cathode current collector; And a protective film sequentially stacked.
상기 기판(2)은 고분자를 비롯한 유연성의 특성을 가지는 절연성 기판이 가능하다.The
양극 전류 집전체(4)는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 스테인레스 스틸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 사용될 수 있다. 이러한 양극 전류 집전체(4)는 필요에 따라 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 이때 상기 양극 전류 집전체(4)의 재질에 따라 기판(2)을 선택적으로 미사용할 수 있다.The positive electrode
양극(6)은 어느 한 쌍의 전기 전도 활성층 상에 리튬 금속 산화물층이 적층된 것이 바람직하다. 상기 전기 전도 활성층은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 탄소(C), 코발트(Co), 및 이들 합금과, Ti, Cr, HF, Mo, Nb, V, Ta, Zr 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 질화물, RuO2 및 Li2RuO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하며, 두께가 5 Å 내지 1 ㎛인 것이 바람직하다.The
또한 상기 리튬 산화물층은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiCo1 - xNixO2(0.2<x<0.8), LiMyMn2 - yO4 (이때 M은 Cr, Ni, Co, Al, Fe, Cu, Mg 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 0.2<y<1.8이다.), Li2MMn3O8 (이때 M은 Co 또는 Fe이다), LiFePO4, LiVOPO4 및 이들을 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여, 0.5 내지 3.0 ㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 리튬 산화물층은 나노 크리스털 상태(nano-crystalline state)에서 이론 용량에 가까운 충방전 용량을 나타내며, 증착 후 300 ℃ 정도의 온도에서 열처리하면 양극으로서의 전기화학적 특성은 더욱 향상된다.In addition, the lithium oxide layer is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiCo 1 -x Ni x O 2 (0.2 <x <0.8), LiM y Mn 2 - y O 4 (where M is Cr, Ni, Co , Al, Fe, Cu, Mg and one selected from the group consisting of a combination thereof, 0.2 <y <1.8.), Li 2 MMn 3 O 8 (where M is Co or Fe), LiFePO 4 , LiVOPO 4 and at least one selected from the group consisting of a mixture, it is preferable to form a thickness of 0.5 to 3.0 ㎛. The lithium oxide layer exhibits a charge / discharge capacity close to a theoretical capacity in a nano-crystalline state, and when the heat treatment is performed at a temperature of about 300 ° C. after deposition, electrochemical properties as an anode are further improved.
상기 양극(6)의 전기 전도 활성층 및 리튬 산화물층은 증착 방법에 의해 박막 형태로 형성하며, 대표적으로 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition), 및 이온빔 스퍼터링(ion beam sputtering)으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 증착한 후, 300 ℃ 이하의 저온 열처리하여 제조된다.The electrically conductive active layer and the lithium oxide layer of the
고체 전해질(8)은 전해액과 반응성이 없고 리튬 이온 전도성이 있으며 전기 전도성이 없는 물질이 가능하며, 대표적으로 LiPON(lithium phosphorous oxynitride), LiSiPON(lithium silicon phosphorous oxynitride), LiSiON(lithium silicon oxynitride), LiBPON(lithium boron phosphorous oxynitride) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 무기 전해질과, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코 올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 고분자 전해질이 가능하다. The
이러한 고체 전해질(8)은 양극 재료와 전해액이 주로 반응하는 양극 표면에서 보호막으로 작용하여 양극 재료와 전해액의 반응을 감소시킴으로써, 전해질로서 고체 전해질만을 사용하는 전지에 비하여 전지 성능을 악화시키지 않으면서 전지의 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 양극 재료가 전해액에 용해되는 정도를 저하시킴으로써 전지수명 향상을 도모할 수 있다. The
상기 고체 전해질(8)은 박막 형태로 제조되며, 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링법(sputtering) 등의 증착법, 또는 졸-겔법(sol-gel) 등에 의하여 상기 박막 재료를 겔로 제조한 후 스핀-코팅(spin coating) 등의 습식 코팅법을 형성한다. The
이때 음극(10)은 도 1a 내지 도 2d에서 나타내는 구조를 가지는 다층 박막 음극이 사용된다. At this time, the
음극 전류 집전체(12)는 양극 전류 집전체(4)와 마찬가지로 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The cathode
보호막(14)은 전지를 대기에서 격리시키는 것으로, 대표적으로 세라믹-금속, 파라린(Paralyne)-금속 또는 파라린-금속-세라믹의 다층 박막, 크롬, 니켈, 바나듐과 같이 Li과 화학 반응을 하지 않으면서 대기 중에서 안정한 금속막, 질화물 또는 산화물과 같은 세라믹 박막 또는 파라린과 같은 고분자 화합물 등이 가능하다.The
도 4는 전기 전도성 기판(22) 또는 양극 전류 집전체(22); 양극(26); 고체 전해질(28); 음극(30); 음극 전류 집전체(32); 및 보호막(34)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬 이차 박막 전지의 단면도이다.4 shows an electrically
상기 기판(22)으로 전기 전도성 기판을 사용하고, 이는 양극 전류 집전체와 동일한 역할을 수행한다. 상기 기판(22)으로는 구리(Cu), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탈륨(Ta), 텅스텐(W), 스테인레스 스틸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.An electrically conductive substrate is used as the
이때 상기 전지의 각 구성 요소는 상기 제3 실시예에서 설명한 바와 같다.At this time, each component of the battery is as described in the third embodiment.
도 5는 전기 절연성 기판(42); 음극 전류 집전체(52); 음극(50); 고체 전해질(48); 양극(46); 양극 전류 집전체(44); 및 보호막(54)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬 이차 박막 전지의 단면도이다. 이때 상기 전지의 각 구성 요소는 상기에서 설명한 바와 같다.5 shows an electrically insulating
도 6은 전기 전도성 기판(62) 또는 음극 전류 집전체(62); 음극(70); 고체 전해질(68); 양극(66); 양극 전류 집전체(64); 및 보호막(74)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 리튬 이차 박막 전지의 단면도이다.6 shows an electrically
리튬 이차 박막 전지의 기판(62)으로 사용된 전기 전도성 기판은 음극 전류 집전체로 사용 가능하다. 이때 상기 전지의 각 구성 요소는 상기에서 설명한 바와 같다.The electrically conductive substrate used as the
한편 본 발명의 리튬 이차 박막 전지는 음극과 전해질 사이, 또는 양극과 전 해질 사이의 계면에 추가의 확산 방지층을 포함하여 증착 과정 내지는 증착 후 열처리 과정에서 각각의 계면에서의 과도한 상호 확산 반응을 억제할 수 있다.Meanwhile, the lithium secondary thin film battery of the present invention includes an additional diffusion barrier layer at the interface between the cathode and the electrolyte, or between the anode and the electrolyte to suppress excessive cross diffusion at each interface during deposition or post-deposition heat treatment. Can be.
상기 확산 방지층은 Au, Ag, Pt, Pd, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, W, Hf, Re 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 금속 또는 합금; Ti, Cr, HF, Mo, Nb, V, Ta, Zr 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 질화물; RuO2; Li2RuO3;및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함한다. 상기 확산 방지층은 10 Å 내지 500 Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. The diffusion barrier layer is selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Pd, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta, W, Hf, Re, and combinations thereof At least one metal or alloy; Nitrides including one selected from the group consisting of Ti, Cr, HF, Mo, Nb, V, Ta, Zr, and combinations thereof; RuO 2 ; Li 2 RuO 3 ; and combinations thereof. The diffusion barrier layer is preferably formed in a thickness of 10 kPa to 500 kPa.
이때 상기 확산 방지층 외에 음극과 전해질 사이에는 리튬 복합금속 화합물층을 포함하여 충방전시 리튬 이온과 반응할 수 있으며 충방전 효율이 좋은 특성을 이용하여 초기의 비가역을 감소시킬 수 있다.In this case, in addition to the diffusion barrier layer, a lithium composite metal compound layer may be included between the negative electrode and the electrolyte to react with lithium ions during charge and discharge and to reduce initial irreversibility by using good charge and discharge efficiency.
상기 리튬 복합금속 화합물층에 포함되는 화합물로는 Li3 - xMxN(이때 M은 Co, Cu, Ni 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 0≤x≤0.5이다), Li4Ti5O12 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 음극과 전해질 사이에 10 Å 내지 500 Å의 두께로 층을 형성함으로써 음극과 전해질의 계면에 화학적 친화성을 부여한다.Examples of the compound included in the lithium composite metal compound layer include Li 3 - x M x N (wherein M is one selected from the group consisting of Co, Cu, Ni, and combinations thereof, and 0≤x≤0.5), Li 4 One selected from the group consisting of Ti 5 O 12 and a combination thereof is possible, and a chemical affinity is imparted to the interface between the cathode and the electrolyte by forming a layer having a thickness of 10 kPa to 500 kPa between the cathode and the electrolyte.
이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the following examples are merely examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예)(Example)
(실시예 1)(Example 1)
스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용하여 Ni 기판 상에 Zr 박막(완충층: 금속층)과 Si70-Zr17-Ag13 박막(실리콘-금속 활성층)을 적층하여 다층 박막 구조의 음극을 제조하였다.A cathode having a multilayer thin film structure was prepared by laminating a Zr thin film (buffer layer: metal layer) and a Si 70 -Zr 17 -Ag 13 thin film (silicon-metal active layer) on a Ni substrate using a sputtering method.
이때 증착시 초기 진공도를 2.0 X 10 -6 torr 이하로 유지한 후 증착시 Ar 분위기에서 조압 압력을 5 m Torr로 유지하였다. 상기 Zr 박막은 100 Å 두께로, Si70-Zr17-Ag13 박막은 500 Å 두께로 증착하였다.At this time, the initial vacuum degree during deposition was maintained at 2.0 × 10 −6 torr or less, and the deposition pressure was maintained at 5 m Torr in Ar atmosphere during deposition. The Zr thin film was deposited at a thickness of 100 kHz and the Si 70 -Zr 17 -Ag 13 thin film was deposited at a thickness of 500 kHz.
(실시예 2)(Example 2)
Ni 기판 상에 Si58-Zr42 박막(완충층: 저농도의 실리콘을 함유하는 실리콘-금속층)과 Si85-Zr15 박막(실리콘-금속 활성층)을 적층하여 다층 박막 구조의 음극을 제조하였으며, 이때 증착 조건은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.A negative electrode having a multilayer thin film structure was fabricated by stacking a Si 58 -Zr 42 thin film (buffer layer: a silicon-metal layer containing low concentration of silicon) and a Si 85 -Zr 15 thin film (silicon-metal active layer) on a Ni substrate. The conditions were carried out in the same manner as in Example 1.
상기 Si58-Zr42 박막은 100 Å의 두께로, Si85-Zr15 박막은 250 Å의 두께로 증착하였다.The Si 58 -Zr 42 thin film was deposited to a thickness of 100 GPa, and the Si 85 -Zr 15 thin film was deposited to a thickness of 250 GPa.
(실시예 3)(Example 3)
Ni 기판 상에 Zr 박막(완충층:금속층)을 형성하고, 그 상부로 Si70-Zr17-Ag13 박막(실리콘-금속 활성층) 및 Si50-Zr41-Ag9 박막(완충층: 저농도의 실리콘을 함유하는 실리콘-금속층)을 순차적으로 적층하고, 그 상부로 상기 Si70-Zr17-Ag13 박막 및 Si50-Zr41-Ag9 박막을 순차적으로 적층하여 다층 박막 구조의 음극을 제조하였으며, 이때 증착 조건은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.A Zr thin film (buffer layer: metal layer) was formed on a Ni substrate, and a Si 70 -Zr 17 -Ag 13 thin film (silicon-metal active layer) and a Si 50 -Zr 41 -Ag 9 thin film (buffer layer: low concentration silicon) were formed on top of the Ni substrate. Containing a silicon-metal layer) sequentially and the Si 70 -Zr 17 -Ag 13 thin film and the Si 50 -Zr 41 -Ag 9 thin film were sequentially stacked on top of each other to prepare a cathode having a multilayer thin film structure. Deposition conditions were performed in the same manner as in Example 1.
이때 상기 Zr 박막은 100 Å 두께로, Si70-Zr17-Ag13 박막은 500 Å 두께로, Si50-Zr41-Ag9 박막은 100 Å 두께로 증착하였다.At this time, the Zr thin film is 100 Å thick, Si 70 -Zr 17 -Ag 13 The thin film was deposited to a thickness of 500 mm 3 and the thin film of Si 50 -Zr 41 -Ag 9 to 100 mm thick.
하기 표 1에 상기 실시예 1 내지 실시예 3의 다층 박막 구조의 음극의 적층 구조를 나타내었다.Table 1 shows the laminated structure of the cathode of the multilayer thin film structure of Examples 1 to 3.
(실험예 1)(Experimental Example 1)
상기 실시예 1 및 2에서 제조된 음극 박막의 전기 화학적 특성을 측정하기 위하여 리튬 금속을 상대전극 및 기준전극으로 하고, 상기 실시예 1 내지 2의 음극 활물질을 사용하여 코인셀 타입 반쪽전지를 제조하였다.In order to measure the electrochemical characteristics of the anode thin films prepared in Examples 1 and 2, a lithium metal was used as a counter electrode and a reference electrode, and a coin cell type half cell was manufactured using the anode active materials of Examples 1 to 2. .
전해액으로는 1M LiPF6 가 녹아 있는 EC/DEC (1:1 vol %)의 혼합용액을 사용하였고 분리막으로 PP/PE/PP 세 층으로 구성된 제품을 사용하였다. 전기화학적 특성 평가를 위한 조건은 리튬에 대해 0 내지 1.2 V 의 cut-off 구간에서 30 ㎂/㎠ 의 전류밀도로 정전류 방식으로 충전과 방전을 실시하는 방법에 따라 평가하였다. As an electrolyte, a mixed solution of EC / DEC (1: 1 vol%) in which 1M LiPF 6 was dissolved was used, and a product composed of three layers of PP / PE / PP was used as a separator. The conditions for the evaluation of the electrochemical characteristics were evaluated according to the method of charging and discharging with lithium at a current density of 30 mA /
도 7은 실시예 1에서 제조된 음극의 사이클에 따른 충방전 용량을 보여주는 그래프이고, 도 8은 실시예 8에서 제조된 음극의 사이클에 따른 충방전 용량을 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing the charge and discharge capacity according to the cycle of the negative electrode prepared in Example 1, Figure 8 is a graph showing the charge and discharge capacity according to the cycle of the negative electrode prepared in Example 8.
도 7 및 8을 참조하면, 실시예 1 및 2에서 제조된 음극은 충방전이 진행되어도 단위 면적당 용량의 변화가 없어, 우수한 충방전 사이클 특성을 가짐을 알 수 있다.7 and 8, it can be seen that the cathodes prepared in Examples 1 and 2 do not have a change in capacity per unit area even when charge and discharge proceed, and thus have excellent charge and discharge cycle characteristics.
(실시예 4)(Example 4)
Ni 기판 상에 실시예 2에서 제조된 음극; 고체 전해질(LiPON); 양극(LiCoO2) 및 양극 전류 집전체(Pt);를 순차적으로 적층하여 리튬 이차 박막 전지(도 6의 구조)를 제조하였다. A cathode prepared in Example 2 on a Ni substrate; Solid electrolyte (LiPON); A positive electrode (LiCoO 2 ) and a positive electrode current collector (Pt); were sequentially stacked to fabricate a lithium secondary thin film battery (structure of FIG. 6).
음극, 고체 전해질, 양극 및 양극 전류 집전체는 스퍼터링 방법을 이용하여 증착하였다. 음극 및 양극 전류 집전체는 증착시 초기 진공도를 2.0 X 10 -6 torr 이하로 유지한 후 증착시 아르곤 분위기에서 조압 압력을 5 m Torr로 유지하며 증착을 실행하였다. 이때 고체 전해질(LiPON)은 초기 진공도를 1.0 X 10 -6 torr 이하로 유지한 후 증착시 질소 분위기에서 조압 압력을 10 m Torr로 유지하며 증착을 실행하였다. 또한 양극은 초기 진공도를 4.0 X 10 -6 torr 이하로 유지한 후 증착시 아르곤 가스와 산소 가스를 각각 45, 및 5 sccm으로 흘려주며 조압압력을 5 m Torr로 유지하며 증착을 실행하였다.The negative electrode, solid electrolyte, positive electrode and positive electrode current collector were deposited using a sputtering method. Cathode and anode current collectors were deposited while maintaining an initial vacuum of 2.0 × 10 −6 torr or less during deposition and then maintaining a pressure control pressure of 5 m Torr in an argon atmosphere during deposition. At this time, the solid electrolyte (LiPON) was deposited while maintaining the initial vacuum level of 1.0 X 10 -6 torr or less, and maintaining a pressure pressure of 10 m Torr in a nitrogen atmosphere during deposition. In addition, the anode was maintained at an initial vacuum level of 4.0 X 10 -6 torr or less, and during deposition, argon gas and oxygen gas were flowed at 45 and 5 sccm, respectively, and the deposition pressure was maintained at 5 m Torr.
이때 음극의 두께는 0.6 ㎛ 이었으며, 고체 전해질(LiPON)은 1.8 ㎛, 양극(LiCoC2)은 1.3 ㎛ 및 양극 전류 집전체(Pt)는 0.3 ㎛의 두께로 증착되었다.At this time, the thickness of the negative electrode was 0.6 μm, the solid electrolyte (LiPON) was deposited to a thickness of 1.8 μm, the positive electrode (LiCoC 2 ) to 1.3 μm, and the positive electrode current collector (Pt) to 0.3 μm.
(실험예 2)(Experimental Example 2)
상기 실시예 4에서 제조된 전 고상 박막 전지의 전기 화학적 특성을 측정하기 위하여 cut-off 전압을 2.5 내지 3.9 V 로 인가하였으며, 30 ㎂/㎠의 전류밀도로 정전류 방식으로 충전과 방전을 실시하는 방법에 따라 평가하였다. In order to measure the electrochemical characteristics of the all-solid-state thin film battery prepared in Example 4, a cut-off voltage was applied at 2.5 to 3.9 V, and the charging and discharging was performed in a constant current manner at a current density of 30 mA /
도 9는 실시예 4에서 제조된 박막 전지의 사이클에 따른 방전 용량을 보여주는 그래프이다.9 is a graph showing the discharge capacity according to the cycle of the thin film battery prepared in Example 4.
도 9를 참조하면, 상기 실시예 4에서 제조된 박막 전지는 방전이 진행되는 동안 단위 면적당 용량의 변화가 없음을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 다층 박막 구조의 음극의 부피 팽창 및 수축이 억제되어 사이클 특성이 크게 향상됨에 기인한다.9, it can be seen that the thin film battery manufactured in Example 4 has no change in capacity per unit area during discharge. This result is due to the fact that volume expansion and contraction of the cathode of the multilayer thin film structure according to the present invention is suppressed, thereby greatly improving cycle characteristics.
도 10은 본 발명의 실시예 4에서 제조된 박막 전지의 첫 번째 사이클의 충·방전 그래프이다. 도 10을 참조하면, 본 발명에 의해 제작된 음극 박막 전지가 약 3.3 V의 작동 전압을 가짐을 알 수 있다.10 is a graph of charge and discharge of the first cycle of the thin film battery prepared in Example 4 of the present invention. Referring to Figure 10, it can be seen that the negative electrode thin film battery produced by the present invention has an operating voltage of about 3.3V.
(실시예 5)(Example 5)
PES 기판 상에 양극 전류 집전체(Pt); 양극(LiCoO2); 고체 전해질(LiPON); 및 실시예 2에서 제조된 음극; 음극 전류 집전체(Zr);를 순차적으로 적층하여 리튬 이차 박막 전지(도 5의 구조)를 제조하였다. An anode current collector Pt on the PES substrate; Positive electrode (LiCoO 2 ); Solid electrolyte (LiPON); And a negative electrode prepared in Example 2; A negative electrode current collector (Zr); was sequentially stacked to manufacture a lithium secondary thin film battery (structure of FIG. 5).
각각의 구성요소는 상기한 실시예 4와 같은 조건으로 증착하였으며, 음극과 전해질 사이에 Li4Ti5O12를 100 Å 삽입하였으며, 양극과 전해질 사이에는 TiN을 100 Å 삽입하였으며, Ar 분위기에서 150 ℃로 30분간 열처리를 하였다.Each component was deposited under the same conditions as in Example 4, and 100 Å of Li 4 Ti 5 O 12 was inserted between the cathode and the electrolyte, and 100 Å of TiN was inserted between the anode and the electrolyte. Heat treatment was carried out at 30 ° C. for 30 minutes.
이때 음극의 두께는 0.6 ㎛ 이었으며, 고체 전해질(LiPON)은 1.5 ㎛, 양극(LiCoC2)은 1.3 ㎛ 및 양극 전류 집전체(Pt)는 0.3 ㎛의 두께로 증착되었다. At this time, the thickness of the negative electrode was 0.6 μm, the solid electrolyte (LiPON) was deposited to a thickness of 1.5 μm, the positive electrode (LiCoC 2 ) to 1.3 μm, and the positive electrode current collector (Pt) to 0.3 μm.
(실험예 3)(Experimental Example 3)
상기 실시예 5에서 제조된 전 고상 박막 전지의 전기 화학적 특성을 측정하기 위하여 cut-off 전압을 2.5 내지 3.9 V로 인가하였으며, 30 ㎂/㎠의 전류밀도로 정전류 방식으로 충전과 방전을 실시하는 방법에 따라 평가하였다.In order to measure the electrochemical characteristics of the all-solid-state thin film battery prepared in Example 5, a cut-off voltage was applied at 2.5 to 3.9 V, and the charging and discharging was performed in a constant current manner at a current density of 30 mA /
도 11은 실시예 5에서 제조된 박막 전지의 사이클에 따른 방전 용량을 보여주는 그래프이다.11 is a graph showing the discharge capacity according to the cycle of the thin film battery prepared in Example 5.
도 11을 참조하면, 상기 실시예 5에서 제조된 박막 전지는 상기 실시예 4와 마찬가지로 제조된 박막 전지는 방전이 진행되는 동안 단위 면적당 용량의 변화가 없음을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 다층 박막 구조의 음극의 부피 팽창 및 수축이 억제되어 우수한 사이클 특성을 갖는 것을 보여준다. Referring to FIG. 11, it can be seen that in the thin film battery manufactured in Example 5, the thin film battery manufactured in the same manner as in Example 4 has no change in capacity per unit area during discharge. These results show that the volume expansion and contraction of the cathode of the multilayer thin film structure according to the present invention is suppressed to have excellent cycle characteristics.
도 12는 본 발명의 실시예 5에서 제조된 박막 전지의 첫 번째 사이클의 충?방전 그래프이다. 12 is a graph of charge and discharge of the first cycle of the thin film battery prepared in Example 5 of the present invention.
도 12를 참조하면, 본 발명에 의해 제작된 박막 전지가 약 3.3 V의 작동 전압을 갖는 것을 알 수 있다.12, it can be seen that the thin film battery produced by the present invention has an operating voltage of about 3.3V.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 음극으로 리튬을 대신하여 부피 팽창 및 수축을 억제하여 사이클 특성을 크게 향상시킨 실리콘 계 합금의 다층 박막을 사용함으로써 전극과 전해질 계면의 화학적 안정성 및 기계적 안정성을 크게 향상시킨다. As described above, in accordance with the present invention, by using a multilayer thin film of a silicon-based alloy which greatly improves cycle characteristics by suppressing volume expansion and contraction in place of lithium as a cathode, the chemical and mechanical stability of the electrode and electrolyte interfaces are greatly improved. Let's do it.
Claims (26)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020060055368A KR101308096B1 (en) | 2006-06-20 | 2006-06-20 | Anode for rechargeable lithium thin film battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium thin film battery comprising the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020060055368A KR101308096B1 (en) | 2006-06-20 | 2006-06-20 | Anode for rechargeable lithium thin film battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium thin film battery comprising the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070120734A KR20070120734A (en) | 2007-12-26 |
KR101308096B1 true KR101308096B1 (en) | 2013-09-12 |
Family
ID=39138382
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020060055368A KR101308096B1 (en) | 2006-06-20 | 2006-06-20 | Anode for rechargeable lithium thin film battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium thin film battery comprising the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101308096B1 (en) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100866863B1 (en) * | 2007-07-19 | 2008-11-04 | 한양대학교 산학협력단 | Anode for rechargeable lithium secondary battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium secondary battery comprising the same |
KR101147200B1 (en) | 2010-05-25 | 2012-05-25 | 삼성에스디아이 주식회사 | Negative electrode for rechargeable lithium battery, and rechargeable lithium battery |
KR101312081B1 (en) * | 2011-05-06 | 2013-10-02 | 스템코 주식회사 | Thin film battery without substrate, and manufacturing method for the same |
JP5963765B2 (en) * | 2011-10-30 | 2016-08-03 | 株式会社日本マイクロニクス | Quantum battery that can be charged and discharged repeatedly |
KR101997746B1 (en) | 2015-09-24 | 2019-07-08 | 삼성전자주식회사 | Battery pack and method of controlling charging and dischraging of the battery pack |
JP6813982B2 (en) * | 2016-08-01 | 2021-01-13 | 株式会社日本マイクロニクス | Rechargeable battery |
KR101905992B1 (en) * | 2016-10-28 | 2018-10-08 | 현대자동차주식회사 | An all-solid-state battery with stable interface of lithium electrode |
KR102362887B1 (en) | 2018-01-03 | 2022-02-14 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Method of pre-lithiating an anode for lithium secondary battery and Lithium metal laminate for being used therefor |
US20220199995A1 (en) * | 2020-12-21 | 2022-06-23 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Anode material for all-solid secondary battery, anode layer and all-solid secondary battery including the same, and manufacturing method thereof |
CN118084349B (en) * | 2024-04-29 | 2024-07-23 | 四川虹基光玻新材料科技有限公司 | AR and AF membranous layer structure and AR and AF coated glass product |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20050001542A (en) * | 2003-06-25 | 2005-01-07 | 한국과학기술연구원 | A cathode thin film for all solid state battery, preparation method thereof, and lithium thin film battery using the same |
KR100563081B1 (en) | 2003-04-28 | 2006-03-27 | 강원대학교산학협력단 | Thin negative electrode for lithium secondary battery and manufacturing method thereof |
-
2006
- 2006-06-20 KR KR1020060055368A patent/KR101308096B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100563081B1 (en) | 2003-04-28 | 2006-03-27 | 강원대학교산학협력단 | Thin negative electrode for lithium secondary battery and manufacturing method thereof |
KR20050001542A (en) * | 2003-06-25 | 2005-01-07 | 한국과학기술연구원 | A cathode thin film for all solid state battery, preparation method thereof, and lithium thin film battery using the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20070120734A (en) | 2007-12-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101308096B1 (en) | Anode for rechargeable lithium thin film battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium thin film battery comprising the same | |
US20240145763A1 (en) | Lithium anode device stack manufacturing | |
JP4367311B2 (en) | battery | |
KR101020909B1 (en) | Negative electrode for lithium secondary battery, method for producing same, and lithium secondary battery comprising such negative electrode for lithium secondary battery | |
EP1562250B1 (en) | Anode and battery | |
KR100766200B1 (en) | Electrode for lithium secondary cell and lithium secondary cell | |
US6805999B2 (en) | Buried anode lithium thin film battery and process for forming the same | |
KR100814591B1 (en) | Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery comprising the same | |
WO2006064774A1 (en) | Multilayer body containing active material layer and solid electrolyte layer, and all-solid lithium secondary battery using same | |
KR20070021110A (en) | Active Metal/Aqueous Electrochemical Cells and Systems | |
WO2007075867A2 (en) | Composite solid electrolyte for protection of active metal anodes | |
CN103718337A (en) | Plating technique for electrode | |
KR20070077126A (en) | Negative electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using the negative electrode | |
EP2045867A1 (en) | Lithium secondary battery | |
CN102668190A (en) | Solid electrolyte cell and cathode active material | |
US11394052B2 (en) | Composite cathode and lithium-air battery including the same | |
JP2003077529A (en) | Lithium battery and lithium secondary battery | |
WO2010032159A1 (en) | 2d or 3d electrochemical device employing composit active electrodes | |
JP2004127743A (en) | Thin film battery | |
JP2004165097A (en) | Negative electrode and battery, and manufacturing method of same | |
US11658306B2 (en) | Cathode, lithium-air battery comprising the same, and method of preparing the cathode | |
EP3545577A1 (en) | Li-ion based electrochemical energy storage cell | |
JP2004171875A (en) | Negative electrode and battery using it | |
KR100866863B1 (en) | Anode for rechargeable lithium secondary battery, method of preparing thereof, and rechargeable lithium secondary battery comprising the same | |
EP4024503A1 (en) | Lithium secondary battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160701 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170706 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180903 Year of fee payment: 6 |