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KR101569367B1 - Highly ion conductive glass ceramics for Li ion secondary cell - Google Patents

Highly ion conductive glass ceramics for Li ion secondary cell Download PDF

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KR101569367B1
KR101569367B1 KR1020130166776A KR20130166776A KR101569367B1 KR 101569367 B1 KR101569367 B1 KR 101569367B1 KR 1020130166776 A KR1020130166776 A KR 1020130166776A KR 20130166776 A KR20130166776 A KR 20130166776A KR 101569367 B1 KR101569367 B1 KR 101569367B1
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South Korea
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solid electrolyte
glass ceramics
present
ion secondary
battery
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이미재
김진호
황종희
임태영
김빛남
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한국세라믹기술원
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Publication date
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Abstract

본 발명은 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 리튬이온을 삽입/탈리할 수 있는 양극 및 음극을 포함하는 리튬이온 이차전지용 다층 구조의 전해질의 제조방법을 개시한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 이온전도도가 우수하고, 전지의 충방전 사이클 특성을 개선시키며, 전지의 충방전 용량도 향상할 수 있고, 전지의 장기적 안정성을 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지용 글라스 세라믹스, 특히 고체전해질을제조하도록 하는 작용효과가 기대된다.
The present invention relates to a high ion conductive glass ceramic for a lithium ion secondary battery and a process for producing the same, and more particularly, to a process for producing a multi-layered electrolyte for a lithium ion secondary battery comprising a cathode and an anode capable of intercalating / deintercalating lithium ions .
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a glass ceramic for a lithium ion secondary battery which is excellent in ionic conductivity, improves the charge / discharge cycle characteristics of the battery, improves the charge / discharge capacity of the battery, , Especially a solid electrolyte, can be expected.

Description

리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스 및 그 제조방법{Highly ion conductive glass ceramics for Li ion secondary cell}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high-ion conductive glass ceramics for a lithium ion secondary battery,

본 발명은 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 리튬이온을 삽입/탈리할 수 있는 양극 및 음극을 포함하는 리튬이온 이차전지용 다층 구조의 전해질의 제조방법을 개시한다. The present invention relates to a high ion conductive glass ceramic for a lithium ion secondary battery and a method for producing the same, and more particularly, to a process for producing a multi-layered electrolyte for a lithium ion secondary battery including a positive electrode and a negative electrode capable of inserting / .

전지(Battery)는 화학에너지를 전기화학적 산화, 환원 반응에 의해 전기에너지로 변환하는 장치로서, 화학전지와 물리전지로 분류할 수 있다. 화학전지는 일차전지, 이차전지, 연료전지로 구분되며, 물리전지는 태양전지, 열전소자, 원자력전지로 구분된다. A battery is a device that converts chemical energy into electrical energy by electrochemical oxidation and reduction reactions, and can be classified into a chemical cell and a physical cell. Chemical cells are classified into primary cells, secondary cells, and fuel cells, and physical cells are classified into solar cells, thermoelectric elements, and nuclear power cells.

이중 이차전지(Secondary cell)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 전지로 특히 리튬이온 이차전지는 화학에너지와 전기에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지를 의미하는 것으로, 계속해서 충전하면서 재사용이 가능한 것이 가장 큰 특징이다.Secondary cells are the most widely used batteries at present, and in particular, lithium ion secondary batteries are cells that can be repeatedly charged and discharged because the mutual conversion between chemical energy and electric energy is reversible. Reuse is the most important feature.

리튬 이차전지는 최근 현저하게 발달하여, 휴대폰, 노트북 등과 같은 이동기기 외에 대형 용량이 요구되는 자동차, 수송기기 등에 적용될 뿐만 아니라, 태양전지 또는 풍력전지와 연계된 발전용으로 생성된 고출력의 전기를 저장하기 위한 전력저장장치로도 사용되고 있다. Lithium secondary batteries have recently developed remarkably and are being applied not only to mobile devices such as mobile phones and notebooks but also to automobiles and transportation devices requiring large capacity and also to store high-output electricity generated for power generation associated with solar cells or wind cells And is also used as a power storage device.

이와 같은 다양한 분야의 응용을 위해서 고에너지밀도로 대표되는 전지의 용량, 안정성, 출력, 대형과, 초소형과 등의 관점에서 현재 리튬 이차전지의 한계를 극복할 수 있는 다양한 전지들이 연구되고 있다. 여기서, 대형은 전지 중에서 풍력, NAS 전지와 같은 시스템으로부터 생성되는 큰 용량의 전기를 충전할 수 있는 전지로 이때 충전 시 공급되는 전기의 양이 일정치 않고, 큰 용량의 전기가 공급되는 조건에서도 전지의 성능이 저하되거나, 전지가 부풀거나 폭발 등의 위험이 없어야 하며, 초소형은 반대로 핸드폰, 플럭시블 폰과 같이 성능은 고용량, 고출력이면서 얇고 작은 전지를 의미한다.Various batteries capable of overcoming the limitations of current lithium secondary batteries have been studied from the viewpoints of capacity, stability, output, large size, and small size of cells represented by high energy density for various applications. Here, a large-sized battery is a battery capable of charging a large amount of electricity generated from a system such as a wind power or NAS battery in a battery. In this case, the amount of electricity supplied during charging is not constant, The performance of the battery should not be deteriorated or the battery should not be inflated or exploded. In contrast to the ultra-small cell phone, the cell phone and the flip-chip mobile phone have high capacity and high output.

현재 개발하고자 하는 전지는 기존 전지에 비해 평균 작동 시간이 3배가 되기 때문에 축전된 에너지도 그 만큼 높아진다. 다만, 고 에너지를 발생하는 활성이 높은 활물질과 가연성의 비수계 유기 전해질이 동일한 공간에서 접하고 있어 매우 위험하므로 전지의 안정성 확보는 매우 중요한 과제이다. 따라서 안정성 측면에서 궁극적으로 전고체 전지를 지향하며, 특히 전고체 전지의 핵심 기술인 고체전해질에 대한 연구가 일본을 중심으로 활발히 진행되고 있다.Currently, the battery to be developed has an average operating time three times that of conventional batteries, so the stored energy is as high as that. However, securing the stability of the battery is a very important task, because active materials having high activity generating high energy and non-aqueous organic electrolytes having combustibility are in contact with each other in the same space. Therefore, in the aspect of stability, ultimately, all solid-state batteries are being pursued. Particularly, studies on solid electrolytes, which are core technologies of all solid-state batteries, are actively conducted mainly in Japan.

고체전해질은 고체 내부에서 고속으로 리튬이온을 확산시킬 수 있는 물질을 의미하며, 고체전해질 중에 특히 이온전도율이 높고, 전기화학적 안정성이 우수한 물질에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 고체전해질은 결정질(crystalline), 비정질(glass), 고분자(polymer), 복합체(composite) 등 다양한 성질과 형상의 물질을 이용하여 제작되고 있으며, 이러한 고체전해질을 이용한 전고체 전지의 개발도 함께 진행되고 있다.The solid electrolyte means a material capable of diffusing lithium ions at a high speed in a solid interior. Particularly, a solid electrolyte having a high ionic conductivity and excellent electrochemical stability has been studied. These solid electrolytes are manufactured using materials of various properties and shapes such as crystalline, amorphous (glass), polymer, and composite, and development of all solid batteries using such solid electrolytes is also progressed .

일반적으로 무기물계 고체전해질은 황화물계와 산화물계로 구분할 수 있는데, 현재 기술개발이 가장 많이 진행된 고체전해질은 황화물계 고체전해질로서, 상기 고체전해질의 이온전도도는 10-3 S/㎝로 유기전해액에 근접한 수준의 이온전도도를 갖는다. 그러나, 황화물계 고체전해질은 유기전해액 대비 전극 활물질과 고체전해질의 계면저항이 높고, 물과 반응해 황화수소 (H2S)가 발생하기 때문에 습도의 제어가 반드시 필요하다.In general, the inorganic solid electrolyte can be classified into a sulfide system and an oxide system. The solid electrolyte having the most advanced technology development is a sulfide solid electrolyte. The solid electrolyte has an ion conductivity of 10 -3 S / cm and is close to the organic electrolyte Ion conductivity. However, in the sulfide-based solid electrolyte, the interface resistance between the electrode active material and the solid electrolyte is higher than that of the organic electrolyte, and hydrogen sulfide (H 2 S) is generated by reaction with water.

또한, 산화물계 고체전해질로는 결정질과 비정질 고체전해질이 있으며, 결정질 고체전해질은 격자 결함으로 리튬이온이 이동할 수 있는 통로가 형성되어 높은 이온전도성을 가지고 있다. 그러나, 이러한 고체전해질은 결정성에 의한 grain boundary의 입계저항 때문에 이온전도도가 감소하는 단점이 있다. 또한 결정화를 위해 고온의 열처리가 필요하기 때문에 조성 선택의 제한 및 전극/전해질 계면 특성이 저하되고, 전이금속의 환원에 의해 전자전도도의 감소가 발생하는 단점이 있어서 비교적 낮은 이온전도도를 가진다.The oxide-based solid electrolytes include crystalline and amorphous solid electrolytes, and crystalline solid electrolytes have lattice defects and have a high ion conductivity by forming a passage through which lithium ions can move. However, such a solid electrolyte is disadvantageous in that ion conductivity is decreased due to grain boundary resistance of grain boundaries due to crystallinity. In addition, since a high temperature heat treatment is required for crystallization, there is a disadvantage in that the composition selection limitations and the electrode / electrolyte interface properties are lowered and the electron conductivity is reduced by the reduction of the transition metal.

비정질 산화물 고체전해질은 리튬이온이 이동할 수 있는 넓은 공간을 가지고 있기 때문에 높은 이온전도성을 가지는 특성이 있다. 산화물계 중 인산염 화합물계열은 높은 이온전도도를 보이고, 다른 산화물계 고체전해질과는 다르게 결정화 유리 상태로 제작이 가능하다. 이와 같이 결정화 유리상태로 제작된 인산염 화합물 계열의 고체전해질은 입자와 입자 사이가 유리질로 존재하여 입자 사이의 저항을 감소시킬 수 있기 때문에 높은 이온전도도를 가질 수 있다.The amorphous oxide solid electrolyte has a property of high ion conductivity because it has a wide space in which lithium ions can move. The oxide-based phosphate compound series exhibits high ionic conductivity and can be made into a crystallized glass state unlike other oxide-based solid electrolytes. The solid electrolyte of the phosphate compound series formed in the crystallized glass state can have a high ionic conductivity because it exists between the particles and the particles in the form of glass and can reduce the resistance between the particles.

현재 고체전해질을 연구함에 있어서 가장 큰 문제점은 이온전도도가 황화물계 전해질에 비해 낮다는 문제점이 있었다. At present, the biggest problem in studying solid electrolytes is that ion conductivity is lower than that of sulfide-based electrolytes.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이온전도도가 우수하고 제조방법이 간단한 리튬이온 이차전지용 전해질을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electrolyte for a lithium ion secondary battery having excellent ion conductivity and simple manufacturing method.

특히 본 발명은 고체 전해질 및 이러한 고체 전해질을 구비한 리튬이온 이차전지에 있어서, 전해액을 사용하지 않으며, 전지 용량도 높고, 충방전 사이클 특성도 양호해서, 장기적으로 안정되게 사용할 수 있고, 공업적인 제조 및 취급이 간편한 고체 전해질을 제공하는 것이다.Particularly, the present invention relates to a solid electrolyte and a lithium ion secondary battery having such a solid electrolyte, which do not use an electrolyte solution, have a high battery capacity and good charge-discharge cycle characteristics, can be used stably for a long period of time, And a solid electrolyte which is easy to handle.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스 세라믹스에 있어서, 상기 글라스 세라믹스는 Li1 .2+ xTi2 - xAl0 .5(PO4)3 (0≤x≤0.4)를 조성식으로 하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스 세라믹스를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a high ion conductive glass ceramic for a lithium ion secondary battery, wherein the glass ceramics is Li 1 .2 + x Ti 2 - x Al 0 .5 (PO 4) 3 The present invention provides high ion conductive glass ceramics for lithium ion secondary batteries.

상기 글라스 세라믹스는 고체전해질인 것이 바람직하다.The glass ceramics are preferably solid electrolytes.

상기 고체전해질은 소결 후 두께가 10㎛ ~ 0.5㎜인 것이 바람직하다.It is preferable that the thickness of the solid electrolyte after sintering is 10 탆 to 0.5 mm.

또한, 본 발명은 Li, Ti, Al 및 P를 성분으로 포함하는 산화물 또는 염을, 하기 식을 만족하도록 칭량하여 혼합하는 단계; 상기 혼합된 성분을 용융 후 냉각하고 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계; 및 상기 분쇄물을 성형하고 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: weighing and mixing an oxide or a salt containing Li, Ti, Al and P as a component to satisfy the following equation; Cooling and pulverizing the mixed component after melting to produce a pulverized product; And forming and sintering the pulverized product. The present invention also provides a method for manufacturing a high ion conductive glass ceramic for a lithium ion secondary battery.

[식][expression]

Li1 .2+ xTi2 - xAl0 .5(PO4)3 (0≤x≤0.4)Li 1 .2 + x Ti 2 - x Al 0 .5 (PO 4) 3 ( 0 ? X ? 0.4)

상기 혼합된 성분을 용융 후 냉각하고 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계;에서 용융온도는 1300℃ 내지 1500℃인 것이 바람직하다.The melting temperature of the mixed component is preferably 1300 ° C to 1500 ° C in the step of melting, cooling, and pulverizing to produce a pulverized product.

상기 혼합된 성분을 용융 후 냉각하고 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계;에서 용융시 승온속도와 냉각속도는 100 ~ 300℃/hr인 것이 바람직하다.In the step of melting and then cooling and pulverizing the mixed component to produce a pulverized product, it is preferable that the heating rate and cooling rate at the time of melting are 100 to 300 ° C / hr.

상기 분쇄물을 성형하고 소결하는 단계;에서 소결온도는 1000℃ 내지 1250℃인 것이 바람직하다.In the step of forming and sintering the pulverized product, the sintering temperature is preferably 1000 ° C to 1250 ° C.

상기 글라스 세라믹스는 고체전해질인 것이 바람직하다.The glass ceramics are preferably solid electrolytes.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 이온전도도가 우수하고, 전지의 충방전 사이클 특성을 개선시키며, 전지의 충방전 용량도 향상할 수 있고, 전지의 장기적 안정성을 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지용 글라스 세라믹스 특히 고체전해질을 제조하도록 하는 작용효과가 기대된다.As described above, according to the present invention, it is possible to provide a glass ceramic for a lithium ion secondary battery which is excellent in ionic conductivity, improves the charge / discharge cycle characteristics of the battery, improves the charge / discharge capacity of the battery, In particular, a functional effect of producing a solid electrolyte is expected.

또한, 기존에 재열처리 공정없이 용융공정만으로 제조할 수 있어 공업적인 제조 및 취급이 간편하며, 제조원가를 절감하여 리튬이온 이차전지용 글라스 세라믹스를 제조하도록 하는 작용효과가 기대된다.In addition, it is possible to produce glass ceramics for a lithium ion secondary battery by a conventional melting process without a reheat process, which is easy to manufacture and handle industrially and can reduce manufacturing cost.

도 1은 리튬이온전지의 리튬 dendrite구조를 나타내는 모식도 및 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 고체전해질의 x 조성에 따른 X선 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의해 1200℃에서 소결하여 제조된 고체전해질의 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 고체전해질의 x 조성에 따른 전기전도도 그래프이다.
도 5는 비교예로 제시되는 비정질 고체전해질의 이온전도도를 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic view and a photograph showing a lithium dendrite structure of a lithium ion battery.
2 is an X-ray graph according to the x composition of the solid electrolyte produced by the embodiment of the present invention.
3 is a photograph of a solid electrolyte produced by sintering at 1200 DEG C according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph of electrical conductivity according to the x composition of the solid electrolyte produced by the embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the ionic conductivity of the amorphous solid electrolyte shown as a comparative example.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면 및 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the accompanying drawings and preferred embodiments.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
In describing the present invention, the defined terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and they may be changed according to the intention or custom of the technician working in the field, and the definition is based on the contents throughout this specification It should be reduced.

종래 고체전해질은 황화물계로서, 현재 전지를 제조하는 공정에서 전극활물질 쉬트 제조시 물을 사용하여야 하는 수계공정 방식에는 전해질이 물과 반응하여 황화수소(H2S)를 발생하므로 적용할 수 없다. 또한 유계공정이라 하더라도 공정 전체의 습도 제어가 반드시 필요하다. 더욱이 황화물계 고체전해질은 용융시에도 공기와의 접촉을 차단하여야 하므로 공정이 복잡하고 어렵다. Conventionally, the solid electrolyte is a sulfide system. In an aqueous process method in which water is used in preparing an electrode active material sheet in a current battery manufacturing process, the electrolyte reacts with water to generate hydrogen sulfide (H 2 S). Also, even in the case of the oil-phase process, the humidity control of the entire process is necessarily required. Furthermore, since the sulfide-based solid electrolyte must be shielded from contact with air even when it is molten, the process is complicated and difficult.

이에 반해 산화물계 고체전해질의 경우 모든 공정이 공기중에서 이루어지고, 특히 전지 제조 공정에서 수계공정도 적합한 장점이 있다. On the other hand, oxide-based solid electrolytes are advantageous in that all the processes are performed in air, and in particular, the water-based process is also suitable for the battery manufacturing process.

고체전해질을 적용한 전고체 전지는 기존에 리튬이차전지에서 사용되는 액체전해질을 고체로 대체하며 전해액의 분해반응 등에 의한 발화, 폭발이 전혀 발생하지 않아 안전성을 대폭 개선한 전지이다.All solid-state batteries employing solid electrolytes are cells that replace the liquid electrolyte used in conventional lithium secondary batteries with solid materials, and have greatly improved safety because no ignition or explosion occurs due to the decomposition reaction of the electrolyte.

전해질을 고체로 사용하면 전해질 용액을 사용한 전지와 비교하여, (1) 안정성 향상, (2) 최적화 구조를 갖는 전지, (3) 높은 에너지 밀도, (4) 높은 출력밀도 등의 장점이 있다.When the electrolyte is used as a solid, it has advantages such as (1) improved stability, (2) a battery having an optimized structure, (3) a high energy density, and (4) a high output density as compared with a battery using an electrolyte solution.

특히 음극 소재로 용량이 매우 큰 Li-금속 혹은 Li-합금을 사용할 수 있기 때문에 흑연(graphite) 또는 탄소(carbon)를 사용한 경우보다 전지의 질량 및 부피에 대한 에너지 밀도가 8 ~ 10배 정도 큰 획기적으로 성능이 향상된 전지를 제조할 수 있다.In particular, Li-metal or Li-alloy, which has a very large capacity, can be used as an anode material. Therefore, the energy density of the battery mass and volume is 8 to 10 times larger than that of graphite or carbon. A battery having improved performance can be manufactured.

실제로 액상 전해액과 유기분리막을 사용한 경우 충방전 사이클을 진행하는 동안 도 1에서 도시된 것처럼 음극활물질로부터 Li 이온이 손가락 모양으로 자라나오거나 리튬이 dendrite상(나무가지 상)으로 성장하여 유기분리막을 파괴하고 결국은 양쪽 전극의 단락으로 폭발 등의 위험으로 사용할 수 없다. 따라서 고용량, 고밀도, 고출력을 가지는 전지를 제조하기 위해서는 고체전해질을 이용한 전고상전지가 반드시 필요하다.When a liquid electrolyte and an organic separator are actually used, during the charge / discharge cycle, as shown in FIG. 1, Li ions grow from the negative electrode active material into a finger shape or lithium grows into a dendrite phase (tree branch) Eventually, both electrodes are short-circuited and can not be used as a risk of explosion. Therefore, in order to produce a battery having a high capacity, a high density and a high output, a solid electrolyte using a solid electrolyte is indispensable.

더욱이 고체전해질을 적용하는 경우 여러 장의 전지를 적층한 적층형 전지나 segmented type 전지를 제조하여 다양한 형태의 고용량 전지를 제조할 수 있는 장점이 있어, 미국, 일본 등지에서는 이에 대한 연구가 시작되고 있다.
Furthermore, when a solid electrolyte is applied, various types of high capacity batteries can be manufactured by manufacturing a stacked battery or a segmented type battery in which a plurality of cells are stacked, and studies have been started in the United States and Japan.

본 발명에 의해 제조된 글라스 세라믹스는 용도예로서 고체전해질로 제조될 수 있으며, 이와 같은 고체전해질은 안전과 고용량, 고출력을 필요로하는 자동차용이나 발전시스템에 적용하는 대용량 전력저장장치, 또는 Li/Zn 전지, redox flow 전지, Li/Mn 전지와 같이 대용량의 전지에 보다 바람직하게 사용될 수 있다. 다만 다른 용도를 제한하는 것은 아니다. The glass ceramics produced by the present invention can be made of solid electrolytes as applications, and such solid electrolytes can be used in large-capacity power storage devices for automobiles and power generation systems requiring safety, high capacity and high output, or Li / Zn batteries, redox flow cells, and Li / Mn batteries. It does not limit other uses.

본 발명에 의한 글라스 세라믹스는 비황화물계라는 점을 특징으로 한다.The glass ceramics according to the present invention are characterized by being non-sulfide based.

본 발명에 의한 글라스 세라믹스는 리튬이온 이차전지용 고체전해질로 사용될 수 있으며 Li1 .2+ xTi2 - xAl0 .5(PO4)3 (0≤x≤0.4)와 같은 조성식으로 표현된다. The glass ceramics according to the present invention can be used as a solid electrolyte for a lithium ion secondary battery and expressed by a composition formula such as Li 1 .2 + x Ti 2 - x Al 0 .5 (PO 4 ) 3 ( 0 x 0.4).

위 조성에서 x의 범위가 0.4를 초과하면 AlPO4와 같은 이차상이 생성되고 결정화 유리의 주 결정상인 LiTi2(PO4)3의 결정성이 낮아져 낮은 이온전도도를 갖는 문제점이 있다. 따라서, 위 조성은 위 범위에서 임계적 의의가 있다.If the range of x in the above composition is more than 0.4, a secondary phase such as AlPO 4 is produced and the crystallinity of LiTi 2 (PO 4 ) 3, which is the main crystal phase of the crystallized glass, is lowered, resulting in low ion conductivity. Thus, the above composition has a critical significance in the above range.

여기서, 상기 고체전해질은 소결 후 두께가 10㎛ ~ 0.5㎜인 것이 바람직하다. 전해질은 얇을수록 좋은 이온전도도를 갖는데, 너무 얇으면 강도를 갖지 못해 후막을 여러층으로 적층하는 형태로 전지를 제조하면 공정상 복잡성이 있다. 즉, 적절한 이온전도도를 가지면서 일정 강도 이상을 확보하기 위하여 위 수치범위는 그 임계적 의의를 갖는다.
Here, it is preferable that the thickness of the solid electrolyte after sintering is 10 탆 to 0.5 mm. The thinner the electrolyte is, the better the ionic conductivity. If the electrolyte is too thin, it does not have the strength, and if the battery is manufactured by stacking the thick film in multiple layers, there is a complex process. That is, the above numerical range has a critical significance in order to secure a certain strength or higher while having a proper ion conductivity.

<제조예><Production Example>

한편, 본 발명은 다음과 같은 제조방법에 의해 고체전해질을 제조할 수 있다. Meanwhile, the present invention can produce a solid electrolyte by the following production method.

1. 원료물질의 선정1. Selection of raw materials

먼저, Li, Ti, Al 및 P를 성분으로 포함하는 산화물 또는 염을, Li1.2+xTi2-xAl0.5(PO4)3 (0≤x≤0.4)을 만족하도록 칭량하여 혼합하는 단계를 수행한다.
이와 같이 칭량하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
x Li2CO3 TiO2 Al2O3 P2O5 0 0.6 1.8 0.25 1.5 0.1 0.65 1.7 0.25 1.5 0.2 0.7 1.6 0.25 1.5 0.3 0.75 1.5 0.25 1.5 0.4 0.8 1.4 0.25 1.5 분자량 73.891 79.866 101.977 141.945 x 화학식 0 Li1.2Ti1.8Al0.5(PO4)3 0.1 Li1.3Ti1.7Al0.5(PO4)3 0.2 Li1.4Ti1.6Al0.5(PO4)3 0.3 Li1.5Ti1.5Al0.5(PO4)3 0.4 Li1.6Ti1.4Al0.5(PO4)3
화학식의 각 원소, 즉 Li, Ti, Al, P의 주어진 몰값은, 예를 들어 x가 0.1인 경우, Li는 1.3, Ti는 1.7, Al은 0.5, P는 3이 된다. 즉, Li : Ti : Al : P = 1.3 : 1.7 : 0.5 : 3 이다.
한편, 출발물질인 각 산화물(Li의 경우 Li2CO3의 염) 형태에서 몰수는, Li는 2(Li2CO3 이므로), Ti는 1(TiO2 이므로), Al은 2(Al2O3 이므로), P는 2(P2O5 이므로)가 된다.
그러므로 출발물질 중 Li2CO3는 Li = 1.3을 만족하려면 Li의 절반에 해당되는 몰수인 0.65 만큼의 양이 투입되면 되고, 그 밖의 원소들도 동일한 방법에 의해 계산될 수 있다.
이와 같은 각 원소의 소요량의 계산방법은 일반 화학의 규칙에 따른 공지의 계산방법이다.
한편, 칭량을 위해서는 중량비의 계산이 필요하며, 각 출발원료의 환산된 몰값과 해당 출발원료의 분자량을 이용하여 각 몰값에 따른 중량을 산출하면 다음 표와 같다.
(단위 : 중량) x Li2CO3 TiO2 Al2O3 P2O5 total 0 44.3346 143.7588 25.4943 212.9175 426.5052 0.1 48.0292 135.7722 25.4943 212.9175 422.2131 0.2 51.7237 127.7856 25.4943 212.9175 417.9211 0.3 55.4183 119.7990 25.4943 212.9175 413.6290 0.4 59.1128 111.8124 25.4943 212.9175 409.3370
위와 같이 중량을 계산하는 방법은 표 1에 나타낸 분자량에 해당 몰값을 곱하면 되며, 이 또한 일반화학의 공지의 이론에 해당된다고 할 것이다.
하기의 실시예는 위와 같이 산출된 중량비를 기준으로 실험한 것이다.
First, an oxide or a salt containing Li, Ti, Al and P as components is weighed and mixed so as to satisfy Li 1.2 + x Ti 2-x Al 0.5 (PO 4 ) 3 (0? X ? 0.4) .
The process of weighing in this way is described as follows.
x Li2CO3 TiO2 Al2O3 P2O5 0 0.6 1.8 0.25 1.5 0.1 0.65 1.7 0.25 1.5 0.2 0.7 1.6 0.25 1.5 0.3 0.75 1.5 0.25 1.5 0.4 0.8 1.4 0.25 1.5 Molecular Weight 73.891 79.866 101.977 141.945 x The 0 Li1.2Ti1.8Al0.5 (PO4) 3 0.1 Li1.3Ti1.7Al0.5 (PO4) 3 0.2 Li1.4Ti1.6Al0.5 (PO4) 3 0.3 Li1.5Ti1.5Al0.5 (PO4) 3 0.4 Li1.6Ti1.4Al0.5 (PO4) 3
For example, when x is 0.1, the given molar value of each element of the formula Li, Ti, Al, and P is 1.3, Ti is 1.7, Al is 0.5, and P is 3 when x is 0.1. That is, Li: Ti: Al: P = 1.3: 1.7: 0.5: 3.
Meanwhile, the number of moles in the oxides of the starting material (in the case of Li salt of the Li 2 CO 3) form is, Li is 2 (Li 2 because CO 3), Ti is 1 (because TiO 2), Al is 2 (Al 2 O 3 ), and P becomes 2 (since it is P 2 O 5 ).
Therefore, Li 2 CO 3 of the starting material is required to be charged as much as 0.65, which is the number of moles corresponding to half of Li, to satisfy Li = 1.3, and other elements can be calculated by the same method.
The calculation method of the amount of each element is a known calculation method according to the rules of general chemistry.
On the other hand, calculation of the weight ratio is required for weighing, and the weight according to each molar value is calculated using the converted molar value of each starting material and the molecular weight of the starting material as shown in the following table.
(Unit: weight) x Li2CO3 TiO2 Al2O3 P2O5 total 0 44.3346 143.7588 25.4943 212.9175 426.5052 0.1 48.0292 135.7722 25.4943 212.9175 422.2131 0.2 51.7237 127.7856 25.4943 212.9175 417.9211 0.3 55.4183 119.7990 25.4943 212.9175 413.6290 0.4 59.1128 111.8124 25.4943 212.9175 409.3370
As for the method of calculating the weight as above, it is said that the molecular weight shown in Table 1 is multiplied by the corresponding molar value, and this also corresponds to the known theory of general chemistry.
The following examples were carried out on the basis of the weight ratios calculated as above.

한편, 상기 x의 임계적 의의는 전술한 바와 같다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 산화물 또는 염 중에서도 특히 Li2CO3, TiO2, Al2O3, P2O5를 선택하였다. 즉, Li는 염이며, Ti, Al, P는 산화물로서, 이를 선택한 이유는 특별한 것은 아니며, 다만 수득하기 쉽고, 가격이 저렴한 것으로 선택한 것이다. 여기서 위 물질들의 순도는 99% 이상의 것으로 하였다.
On the other hand, the critical meaning of x is as described above. According to an embodiment of the present invention, among the oxides or salts, Li 2 CO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 and P 2 O 5 are selected. That is, Li is a salt, and Ti, Al, and P are oxides, and the reasons for choosing them are not special, but they are easy to obtain and cheap. Here, the purity of the above materials was 99% or more.

2. 용융단계2. Melting step

상기와 같이 혼합된 출발원료를 알루미나 도가니에 수용하고 용융하였고, 이후 이를 냉각하는 과정을 조절하여 비정질을 제조하였다. The mixed starting materials were accommodated in an alumina crucible and melted, and then the process of cooling the amorphous materials was controlled.

본 발명의 일 실시예에 의하면 용융온도 범위는 1300℃ 내지 1500℃로 하였는데, 1300℃ 미만에서는 용융되지 않고, 1500℃를 초과하면 이차상이 생성되거나, 생성된 결정의 결정성이 낮아지므로, 위 수치범위는 그 임계적 의의를 갖는다.According to an embodiment of the present invention, the melting temperature range is from 1300 ° C to 1500 ° C. When the temperature is lower than 1300 ° C, the melt is not melted. When the temperature exceeds 1500 ° C, a secondary phase is formed, The range has its critical significance.

여기서, 용융시 승온속도와 냉각속도는 200℃/hr인 것이 바람직하다. 하지만, 가용범위는 100 ~ 300℃/hr로 설정될 수 있다. 이 경우, 100℃ 보다 천천히 승온, 냉각하는 경우는 결정과 결정성에는 영향을 미치지 않으나, 많은 전기가 소모되고, 300℃를 초과하는 경우는 빠른 승온과 냉각으로 용융이 덜 되거나, 결정성이 낮아지는 문제가 있으므로 위 수치범위는 그 임계적 의의가 있다.
Here, it is preferable that the heating rate and the cooling rate at the time of melting are 200 ° C / hr. However, the available range may be set at 100 to 300 ° C / hr. In this case, when the temperature is lower than 100 ° C and the cooling is carried out, there is no influence on the crystallinity and crystallinity, but a lot of electricity is consumed. When the temperature is higher than 300 ° C, There is a problem of losing, so the above numerical range has its critical significance.

3. 분쇄 및 성형단계3. Grinding and molding steps

이와 같이 제조된 용융물을 알루미나 포트에 수용한 후, 에탄올, 알루미나 볼을 매체로 하여 24시간 동안 볼밀을 이용하여 분쇄한 뒤 80℃에서 24시간 동안 건조함으로써 분말 상태로 제조하였다. 이후, 이를 일축가압방식으로 성형함으로써 대략적인 고체전해질의 형상을 구현하도록 하였다.The thus-prepared melt was placed in an alumina pot, pulverized with a ball mill for 24 hours using ethanol and alumina balls, and then dried at 80 DEG C for 24 hours to prepare a powder. Thereafter, this is molded by a uniaxial pressing method, thereby realizing an approximate shape of a solid electrolyte.

여기서, 위 볼밀의 운용시간, 건조시간, 건조온도 등은 단순 최적화 한 것으로서, 이와 다른 조건에서 수행되는 것을 배제하는 것은 아니다.
Here, the operating time, drying time, and drying temperature of the upper ball mill are simply optimized, and it is not excluded that they are performed under different conditions.

4. 소결단계4. Sintering step

상기와 같이 성형된 용융물을 소결하여 고체전해질을 제조하였다. The molten material thus formed was sintered to prepare a solid electrolyte.

이 때, 소결온도는 1000℃ 내지 1250℃인 것이 바람직하다. 여기서, 1000℃ 미만의 경우는 낮은 온도이므로 소결이 이루어지지 않고, 1250℃를 초과하는 경우는 재용융이 발생할 수 있으므로, 위 수치범위는 그 임계적 의의를 갖는다.At this time, the sintering temperature is preferably 1000 deg. C to 1250 deg. Here, when the temperature is less than 1000 ° C, the sintering is not performed because the temperature is low, and when the temperature exceeds 1250 ° C, re-melting may occur, so that the above numerical range has its critical significance.

이와 같은 단계를 통해서 구현되는 고체전해질의 제조방법은, 원료물질의 용융 후 재열처리 공정이 없는 제조공정을 특징으로 한다. 유리를 이용하여 고체전해질을 제조하는 경우 황화물계, 산화물계 모두 용융하여 급냉시켜 일단 유리를 제조하며, 이렇게 제조한 유리를 분쇄하고 일정한 온도에서 결정을 생성시켜 결정화 유리를 제조하게 된다. 그러나, 본 발명에서는 용융 시 별도의 급냉과정 없이 냉각 속도를 조절하여 결정화 유리를 제조할 수 있었으며, 이는 실험적으로 확인된 것이다. 따라서, 본 발명은 급냉과정이 생략된 만큼 간이한 공정을 특징으로 한다.
The method of manufacturing a solid electrolyte realized through such steps is characterized by a manufacturing process without a reheat process after the melting of the raw material. In the case of producing a solid electrolyte using glass, all the sulfide-based and oxide-based materials are melted and rapidly quenched to produce glass. The glass thus produced is crushed and crystals are produced at a constant temperature to produce a crystallized glass. However, in the present invention, the crystallization glass can be produced by adjusting the cooling rate without additional rapid cooling during melting, which has been experimentally confirmed. Therefore, the present invention is characterized by a simplified process as long as the quenching process is omitted.

도 2는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 고체전해질의 x 조성에 따른 X선 그래프이다.2 is an X-ray graph according to the x composition of the solid electrolyte produced by the embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이 본 발명에서 제시한 조성범위에서 LiTi2(PO4)3 조성 외에 다른 상은 발견되고 있지 않으며, 따라서 높은 결정성을 가진 결정이 생성되었고, 특히 0.3의 경우 가장 높은 결정성을 갖고 있음을 확인할 수 있다. As shown in the figure, no phase other than the composition of LiTi 2 (PO 4 ) 3 was found in the composition range proposed in the present invention, and therefore crystals having high crystallinity were generated. can confirm.

도 3은 본 발명의 실시예에 의해 1200℃에서 소결하여 제조된 고체전해질의 사진이다. 3 is a photograph of a solid electrolyte produced by sintering at 1200 DEG C according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이 본 발명에서 제시한 조성을 이용하여 1200℃에서 2시간 소결한 후 두께 0.1mm를 갖는 치밀한 고체전해질을 제조할 수 있었다.As shown in the drawing, a dense solid electrolyte having a thickness of 0.1 mm could be produced by sintering at 1200 ° C for 2 hours using the composition of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 고체전해질의 x 조성에 따른 이온전도도 그래프이다.4 is a graph of ion conductivity according to x composition of a solid electrolyte produced by an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이 25℃에서 300℃ 범위까지 이온전도도를 측정한 결과, 이 범위에서 약 10-3 S/㎝로 우수한 이온전도도를 갖는 고체전해질을 제조할 수 있었다. As shown in the figure, the ion conductivity was measured from 25 ° C to 300 ° C, and as a result, a solid electrolyte having an excellent ionic conductivity of about 10 -3 S / cm could be produced in this range.

비교예로서, 종래의 비정질 고체전해질로서 산화물계 비정질 고체전해질에서 측정된 이온전도도를 도 5에서와 같이 제시하였다. As a comparative example, the ionic conductivity measured in an oxide amorphous solid electrolyte as a conventional amorphous solid electrolyte is shown in FIG.

도 5는 2012년도 Solid State Ionics에 발표된 논문("Thermoanalytical, structural and ionic conductivity studies on 50Li2O-45P2O5-5Nb2O5 glass" Prashant Dabas, K. Hariharan)의 결과로서, 상온(25℃)는 x축 값으로서 약 3.4에 해당되며, 위 그래프로 알 수 있는 바와 같이, 고온으로 올려야 높은 이온전도도를 나타냄을 알 수 있다. 위 비교예에 비하여 본 발명에 의해 제조한 조성이 보다 높은 이온전도도를 나타냄을 알 수 있다.
FIG. 5 is a graph showing the results of the thermoanalytical, structural and ionic conductivity studies on 50Li2O-45P2O5-5Nb2O5 glass (Prashant Dabas, K. Hariharan) published at the 2012 Solid State Ionics About 3.4. As can be seen from the graph above, it can be seen that the ion conductivity is high when it is raised at a high temperature. It can be seen that the composition according to the present invention exhibits a higher ionic conductivity than the above comparative example.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (8)

리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스 세라믹스에 있어서,
상기 글라스 세라믹스는 Li1 .2+ xTi2 - xAl0 .5(PO4)3 (0≤x≤0.4)를 조성식으로 하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스 세라믹스.
In high ion conductive glass ceramics for lithium ion secondary batteries,
Wherein said glass ceramics has a composition formula of Li 1 .2 + x Ti 2 - x Al 0 .5 (PO 4 ) 3 ( 0 ? X ? 0.4).
제 1 항에 있어서,
상기 글라스 세라믹스는 고체전해질인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스 세라믹스.
The method according to claim 1,
Wherein said glass ceramics are solid electrolytes. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 2 항에 있어서,
상기 고체전해질은 소결 후 두께가 10㎛ ~ 0.5㎜인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스 세라믹스.
3. The method of claim 2,
Wherein the solid electrolyte has a thickness of 10 탆 to 0.5 탆 after sintering.
Li, Ti, Al 및 P를 성분으로 포함하는 산화물 또는 염을, 하기 식을 만족하도록 칭량하여 혼합하는 단계;
상기 혼합된 성분을 용융 후 냉각하고 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계;
상기 분쇄물을 성형하고 소결하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스의 제조방법.
[식]
Li1 .2+ xTi2 - xAl0 .5(PO4)3 (0≤x≤0.4)
Weighing and mixing an oxide or a salt containing Li, Ti, Al and P as a component to satisfy the following equation;
Cooling and pulverizing the mixed component after melting to produce a pulverized product;
Molding and sintering the pulverized product;
The method for manufacturing a high ion conductive glass ceramics for a lithium ion secondary battery according to claim 1,
[expression]
Li 1 .2 + x Ti 2 - x Al 0 .5 (PO 4 ) 3 ( 0 ? X ? 0.4)
제 4 항에 있어서,
상기 혼합된 성분을 용융 후 냉각하고 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계;에서 용융온도는 1300℃ 내지 1500℃인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the melting temperature of the mixed component is from 1300 ° C to 1500 ° C in the step of melting, cooling, and pulverizing the mixed component to produce a pulverized product.
제 4 항에 있어서,
상기 혼합된 성분을 용융 후 냉각하고 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계;에서 용융시 승온속도와 냉각속도는 100 ~ 300℃/hr인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the molten mixture is cooled and pulverized to produce a pulverized product, wherein the heating rate and the cooling rate at the time of melting are 100 to 300 ° C / hr, respectively, and the production method of the high ion conductive glass ceramics for lithium ion secondary batteries .
제 4 항에 있어서,
상기 분쇄물을 성형하고 소결하는 단계;에서 소결온도는 1000℃ 내지 1250℃인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스세라믹스의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the sintering temperature is in the range of 1000 ° C. to 1250 ° C. in the step of molding and sintering the pulverized product.
제 4 항에 있어서,
상기 글라스 세라믹스는 고체전해질인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 고이온전도성 글라스 세라믹스의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the glass ceramics is a solid electrolyte. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
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