[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR102180352B1 - Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte - Google Patents

Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte Download PDF

Info

Publication number
KR102180352B1
KR102180352B1 KR1020180151158A KR20180151158A KR102180352B1 KR 102180352 B1 KR102180352 B1 KR 102180352B1 KR 1020180151158 A KR1020180151158 A KR 1020180151158A KR 20180151158 A KR20180151158 A KR 20180151158A KR 102180352 B1 KR102180352 B1 KR 102180352B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sulfide
glass ceramic
solid electrolyte
solid
based glass
Prior art date
Application number
KR1020180151158A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20200064715A (en
Inventor
신동욱
최선호
박찬휘
이상수
김규범
김민희
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020180151158A priority Critical patent/KR102180352B1/en
Publication of KR20200064715A publication Critical patent/KR20200064715A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102180352B1 publication Critical patent/KR102180352B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562Solid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0068Solid electrolytes inorganic
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

황화물계 글래스 세라믹, 이의 제조방법 및 이를 고체전해질로 함유하는 전고체 이차전지에 관한 것으로, 본 발명의 황화물계 글래스 세라믹은 하기 화학식 1으로 표시될 수 있다. <화학식 1>: 80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2 화학식 1에서 x는 1 내지 10이다. 본 발명에 따르면, SnS2이 첨가된 황화물계 글래스 세라믹 고체전해질을 사용함으로써, 기존의 이차전지에 비하여 높은 전기화학적 안정성을 발휘하면서도, 동시에 고리튬이온전도도를 유지할 수 있는 이차전지를 제공할 수 있다. The present invention relates to a sulfide-based glass ceramic, a method for manufacturing the same, and an all-solid secondary battery containing the same as a solid electrolyte, and the sulfide-based glass ceramic of the present invention may be represented by the following Formula 1. <Formula 1>: 80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 In Formula 1, x is 1 to 10. According to the present invention, by using a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte to which SnS 2 is added, it is possible to provide a secondary battery capable of maintaining a cyclic lithium ion conductivity while exhibiting high electrochemical stability compared to a conventional secondary battery. .

Description

황화물계 글래스 세라믹, 이의 제조방법 및 이를 고체전해질로 함유하는 전고체 이차전지{Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte}Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte}

본 발명은 고체전해질에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 황화물계 글래스 세라믹 고체전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte, and more particularly, to a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte and a method of manufacturing the same.

최근 들어, 소형 전자기기 및 전기 자동차가 널리 보급됨에 따라 높은 에너지 밀도를 가진 이차전지에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 현재 이차전지로서 리튬 이온을 이용한 리튬 이차전지가 많이 사용되고 있다.In recent years, as small electronic devices and electric vehicles are widely spread, the demand for secondary batteries having high energy density is gradually increasing. Currently, lithium secondary batteries using lithium ions are widely used as secondary batteries.

종래의 리튬 이차전지는 가연성이 있는 액체 전해질을 사용하기 때문에 엄격한 패키징이 요구되고, 그에 따라 일정 수준 이상으로 에너지 밀도를 높이기 어려운 문제가 있었다. 또한, 액체 전해질을 사용한 리튬 이차전지는, 부피가 커서 발화 및 폭발의 위험성이 매우 높다. Since the conventional lithium secondary battery uses a flammable liquid electrolyte, strict packaging is required, and accordingly, it is difficult to increase the energy density above a certain level. In addition, a lithium secondary battery using a liquid electrolyte has a very high risk of ignition and explosion due to its large volume.

이를 극복하기 위해, 가연성의 액체 전해질을 보다 안전한 무기 세라믹 소재로 대체한 전고체(all-solid-state) 이차전지에 대한 연구가 시도되고 있다. 전고체 이차전지는 높은 에너지 밀도 및 안전성을 가지고 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 뿐만 아니라, 무기물계 고체전해질은 넓은 전압범위에서 분해되지 않고 안정하기 때문에, 기존의 액체전해질에서는 사용이 어려웠던 고전압 전극물질의 활용이 가능하다. To overcome this, research on an all-solid-state secondary battery in which a flammable liquid electrolyte is replaced with a safer inorganic ceramic material has been attempted. All-solid secondary batteries are attracting attention as next-generation secondary batteries because of their high energy density and safety. In addition, since the inorganic solid electrolyte is stable without being decomposed over a wide voltage range, it is possible to utilize a high voltage electrode material that was difficult to use in the existing liquid electrolyte.

한편, 고체전해질은 산화물계와 황화물계로 나뉘는데, 황화물계 고체전해질이 산화물계보다도 높은 이온전도도를 나타낸다. 황화물계 고체전해질 중에서도 Li2S-P2S5 고체전해질은 높은 이온전도도를 갖는 차세대 물질의 가장 대표적인 물질이다. 그러나, Li2S-P2S5 고체전해질은 이온 전도도를 향상시키기 위해 과량 첨가되는 Li2S, 유리 황(free sulfur)등은 합성 후에도 잔존하여 Li 금속 간의 부반응, 수분과의 반응성 및 활물질과의 계면 반응성을 증가시켜 전지에 적용하였을 경우 화학적 및 전기화학적 안정성이 낮아지는 문제점이 있다. On the other hand, solid electrolytes are divided into oxide-based and sulfide-based, and sulfide-based solid electrolytes exhibit higher ionic conductivity than oxide-based. Among the sulfide-based solid electrolytes, Li 2 SP 2 S 5 solid electrolyte is the most representative material of next-generation materials with high ionic conductivity. However, Li 2 SP 2 S 5 solid electrolyte, Li 2 S and free sulfur, which are added in excess to improve ionic conductivity, remain after synthesis, and side reactions between Li metals, reactivity with moisture, and interfaces with active materials. When the reactivity is increased and applied to a battery, there is a problem in that chemical and electrochemical stability are lowered.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0014185호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0014185

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, Li2S-P2S5 글래스 세라믹 대비 우수한 화학적 안정성을 갖는 글래스 세라믹 및 이를 고체전해질로 함유하는 전고체 이차전지를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a glass ceramic having excellent chemical stability compared to Li 2 SP 2 S 5 glass ceramic, and an all-solid secondary battery containing the same as a solid electrolyte.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 황화물계 글래스 세라믹을 제공한다. 상기 황화물계 글래스 세라믹은 화학식 1으로 표시되는 것일 수 있다. <화학식 1> 80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2, 상기 화학식 1에서, x는 1 내지 10일 수 있다. 상기 x는 3 내지 7일 수 있다. 상기 x는 4 내지 6일 수 있다. 상기 글래스 세라믹은 80Li2S·15P2S10SnS2 의 조성을 갖는 것일 수 있다. In order to achieve the above object, an aspect of the present invention provides a sulfide-based glass ceramic. The sulfide-based glass ceramic may be represented by Chemical Formula 1. <Formula 1> 80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 In Formula 1, x may be 1 to 10. The x may be 3 to 7. The x may be 4 to 6. The glass ceramic may have a composition of 80Li 2 S·15P 2 S 10SnS 2 .

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 황화물계 글래스 세라믹 제조방법을 제공한다. 상기 황화물계 글래스 세라믹 제조방법은 Li2S, P2S2 및 SnS2을 80:(20-x):(2x) (1≤ x ≤10)의 몰비로 함유하는 혼합 분말을 기계적으로 분쇄하여 비정질 분말을 형성하는 단계 및 상기 비정질 분말을 열처리하여 글래스 세라믹 고체전해질을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 x는 4 내지 6일 수 있다. 상기 기계적 분쇄는, 회전속도 300rpm 내지 520rpm에서, 20시간 내지 55시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 열처리는 240℃ 에서 280℃의 범위에서 수행되는 것일 수 있다. In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a method of manufacturing a sulfide-based glass ceramic. The sulfide-based glass ceramic manufacturing method is mechanically pulverized a mixed powder containing Li 2 S, P 2 S 2 and SnS 2 in a molar ratio of 80:(20-x):(2x) (1≦x≦10) It may include forming an amorphous powder and forming a glass ceramic solid electrolyte by heat-treating the amorphous powder. The x may be 4 to 6. The mechanical pulverization may be performed for 20 to 55 hours at a rotational speed of 300 rpm to 520 rpm. The heat treatment may be performed in the range of 240°C to 280°C.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 황화물계 전고체 전지를 제공한다. 상기 황화물계 전고체 전지는, 순차적으로 적층된 양극, 고체 전해질층, 및 음극을 포함하되, 상기 고체 전해질층은 청구항 1의 황화물계 글래스 세라믹 입자들을 포함할 수 있다. 상기 음극은 리튬 금속일 수 있다. In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a sulfide-based all-solid battery. The sulfide-based all-solid-state battery includes a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode sequentially stacked, and the solid electrolyte layer may include the sulfide-based glass ceramic particles of claim 1. The negative electrode may be a lithium metal.

본 발명에 따르면, SnS2이 첨가된 황화물계 글래스 세라믹 고체전해질을 사용함으로써, 기존의 이차전지에 비하여 높은 전기화학적 안정성을 발휘하면서도, 동시에 고리튬이온전도도를 유지할 수 있는 이차전지를 제공할 수 있다. According to the present invention, by using a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte to which SnS 2 is added, it is possible to provide a secondary battery capable of maintaining a cyclic lithium ion conductivity while exhibiting high electrochemical stability compared to a conventional secondary battery. .

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 제조예들 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 고체전해질의 제조과정 중 얻어진 비정질 분말에 대한 시차열분석(Differential thermal analysis, DTA) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 제조예들 1 내지 5 및 비교예에 따른 고체전해질의 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 제조예들 1 내지 5, 비교예 1에 따른 고체전해질의 X선 회절도(X-ray diffraction, XRD) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 제조예들 1-5 및 비교예에 따른 고체전해질의 상온(25℃)에서의 이온전도도를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 제조예들 1,3,4 및 5에 따른 고체전해질의 싸이클릭 볼타모그램(CV, cyclic voltammogram)들을 나타낸 것이다.
도 7은 제조예 1에 따른 고체전해질의 싸이클릭 볼타모그램(CV, cyclic voltammogram)들을 나타낸 것이다.
도 8a는 비교예 1 및 제조예 1의 고체전해질을 사용한 전고체 이차전지의 충, 방전 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 제조예 1의 고체전해질을 사용한 전고체 이차전지에 대한 쿨롱효율(Coulomb efficiency(%))을 나타낸 그래프이다.
도 9는 제조예 1 및 비교예 1의 고체전해질을 사용한 전고체 이차전지를 구동하기 전과 후의 고체전해질의 광전자 분석(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 결과이다.
1 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the results of differential thermal analysis (DTA) for amorphous powder obtained during the manufacturing process of the solid electrolyte according to Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
3 is a graph showing Raman analysis results of solid electrolytes according to Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Examples.
FIG. 4 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) results of solid electrolytes according to Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. FIG.
5 is a graph showing ionic conductivity at room temperature (25° C.) of solid electrolytes according to Preparation Examples 1-5 and Comparative Examples.
6A and 6B show cyclic voltammograms (CV) of the solid electrolyte according to Preparation Examples 1, 3, 4, and 5.
7 shows cyclic voltammograms (CV) of the solid electrolyte according to Preparation Example 1.
8A is a graph showing charge and discharge curves of an all-solid secondary battery using the solid electrolyte of Comparative Example 1 and Preparation Example 1, and FIG. 8B is a coulomb for the all-solid secondary battery using the solid electrolyte of Preparation Example 1 of the present invention. It is a graph showing the efficiency (Coulomb efficiency (%)).
9 is a photoelectron analysis (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) results of the solid electrolyte before and after driving the all-solid secondary battery using the solid electrolyte of Preparation Example 1 and Comparative Example 1.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. In the drawings, when a layer is said to be “on” another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween.

본 명세서에서 "글래스 세라믹"은 비정질 상과 하나 또는 그 이상의 결정질 상을 갖는 물질로서, 결정화된 유리와 같은 개념으로 사용된다.In the present specification, "glass ceramic" is a material having an amorphous phase and one or more crystalline phases, and is used in the same concept as crystallized glass.

황화물계 글래스 세라믹Sulfide glass ceramic

본 발명의 황화물계 글래스 세라믹은 황화리튬, 황화인 및 황화주석을 함유할 수 있다. 상기 황화리튬은 Li2S일 수 있고, 상기 황화인은 P2S5 및 상기 황화주석은 SnS2일 수 있다. 상기 황화물계 글래스 세라믹은 황화리튬(Li2S) 및 황화인(P2S5)으로 구성된 황화물(Li2S-P2S5)에 황화주석(SnS2)이 첨가된 것일 수 있다. The sulfide-based glass ceramic of the present invention may contain lithium sulfide, phosphorus sulfide, and tin sulfide. The lithium sulfide may be Li 2 S, the phosphorus sulfide may be P 2 S 5 and the tin sulfide may be SnS 2 . The sulfide-based glass ceramic may be obtained by adding tin sulfide (SnS 2 ) to a sulfide (Li 2 SP 2 S 5 ) composed of lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus sulfide (P 2 S 5 ).

상기 황화물계 글래스 세라믹은 thio-LISICON Ⅲ의 결정상을 가질 수 있다. 이러한, 상기 황화물계 글래스 세라믹은 전고체 이차전지(all-solid secondary battery)용 고체전해질로 사용될 수 있다. The sulfide-based glass ceramic may have a thio-LISICON III crystal phase. Such, the sulfide-based glass ceramic can be used as a solid electrolyte for an all-solid secondary battery (all-solid secondary battery).

상기 황화물계 글래스 세라믹은 상기 황화주석(SnS2)이 상기 황화물(Li2S-P2S5)에 첨가됨으로써, 상기 황화물계 글래스 세라믹이 합성되는 과정에서 5가 인이온(P5+)이 4가 주석이온(Sn4+)으로 주로 치환될 수 있다. 이로써, 기존의 고체전해질인 Li2S-P2S5계 물질, 예를 들어, 80Li2S20P2S2 또는 70Li2S30P2S2의 합성과정 중에 상당의 Li2S가 잔존하여 발생하는 문제점을 제거 또는 줄일 수 있다. In the sulfide-based glass ceramic, when the tin sulfide (SnS 2 ) is added to the sulfide (Li 2 SP 2 S 5 ), the pentavalent phosphorus ion (P 5+ ) is tetravalent in the process of synthesizing the sulfide-based glass ceramic. It can be mainly substituted with tin ions (Sn 4+ ). This eliminates the problem caused by the remaining amount of Li 2 S during the synthesis process of the existing solid electrolyte Li 2 SP 2 S 5 material, for example, 80Li 2 S20P 2 S 2 or 70Li 2 S30P 2 S 2 Or you can reduce it.

구체적으로, 경연산염기 원리(hard and soft acids and bases)에 의하여 황(S)은 강산인 인(P)보다 약염기인 주석(Sn)과 더 강한 결합을 형성하게 되고, 이로써, PS4 3-에서 SnS4 4- 로의 치환이 주로 이루어지게 된다. 이에 따라, 잔존하는 Li2S의 양을 현저히 감소시킬 수 있어 용량이 큰 리튬 금속(Li metal)과의 부반응 생성, 수분과의 반응성 및 활물질과의 계면 반응성 등의 문제점을 제거 또는 줄일 수 있다. 이러한 황화물계 글래스 세라믹은 전고체 이차전지 고체전해질로서, 우수한 화학적 및 전기화학적 안정성을 발휘하여 셀의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.Specifically, by the hard and soft acids and bases, sulfur (S) forms a stronger bond with tin (Sn), which is a weak base than phosphorus (P), which is a strong acid, and thus, PS 4 3- Substitution of SnS 4 4- is mainly performed. Accordingly, since the amount of Li 2 S remaining can be significantly reduced, problems such as generation of side reactions with lithium metal having a large capacity, reactivity with moisture, and interfacial reactivity with active materials can be eliminated or reduced. These sulfide-based glass ceramics are solid electrolytes for all-solid secondary batteries, and exhibit excellent chemical and electrochemical stability to further improve cell performance.

상기 황화물계 글래스 세라믹은 하기 화학식 1으로 표시될 수 있다. The sulfide-based glass ceramic may be represented by Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2 (1≤ x ≤10)80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 (1≤ x ≤10)

상기 화학식 1에서 x는 1 내지 10, 구체적으로, 3 내지 7, 더 구체적으로, 4 내지 6, 일 예로, 상기 x는 5일 수 있다. In Formula 1, x may be 1 to 10, specifically, 3 to 7, more specifically, 4 to 6, for example, x may be 5.

이러한 황화물계 글래스 세라믹은 전술한 바와 같이, 글래스 세라믹 내 잔존하는 Li2S의 양이 줄어들거나 제거되어 우수한 화학적 안정성을 발휘하면서도, 리튬이온전도도가 높게 유지될 수 있도록 하는 효과를 발휘할 수 있다. 이로써, 이를 고체전해질로 사용하는 전고체 이차전지의 음극(anode)으로 Li 금속과 같이 용량이 큰 금속의 사용이 가능할 수 있다. 이를 위한 상기 황화물계 글래스 세라믹은 80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2 (4≤ x ≤6)의 조성을 갖는 것일 수 있다. 일 예로서, 상기 황화물계 글래스 세라믹은 80Li2S15P2S510SnS2의 조성을 가질 수 있다. As described above, the sulfide-based glass ceramic exhibits excellent chemical stability by reducing or removing the amount of Li 2 S remaining in the glass ceramic, while maintaining high lithium ion conductivity. Accordingly, it is possible to use a metal having a large capacity, such as Li metal, as an anode of an all-solid secondary battery using this as a solid electrolyte. The sulfide-based glass ceramic for this may have a composition of 80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 (4≦x≦6). As an example, the sulfide-based glass ceramic may have a composition of 80Li 2 S15P 2 S 5 10SnS 2 .

상기 황화물계 글래스 세라믹의 제조방법으로는, 먼저, 황화리튬, 황화인 및 황화주석의 혼합 분말을 기계적 분쇄하여 비정질 분말을 형성할 수 있다(S10). 상기 혼합 분말은 상기 황화리튬, 황화인 및 황화주석을 80:(20-x):(2x) (1≤ x ≤10)의 몰비로 혼합된 것일 수 있다. 상기 x의 범위는 전술된 범위와 같을 수 있다. 일 예로서, 상기 혼합 분말은 황화리튬(Li2S), 황화인(P2S2) 및 황화주석(SnS2)을 80:15:10의 몰비로 혼합한 것일 수 있다. As a method of manufacturing the sulfide-based glass ceramic, first, a mixed powder of lithium sulfide, phosphorus sulfide, and tin sulfide may be mechanically pulverized to form an amorphous powder (S10). The mixed powder may be obtained by mixing the lithium sulfide, phosphorus sulfide, and tin sulfide at a molar ratio of 80:(20-x):(2x) (1≦x≦10). The range of x may be the same as the range described above. As an example, the mixed powder may be a mixture of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus sulfide (P 2 S 2 ), and tin sulfide (SnS 2 ) at a molar ratio of 80:15:10.

상기 기계적 분쇄는, 일 예로, 볼 밀링(ball-milling)에 의하여 상기 혼합분말로부터 비정질(amorphous) 상태의 고체전해질 분말을 합성하는 것일 수 있다. 상기 기계적 분쇄는 예를 들어, 300rpm 내지 520rpm, 구체적으로, 300rpm 내지 400rpm의 회전속도로, 20시간 내지 55시간, 구체적으로, 30시간 내지 50시간 동안 수행될 수 있다. 상기 볼 밀링은 건식으로 수행되거나, 용매, 예를 들어, 헵탄(heptane) 등과 같은 유기용매를 사용하여 습식으로 수행될 수도 있다. The mechanical pulverization may be, for example, synthesizing an amorphous solid electrolyte powder from the mixed powder by ball-milling. The mechanical pulverization may be performed, for example, at a rotation speed of 300 rpm to 520 rpm, specifically, 300 rpm to 400 rpm, for 20 to 55 hours, specifically, 30 to 50 hours. The ball milling may be performed dry, or may be performed wet using an organic solvent such as a solvent, for example, heptane.

상기 비정질 분말을 결정화 열처리하여 글래스 세라믹(glass-ceramic) 고체전해질 분말을 형성할 수 있다(S20). 상기 열처리 온도는 상기 비정질 분말의 결정화 온도(Tc) 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 온도는 240℃ 내지 280℃일 수 있다. 상기 열처리는 아르곤 기체 등의 비활성 기체분위기에서 수행될 수 있다. The amorphous powder may be subjected to crystallization heat treatment to form a glass-ceramic solid electrolyte powder (S20). The heat treatment temperature may be performed at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature Tc of the amorphous powder. For example, the heat treatment temperature may be 240 ℃ to 280 ℃. The heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere such as argon gas.

전고체 전지All solid battery

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention.

도 1은 참조하면, 전고체 전지(100)는 황화물계 전고체 전지로, 순차적으로 적층된 양극(10), 고체전해질층(50) 및 음극(30)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 양극(10)은 양극 활물질, 고체전해질 및 도전재의 혼합층일 수 있다. 상기 양극 활물질은 Li1-xMPO4(M=Fe, Mn 또는 Ni, 0≤x≤1), Li1-xMnO2 (0≤x≤1), LiCoO2, Li1-xNiaMnbCocO2 (0≤x≤1, a+b+c≤1) 및 Li1-xNiaCobAlc (0≤x≤1, a+b+c≤1)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 상기 고체전해질은 후술하는 화학식 1으로 나타낸 황화물계 글래스 세라믹 입자이거나, 공지의 고체전해질을 사용할 수도 있다. Referring to FIG. 1, the all-solid-state battery 100 is a sulfide-based all-solid-state battery, and may include a positive electrode 10, a solid electrolyte layer 50, and a negative electrode 30 sequentially stacked. Here, the positive electrode 10 may be a mixed layer of a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive material. The positive electrode active material is Li 1-x MPO 4 (M=Fe, Mn or Ni, 0≤x≤1), Li 1-x MnO 2 (0≤x≤1), LiCoO 2 , Li 1-x NiaMnbCocO 2 ( 0≦ x ≦1, a+b+c≦ 1 ) and Li 1-x NiaCobAlc (0≦x≦1, a+b+c≦1) may be one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto. . The solid electrolyte may be a sulfide-based glass ceramic particle represented by Formula 1 to be described later, or a known solid electrolyte may be used.

상기 고체전해질층(50)은 황화물계 글래스 세라믹 입자들이 적층된 층일 수 있다. 상기 황화물계 글래스 세라믹 입자들은 상술한 바와 같이, 황화리튬, 황화인, 및 황화주석을 함유하는 글래스 세라믹 입자들이다. 상기 황화리튬은 Li2S일 수 있고, 상기 황화인은 P2S5일 수 있고, 상기 황화주석은 SnS2일 수 있다. 또한, 상기 황화물계 글래스 세라믹은 하기 화학식 1으로 표시될 수 있다. The solid electrolyte layer 50 may be a layer in which sulfide-based glass ceramic particles are stacked. As described above, the sulfide-based glass ceramic particles are glass ceramic particles containing lithium sulfide, phosphorus sulfide, and tin sulfide. The lithium sulfide may be Li 2 S, the phosphorus sulfide may be P 2 S 5 , and the tin sulfide may be SnS 2 . In addition, the sulfide-based glass ceramic may be represented by Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2 (1≤ x ≤10)80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 (1≤ x ≤10)

상기 화학식 1에서 x는 1 내지 10, 구체적으로, 3 내지 7, 더 구체적으로, 4 내지 6, 일 예로, 상기 x는 5일 수 있다. In Formula 1, x may be 1 to 10, specifically, 3 to 7, more specifically, 4 to 6, for example, x may be 5.

상기 음극(30)은 리튬 금속일 수 있다.The negative electrode 30 may be a lithium metal.

상기 양극(10), 고체전해질층(50) 및 음극(30)의 각 층은 해당 물질들을 함유하는 슬러리를 형성한 후, 이 슬러리를 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 또는 정전분무하여 차례로 적층하거나, 해당 입자들을 함유하는 파우더를 압착하여 형성할 수 있다. 이후, 적층이 완료된 후 열간 프레스 (hot press), 롤 프레스 (roll press) 및 온간 정수압 프레스(WIP)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 방법으로 프레싱할 수 있다.Each layer of the anode 10, the solid electrolyte layer 50, and the cathode 30 forms a slurry containing the corresponding materials, and then the slurry is sequentially stacked by tape casting, screen printing, or electrostatic spraying, or It can be formed by pressing the powder containing particles. Thereafter, after the lamination is completed, the pressing may be performed by one or more methods selected from the group consisting of a hot press, a roll press, and a warm hydrostatic press (WIP).

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, preferred experimental examples according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

<제조예 1: 글래스 세라믹 고체전해질 분말(80Li<Production Example 1: Glass ceramic solid electrolyte powder (80Li 22 S(20-x)PS(20-x)P 22 SS 55 (2x)SnS(2x)SnS 22 x=5 제조> x=5 manufacturing>

글로브 박스 내에서 아르곤 기체의 존재 하에 Li2S, P2S5 및 SnS2을 각각 80: 15:10의 몰비로 칭량하여 균일하게 혼합한 혼합 분말을 준비한 다음, 부피 100ml의 알루미나 포트로 옮겼다. 지르코니아 볼(직경:3mm), 상기 혼합 분말 및 헵탄을 각각 120g, 3g, 24g 넣은 후 370rpm의 회전속도로 48시간 동안 충분히 기계적 분쇄를 실시하여 비정질 분말을 합성하였다. 이후, 260℃의 온도로 아르곤 분위기 하에서 3시간의 열처리 공정을 거쳐 글래스 세라믹(glass-ceramic) 고체전해질 분말을 제조하였다. In the presence of argon gas in a glove box, Li 2 S, P 2 S 5 and SnS 2 were weighed at a molar ratio of 80: 15:10, respectively, to prepare a mixed powder uniformly mixed, and then transferred to an alumina pot having a volume of 100 ml. Zirconia balls (diameter: 3 mm), 120 g, 3 g, and 24 g of heptane were added, respectively, and then mechanically pulverized sufficiently for 48 hours at a rotation speed of 370 rpm to synthesize an amorphous powder. Thereafter, a glass-ceramic solid electrolyte powder was prepared through a heat treatment process for 3 hours under an argon atmosphere at a temperature of 260°C.

<제조예들 2 내지 5: 글래스 세라믹 고체전해질 분말(80Li<Production Examples 2 to 5: Glass ceramic solid electrolyte powder (80Li 22 S(20-x)PS(20-x)P 22 SS 55 (2x)SnS(2x)SnS 22 x=1,3,7,10 제조> x=1,3,7,10 manufacturing>

혼합 분말 내 Li2S, P2S5 및 SnS2 의 혼합비와 열처리 온도를 하기 표 1과 같이 달리한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 다른 제조예들의 글래스 세라믹 고체전해질들을 제조하였다. Glass ceramic solid electrolytes of other Preparation Examples were prepared in the same manner as Preparation Example 1, except that the mixing ratio and heat treatment temperature of Li 2 S, P 2 S 5 and SnS 2 in the mixed powder were different as shown in Table 1 below. .

<비교예 1: 글래스 세라믹 고체전해질 분말(80Li<Comparative Example 1: Glass ceramic solid electrolyte powder (80Li 22 S20PS20P 22 SS 55 ) 제조>) Manufacturing>

혼합 분말로 80:20의 몰비로 혼합된 Li2S 및 P2S5을 사용하고, 열처리 온도를 234℃ 로 한 것을 제외하고는, 전술된 제조예 1과 동일한 방법으로 글래스 세라믹스 고체전해질 분말을 제조하였다. Glass ceramics solid electrolyte powder was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that Li 2 S and P 2 S 5 were mixed in a molar ratio of 80:20 as the mixed powder, and the heat treatment temperature was 234°C. Was prepared.

<비교예 2: 글래스 세라믹 고체전해질 분말(75Li<Comparative Example 2: Glass ceramic solid electrolyte powder (75Li 22 S25PS25P 22 SS 55 ) 제조>) Manufacturing>

혼합 분말로 75:25의 몰비로 혼합된 Li2S 및 P2S5을 사용하고 열처리 온도를 240℃로 한 것을 제외하고는, 전술된 제조예 1과 동일한 방법으로 글래스 세라믹스 고체전해질 분말을 제조하였다. Glass ceramics solid electrolyte powder was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that Li 2 S and P 2 S 5 were mixed at a molar ratio of 75:25 as the mixed powder and the heat treatment temperature was 240°C. I did.

하기의 표 1은 제조예들 1 내지 5, 비교예 1 및 2에 따른 글래스 세라믹들의 조성 또는 ?t량 및 열처리 온도를 나타낸다. Table 1 below shows the composition or ?t amount and heat treatment temperature of the glass ceramics according to Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.

80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2 80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 열처리 온도Heat treatment temperature xx Li2SLi 2 S P2S5 P 2 S 5 SnS2 SnS 2 260℃260℃ 제조예 1Manufacturing Example 1 55 8080 1515 1010 252℃252℃ 제조예 2Manufacturing Example 2 1One 8080 1919 22 237℃237℃ 제조예 3Manufacturing Example 3 33 8080 1717 66 241℃241℃ 제조예 4Manufacturing Example 4 77 8080 1313 1414 264℃264℃ 제조예 5Manufacturing Example 5 1010 8080 1010 2020 274℃274℃ 비교예 1Comparative Example 1 00 8080 2020 -- 234℃234℃ 비교예 2Comparative Example 2 -- 7575 2525 -- 240℃240℃

도 2는 제조예들 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 고체전해질의 제조과정 중 얻어진 비정질 분말에 대한 시차열분석(Differential thermal analysis, DTA) 결과를 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing the results of differential thermal analysis (DTA) for amorphous powder obtained during the manufacturing process of the solid electrolyte according to Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.

도 2는 참조하면, 제조예 1 내지 5 및 비교예 1에서의 각각의 조성을 갖는 비정질 분말의 결정화 온도를 확인할 수 있다. 첨가되는 SnS2의 함량이 증가할수록(80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2 의 x값이 증가할수록) 결정화 온도는 점점 증가하였다. 이 중에서 제조예 1의 과정 중 얻어진 비정질 분말의 결정화 온도는 약 253℃인 것으로 확인됨에 따라 제조예 1에서 결정화 열처리를 이보다 약간 높은 온도인 260℃에서 수행하였다. 다른 제조예들 및 비교예의 제조과정 중 얻어진 비정질 분말의 결정화 열처리 온도 또한 도 2의 결정화 온도 대비 높게 설정하였다.Referring to FIG. 2, crystallization temperatures of amorphous powders having respective compositions in Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 can be confirmed. The crystallization temperature gradually increased as the content of SnS 2 to be added increased (as the x value of 80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 increased). Among them, since it was confirmed that the crystallization temperature of the amorphous powder obtained during the process of Preparation Example 1 was about 253°C, the crystallization heat treatment in Preparation Example 1 was performed at 260°C, which is a slightly higher temperature. The crystallization heat treatment temperature of the amorphous powder obtained during the manufacturing process of the other Preparation Examples and Comparative Examples was also set higher than the crystallization temperature of FIG. 2.

도 3은 제조예들 1 내지 5 및 비교예에 따른 고체전해질의 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing Raman analysis results of solid electrolytes according to Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Examples.

도 3을 참조하면, 첨가되는 SnS2의 함량 즉, x값이 높아질수록 PS4 3-에 해당하는 피크의 세기는 줄어들고 또한 SnS4 4- 에 해당하는 피크의 세기는 늘어나는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 첨가되는 SnS2의 함량 즉, x값이 높아질수록 PS4 3- 가 SnS4 4-로 치환되는 정도가 늘어나는 것으로 해석된다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the intensity of the peak corresponding to PS 4 3- decreases and the intensity of the peak corresponding to SnS 4 4- increases as the amount of SnS 2 added, that is, the x value increases. From these results, it is interpreted that as the amount of SnS 2 added, that is, the x value, increases, the degree to which PS 4 3- is substituted with SnS 4 4- increases.

도 4는 제조예들 1 내지 5, 비교예 1에 따른 고체전해질의 X선 회절도(X-ray diffraction, XRD) 결과를 나타낸 그래프이다. FIG. 4 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) results of solid electrolytes according to Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. FIG.

도 4를 참조하면, 비교예 1, 즉, 80Li2S20P2S5에서는 thio-LISICON Ⅱ 결정상이 지배적으로 확인된다. 그러나, 제조예들 1 내지 5는, Li2S의 함량은 고정시키고 SnS2의 함량(x값)을 증가시킴에 따라, thio-LISICON Ⅲ의 결정상이 나타난 것을 확인하였다. 제조예 4(x=7) 및 제조예 5(x=10)에서 Li4SnS4 결정상이 추가로 확인되었다.Referring to FIG. 4, in Comparative Example 1, that is, 80Li 2 S20P 2 S 5 , the thio-LISICON II crystal phase is predominantly identified. However, in Preparation Examples 1 to 5, it was confirmed that the crystalline phase of thio-LISICON III appeared as the content of Li 2 S was fixed and the content of SnS 2 (x value) was increased. In Preparation Example 4 (x=7) and Preparation Example 5 (x=10), a Li 4 SnS 4 crystal phase was further confirmed.

한편, 비교예 1, 즉, 80Li2S20P2S5에서 Li2S 결정에 대한 피크의 세기가 비교적 높은 것으로 확인되나, SnS2의 함량(x값)을 증가시킴에 따라 Li2S 결정에 대한 피크의 세기가 감소하며, 제조예 1, 제조예 4, 및 제조예 5(x=5, 7, 10)에서는 Li2S 결정에 대한 피크가 사라진 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, SnS2의 함량(x값)을 증가시킴에 따라 Li2S 결정의 함량이 줄어들거나 제거됨에 따라 고체전해질의 화학적 및 전기화학적 안정성이 증가될 것으로 예측할 수 있다.On the other hand, Comparative Example 1, that is, 80Li 2 S20P 2, but confirmed that in S 5 the intensity of the peak for the Li 2 S crystal relatively high, in accordance with the increase of the content (x value) of SnS 2 Li 2 for S determined The intensity of the peak decreases, and in Preparation Example 1, Preparation Example 4, and Preparation Example 5 (x=5, 7, 10), it can be seen that the peak for the Li 2 S crystal disappeared. As such, it can be predicted that the chemical and electrochemical stability of the solid electrolyte will increase as the content of the Li 2 S crystal is reduced or removed as the content of SnS 2 (x value) is increased.

도 5는 제조예들 1-5 및 비교예에 따른 고체전해질의 상온(25℃)에서의 이온전도도를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing ionic conductivity at room temperature (25° C.) of solid electrolytes according to Preparation Examples 1-5 and Comparative Examples.

도 5를 참조하면, SnS2의 함량(x값)을 증가시키면 이온전도도는 감소하는 경향을 보인다. 그러나, 제조예 1(x=5), 2(x=1) 및 3(x=3)은 비교예 1(80Li2S20P2S5)에 비하여 이온전도도가 크게 감소되지 않았고, 제조예 4(x=7)의 경우에도 thio-LISICON II 의 결정상을 갖는 다른 비교예 2(75Li2S25P2S5)에 비하여 이온전도도가 크게 감소되지 않은 것을 확인할 수 있다. 특히, 제조예 1(x=5) 글래스 세라믹의 이온전도도는 6.4×10-4 S/cm으로, 비교예 2(75Li2S25P2S5)의 이온전도도(5.0×10-4 S/cm)와 비교해보았을 때, 우수하다. Referring to FIG. 5, when the content (x value) of SnS 2 is increased, the ionic conductivity tends to decrease. However, Preparation Example 1 (x = 5), 2 (x = 1) and 3 (x = 3) did not significantly decrease the ionic conductivity compared to Comparative Example 1 (80Li 2 S20P 2 S 5 ), Preparation Example 4 ( In the case of x=7), it can be seen that the ionic conductivity was not significantly reduced compared to Comparative Example 2 (75Li 2 S25P 2 S 5 ) having a thio-LISICON II crystal phase. In particular, the ionic conductivity of Preparation Example 1 (x=5) glass ceramic was 6.4×10 -4 S/cm, and the ionic conductivity of Comparative Example 2 (75Li 2 S25P 2 S 5 ) (5.0×10 -4 S/cm) Compared to, it is excellent.

전술된 도 4 및 도 5를 함께 참조하면, Li2S의 피크가 확인되어 잔존하는 Li2S로 인한 문제점이 예상되는 제조예 2 및 3와 달리, 제조예 1 및 4, 특히, 제조예 1은 Li2S의 피크가 확인되지 않아 높은 화학적 안정성을 발휘하면서도 우수한 이온전도도 특성을 동시에 나타낼 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. Referring to FIGS. 4 and 5 together, unlike Preparation Examples 2 and 3 in which a problem due to the remaining Li 2 S is expected because the peak of Li 2 S is confirmed, Preparation Examples 1 and 4, in particular, Preparation Example 1 Since the peak of Li 2 S is not confirmed, it is possible to exert an effect of exhibiting excellent ionic conductivity characteristics while exhibiting high chemical stability.

도 6a 및 도 6b는 제조예들 1,3,4 및 5에 따른 고체전해질의 싸이클릭 볼타모그램(CV, cyclic voltammogram)들을 나타낸다. 이를 위해, 작동전극으로 제조예들 1,3,4 및 5 각각에 따른 고체전해질를 사용하고, 반대전극으로 Li 금속을 사용한 셀을 상온에서 20 mV s-1의 속도로 -0.5V 에서 5.0V의 전압범위로 스캔한 것이다. 6A and 6B show cyclic voltammograms (CV) of the solid electrolyte according to Preparation Examples 1, 3, 4, and 5. To this end, a solid electrolyte according to each of Preparation Examples 1, 3, 4 and 5 was used as the working electrode, and a cell using Li metal as the counter electrode was used at room temperature at a rate of -0.5V to 5.0V at a rate of 20 mV s -1 . It was scanned by voltage range.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제조예 1과 3은 피크 전류가 제조예 4 및 5 대비 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 전술된 도 5에서의 이온전도도 특성과 관련된 것으로 추정된다. 그러나, 제조예 3의 경우 사이클이 반복될수록 전류 피크 값이 낮아지는 반면 제조예 1 및 4의 경우는 전류 피크값이 거의 일정한 것을 알 수 있다. 이는 제조예 1 및 4의 화학적 안정성이 우수함을 나타낸다. 뿐만 아니라, 본 발명의 제조예 1 및 4, 특히, 제조예 1은, 용량이 큰 리튬 금속을 음극으로 사용하여도 우수한 화학적 안정성을 나타낼 수 있음을 보여준다. 6A and 6B, it can be seen that in Preparation Examples 1 and 3, peak currents are higher than those in Preparation Examples 4 and 5. It is estimated that this is related to the ionic conductivity characteristics in FIG. 5 described above. However, in the case of Preparation Example 3, it can be seen that the current peak value decreases as the cycle is repeated, whereas in Preparation Examples 1 and 4, the current peak value is almost constant. This indicates that the chemical stability of Preparation Examples 1 and 4 is excellent. In addition, Preparation Examples 1 and 4, particularly, Preparation Example 1 of the present invention show that excellent chemical stability can be exhibited even when a lithium metal having a large capacity is used as a negative electrode.

도 7은 제조예 1에 따른 고체전해질의 싸이클릭 볼타모그램(CV, cyclic voltammogram)들을 나타낸다. 이를 위해, 작동전극으로 제조예 1에 따른 고체전해질를 사용하고, 반대전극으로 Li 금속을 사용한 셀을 고온(600℃)에서 20 mV s-1의 속도로 -0.5 V 에서 5.0 V의 전압범위로 스캔한 것이다. 7 shows cyclic voltammograms (CV) of the solid electrolyte according to Preparation Example 1. To this end, the solid electrolyte according to Preparation Example 1 was used as the working electrode, and the cell using Li metal as the counter electrode was scanned in a voltage range of -0.5 V to 5.0 V at a rate of 20 mV s -1 at high temperature (600°C). I did it.

도 7을 참조하면, 제조예 1의 경우 약 600℃ 고온에서도 사이클이 거듭되더라도 전류값이 거의 일정하게 나타남을 알 수 있다. 이는 제조예 1은 상온 뿐만 아니라 고온에서도 우수한 화학적 안정성을 발휘할 수 있음을 보여준다. Referring to FIG. 7, it can be seen that in the case of Preparation Example 1, even if the cycle is repeated even at a high temperature of about 600° C., the current value is almost constant. This shows that Preparation Example 1 can exhibit excellent chemical stability not only at room temperature but also at high temperature.

<고체전지 제조예> <Example of solid battery manufacturing>

고체전해질 제조예 1에 따른 고체전해질을 펠렛화하여 고체전해질층을 형성하였다. 이후, Li(Ni0.6CO0.2Mn0.2)O2, 상기 제조예 1에 따른 고체전해질(80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2 (x=5)), 및 Super C를 70:30:3의 중량비로 혼합한 후, 상기 고체전해질층의 상부 또는 하부면 중 하나의 면 상에 상기 혼합물을 스프레딩한 후 압착하여 양극층을 형성하였다. 상기 고체전해질층의 상부 또는 하부면 중 다른 하나의 면 상에 리튬 금속(lithium metal)을 압착하여 음극층을 형성하여 고체전지를 제조하였다.The solid electrolyte according to Preparation Example 1 was pelletized to form a solid electrolyte layer. Thereafter, Li(Ni 0.6 CO 0.2 Mn 0.2 )O 2 , the solid electrolyte according to Preparation Example 1 (80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2 (x=5)), and Super C After mixing at a weight ratio of 70:30:3, the mixture was spread on one of the upper or lower surfaces of the solid electrolyte layer and then pressed to form an anode layer. A solid battery was manufactured by forming a negative electrode layer by compressing lithium metal on the other surface of the upper or lower surface of the solid electrolyte layer.

<고체전지 비교예> <Comparative Example of Solid Battery>

제조예 1의 고체전해질 대신 비교예 1의 고체전해질을 사용하고, 양극층의 고체전해질로 비교예 1의 고체전해질을 사용한 것을 제외하고는, 전술된 고체전지 제조예와 동일한 방법으로 고체전지를 제조하였다.A solid battery was manufactured in the same manner as in the above-described solid battery manufacturing example, except that the solid electrolyte of Comparative Example 1 was used instead of the solid electrolyte of Preparation Example 1, and the solid electrolyte of Comparative Example 1 was used as the solid electrolyte of the anode layer I did.

도 8a는 비교예 1 및 제조예 1의 고체전해질을 사용한 전고체 이차전지의 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다. 초기 충방전용량 평가는 전압범위 2.8V 내지 4.25V의 범위에서 0.05C의 전류 밀도로 충방전을 진행하였다. 도 8b는 본 발명의 제조예 1의 고체전해질을 사용한 전고체 이차전지에 대하여 10 사이클의 충방전을 수행하는 동안의 쿨롱효율(Coulomb efficiency(%))을 나타낸 그래프이다. 8A is a graph showing charge and discharge curves of all-solid secondary batteries using the solid electrolytes of Comparative Example 1 and Preparation Example 1; In the initial evaluation of charge and discharge capacity, charge and discharge were performed at a current density of 0.05C in a voltage range of 2.8V to 4.25V. 8B is a graph showing the Coulomb efficiency (%) during charging and discharging of 10 cycles for an all-solid secondary battery using the solid electrolyte of Preparation Example 1 of the present invention.

도 8a를 참조하면, 제조예 1의 경우 충전용량이 125mAhg-1, 방전용량이 175 mAhg-1을 나타내며 안정적으로 충방전 동작을 수행하는 반면, 비교예 1은 충방전 동작을 수행하지 못한 것을 확인할 수 있다. 이는, 제조예 1의 경우, SnS2 첨가에 의해 Li2S 함량의 감소로, 음극인 리튬 금속에 대한 높은 안정성을 보여주는 것인 반면, 비교예 1의 경우, 잔존하는 Li2S에 의하여 음극인 리튬 금속에 대한 안정성이 매우 낮아졌음을 보여준다. Referring to FIG. 8A, in the case of Preparation Example 1, it was confirmed that the charging capacity was 125mAhg -1 and the discharge capacity was 175 mAhg -1 , and while the charging and discharging operation was stably performed, Comparative Example 1 was not able to perform the charging and discharging operation. I can. In the case of Preparation Example 1, the Li 2 S content was decreased by the addition of SnS 2 to show high stability to the lithium metal as the negative electrode, whereas in Comparative Example 1, the negative electrode was due to the remaining Li 2 S. It shows that the stability to lithium metal is very low.

도 8b를 참조하면, 제조예 1은 사이클 수가 증가함에 따라 방전용량이 감소하기는 하지만 80% 이상의 우수한 쿨롱효율(Coulomb efficiency(%))을 보여준다. Referring to FIG. 8B, Preparation Example 1 shows an excellent Coulomb efficiency (%) of 80% or more, although the discharge capacity decreases as the number of cycles increases.

도 9는 제조예 1 및 비교예 1의 고체전해질을 사용한 전고체 이차전지를 구동하기 전과 후의 고체전해질의 광전자 분석(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 결과이다. 9 is a photoelectron analysis (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) results of the solid electrolyte before and after driving the all-solid secondary battery using the solid electrolyte of Preparation Example 1 and Comparative Example 1.

도 9를 참조하면, 이차전지의 구동 전과 후를 비교해보면, 비교예 1(80Li2S20P2S5)의 경우 P-S-Li 결정의 S2p1/2 및 S2py/2 피크는 감소하였고, Li2S의 S2p1/2 및 S2py/2 피크는 증가하였다. 이는 비교예 1의 고체전해질은 이차전지 구동시 Li 이온의 전도 과정에서 Li 메탈과의 부반응으로 인해 전기화학적으로 안정하지 못한 Li2S의 함량이 증가한 것임을 보여준다. Referring to FIG. 9, comparing before and after driving the secondary battery, in the case of Comparative Example 1 (80Li 2 S20P 2 S 5 ), the S2p 1/2 and S2p y/2 peaks of the PS-Li crystal decreased, and Li 2 The S2p 1/2 and S2p y/2 peaks of S were increased. This shows that the solid electrolyte of Comparative Example 1 has an increased content of Li 2 S, which is not electrochemically stable due to a side reaction with Li metal during the conduction of Li ions when the secondary battery is driven.

반면, 제조예 1(80Li2S15P2S510SnS2)은 Li2S의 피크가 비교예 1에 비해 낮으며, Li 금속과의 반응 전 후 P/Sn-S-Li의 결정이 나타내는 피크 변화가 거의 없었다. 이는, 제조예 1은 SnS2 첨가로 인하여 용량이 큰 리튬 금속과의 부반응이 크게 억제되어 우수한 화학적 안정성을 발휘할 수 있음을 보여준다. On the other hand, in Preparation Example 1 (80Li 2 S15P 2 S 5 10SnS 2 ), the peak of Li 2 S was lower than that of Comparative Example 1, and the peak change exhibited by the crystal of P/Sn-S-Li before and after the reaction with Li metal There were very few. This shows that Preparation Example 1 can exhibit excellent chemical stability by greatly suppressing side reactions with lithium metal having a large capacity due to the addition of SnS 2 .

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are only presented specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition to the embodiments disclosed herein, it is apparent to those of ordinary skill in the art that other modified examples based on the technical idea of the present invention may be implemented.

100: 전고체 전지 10: 양극
50: 고체전해질층 30: 음극
100: all-solid battery 10: positive electrode
50: solid electrolyte layer 30: negative electrode

Claims (10)

하기 화학식 1으로 표시되고, 비정질 상과 더불어 하나 이상의 결정질 상을 갖는, 황화물계 글래스 세라믹:
<화학식 1>
80Li2S(20-x)P2S5(2x)SnS2
상기 화학식 1에서, x는 1 내지 10이다.
A sulfide-based glass ceramic represented by the following formula (1) and having at least one crystalline phase in addition to an amorphous phase:
<Formula 1>
80Li 2 S(20-x)P 2 S 5 (2x)SnS 2
In Formula 1, x is 1 to 10.
제1항에 있어서,
상기 x는 3 내지 7인 것인, 황화물계 글래스 세라믹.
The method of claim 1,
Wherein x is 3 to 7, sulfide-based glass ceramic.
제2항에 있어서,
상기 x는 4 내지 6인 것인, 황화물계 글래스 세라믹.
The method of claim 2,
Wherein x is 4 to 6, sulfide-based glass ceramic.
제1항에 있어서,
상기 글래스 세라믹은 80Li2S15P2S510SnS2 의 조성을 갖는 것인, 황화물계 글래스 세라믹.
The method of claim 1,
The glass ceramic will have a composition of 80Li 2 S15P 2 S 5 10SnS 2 , a sulfide-based glass ceramic.
Li2S, P2S5 및 SnS2을 80:(20-x):(2x) (1≤ x ≤10)의 몰비로 함유하는 혼합 분말을 기계적으로 분쇄하여 비정질 분말을 형성하는 단계; 및
상기 비정질 분말을 240℃ 에서 280℃의 범위에서 열처리하여 청구항 1의 글래스 세라믹 고체전해질을 형성하는 단계를 포함하는 황화물계 글래스 세라믹 제조방법.
Mechanically grinding the mixed powder containing Li 2 S, P 2 S 5 and SnS 2 in a molar ratio of 80:(20-x):(2x) (1≦x≦10) to form an amorphous powder; And
A method for manufacturing a sulfide-based glass ceramic comprising the step of heat-treating the amorphous powder in the range of 240°C to 280°C to form the glass ceramic solid electrolyte of claim 1.
제5항에 있어서,
상기 x는 4 내지 6인 것인, 황화물계 글래스 세라믹 제조방법.
The method of claim 5,
Wherein x is 4 to 6, sulfide-based glass ceramic manufacturing method.
제5항에 있어서,
상기 기계적 분쇄는, 회전속도 300rpm 내지 520rpm에서, 20시간 내지 55시간 동안 수행되는 것인, 황화물계 글래스 세라믹 제조방법.
The method of claim 5,
The mechanical pulverization is performed at a rotation speed of 300 rpm to 520 rpm, for 20 to 55 hours, a method for producing a sulfide-based glass ceramic.
삭제delete 순차적으로 적층된 양극, 고체 전해질층, 및 음극을 포함하되,
상기 고체 전해질층은 청구항 1의 황화물계 글래스 세라믹 입자들을 포함하는 황화물계 전고체 전지.
Including a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode sequentially stacked,
The solid electrolyte layer is a sulfide-based all-solid-state battery comprising the sulfide-based glass ceramic particles of claim 1.
제9항에 있어서,
상기 음극은 리튬 금속인 것인, 황화물계 전고체 전지.
The method of claim 9,
The negative electrode is a lithium metal, a sulfide-based all-solid battery.
KR1020180151158A 2018-11-29 2018-11-29 Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte KR102180352B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180151158A KR102180352B1 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180151158A KR102180352B1 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200064715A KR20200064715A (en) 2020-06-08
KR102180352B1 true KR102180352B1 (en) 2020-11-18

Family

ID=71089549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180151158A KR102180352B1 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102180352B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115947542A (en) * 2022-12-06 2023-04-11 宁波大学 Chalcogenide glass ceramic solid electrolyte and preparation method thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10388985B2 (en) * 2012-02-06 2019-08-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Sulfide solid electrolyte material, battery, and producing method for sulfide solid electrolyte material
KR20150014185A (en) 2013-07-29 2015-02-06 주식회사 엘지화학 Liquid Electrolyte for Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Containing the Same
DE102015217749A1 (en) * 2015-09-16 2017-03-16 Robert Bosch Gmbh Coated cathode active material for a battery cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200064715A (en) 2020-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7129075B2 (en) Inorganic sulfide solid electrolyte with high atmospheric stability, its production method, and its application
JP5985120B1 (en) Sulfide solid electrolyte and solid electrolyte compound for lithium ion battery
JP5873533B2 (en) Sulfide-based solid electrolyte for lithium-ion battery
JP5957144B2 (en) Sulfide-based solid electrolyte for lithium-ion battery
JP5701741B2 (en) Sulfide-based solid electrolyte
US10608239B2 (en) Method for producing electrode body
CN107134589B (en) Sulfide solid electrolyte material, lithium solid battery, and method for producing sulfide solid electrolyte material
KR20160010492A (en) Solid state catholyte or electrolyte for battery
JP2013535787A (en) Niobium oxide composition and method of use thereof
CN111446492B (en) Sulfide solid electrolyte particles, method for producing same, and all-solid-state battery
Matsuyama et al. Fabrication of all-solid-state lithium secondary batteries with amorphous TiS4 positive electrodes and Li7La3Zr2O12 solid electrolytes
KR20190062998A (en) Solid Electrolyte, Method for Preparing the Same and All Solid Battery Compring the Same
JP6564416B2 (en) Sulfide-based solid electrolyte having high ionic conductivity in a wide range of crystallization temperature and method for producing the same
CN110911733A (en) Lithium-stable sulfide solid electrolyte, preparation method thereof and solid-state battery with solid electrolyte
CN108091923A (en) Solid electrolyte and preparation method thereof and all solid lithium secondary battery
KR101841278B1 (en) Lithium sulfur battery
KR20190022310A (en) All solid state secondary battery
EP4317059A1 (en) Solid electrolyte
CN108695553B (en) All-solid-state sodium secondary battery electrolyte, preparation method and application thereof
KR102180352B1 (en) Sulfide glass ceramic, process for producing the same, and all-solid secondary battery containing the solid electrolyte
KR102323724B1 (en) Li2S-P2S5-B2S3 glass ceramic and all-solid-state secondary battery
KR101867555B1 (en) Electrode active material-solid electrolyte composite, method for manufacturing the same, and all solid state rechargeable lithium battery including the same
Hayashi et al. Sulfide‐glass Electrolytes for All‐solid‐state Batteries
KR102613606B1 (en) Sulfide-based solid electrolyte, manufacturing method thereof, and all-solid lithium battery manufactured therefrom
KR102358150B1 (en) Li2S-MaXb-P2S5 TYPE SOLID ELECTROLYTE AND LITHIUM ION BATTERY INCLUDING THE SAME

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant