KR102451128B1 - Sulfide-based all solid state lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 전고체 리튬 이차 전지는 유기 전해액에 근접한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 고체 전해질을 사용하면서도 외력에 의해 케이스의 파손이 발생하여 케이스 내부로 대량의 수분이나 물이 침투하였을 때, 황화물계 전고체 전해질과 수분의 반응에 따라 생성되는 황화수소 가스의 발생을 억제할 수 있는 안전하고 신뢰성이 높은 전고체 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.The all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention uses a sulfide-based solid electrolyte having an ionic conductivity close to that of an organic electrolyte, while the case is damaged by an external force. It is possible to provide a safe and highly reliable all-solid-state lithium secondary battery capable of suppressing the generation of hydrogen sulfide gas generated according to the reaction of the all-solid-state electrolyte and moisture.
Description
본 발명은 전고체 리튬 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 황화물계 전고체 전해질에서 발생할 수 있는 황화수소를 억제함에 따라 제품의 신뢰성과 안정성을 높일 수 있는 황화물계 전고체 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an all-solid-state lithium secondary battery, and more particularly, to a sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery capable of increasing the reliability and stability of a product by suppressing hydrogen sulfide that may be generated in a sulfide-based all-solid electrolyte.
최근에 있어서의 퍼스널 컴퓨터, 비디오 카메라 및 휴대 전화 등의 정보 관련 기기나 통신 기기 등의 급속한 보급에 수반하여, 그 전원으로서 우수한 이차 전지, 예를 들어, 리튬 이차 전지의 개발이 중요시되고 있다.With the rapid spread of information-related devices and communication devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, development of a secondary battery excellent as a power source, for example, a lithium secondary battery, is considered important.
또한, 상기 정보 관련 기기나 통신 관련 기기 이외의 분야로서는, 예를 들어 자동차 산업계에 있어서도, 저공해 차로서의 전기 자동차나 하이브리드 자동차용의 고출력 또한 고용량의 리튬 이차 전지의 개발이 진행되고 있다.In fields other than the information-related devices and communication-related devices, for example, also in the automobile industry, high-output and high-capacity lithium secondary batteries for electric vehicles and hybrid vehicles as low-emission vehicles are being developed.
그러나, 현재 시판되고 있는 리튬 이차 전지는, 가연성의 유기 용제를 용매로 하는 유기 전해액이 사용되고 있기 때문에, 단락 시의 온도 상승을 억제하는 안전 장치의 장착이나 단락 방지를 위한 구조ㆍ재료면에서의 개선이 필요하다.However, since the lithium secondary battery currently on the market uses an organic electrolyte solution using a flammable organic solvent as a solvent, a safety device that suppresses the temperature rise during a short circuit is installed, and improvements in structure and material for preventing a short circuit I need this.
이에 반해, 액체 전해질을 고체 전해질로 바꾸어, 전지를 전고체화한 전고체 리튬 이차 전지는, 전지 내에 가연성의 유기 용매를 사용하지 않으므로, 안전 장치의 간소화가 도모되어, 제조 비용이나 생산성이 우수한 장점이 있다.On the other hand, an all-solid-state lithium secondary battery in which the battery is all-solidified by changing the liquid electrolyte into a solid electrolyte does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device is simplified, and the manufacturing cost and productivity are excellent. have.
상기한 전고체 리튬 이차 전지에서는, 예를 들어, 정극/고체 전해질/부극의 3층 구성의 펠릿을 분말 성형법에 의해 구성하고, 종래 코인형 전지 케이스 혹은 버튼형 전지 케이스에 삽입하고, 그 주위를 밀봉하여 제작한다.In the above-described all-solid lithium secondary battery, for example, pellets having a three-layer configuration of positive electrode/solid electrolyte/negative electrode are formed by a powder molding method, inserted into a conventional coin-type battery case or button-type battery case, and sealed around the to make it
이와 같은 전고체 리튬 이차 전지는, 정극, 부극, 및 전해질로 이루어지는 전지 구성군이 모두 단단한 고체이기 때문에, 유기 전해액을 사용한 리튬 이차 전지와 비교하여, 전기 화학 저항이 커지고, 출력 전류가 감소하는 경향이 있다.In such an all-solid-state lithium secondary battery, since the battery constituent group consisting of the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte are all solid solids, the electrochemical resistance is increased and the output current tends to decrease compared to the lithium secondary battery using the organic electrolyte. There is this.
따라서, 전고체 리튬 이차 전지의 출력 전류를 큰 것으로 하기 위해, 전해질로서는 이온 전도성이 높은 것이 바람직하다. 예를 들어 Li2S-SiS2, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5 등의 황화물 글래스는 10-4S/㎝를 초과하는 높은 이온 전도성을 나타낸다. 또한, 이들에 LiI, Li3PO4 등을 첨가한 것은 10-3S/㎝ 전후의 높은 이온 전도성을 나타낸다. 이들 황화물을 주체로 하는 글래스에 있어서는, 황화물 이온이 산화물 이온에 비해 분극이 큰 이온이고, 리튬 이온과의 정전적인 인력이 작은 것으로 되기 때문에, 산화물 글래스에 비해 높은 이온 전도성을 나타낸다.Therefore, in order to make the output current of an all-solid-state lithium secondary battery large, as an electrolyte, a thing with high ion conductivity is preferable. For example, sulfide glasses such as Li 2 S-SiS 2 , Li 2 SB 2 S 3 , and Li 2 SP 2 S 5 exhibit high ionic conductivity exceeding 10 −4 S/cm. In addition, those added with LiI, Li 3 PO 4 and the like exhibit high ionic conductivity of about 10 -3 S/cm. In the glass mainly composed of these sulfides, the sulfide ions are ions having a larger polarization than the oxide ions, and since the electrostatic attraction with the lithium ions is small, the ion conductivity is higher than that of the oxide glass.
그러나, 상기한 황화물을 주체로 하는 고체 전해질 재료를 사용한 전지에서는, 전지 케이스 내에 물이 침입한 경우, 황화수소(H2S) 가스가 발생하여, 전지 케이스의 외부로 누설될 우려가 있다. 특히 황화수소는 계란 썩는 냄새가 나는 무색의 유독한 기체로 위장이나 폐에 흡수되어 질식, 폐 질환, 신경중추마비 등을 발생시킬 수 있다.However, in a battery using the above-described solid electrolyte material mainly composed of sulfide, when water enters the battery case, hydrogen sulfide (H 2 S) gas is generated and there is a risk of leakage to the outside of the battery case. In particular, hydrogen sulfide is a colorless, poisonous gas that smells like rotting eggs and can be absorbed into the stomach or lungs and cause suffocation, lung disease, and nerve central paralysis.
따라서 상기와 같은 황화수소의 생성이나 케이스 외부로의 유출을 억제하기 위해 케이스 내측 또는 외측에 흡착제를 구비하고 전지 내에서 발생한 황화수소를 흡착시키는 방법이 제안되고 있다. Therefore, in order to suppress the generation of hydrogen sulfide or the outflow to the outside of the case, a method of providing an adsorbent inside or outside the case and adsorbing the hydrogen sulfide generated in the battery has been proposed.
예를 들어 일본 공개특허 제2004-087152호에는 제올라이트, 실리카겔, 활성탄 등의 다공성 흡착제를 케이스 내부에 삽입하여 황화수소 가스를 흡착하고 있다. 그러나 상술한 다공성 흡착제는 기공에 황화수소나 수분을 잡아두는 물리적인 표면 흡착을 적용하고 있기 때문에 대량의 물에 의해 표면의 기공이 막힌 경우 흡착능력을 상실하게 되는 문제점을 가지고 있다.For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-087152, a porous adsorbent such as zeolite, silica gel, or activated carbon is inserted into the case to adsorb hydrogen sulfide gas. However, the porous adsorbent described above has a problem in that the adsorption capacity is lost when the pores on the surface are clogged by a large amount of water because physical surface adsorption is applied to trap hydrogen sulfide or moisture in the pores.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 상세하게는 외력에 의해 케이스의 파손이 발생하여 케이스 내부로 대량의 수분이나 물이 침투하였을 때, 황화물계 전고체 전해질과 수분의 반응에 따라 생성되는 황화수소 가스의 발생을 억제할 수 있는 안전하고 신뢰성이 높은 전고체 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the above problems, and specifically, when a large amount of moisture or water penetrates into the case due to damage of the case by an external force, the reaction between the sulfide-based all-solid electrolyte and moisture An object of the present invention is to provide a safe and highly reliable all-solid-state lithium secondary battery capable of suppressing the generation of hydrogen sulfide gas.
본 발명은 황화물계 전고체 리튬 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery.
본 발명의 일 양태는 케이스 내 황화물계 고체 전해질 재료가 수용된 전고체 리튬 이차 전지로, 상기 전고체 리튬 이차 전지는 케이스 내부에 금속산화물, 금속수산화물 및 흡착개선제를 포함하는 황화수소흡착제가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 황화물계 전고체 리튬 이차 전지에 관한 것이다.One aspect of the present invention is an all-solid-state lithium secondary battery in which a sulfide-based solid electrolyte material is accommodated in a case, wherein the all-solid-state lithium secondary battery is further provided with a hydrogen sulfide adsorbent comprising a metal oxide, a metal hydroxide and an adsorption improving agent inside the case It relates to a sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery characterized in that.
본 발명에서 상기 금속산화물은 산화아연, 이산화티탄, 산화구리, 산화망간, 산화철(Fe2O3) 및 산화칼슘에서 선택되는 어느 하나 또는 복수이며,In the present invention, the metal oxide is any one or a plurality selected from zinc oxide, titanium dioxide, copper oxide, manganese oxide, iron oxide (Fe 2 O 3 ) and calcium oxide,
상기 금속수산화물은 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화나트륨 및 수산화리튬에서 선택되는 어느 하나 또는 복수이며,The metal hydroxide is any one or a plurality selected from calcium hydroxide, magnesium hydroxide, sodium hydroxide and lithium hydroxide,
상기 흡착개선제는 요오드화리튬, 요오드화나트륨, 요오드화칼륨(KI, KI3), 요오드화루비듐 및 요오드화세슘에서 선택되는 어느 하나 또는 복수인 것을 특징으로 한다.The adsorption improving agent is characterized in that one or more selected from lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide (KI, KI 3 ), rubidium iodide and cesium iodide.
또한 상기 황화수소흡착제는 금속산화물 50 내지 80 중량%, 금속수산화물 10 내지 40 중량% 및 흡착개선제 1 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 황화수소흡착제는 케이스 내면에 부착되어 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogen sulfide adsorbent is characterized in that it comprises 50 to 80 wt% of a metal oxide, 10 to 40 wt% of a metal hydroxide, and 1 to 10 wt% of an adsorption improving agent, and the hydrogen sulfide adsorbent is attached to the inner surface of the case, characterized in that it is provided do.
본 발명에 따른 전고체 리튬 이차 전지는 유기 전해액에 근접한 수준의 이온전도도를 가지는 황화물계 고체 전해질을 사용하면서도 외력에 의해 케이스의 파손이 발생하여 케이스 내부로 대량의 수분이나 물이 침투하였을 때, 황화물계 전고체 전해질과 수분의 반응에 따라 생성되는 황화수소 가스의 발생을 억제할 수 있는 안전하고 신뢰성이 높은 전고체 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.The all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention uses a sulfide-based solid electrolyte having an ionic conductivity close to that of an organic electrolyte, while the case is damaged by an external force. It is possible to provide a safe and highly reliable all-solid-state lithium secondary battery capable of suppressing the generation of hydrogen sulfide gas generated according to the reaction of the all-solid-state electrolyte and moisture.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명에 따른 황화물계 전고체 리튬 이차 전지를 더욱 상세히 설명한다. 다만 다음에 소개되는 구체예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.Hereinafter, a sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention will be described in more detail by way of Examples and Comparative Examples. However, the embodiments introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
따라서 본 발명은 이하 제시되는 구체예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 구체예들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments presented below and may be embodied in other forms, and the embodiments presented below are only described to clarify the spirit of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, unless there are other definitions in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, and in the following description, it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Descriptions of possible known functions and configurations will be omitted.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.
본 발명에서 용어 ‘황화물계 전고체 전해질’은 리튬과 황을 주원소로 하고, 여기에 인, 게르마늄, 규소, 붕소 또는 기타 금속들이 더 포함된 고체상(solid state)의 전해질을 뜻하는 것으로, 중량당 에너지용량이 높으면서도 가압 성형만으로 높은 리튬이온 전도성을 나타내며 다수의 충방전 후에도 용량의 열화가 거의 일어나지 않기 때문에 차세대 이차전지 전해질로 각광받고 있다.In the present invention, the term 'sulfide-based all-solid electrolyte' refers to a solid state electrolyte containing lithium and sulfur as main elements, and phosphorus, germanium, silicon, boron or other metals are further included. Although it has high energy capacity, it exhibits high lithium ion conductivity only by press molding, and the capacity deterioration hardly occurs even after multiple charging and discharging, so it is in the spotlight as a next-generation secondary battery electrolyte.
또한 기본적으로 고체 전해질을 가짐으로 온도변화와 외부 충격에 따른 전해질의 누설이 없기 때문에 리튬이차전지의 단점인 열과 압력에 민감한 단점을 해소할 수 있으며, 분리막을 구비할 필요가 없어 구조가 단순하고 고 에너지밀도를 달성하는 장점을 가진다.In addition, since there is no electrolyte leakage due to temperature changes and external shocks by having a solid electrolyte basically, the disadvantage of being sensitive to heat and pressure, which is a disadvantage of lithium secondary batteries, can be solved. It has the advantage of achieving energy density.
다만 고체 전해질의 특성 상 액체 전해질에 비해 낮은 이온전도도를 가지며, 활물질과 전해질 경계에서 높은 계면저항을 가지기 때문에 수명이 상대적으로 짧을 수 있다. 따라서 상기 고체 전해질을 양극이나 음극의 활물질층까지 더 첨가하고 입자의 형태를 아지로다이트(Argyrodite) 구조로 가져감으로써 이러한 문제를 해소할 수 있다.However, due to the characteristics of a solid electrolyte, it has a lower ionic conductivity than a liquid electrolyte and has a high interfacial resistance at the boundary between the active material and the electrolyte, so the lifespan may be relatively short. Accordingly, this problem can be solved by further adding the solid electrolyte to the active material layer of the positive electrode or the negative electrode and bringing the particle shape into an argyrodite structure.
황화물계 전고체 전해질의 또 다른 단점은 수분이나 산소와의 반응성이 높다는 점이다. 특히 케이스나 실링(sealing)의 파손이나 변형이 발생함에 따라 대기에 접촉하면 대기 중의 수분과 하기 식 1로 나타난 반응에 의해 황화수소(H2S)를 발생한다.Another disadvantage of the sulfide-based all-solid electrolyte is that it has high reactivity with water or oxygen. In particular, as the case or sealing is damaged or deformed, when it comes into contact with the atmosphere, hydrogen sulfide (H 2 S) is generated by a reaction represented by Equation 1 with moisture in the atmosphere.
[식 1][Equation 1]
Li-A-S + H2O -> Li-A-O +H2S Li-AS + H 2 O -> Li-AO +H 2 S
(상기 식 1에서 A는 인, 게르마늄, 붕소, 규소, 갈륨, 비소, 안티몬, 요오드, 알루미늄, 주석, 인듐, 티타늄, 바나듐, 니오븀 및 탄탈럼에서 선택되는 적어도 어느 하나이다.(A in Formula 1 is at least one selected from phosphorus, germanium, boron, silicon, gallium, arsenic, antimony, iodine, aluminum, tin, indium, titanium, vanadium, niobium, and tantalum.
상기 식 1을 통해 생성된 황화수소 가스는 물에 용해되어 수중에서 수소(2H+)와 황(S2-)이온으로 해리된다. 상기 수소와 황이 물에 더 이상 용해되지 않을 정도로 포화되면 황화수소 가스가 대기 중에 발생하게 된다.The hydrogen sulfide gas generated through Equation 1 is dissolved in water and dissociated into hydrogen (2H + ) and sulfur (S 2 - ) ions in water. When the hydrogen and sulfur are saturated to the extent that they are no longer dissolved in water, hydrogen sulfide gas is generated in the atmosphere.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 황화물계 고체 전해질 재료보다 물과의 반응성이 높은 흡착제(고정제)를 케이스 내면에 위치하도록 삽입함으로써 케이스 내로 물이 침입하더라도 대기 중으로의 황화수소 가스의 발생을 억제할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention inserts an adsorbent (fixing agent), which has a higher reactivity with water than a sulfide-based solid electrolyte material, to be located on the inner surface of the case, thereby preventing the generation of hydrogen sulfide gas into the atmosphere even if water enters the case. can be suppressed
본 발명에 따른 황화물계 전고체 리튬 이차 전지는 케이스 내에 고체 전해질층이 양극층과 음극층 사이에 위치하며, 양극층과 음극층의 외면에 집전체가 배치되어 이들 전체가 상술한 케이스로 덮이고 밀폐될 수 있다. 또한 상기 케이스의 내면에는 황화수소흡착제가 더 구비되되, 상기 황화수소흡착제는 케이스 내면 중 전위가 걸려있지 않은 부분에 배치될 수 있다.In the sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention, the solid electrolyte layer is located between the positive electrode layer and the negative electrode layer in the case, and the current collector is disposed on the outer surfaces of the positive electrode layer and the negative electrode layer, so that the entirety is covered with the above-described case and sealed can be In addition, a hydrogen sulfide adsorbent is further provided on the inner surface of the case, and the hydrogen sulfide adsorbent may be disposed on a portion of the inner surface of the case to which an electric potential is not applied.
본 발명에서 상기 황화수소흡착제는 금속산화물, 금속수산화물 및 흡착개선제를 포함함으로써 고온과 저온 모두에서 우수한 황화수소 흡착(고정)효과를 가질 수 있다.In the present invention, the hydrogen sulfide adsorbent may have an excellent hydrogen sulfide adsorption (fixation) effect at both high and low temperatures by including a metal oxide, a metal hydroxide, and an adsorption improving agent.
상술한 바와 같이 일반적인 황화물계 고체 전해질 재료는 물과 접촉 시 상기 식 1과 같은 반응에 의해 황화수소 가스가 발생하게 된다. 그러나 상기 황화수소흡착제가 더 구비되는 경우 수분이 황화물계 고체 전해질보다 흡착제의 금속산화물과 먼저 반응하게 된다. 구체적으로 금속산화물은 물과 반응하여 금속양이온을 생성하며, 상기 금속양이온은 황화물 이온(S2-)과 반응하여 금속황화물을 생성함에 따라 황화물 이온을 고정할 수 있다. As described above, when a general sulfide-based solid electrolyte material comes into contact with water, hydrogen sulfide gas is generated by a reaction as in Equation 1 above. However, when the hydrogen sulfide adsorbent is further provided, moisture reacts with the metal oxide of the adsorbent before the sulfide-based solid electrolyte. Specifically, the metal oxide reacts with water to generate a metal cation, and the metal cation reacts with a sulfide ion (S 2 - ) to form a metal sulfide, thereby fixing the sulfide ion.
또한 금속산화물은 이온으로 해리된 상태에서 황화물 이온과 반응하여 금속황화물을 생성할 수도 있으나, 황화수소에 의해 환원되어 격자산소(lattice oxygen)를 잃게 되면, 기상의 산소가 촉매에 격자산소를 제공하면서 활성을 유지하는 산화-환원 매커니즘으로 진행될 수도 있다.In addition, metal oxides can react with sulfide ions in a state of dissociation into ions to generate metal sulfides, but when they are reduced by hydrogen sulfide and lose lattice oxygen, oxygen in the gas phase is active while providing lattice oxygen to the catalyst. It may proceed with an oxidation-reduction mechanism that maintains
또한 금속산화물의 구조에 따라 기공을 통해 생성된 황화수소를 포집할 수 있어 추가적인 황화수소 제거 효과를 달성할 수 있다.In addition, it is possible to capture the hydrogen sulfide generated through the pores according to the structure of the metal oxide, thereby achieving an additional hydrogen sulfide removal effect.
여기에 금속수산화물을 포함함에 따라 금속수산화물 표면에 수분이 부착되어 일종의 수막을 형성하면 황화수소가 상기 수막에 용해, 분해되며, 표면의 산소 또는 수산화기에 의해 산화반응을 진행하여 이온화된 상태의 HS- 이온을 형성한다. 이렇게 형성된 이온은 전이금속과 반응하여 고체상으로 변환될 수 있다. As the metal hydroxide is included here, when water attaches to the surface of the metal hydroxide to form a kind of water film, hydrogen sulfide dissolves and decomposes in the water film, and HS - ions in an ionized state through an oxidation reaction by oxygen or hydroxyl groups on the surface to form The ions thus formed can be converted into a solid phase by reacting with the transition metal.
또한 상기 흡착개선제는 상기 금속산화물의 단점인 저온에서의 낮은 황화수소 흡착능을 개선하기 위한 것으로, 흡착제의 화학흡착을 위한 활성점을 증가시켜 반응성을 높일 수 있다. In addition, the adsorption improver is to improve the low hydrogen sulfide adsorption capacity at low temperature, which is a disadvantage of the metal oxide, and can increase the reactivity by increasing the active point for chemical adsorption of the adsorbent.
본 발명에서 상기 금속산화물은 금속염이 물과 반응하여, 금속 양이온이 생성되고, 상기 금속 양이온이 상기 황화물 이온(S2-)과 반응하여 생성물이 물에 용해되기 어려운 안정적인 고체 상태로 침전하는 것이라면 종류에 한정치 않는다. 황화물 이온이 상기와 같은 고체 형태로 침전됨에 따라 대기중에 황화물 이온이 확산되는 것을 방지하며 사람이 흡입하는 등의 위험성을 없앨 수 있다.In the present invention, the metal oxide reacts with water to form a metal cation, and the metal cation reacts with the sulfide ion (S 2 - ) to precipitate the product in a stable solid state that is difficult to dissolve in water. not limited to As the sulfide ions are precipitated in the solid form as described above, it is possible to prevent the diffusion of sulfide ions in the atmosphere and eliminate the risk of inhalation by humans.
본 발명에서 상기 금속산화물로 예를 들면 산화아연(ZnO), 이산화티탄(TiO2), 산화구리(CuO), 이산화망간(MnO2), 산화철(Fe2O3) 및 산화칼슘(CaO) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다.In the present invention, as the metal oxide, for example, zinc oxide (ZnO), titanium dioxide (TiO 2 ), copper oxide (CuO), manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ) and calcium oxide (CaO), etc. These may be used alone or in combination of two or more.
본 발명에서 상기 금속산화물로 더욱 바람직하게는 이산화티탄을 들 수 있다. 상기 이산화티탄은 다른 금속산화물에 비해 산화력이 매우 커서 황화물과의 반응성이 우수하며 매우 안정한 물질이며 비독성이고, 다공성을 가져 물리적인 흡착도 가능한 장점을 가진다.More preferably, titanium dioxide is mentioned as the metal oxide in the present invention. The titanium dioxide has a very high oxidizing power compared to other metal oxides, so it has excellent reactivity with sulfides, is a very stable material, is nontoxic, has porosity, and can be physically adsorbed.
상기 금속산화물은 상기 황화수소흡착제 100 중량% 대비 50 내지 80 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 금속산화물의 첨가량이 상기 범위 미만인 경우 황화수소의 물리적 흡착 및 화학적 흡착 모두 감소하게 되며, 상기 범위를 초과하여 첨가하는 경우 수분이나 황화수소 흡착에 의한 과도한 발열로 인해 흡착성능이 저하되고 열에 의한 전지의 파손, 변형이 발생할 수 있다.The metal oxide is preferably added in an amount of 50 to 80% by weight based on 100% by weight of the hydrogen sulfide adsorbent. When the amount of metal oxide added is less than the above range, both physical adsorption and chemical adsorption of hydrogen sulfide are reduced. Deformation may occur.
또한 다른 금속산화물은 고농도의 황화수소가 발생할 경우 발열이 심하게 일어나고, 이에 따라 황화수소의 온도가 상승할 경우 흡착성능이 현저하게 감소하며, 습도가 높은 가스를 처리할 경우 수분에 의한 흡착 방해 또는 채널링 현상에 의해 흡착 속도가 느려져 체적 시간이 길어지기 때문에 이산화티탄을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, other metal oxides generate severe heat when a high concentration of hydrogen sulfide is generated. As a result, when the temperature of hydrogen sulfide rises, the adsorption performance is significantly reduced. It is preferable to use titanium dioxide because the adsorption rate becomes slow and the volume time becomes long.
본 발명에서 상기 금속수산화물은 상술한 금속산화물의 흡착성능을 더욱 보완하기 위한 것으로, 특히 수분이 케이스 내로 침입함에 따라 공기 내 수분의 함량이 증가하게 되면 일반적인 금속산화물은 흡착성능이 크게 떨어지게 되나, 금속수산화물을 더 첨가하게 되면 상기 금속수산화물에 의해 흡착제 표면에 수막을 형성하게 되고, 상기 수막이 황화수소의 산화반응을 촉진시켜 분해를 이끌게 된다. In the present invention, the metal hydroxide is intended to further supplement the adsorption performance of the above-described metal oxide. In particular, when the moisture content in the air increases as moisture enters the case, the adsorption performance of the general metal oxide is greatly reduced, but the metal oxide When the hydroxide is further added, a water film is formed on the surface of the adsorbent by the metal hydroxide, and the water film promotes the oxidation reaction of hydrogen sulfide and leads to decomposition.
본 발명에서 상기 금속수산화물로 예를 들면 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화나트륨(NaOH2) 및 수산화리튬(LiOH) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용하여도 좋다. Examples of the metal hydroxide in the present invention include calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ), sodium hydroxide (NaOH 2 ) and lithium hydroxide (LiOH). Or two or more may be mixed and used.
본 발명에서 상기 금속수산화물로 더욱 바람직하게는 수산화마그네슘을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 수산화마그네슘은 다른 금속수산화물에 비해 흡수 시 발열량이 낮으며, 인체에 무해하다. 또한 기본적으로 수분과의 친화도가 높기 때문에 수막형성 반응을 유도하여 황화수소의 흡착, 고정 효과를 더욱 높일 수 있다.More preferably, magnesium hydroxide is used as the metal hydroxide in the present invention. The magnesium hydroxide has a lower calorific value when absorbed than other metal hydroxides, and is harmless to the human body. In addition, since the affinity with water is high, it can induce a water film-forming reaction to further enhance the adsorption and fixation effect of hydrogen sulfide.
본 발명에서 상기 금속수산화물은 상기 황화수소흡착제 100 중량% 대비 10 내지 40 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 금속수산화물의 함량이 상기 범위 미만인 경우 조성물의 수막 형성이 미비하여 황화수소 흡착 효과가 하락하며, 상기 범위를 초과하는 경우 수분 흡착에 따른 과도한 발열로 인해 흡착성능이 저하되고 열에 의한 전지의 파손, 변형이 발생할 수 있다.In the present invention, the metal hydroxide is preferably added in an amount of 10 to 40 wt% based on 100 wt% of the hydrogen sulfide adsorbent. If the content of the metal hydroxide is less than the above range, the hydrogen sulfide adsorption effect is reduced due to insufficient water film formation of the composition. can occur
본 발명에서 상기 흡착개선제는 상기 금속산화물의 단점인 낮은 온도에서의 황화수소 흡착 효율 감소를 해결하기 위한 것으로, 상술한 바와 같이 활성점을 증가시켜 황화수소와의 반응성을 높이기 위함이다.In the present invention, the adsorption improver is to solve the disadvantage of the metal oxide, which is a decrease in hydrogen sulfide adsorption efficiency at low temperature, and to increase the reactivity with hydrogen sulfide by increasing the active point as described above.
상기 흡착개선제로 예를 들면 금속요오드화물로서 구체적으로 요오드화리튬(LiI), 요오드화나트륨(NaI), 요오드화칼륨(KI, KI3), 요오드화루비듐(RbI) 및 요오드화세슘(CsI) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여도 무방하다.Examples of the adsorption improving agent include lithium iodide (LiI), sodium iodide (NaI), potassium iodide (KI, KI 3 ), rubidium iodide (RbI) and cesium iodide (CsI) as metal iodide. , These may be used alone or in combination of two or more.
상기 흡착개선제로 더욱 바람직하게는 요오드화칼륨(KI)을 들 수 있다. 상기 요오드화칼륨은 수용성으로 상기 금속산화물과 혼합하기 용이하며, 금속산화물의 물리적인 흡착을 위한 기공 특성이 감소함에도 불구하고 활성점 증가로 인한 화학적 흡착 성능을 높일 수 있다.More preferably, potassium iodide (KI) is mentioned as the adsorption improving agent. The potassium iodide is water-soluble, so it is easy to mix with the metal oxide, and although the pore properties for physical adsorption of the metal oxide are reduced, the chemical adsorption performance can be improved due to the increase of the active point.
상기 흡착개선제는 상기 황화수소흡착제 100 중량% 대비 1 내지 10 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 흡착개선제의 함량이 상기 범위 미만인 경우 활성점 형성 효과 저하로 인해 황화수소 흡착 효과가 하락하며, 상기 범위를 초과하는 경우 금속산화물의 기공을 막음에 따른 비표면적 감소에 의해 오히려 흡착 효율이 감소할 수 있다.The adsorption improving agent is preferably added in an amount of 1 to 10 wt% based on 100 wt% of the hydrogen sulfide adsorbent. When the content of the adsorption improver is less than the above range, the hydrogen sulfide adsorption effect decreases due to a decrease in the effect of forming an active point. .
상기 황화수소흡착제는 상술한 반응을 통해 황화물 이온이나 황화수소를 고정할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 물이 케이스 내부로 침입 시 물과 신속히 반응할 수 있도록 고체 형상을 가지는 것이 바람직하다. 상기 고체 형상으로 예를 들면 분말이나 분말을 성형한 펠렛, 필름 형상 등을 들 수 있으며, 이들 중 막 형상의 것이 바람직하다.The hydrogen sulfide adsorbent is not particularly limited as long as it can fix sulfide ions or hydrogen sulfide through the above-described reaction, but preferably has a solid shape so that water can rapidly react with water when water enters the case. As said solid form, the pellet which shape|molded the powder, powder, the film form etc. are mentioned, for example, Among these, the film-form thing is preferable.
상기 황화수소흡착제는 제조방법을 한정하지 않는다. 일예로 흡착개선제와 금속수산화물을 증류수에 녹여 교반한 후, 다공성의 금속산화물을 혼합한다. 그리고 증발기를 이용하여 수분을 증발시킨 다음 열처리 하여 금속산화물의 기공 또는 표면 내에 흡착개선제 및 금속수산화물이 코팅된 형태로 제조할 수 있다. 그리고 제조된 황화수소흡착제는 성형성을 더욱 높이기 위해 필요에 따라 고분자 수지와 혼합한 후 캐스팅 등의 방법을 통해 필름화할 수도 있다.The hydrogen sulfide adsorbent is not limited to a manufacturing method. For example, an adsorption improving agent and a metal hydroxide are dissolved in distilled water and stirred, and then a porous metal oxide is mixed. Then, the moisture is evaporated using an evaporator and then heat-treated to prepare an adsorption improver and a metal hydroxide coated in the pores or surface of the metal oxide. In addition, the prepared hydrogen sulfide adsorbent may be mixed with a polymer resin as needed to further improve moldability, and then filmed through a method such as casting.
상기 황화수소흡착제가 구비되는 위치로는 케이스의 내면 중 정극이나 부극 등의 전극 및 단자 등의 전위가 걸려 있는 장소에 접촉되지 않도록 설치하는 것이 바람직하다. 이는 전위에 의해 금속염이 환원되는 등의 불필요한 반응이 일어남에 따라 흡착제의 성분이 변화해 버리는 것을 방지하기 위해서이다.As a position where the hydrogen sulfide adsorbent is provided, it is preferable to install it so that it does not come into contact with an electrode such as a positive electrode or a negative electrode and a place where a potential such as a terminal is applied among the inner surfaces of the case. This is to prevent the components of the adsorbent from changing due to unnecessary reactions such as reduction of metal salts due to potential.
또한, 전지 케이스 내에 물이 침입해 온 경우에, 황화수소 가스가 많이 발생될 우려가 있는 황화물계 고체 전해질층에 가까운 장소나, 물이 침입할 가능성이 높고, 전지를 밀폐하고 있는 밀봉 부분 등에 가까운 장소가 바람직하다.In addition, a place close to the sulfide-based solid electrolyte layer where there is a possibility that a large amount of hydrogen sulfide gas is generated when water enters the battery case, or a place close to the sealing part that seals the battery, etc. is preferable
여기에 전지 케이스 내의 가능한 한 넓은 범위에 설치하는 것이 바람직하다. 전지 케이스의 어떠한 부분의 손상에도 대응할 수 있기 때문이다. 즉, 전지의 어느 부분으로부터 물이 침입해 와도 금속염이 분해되므로, 해리에 의해 생성된 금속 양이온이 황화물 이온과 반응하여 금속 황화물의 침전을 발생하여 황화물 이온을 고정화할 수 있어, 보다 안전하게 황화수소 가스의 발생을 억제할 수 있기 때문이다.Here, it is preferable to install in the widest possible range within the battery case. This is because it can cope with damage to any part of the battery case. In other words, since the metal salt is decomposed even if water enters from any part of the battery, the metal cation generated by dissociation reacts with the sulfide ion to cause precipitation of the metal sulfide to immobilize the sulfide ion. This is because the occurrence can be suppressed.
본 발명에서 상기 황화물계 고체 전해질층은 황화물계 고체 전해질을 포함한 것으로 구체적으로 황화물계 고체 전해질 재료를 바인더, 용매 등의 첨가제와 혼합한 후 일축 압축 성형함에 따라 형성할 수 있다. In the present invention, the sulfide-based solid electrolyte layer includes a sulfide-based solid electrolyte and may be specifically formed by mixing a sulfide-based solid electrolyte material with an additive such as a binder or a solvent and then uniaxially compression molding.
상기 황화물계 고체 전해질층에 사용되는 황화물계 고체 전해질 재료로서는, 구체적으로는 Li, A, S으로 이루어지는 고체 전해질 재료(Li-A-S)를 들 수 있다. 이때 상기 황화물계 고체 전해질 재료 Li-A-S 중 A는 P, As, Ge, Ga, Sb, Si, Sn, Al, In, Ti, V, Nb 및 Ta로부터 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이다. 이와 같은 황화물계 고체 전해질 재료 Li-A-S의 구체적인 일예로는 70Li2S-30P2S5, LiGe0.25P0.75S4, 80Li2S-20P2S5, Li2S-SiS2 등을 들 수 있고, 이온 전도도가 높은 특성를 갖는 70Li2S-30P2S5가 더욱 바람직하다.Specific examples of the sulfide-based solid electrolyte material used for the sulfide-based solid electrolyte layer include a solid electrolyte material (Li-AS) composed of Li, A, and S. At this time, among the sulfide-based solid electrolyte material Li-AS, A is at least one selected from the group consisting of P, As, Ge, Ga, Sb, Si, Sn, Al, In, Ti, V, Nb, and Ta. Specific examples of the sulfide-based solid electrolyte material Li-AS include 70Li 2 S-30P 2 S 5 , LiGe 0.25 P 0.75 S 4 , 80Li 2 S-20P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , and the like. and 70Li 2 S-30P 2 S 5 having high ionic conductivity is more preferable.
본 발명에 사용되는 황화물계 고체 전해질 재료의 제조 방법은 원하는 황화물계 고체 전해질 재료를 얻을 수 있는 방법이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, Li, S을 포함한 원료 등을 유성 볼밀로 글래스화시키고, 그 후 열처리함으로써 얻는 방법 등을 들 수 있다.The method for producing the sulfide-based solid electrolyte material used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining a desired sulfide-based solid electrolyte material. , and a method obtained by heat treatment thereafter.
상기 바인더는 고체 전지의 전해질층이나 양극층, 음극층 등에 포함될 수 있는 공지의 바인더들이 적당히 사용될 수 있다. 그러한 바인더들로서, 부틸렌 고무(BR), 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(ABR), 부타디엔 고무(BR), 폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF) 및 스티렌 부타디엔 고무(SBR)이 예시될 수 있다.As the binder, known binders that may be included in the electrolyte layer, the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the like of a solid battery may be appropriately used. As such binders, butylene rubber (BR), acrylonitrile butadiene rubber (ABR), butadiene rubber (BR), polyvinylidene fluoride (PVdF) and styrene butadiene rubber (SBR) can be exemplified.
본 발명에서 상기 양극층은 양극활물질 및 황화물계 고체 전해질을 포함하는 층으로, 상기 양극층에 함유되는 양극활물질로는 전고체 전지에서 사용 가능한 공지의 양극활물질을 적당히 이용할 수 있다. In the present invention, the positive electrode layer is a layer including a positive electrode active material and a sulfide-based solid electrolyte, and as the positive electrode active material contained in the positive electrode layer, a known positive electrode active material usable in an all-solid-state battery may be appropriately used.
상기 양극활물질로 예를 들면 코발트산리튬(LiCoO2)이나 니켈산리튬(LiNiO2) 등의 층상 활물질 이외에, Li1+xNi1/3Mn1/3Co1/3O2(x는 양수이다), 망간산 리튬(LiMn2O4), Li1+xMn2-x-yMyO4(M 은 Al, Mg, Co, Fe, Ni, Zn로부터 선택되는 어느 하나 또는 복수이며, x 및 y는 양수이다.)로 표시되는 조성의 이종 원소 치환 Li-Mn 스피넬; 티탄산 리튬(LixTiOy) (x 및 y는 양수이다), LiMPO4(M 은 Fe, Mn, Co 또는 Ni이다)로 표시되는 인산 금속 리튬; 등을 예시할 수 있다. As the positive electrode active material, for example, in addition to layered active materials such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ) or lithium nickelate (LiNiO 2 ), Li 1+x Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (x is a positive number) is), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), Li 1+x Mn 2-xy M y O 4 (M is any one or a plurality selected from Al, Mg, Co, Fe, Ni, Zn, x and y is a positive number); lithium metal phosphate represented by lithium titanate (Li x TiO y ) (x and y are positive numbers), LiMPO 4 (M is Fe, Mn, Co or Ni); etc. can be exemplified.
양극활물질의 형상은 예를 들면 입자형이나 얇은 막 상태 등으로 할 수 있다. 양극활물질의 평균 입경(D50)은 본 발명에서 한정하지 않으나, 예를 들면 1 ㎚ 내지 100 ㎛인 것이 바람직하고, 10 ㎚ 내지 30 ㎛인 것이 보다 바람직하다. 또, 양극층 중 양극활물질의 함유량은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면 40 내지 99 중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.The shape of the positive electrode active material can be, for example, a particle shape or a thin film state. Although the average particle diameter (D50) of the positive electrode active material is not limited in the present invention, for example, it is preferably 1 nm to 100 μm, and more preferably 10 nm to 30 μm. In addition, the content of the positive electrode active material in the positive electrode layer is not particularly limited, but is preferably, for example, in the range of 40 to 99% by weight.
양극층에 포함되는 황화물계 고체 전해질은 상술한 전해질층에 포함되는 황화물계 고체 전해질 재료인 것이 바람직하며, 상술한 70Li2S-30P2S5가 더욱 바람직하다. The sulfide-based solid electrolyte included in the positive electrode layer is preferably a sulfide-based solid electrolyte material included in the above-described electrolyte layer, and the aforementioned 70Li 2 S-30P 2 S 5 is more preferable.
또한 경우에 따라 양극활물질과 당해 황화물 고체 전해질과의 경계면에 고저항층이 형성될 수도 있다. 고저항층의 형성을 억제하여 전지 저항의 증가를 억제하기 쉽게 하는 관점에서, 양극활물질은 이온 전도성 산화물을 포함한 피복층으로 피복되는 것이 바람직하다. In addition, in some cases, a high resistance layer may be formed at the interface between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte. From the viewpoint of suppressing the formation of the high resistance layer to easily suppress the increase in battery resistance, the positive electrode active material is preferably coated with a coating layer containing an ion conductive oxide.
상기 피복층은 리튬 이온 전도성을 가지며, 양극 활물질이나 황화물 고체 전해질과 접촉해도 유동하지 않고 형태를 유지할 수 있는 물질을 함유하고 있으면 좋다. 양극 활물질을 피복하는 피복층에 포함되는 이온 전도성 산화물로서는, 예를 들면, 일반식 LixAOy (A 는 B, C, Al, Si, P, S, Ti, Zr, Nb, Mo, Ta 또는 W에서 선택되는 어느 하나이며, x 및 y는 양수이다)로 표시되는 산화물이 사용될 수 있다. 구체적으로는, Li3BO3, LiBO2, Li2CO3, LiAlO2, Li4SiO4, Li2SiO3, Li3PO4, Li2SO4, Li2TiO3, Li4Ti5O12, Li2Ti2O5, Li2ZrO3, LiNbO3, Li2MoO4, Li2WO4 등이 사용될 수 있다.The coating layer may contain a material having lithium ion conductivity and maintaining its shape without flowing even when in contact with a positive electrode active material or a sulfide solid electrolyte. As the ion conductive oxide contained in the coating layer covering the positive electrode active material, for example, the general formula Li x AO y (A is B, C, Al, Si, P, S, Ti, Zr, Nb, Mo, Ta or W) Oxide represented by any one selected from, and x and y are positive numbers) may be used. Specifically, Li 3 BO 3 , LiBO 2 , Li 2 CO 3 , LiAlO 2 , Li 4 SiO 4 , Li 2 SiO 3 , Li 3 PO 4 , Li 2 SO 4 , Li 2 TiO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 2 Ti 2 O 5 , Li 2 ZrO 3 , LiNbO 3 , Li 2 MoO 4 , Li 2 WO 4 , and the like may be used.
또한 상기와 같은 리튬 이온 전도성 산화물은 복합 산화물일 수 있다. 복합 산화물로서는, 상기 리튬 이온 전도성 산화물의 임의의 조합을 채용할 수 있다. 예를 들면, Li4SiO4-Li3BO3 및 Li4SiO4-Li3PO4가 이용될 수 있다. In addition, the lithium ion conductive oxide as described above may be a composite oxide. As the composite oxide, any combination of the above lithium ion conductive oxides can be employed. For example, Li 4 SiO 4 -Li 3 BO 3 and Li 4 SiO 4 -Li 3 PO 4 may be used.
상기와 같이 양극 활물질의 표면을 이온 전도성 산화물로 피복한 경우, 당해 이온 전도성 산화물은 양극 활물질의 적어도 일부를 피복하고 있으면 좋고 양극 활물질의 전면을 피복하고 있어도 좋다. 또, 양극 활물질을 피복하는 이온 전도성 산화물의 두께는 예를 들면, 0.1 내지 100 ㎚인 것이 바람직하고, 1 내지 20 ㎚인 것이 보다 바람직하다. When the surface of the positive electrode active material is coated with an ion conductive oxide as described above, the ion conductive oxide may cover at least a part of the positive electrode active material and may cover the entire surface of the positive electrode active material. Moreover, it is preferable that it is 0.1-100 nm, and, as for the thickness of the ion conductive oxide which coat|covers a positive electrode active material, it is more preferable that it is 1-20 nm, for example.
또한 상기 양극층은 필요에 따라 도전성을 향상시키는 도전 보조제 및 양극 활물질과 고체 전해질을 결착시키는 바인더를 포함하고 있어도 좋고, 경우에 따라서는 증점제를 포함할 수도 있다.In addition, the positive electrode layer may contain, if necessary, a conductive auxiliary agent for improving conductivity and a binder for binding the positive electrode active material and the solid electrolyte, and may include a thickener in some cases.
상기 도전보조제는 전고체 전지에 사용될 수 있는 공지된 도전 보조제들이 적절히 사용될 수 있다. 예를 들어, 기상 성장된 탄소 섬유 등과 같은 탄소 재료들 이외에, 고체 전지가 사용될 때 환경을 견딜 수 있는 아세틸렌 블랙(AB), 케첸 블랙(KB), 탄소 나노튜브(CNT) 및 탄소 나노섬유(CNF) 등의 탄소물질이나 금속 재료들이 사용될 수 있다.As the conductive aid, known conductive aids that can be used in an all-solid-state battery may be appropriately used. For example, in addition to carbon materials such as vapor grown carbon fibers, etc., acetylene black (AB), Ketjen black (KB), carbon nanotubes (CNT) and carbon nanofibers (CNF) that can withstand the environment when a solid-state battery is used ) and other carbon materials or metal materials may be used.
또한, 액체 중에 양극활물질을 분산시킴으로써 제조된 양극을 위한 슬러리형 조성물을 사용하여 양극층이 제작되는 경우, 헵탄이 사용가능한 액체로서 예시될 수 있고, 바람직하게는 비극성 용매가 사용될 수 있다. 이때 양극층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎜이 바람직하고, 1 내지 100 ㎛이 더욱 바람직하다. 또한, 양극층은 전고체 전지의 성능을 향상시키는 것을 용이하게 하도록 프레스 공정을 통해 제작되는 것이 바람직하다.In addition, when a positive electrode layer is manufactured using a slurry-type composition for a positive electrode prepared by dispersing a positive electrode active material in a liquid, heptane may be exemplified as a usable liquid, and a non-polar solvent may be preferably used. In this case, the thickness of the anode layer is preferably 0.1 μm to 1 mm, more preferably 1 μm to 100 μm. In addition, the positive electrode layer is preferably manufactured through a pressing process to facilitate improving the performance of the all-solid-state battery.
본 발명에서 상기 음극층은 음극활물질 및 황화물계 고체 전해질을 포함하는 층으로, 상기 음극층에 함유되는 음극활물질로는 전고체 전지에서 사용 가능한 공지의 음극활물질을 적당히 이용할 수 있으며, 예를 들면 탄소 활물질, 산화물 활물질, 및 금속 활물질을 포함한다. In the present invention, the negative electrode layer is a layer including a negative electrode active material and a sulfide-based solid electrolyte. As the negative electrode active material contained in the negative electrode layer, a known negative electrode active material usable in an all-solid-state battery may be appropriately used, for example, carbon active materials, oxide active materials, and metal active materials.
상기 탄소 활물질은 탄소를 함유하고 있으면 특별히 제한되지 않으며 예를 들면 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 고배향성 열분해 흑연(HOPG), 하드 카본 및 소프트 카본 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 산화물 활물질로서는, 예를 들면 Nb2O5, Li4Ti5O12, SiO 이 사용될 수 있다. 금속 활물질로서는, 예를 들면 In, Al, Si, Sn 및 이들의 합금이 사용될 수 있다. The carbon active material is not particularly limited as long as it contains carbon, and for example, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), hard carbon and soft carbon may be used. In addition, as the oxide active material, for example, Nb 2 O 5 , Li 4 Ti 5 O 12 , SiO may be used. As the metal active material, for example, In, Al, Si, Sn, and alloys thereof can be used.
또한 음극활물질로서, 상기 활물질들 이외에 리튬 함유 금속 활물질을 이용해도 좋다. 리튬 함유 금속 활물질로서는, 적어도 Li을 함유하는 활물질이면 특별히 제한되지 않으며 리튬 금속 또는 리튬 합금일 수도 있다. 리튬 합금으로 예를 들면, Li 와 In, Al, Si, 및 Sn의 적어도 일종을 함유하는 합금이 사용될 수 있다.In addition, as the negative electrode active material, a lithium-containing metal active material other than the above active materials may be used. The lithium-containing metal active material is not particularly limited as long as it is an active material containing at least Li, and lithium metal or a lithium alloy may be used. As the lithium alloy, for example, an alloy containing Li and at least one of In, Al, Si, and Sn may be used.
상기 음극활물질의 형상은 입자형, 얇은 막 상태 등으로 할 수 있다. 음극활물질의 평균 입경(D50)은 예를 들면 1 ㎛ 내지 100 ㎜인 것이 바람직하고, 10 ㎛ 내지 30 ㎜인 것이 보다 바람직하다. 또, 음극층 내 음극 활물질의 함유량은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면 40 내지 99 중량%로 하는 것이 바람직하다.The shape of the negative electrode active material may be in the form of a particle, a thin film, or the like. The average particle diameter (D50) of the negative electrode active material is, for example, preferably 1 µm to 100 mm, and more preferably 10 µm to 30 mm. In addition, the content of the negative electrode active material in the negative electrode layer is not particularly limited, but is preferably 40 to 99% by weight, for example.
여기에 상기 음극층은 필요에 따라 상술한 도전보조제나 바인더, 용매 등의 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 이들의 함량 또한 상술한 범위 내에서 첨가할 수 있다.Here, the negative electrode layer may further include additives such as the above-described conductive aid, binder, and solvent, if necessary, and their content may also be added within the above-described range.
상기 집전체 중 양극집전체는 전고체 전지의 양극 집전체로서 사용될 수 있는 공지의 도전 재료들로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 양극집전체는 스테인레스 스틸, Ni, Cr, Au, Pt, Al, Fe, Ti, 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 또는 복수의 원소를 포함하는 금속 재료로 형성될 수 있다. 또한, 양극 집전체 는 예를 들어 박이나 메시 등의 형태로 구비될 수 있다.Among the current collectors, the positive electrode current collector may be formed of known conductive materials that can be used as a positive electrode current collector of an all-solid-state battery. For example, the positive electrode current collector may be formed of a metal material including any one or a plurality of elements selected from the group consisting of stainless steel, Ni, Cr, Au, Pt, Al, Fe, Ti, and Zn. In addition, the positive electrode current collector may be provided in the form of, for example, a foil or a mesh.
상기 음극집전체는 전고체 전지의 음극집전체로서 사용 가능한 공지의 도전성 재료에 의해서 구성되어 있어 음극층에 포함된 황화물 고체 전해질과 반응하는 금속을 포함하고 있다. The negative electrode current collector is made of a known conductive material that can be used as a negative electrode current collector of an all-solid-state battery, and contains a metal reacting with the sulfide solid electrolyte contained in the negative electrode layer.
이때 "황화물 고체 전해질과 반응하는 금속" 이란, 황화물 고체 전해질과 접촉시키면서 가열하는 경우에 황 화합물을 생성하는 금속을 의미한다. 이러한 금속의 구체적인 예로서는, Cu, Fe, Ni, Co, Ti 등에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 원소를 포함한 금속재료나, 금속 재료가 다른 금속 재료나 탄소 재료 등의 도전성 재료에 의해서 도금 또는 증착된 것에 의해서 구성할 수 있다. 이러한 부극집전체는 상기 양극집전체와 유사하게 박이나 메시 등의 형태로 구비될 수 있다.In this case, the "metal that reacts with the sulfide solid electrolyte" means a metal that generates a sulfur compound when heated while in contact with the sulfide solid electrolyte. As a specific example of such a metal, a metal material containing one or a plurality of elements selected from Cu, Fe, Ni, Co, Ti, etc., or a metal material plated or deposited with a conductive material such as another metal material or carbon material can be configured by Such a negative electrode current collector may be provided in the form of a foil or a mesh, similar to the positive electrode current collector.
본 발명에 따른 전고체 리튬 이차 전지는 이외에도 스페이서, 실링(패킹), 케이스 등이 더 구비될 수 있다. 이러한 구성들은 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 스페이서나 케이스는 스테인레스나 알루미늄의 재질로 구비될 수 있다. 또한 실링으로는 흡수율이 낮은 고분자 수지, 예를 들어 에폭시와 같은 고분자 수지를 포함하는 것이 바람직하다.The all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention may further include a spacer, a sealing (packing), a case, and the like. These configurations are not particularly limited, and, for example, the spacer or the case may be made of stainless steel or aluminum. In addition, as the sealing, it is preferable to include a polymer resin having a low water absorption, for example, a polymer resin such as epoxy.
여기에 상기 전고체 리튬 이차 전지는 상기 황화수소흡착제 이외에 제올라이트, 실리카겔, 활성탄 등과 같은 다공성의 흡착제를 더 포함할 수 있다. 이러한 흡착제는 상술한 황화수소흡착제와 유사하게 전지 케이스의 내측이나 외측에 구비될 수 있으며, 금속염의 해리가 일어나지 않을 정도의 소량의 수분 하에서 발생하는 황화수소를 흡착할 수 있다.Here, the all-solid lithium secondary battery may further include a porous adsorbent such as zeolite, silica gel, activated carbon, etc. in addition to the hydrogen sulfide adsorbent. Such an adsorbent may be provided inside or outside the battery case similarly to the hydrogen sulfide adsorbent described above, and may adsorb hydrogen sulfide generated under a small amount of moisture such that dissociation of the metal salt does not occur.
본 발명에 따른 전고체 리튬 이차 전지는 제조방법을 한정하지 않는다. 예를 들어 양극층 재료, 황화물계 고체 전해질 재료, 음극층 재료를 성형 지그 내에 투입하고 일축 압축 성형함으로써 다층 구조의 층을 얻은 후 이를 전지 케이스의 소정 위치에 위치시킨다. 또한 이와는 별개로 상술한 황화수소흡착제를 케이스의 내면에 부착하되, 상술한 바와 같이 전위가 닿지 않는 부분에 위치시킴으로써 금속염의 분해를 방지하는 것이 바람직하다.The all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention is not limited to a manufacturing method. For example, a positive electrode layer material, a sulfide-based solid electrolyte material, and a negative electrode layer material are put into a molding jig and uniaxially compression molded to obtain a layer having a multilayer structure, and then place it at a predetermined position in the battery case. In addition, it is preferable to prevent the decomposition of the metal salt by attaching the above-described hydrogen sulfide adsorbent to the inner surface of the case separately, but placing it in a portion where the electric potential does not reach as described above.
본 발명에 따른 전고체 리튬 이차 전지는 형상을 한정하지 않는다. 예를 들어 코인형, 라미네이트형, 원통형, 각형 등이 있으며, 이들 중 코인형, 라미네이트 형 등이 바람직하다.The all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention is not limited in shape. For example, there are coin type, laminate type, cylinder type, square type, etc., among these, coin type, laminate type, etc. are preferable.
본 발명에 따른 전고체 리튬 이차 전지는 용도를 특별히 한정하는 것은 아니나 자동차용의 전고체 리튬 이차 전지 등으로 사용될 수 있다. 이때 케이스의 파손이나 변형 등에 의해 케이스 내부로 수분이 침투하여도 황화수소의 발생을 억제할 수 있기 때문에 안전하고 신뢰성이 높은 장점을 가진다.Although the use of the all-solid-state lithium secondary battery according to the present invention is not particularly limited, it may be used as an all-solid-state lithium secondary battery for automobiles. At this time, since generation of hydrogen sulfide can be suppressed even if moisture penetrates into the case due to damage or deformation of the case, it is safe and highly reliable.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 등에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the following examples and comparative examples are only examples for explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited to the following examples.
하기 실시예 등을 통해 제조된 시편의 제원 및 물성을 다음과 같이 측정하였다.The specifications and physical properties of the specimens prepared through the following Examples and the like were measured as follows.
(황화수소 흡착 효율) (Hydrogen sulfide adsorption efficiency)
실시예 및 비교예를 통해 수득한 전고체 리튬 이차전지 셀을 각각 온도가 상온(25℃)과 고온(100℃)으로 설정된 두 기의 반응기에 투입하였다. 그리고 반응기에 상대습도 70%의 공기를 500 cc/min의 속도로 10분간 공급한 후 각 반응기 내의 황화수소 농도를 측정하였다.The all-solid-state lithium secondary battery cells obtained in Examples and Comparative Examples were put into two reactors each having a temperature set at room temperature (25° C.) and high temperature (100° C.). Then, after supplying air with a relative humidity of 70% to the reactor at a rate of 500 cc/min for 10 minutes, the concentration of hydrogen sulfide in each reactor was measured.
(황화물계 전고체 리튬 이차 전지)(Sulphide-based all-solid-state lithium secondary battery)
양극활물질(LiCoO2)과 황화물계 고체 전해질 재료(LiGe0.25P0.75S4)를 질량비 7:3으로 혼합하여 양극혼합제로 했다. 이와는 별개로 음극활물질(Li4Ti5O12)과 황화물계 고체 전해질 재료를(LiGe0.25P0.75S4) 7:3 중량비로 혼합하여 음극혼합제로 하였으며, 이 양극혼합제 15㎎과, 황화물계 고체 전해질 재료 200㎎, 음극활물질(Li4Ti5O12) 및 음극으로서 인듐박 60㎎(두께 0.2㎜)을 순차적으로 형틀에 공급하고 성형 지그로 설치한 후, 5t/㎠로 프레스하여 직경 약 10㎜, 두께 약 1.5㎜의 전극 펠릿을 제작했다.A positive electrode active material (LiCoO 2 ) and a sulfide-based solid electrolyte material (LiGe 0.25 P 0.75 S 4 ) were mixed in a mass ratio of 7:3 to prepare a positive electrode mixture. Separately, a negative electrode active material (Li 4 Ti 5 O 12 ) and a sulfide-based solid electrolyte material (LiGe 0.25 P 0.75 S 4 ) were mixed in a 7:3 weight ratio to make a negative electrode mixture, and 15 mg of this positive electrode mixture and a sulfide-based solid Electrolyte material 200 mg, negative electrode active material (Li 4 Ti 5 O 12 ), and indium foil 60 mg (thickness 0.2 mm) as the negative electrode were sequentially supplied to the mold, installed with a molding jig, and pressed at 5 t/cm 2 to have a diameter of about 10 mm and an electrode pellet of about 1.5 mm in thickness was produced.
그리고 상기와 같이 제조된 전극 펠릿을 코인 케이스 중에 설치하고, 수지(폴리프로필렌)에 의해 밀폐하되, 코인 케이스(SUS제)의 파손 시의 수몰을 상정하고 있기 때문에, 코인 케이스의 상부 덮개에 직경 1㎜의 구멍을 뚫어 코인 셀을 제조하였다.And the electrode pellet prepared as described above is installed in the coin case and sealed with resin (polypropylene), but since submergence is assumed when the coin case (made by SUS) is damaged, the diameter 1 on the upper cover of the coin case A coin cell was prepared by drilling a hole of mm.
(실시예 1) (Example 1)
상기 황화물계 전고체 리튬 이차 전지 제조 시 전극 펠릿을 코인 케이스 내에 설치하기 전에 케이스 내에 막 형태의 황화수소흡착제를 형성하였다. 구체적으로 용매에 요오드화칼륨(KI)과 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 투입하고 교반하여 용해시키되, 상기 요오드화칼륨과 수산화마그네슘의 투입량을 후술할 이산화티탄(TiO2) 대비 각각 8 중량%, 27 중량%으로 하였다. 그리고 여기에 이산화티탄을 65 중량% 투입하고 2시간 동안 교반하였다.When manufacturing the sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery, a membrane-type hydrogen sulfide adsorbent was formed in the case before the electrode pellets were installed in the coin case. Specifically, potassium iodide (KI) and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) are added to a solvent and dissolved by stirring, and the amounts of potassium iodide and magnesium hydroxide are 8 wt%, respectively, compared to titanium dioxide (TiO 2 ) to be described later, 27% by weight. And 65 wt% of titanium dioxide was added thereto and stirred for 2 hours.
교반이 끝난 조성물은 80℃로 형성된 건조기에 투입하여 수분을 완전히 증발시킨 후 형틀에 투입하고 대기 분위기 하에서 500℃의 온도로 3시간 동안 열처리하여 10㎜×10㎜×0.1㎜의 직육면체 형태로 소성 성형하였다. 성형된 흡착제는 케이스 내면에 접착제(에폭시 수지)로 접착하였다. 접착이 끝난 후에는 전극 펠릿을 케이스 내로 삽입하여 이차전지를 제조하였다.After stirring, the composition is put into a dryer formed at 80°C to completely evaporate moisture, then put into a mold and heat-treated at a temperature of 500°C under atmospheric atmosphere for 3 hours to plastically mold into a rectangular parallelepiped shape of 10mm×10mm×0.1mm. did. The molded adsorbent was adhered to the inner surface of the case with an adhesive (epoxy resin). After the bonding was completed, the electrode pellet was inserted into the case to prepare a secondary battery.
(실시예 2 내지 8 및 비교예 1 내지 3)(Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 to 3)
상기 실시예 1에서 황화수소흡착제 제조 시 조성물을 하기 표 1과 같이 한 것을 제외하고 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다. 이때 실시예 6의 금속산화물은 산화철(Fe2O3)이었으며, 실시예 7의 금속수산화물은 수산화망간(Mn(OH)2), 실시예 8의 흡착개선제는 요오드화리튬(LiI)을 사용하였다.A secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition was prepared as shown in Table 1 when preparing the hydrogen sulfide adsorbent. At this time, the metal oxide of Example 6 was iron oxide (Fe 2 O 3 ), the metal hydroxide of Example 7 was manganese hydroxide (Mn(OH) 2 ), and the adsorption improver of Example 8 was lithium iodide (LiI).
[표 1][Table 1]
[표 2][Table 2]
상기 표 2와 같이 금속산화물과 금속수산화물, 흡착개선제의 함량이 본 발명의 범위를 만족하는 실시예 1, 실시예 6 내지 8은 함량 범위를 만족하지 못하는 다른 실시예들에 비해 더 낮은 황화수소 농도를 보이고 있다. 특히 금속산화물로 이산화티탄을, 금속수산화물로 수산화마그네슘을, 흡착개선제로 요오드화칼륨을 사용한 실시예 1은 황화수소가 발생되지 않아 각각 금속산화물로 산화철(Fe2O3)을 사용하거나 금속수산화물로 수산화망간(Mn(OH)2)을 사용하거나 흡착개선제로 요오드화리튬(LiI)을 사용한 실시예 6 내지 8에 비해 더욱 우수한 결과를 보이고 있다.As shown in Table 2, Examples 1 and 6 to 8 in which the content of the metal oxide, the metal hydroxide and the adsorption improver satisfy the range of the present invention have a lower hydrogen sulfide concentration compared to other examples that do not satisfy the content range is showing In particular, in Example 1 using titanium dioxide as the metal oxide, magnesium hydroxide as the metal hydroxide, and potassium iodide as the adsorption improving agent, hydrogen sulfide was not generated, so iron oxide (Fe 2 O 3 ) was used as the metal oxide or manganese hydroxide as the metal hydroxide. (Mn(OH) 2 ) or use of lithium iodide (LiI) as an adsorption improver compared to Examples 6 to 8 show better results.
이와는 별개로 흡착개선제를 첨가하지 않은 비교예 1은 고온에서의 황화수소 제거효율이 특히 좋지 않았으며, 금속수산화물을 첨가하지 않은 비교예 2는 저온에서의 황화수소 제거효율이 좋지 않았다. 그리고 이들을 모두 첨가하지 않은 비교예 3은 금속염을 첨가하였음에도 불구하고 장시간의 수분 노출로 인해 황화수소 제거능이 완전히 사라짐에 따라 가장 많은 양의 황화수소가 발생하였음을 알 수 있다.Separately, Comparative Example 1, in which no adsorption improver was added, showed particularly poor hydrogen sulfide removal efficiency at high temperature, and Comparative Example 2, in which no metal hydroxide was added, had poor hydrogen sulfide removal efficiency at low temperature. And in Comparative Example 3, in which none of these were added, it can be seen that, despite the addition of metal salts, the hydrogen sulfide removal ability completely disappeared due to prolonged exposure to moisture, and thus the largest amount of hydrogen sulfide was generated.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although the present invention has been described with reference to preferred embodiments and test examples, those skilled in the art may vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. It will be understood that modifications and changes can be made to
Claims (6)
An all-solid-state lithium secondary battery in which a sulfide-based solid electrolyte material is accommodated in a case, wherein the all-solid-state lithium secondary battery contains 50 to 80% by weight of titanium dioxide, 10 to 40% by weight of magnesium hydroxide, and 1 to 10 of potassium iodide as an adsorption improving agent A sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery, characterized in that it further comprises a hydrogen sulfide adsorbent comprising wt%.
상기 황화수소흡착제는 케이스 내면에 부착되어 구비되는 것을 특징으로 하는 황화물계 전고체 리튬 이차 전지.The method of claim 1,
The sulfide-based all-solid-state lithium secondary battery, characterized in that the hydrogen sulfide adsorbent is attached to the inner surface of the case.
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