KR102590896B1 - Method for preparing solid electrolyte and solid electrolyte prepared therefrom - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체 전해질의 제조방법 및 이로부터 제조된 고체 전해질에 관한 것으로, 아민계 유기 용매를 사용하고 전구체의 혼합 순서를 조절함으로써 높은 이온전도도를 가지고, 입자 크기가 작고 균일한 고체 전해질 및 고체 전해질을 간편하고 저렴하게 제조하는 제조방법을 제공할 수 있다. The present invention relates to a method for manufacturing a solid electrolyte and a solid electrolyte prepared therefrom. The present invention relates to a solid electrolyte having high ionic conductivity, small particle size, and uniform particle size by using an amine-based organic solvent and controlling the mixing order of the precursors. It is possible to provide a manufacturing method for manufacturing simply and inexpensively.
Description
본 발명은 고체 전해질의 제조방법 및 이로부터 제조된 고체 전해질에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte and a solid electrolyte produced therefrom.
리튬 이온 배터리는 휴대폰, 랩톱, 비디오 카메라 및 의료 기기와 같은 많은 휴대용 애플리케이션에 사용되고 있으며, 에너지 밀도가 높아 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에도 사용할 수 있다. Lithium-ion batteries are used in many portable applications such as cell phones, laptops, video cameras and medical devices, and their high energy density allows them to be used in electric and hybrid electric vehicles.
다만, 시판되는 리튬 이온 배터리는 가연성 액체 전해질을 사용하기 때문에 단락 발생 시 배터리 시스템 내부 온도가 상승하고 이로 인해 폭발의 위험성이 있으며, 이를 방지하기 위해서는 불연성 유기 전해질을 사용하거나, 온도 상승을 억제하는 장치 또는 단락을 방지하기 위한 시스템을 부가적으로 필요로 한다.However, since commercially available lithium-ion batteries use a flammable liquid electrolyte, the internal temperature of the battery system rises when a short circuit occurs, which poses a risk of explosion. To prevent this, use a non-flammable organic electrolyte or a device to suppress the temperature rise. Or, an additional system to prevent short circuit is required.
따라서, 액체 전해질을 대신하여 고온에서 우수한 열 안정성을 가지고, 배터리 설계가 단순하며, 제조 비용이 낮은 이점을 가지는 고체 전해질에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.Therefore, instead of liquid electrolytes, much research is being conducted on solid electrolytes that have the advantages of excellent thermal stability at high temperatures, simple battery design, and low manufacturing costs.
다만, 고체 전해질이 적용된 전지는 낮은 이온전도도로 인해 용량 및 출력 등의 성능이 기존의 액체 전해질 전지에 미치지 못하고 있으며, 볼 밀링 공정으로 제조되는 기존의 고체 전해질은 제조 시간이 길고, 고 비용을 요하므로 대량 생산에는 한계가 있었다. However, the performance of batteries using solid electrolytes, such as capacity and output, does not match that of existing liquid electrolyte batteries due to low ionic conductivity, and existing solid electrolytes manufactured through the ball milling process require a long manufacturing time and high costs. Therefore, there were limits to mass production.
볼 밀링 공정의 대안으로서 용액 공정을 통해 제조된 고체 전해질이 특허문헌 1 내지 4에 개시되어 있는데, 예를 들어, 특허문헌 1에는 THF를 용매로 사용하는 결정성 Li3PS4의 용액 공정이 설명되어 있으며 그 전도도는 약 10-4S/cm-1이다. 또한, 특허문헌 2, 3 및 4에는 황화물 고체 전해질의 용액 합성을 위한 유기 용매로서 각각 톨루엔, NMP 및 DME를 개시하고 있으나, 이들은 특허문헌 1에 비하여 낮은 이온 전도도를 나타내었다. As an alternative to the ball milling process, solid electrolytes prepared through a solution process are disclosed in Patent Documents 1 to 4. For example, Patent Document 1 describes a solution process of crystalline Li 3 PS 4 using THF as a solvent. and its conductivity is about 10 -4 S/cm -1 . In addition, Patent Documents 2, 3, and 4 disclose toluene, NMP, and DME as organic solvents for solution synthesis of sulfide solid electrolyte, respectively, but these showed lower ionic conductivity than Patent Document 1.
따라서 용액 공정으로 대량 생산이 가능하면서도 높은 이온전도도를 가지는 고체 전해질이 요구된다.Therefore, a solid electrolyte that can be mass-produced through a solution process and has high ionic conductivity is required.
본 발명의 목적은 높은 이온 전도도를 가지고, 입자의 크기 및 분포가 균일하며, 대량 생산이 가능한 고체 전해질을 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to provide a solid electrolyte that has high ionic conductivity, has uniform particle size and distribution, and is capable of mass production.
본 발명은 아민계 유기 용매에 S, Se 및 O로 이루어진 군에서 선택된 칼코겐 원소를 포함하는 제1 전구체를 혼합하여 제1 전구체-용매 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 복합체에 Li, Na 및 K로 이루어진 군에서 선택된 알칼리 원소를 포함하는 제2 전구체를 혼합하는 단계를 포함하는 고체 전해질의 제조방법을 제공한다.The present invention includes the steps of mixing a first precursor containing a chalcogen element selected from the group consisting of S, Se, and O in an amine-based organic solvent to form a first precursor-solvent complex; and mixing a second precursor containing an alkali element selected from the group consisting of Li, Na, and K into the composite.
일 실시예로서, 상기 아민계 유기 용매는 모노아민 또는 디아민인 고체 전해질일 수 있다.As an example, the amine-based organic solvent may be a solid electrolyte that is monoamine or diamine.
일 실시예로서, 상기 아민계 유기 용매는 에틸렌디아민, 프로필렌디아민 및 트리메틸렌디아민으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. As an example, the amine-based organic solvent may be at least one selected from the group consisting of ethylenediamine, propylenediamine, and trimethylenediamine.
일 실시예로서, 상기 제1 전구체는 P, Si, Al, B, Ge, Sn, Sb, Nb, Mo 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 하나의 원소를 더 포함할 수 있다.As an example, the first precursor may further include one element selected from the group consisting of P, Si, Al, B, Ge, Sn, Sb, Nb, Mo, and Bi.
일 실시예로서, 상기 제2 전구체는 황화물, 셀렌화물 또는 산화물일 수 있다.As an example, the second precursor may be sulfide, selenide, or oxide.
일 실시예로서, 상기 제1 전구체와 제2 전구체의 몰비가 1:2 내지 1:6일 수 있다.As an example, the molar ratio of the first precursor and the second precursor may be 1:2 to 1:6.
일 실시예로서, 상기 복합체에 Cl, Br, I 및 F로 이루어진 군에서 선택된 할로겐 원소를 포함하는 제3 전구체를 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.As an example, the step of mixing a third precursor containing a halogen element selected from the group consisting of Cl, Br, I, and F with the composite may be further included.
일 실시예로서, 전체 전구체를 기준으로 10 내지 50몰%의 제2 전구체 및 3 내지 50몰%의 제3 전구체를 포함하는 고체 전해질의 제조방법.As an example, a method for producing a solid electrolyte comprising 10 to 50 mol% of the second precursor and 3 to 50 mol% of the third precursor based on the total precursors.
일 실시예로서, 용매를 제거하는 건조 단계; 및 열처리 단계를 더 포함할 수 있다. As an example, a drying step to remove the solvent; And it may further include a heat treatment step.
일 실시예로서, 상기 건조 단계는 150 내지 250℃의 온도에서 3 내지 7시간 건조할 수 있다.As an example, the drying step may be performed at a temperature of 150 to 250°C for 3 to 7 hours.
일 실시예로서, 상기 열처리 단계는 200 내지 600℃에서 수행할 수 있다.As an example, the heat treatment step may be performed at 200 to 600°C.
또한, 본 발명은 상기 제조방법을 이용하여 제조된 고체 전해질을 제공할 수 있다.Additionally, the present invention can provide a solid electrolyte manufactured using the above manufacturing method.
일 실시예로서, 상기 고체 전해질은 입자 크기가 0.5 내지 2um일 수 있다.As an example, the solid electrolyte may have a particle size of 0.5 to 2 μm.
일 실시예로서, 상기 고체 전해질은 Li2S, Li3PS4, Li7PS6, Li7P3S11, Li8P2S9, Li9P3S12 및 아기로다이트(argyrodite)형 중 적어도 하나일 수 있다. As an example, the solid electrolyte is Li 2 S, Li 3 PS 4 , Li 7 PS 6 , Li 7 P 3 S 11 , Li 8 P 2 S 9 , Li 9 P 3 S 12 , and argyrodite. ) may be at least one of the following types.
일 실시예로서, 상기 아기로다이트형은 Li5.4PS4.4Cl1.6, Li5.5PS4.5Cl1.3 및 Li5.7PS4.7Cl1.3 중 적어도 하나일 수 있다. As an example, the babyrodite type may be at least one of Li 5.4 PS 4.4 Cl 1.6, Li 5.5 PS 4.5 Cl 1.3 , and Li 5.7 PS 4.7 Cl 1.3 .
일 실시예로서, 상기 고체 전해질은 25℃에서의 이온전도도가 10-3S/cm 이상일 수 있다.As an example, the solid electrolyte may have an ionic conductivity of 10 -3 S/cm or more at 25°C.
또한, 본 발명은 상기 고체 전해질을 포함하는 전 고체 전지를 제공할 수 있다.Additionally, the present invention can provide an all-solid-state battery including the solid electrolyte.
본 발명은 높은 이온전도도를 가지고, 입자 크기가 작고 균일한 고체 전해질 및 고체 전해질을 간편하고 저렴하게 제조하는 제조방법을 제공할 수 있다. The present invention can provide a solid electrolyte with high ionic conductivity, small and uniform particle size, and a manufacturing method for manufacturing a solid electrolyte simply and inexpensively.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해질 제조방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2 및 4의 XRD 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 7 및 8의 XRD 측정 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 10 내지 14의 XRD 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 15 내지 17의 XRD 측정 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 19 내지 20 및 비교예의 XRD 측정 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 내지 6의 이온전도도 측정 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예 7 내지 9의 이온전도도 측정 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예 10 내지 14의 이온전도도 측정 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예 15 내지 17의 이온전도도 측정 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예 18 내지 20 및 비교예의 이온전도도 측정 결과이다.
도 12는 본 발명의 실시예 13 및 비교예에 따른 SEM 이미지이다.1(a) to 1(c) are schematic diagrams of a solid electrolyte manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the XRD measurement results of Examples 2 and 4 of the present invention.
Figure 3 shows the XRD measurement results of Examples 7 and 8 of the present invention.
Figure 4 shows the XRD measurement results of Examples 10 to 14 of the present invention.
Figure 5 shows the XRD measurement results of Examples 15 to 17 of the present invention.
Figure 6 shows the XRD measurement results of Examples 19 to 20 and Comparative Examples of the present invention.
Figure 7 shows the ionic conductivity measurement results of Examples 1 to 6 of the present invention.
Figure 8 shows the ionic conductivity measurement results of Examples 7 to 9 of the present invention.
Figure 9 shows the ionic conductivity measurement results of Examples 10 to 14 of the present invention.
Figure 10 shows the ionic conductivity measurement results of Examples 15 to 17 of the present invention.
Figure 11 shows the ionic conductivity measurement results of Examples 18 to 20 and Comparative Examples of the present invention.
Figure 12 is an SEM image according to Example 13 and Comparative Example of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.Therefore, the configuration shown in the embodiments described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent the entire technical idea of the present invention, so various equivalents can be substituted for them at the time of filing the present application. There may be variations.
1. 고체 전해질 조성물1. Solid electrolyte composition
본 발명에 따른 고체 전해질 조성물은 아민계 유기 용매, S(황), Se(셀레늄) 및 O(산소)로 이루어진 군에서 선택된 칼코겐 원소를 포함하는 제1 전구체 및 Li(리튬), Na(나트륨) 및 K(칼륨)로 이루어진 군에서 선택된 알칼리 원소를 포함하는 제2 전구체를 포함한다. The solid electrolyte composition according to the present invention includes an amine-based organic solvent, a first precursor containing a chalcogen element selected from the group consisting of S (sulfur), Se (selenium), and O (oxygen), Li (lithium), and Na (sodium). ) and a second precursor containing an alkali element selected from the group consisting of K (potassium).
또한, 본 발명에 따른 고체 전해질 조성물은 Cl(염소), Br(브롬) 및 I(아이오딘)로 이루어진 군에서 선택된 할로겐 원소를 포함하는 제3 전구체를 더 포함할 수 있다. In addition, the solid electrolyte composition according to the present invention may further include a third precursor containing a halogen element selected from the group consisting of Cl (chlorine), Br (bromine), and I (iodine).
(1) 아민계 유기 용매(1) Amine-based organic solvent
본 발명에 따른 아민계 유기 용매는 모노아민, 디아민, 트리아민 및 테트라아민을 포함한다.Amine-based organic solvents according to the present invention include monoamines, diamines, triamines and tetraamines.
상기 모노아민은 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민, 헥실아민, 헵틸아민, 옥틸아민, 노닐아민, 데실아민, 도데실 아민, 트리에틸아민, N,N-디이소프로필에틸아민, N-메틸디프로필아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 트리이소부틸아민, 트리헥실아민, 트리옥틸아민, 시클로펜틸아민, 시클로헥실아민, 시클로헵틸아민, 시클로옥틸아민, 피롤리딘, 피페리딘, 메틸피페리딘, 페리딘, 2,2-하이드로퀴놀린, 6-테트라메틸피페리딘, 테트라히드로퀴놀린, N-메틸시클로헥실아민, 디시클로헥실아민, N,N-디메틸시클로헥실아민 및 N, N-디시클로헥실메틸아민일 수 있으며, 예를 들어, 프로필아민일 수 있다.The monoamines include propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, heptylamine, octylamine, nonylamine, decylamine, dodecylamine, triethylamine, N, N-diisopropylethylamine, and N-methyldiamine. Propylamine, tripropylamine, tributylamine, triisobutylamine, trihexylamine, trioctylamine, cyclopentylamine, cyclohexylamine, cycloheptylamine, cyclooctylamine, pyrrolidine, piperidine, methylpyrrolidine Peridine, peridine, 2,2-hydroquinoline, 6-tetramethylpiperidine, tetrahydroquinoline, N-methylcyclohexylamine, dicyclohexylamine, N,N-dimethylcyclohexylamine and N, N- It may be dicyclohexylmethylamine, for example, propylamine.
상기 디아민은 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 트리메틸렌디아민, 테트라메틸렌디아민, 펜타메틸렌디아민, N,N'-디메틸에틸렌디아민, N,N'-디에틸에틸렌디아민, N,N'-디이소프로필에틸렌디아민, N,N'-디-tert-부틸에틸렌디아민, N,N'-디벤질에틸렌디아민, N,N'-디메틸-1,3-프로판디아민, N,N'-디에틸-1,3-프로판디아민, N,N'-디이소프로필-1,3-프로판디아민, N,N'-디메틸-1,6-헥산디아민, N,N,N',N'-테트라메틸에틸렌디아민, N,N,N',N'-테트라에틸에틸렌디아민, N,N,N',N'-테트라메틸-1,3-프로판디아민, N,N,N',N'-테트라에틸-1,3-프로판디아민, N,N,N',N'-테트라메틸-1,4-부탄디아민, N,N,N',N'-테트라메틸-1,6-헥산디아민, N-메틸에틸렌디아민, N,N-디메틸에틸렌디아민, N,N-디에틸에틸렌디아민, N,N-디메틸-1,3-프로판디아민, N,N-디에틸-1,3-프로판디아민, 1,2-디아미노시클로헥산, 5-아미노-1,3,3-트리메틸시클로헥산메틸아민 및 m-자일릴렌디아민일 수 있으며, 예를 들어, 에틸렌디아민(ethylenediamine, EDA), 프로필렌디아민(Propylenediamine, 1,2-diaminopropane) 또는 트리메틸렌디아민(Trimethylenediamine, 1,3-diaminopropane)일 수 있다.The diamines include ethylenediamine, propylenediamine, trimethylenediamine, tetramethylenediamine, pentamethylenediamine, N,N'-dimethylethylenediamine, N,N'-diethylethylenediamine, and N,N'-diisopropylethylenediamine. , N,N'-di-tert-butylethylenediamine, N,N'-dibenzylethylenediamine, N,N'-dimethyl-1,3-propanediamine, N,N'-diethyl-1,3- Propanediamine, N,N'-diisopropyl-1,3-propanediamine, N,N'-dimethyl-1,6-hexanediamine, N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine, N, N,N',N'-tetraethylethylenediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,3-propanediamine, N,N,N',N'-tetraethyl-1,3- Propanediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,4-butanediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, N-methylethylenediamine, N ,N-dimethylethylenediamine, N,N-diethylethylenediamine, N,N-dimethyl-1,3-propanediamine, N,N-diethyl-1,3-propanediamine, 1,2-diaminocyclo It may be hexane, 5-amino-1,3,3-trimethylcyclohexanemethylamine and m-xylylenediamine, for example, ethylenediamine (EDA), propylenediamine (1,2-diaminopropane) Or it may be trimethylenediamine (1,3-diaminopropane).
상기 트리아민은 디에틸렌트리아민, N,N-디에틸디에틸렌트리아민, N,N,N',N'-테트라에틸디에틸렌트리아민, N,N,N',N'',N''-펜타메틸디에틸렌트리아민, 디프로필렌트리아민, N,N-디메틸디프로필렌트리아민, 3,3'-디아미노-N-메틸디프로필아민 및 3,3'-이미노비스(N, N-디메틸프로필아민)일 수 있다. The triamine is diethylenetriamine, N,N-diethyldiethylenetriamine, N,N,N',N'-tetraethyldiethylenetriamine, N,N,N',N'',N' '-Pentamethyldiethylenetriamine, dipropylenetriamine, N,N-dimethyldipropylenetriamine, 3,3'-diamino-N-methyldipropylamine and 3,3'-iminobis (N, N -dimethylpropylamine).
상기 테트라아민은 트리에틸렌테트라민, N,N'-비스(2-아미노에틸)-1,3-프로판디아민, 트리스(2-아미노에틸)아민, 트리스[2-(메틸아미노)에틸]아민, 트리스[2-(디메틸아미노)에틸]아민 및 1,1,4,7,10,10-헥사메틸트리에틸렌테트라아민일 수 있다.The tetraamine includes triethylenetetramine, N,N'-bis(2-aminoethyl)-1,3-propanediamine, tris(2-aminoethyl)amine, tris[2-(methylamino)ethyl]amine, It may be tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine and 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetraamine.
상기 아민계 유기 용매는 단일 아민, 2개 이상의 아민의 혼합물 또는 아민과 알코올의 혼합물일 수 있다.The amine-based organic solvent may be a single amine, a mixture of two or more amines, or a mixture of an amine and an alcohol.
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 부탄올일 수 있으며, 예를 들어, 에탄올일 수 있다.The alcohol may be methanol, ethanol, propanol, or butanol, for example, ethanol.
본 발명에서 사용되는 용매가 아민계 유기 용매와 알코올의 혼합물인 경우, 혼합 비율은 3:7(v) 내지 7:3(v)일 수 있으며, 예를 들어, 4:6(v) 내지 6:4(v)일 수 있다. When the solvent used in the present invention is a mixture of an amine-based organic solvent and an alcohol, the mixing ratio may be 3:7(v) to 7:3(v), for example, 4:6(v) to 6. :4(v).
상기 아민계 용매는 아미노기의 치환기를 구비함으로써, 상기 제1 전구체 및 제2 전구체를 반응시켜 제1 전구체-제2 전구체가 결합된 결과물을 얻기 위한 촉매로서의 기능을 할 수 있다. By having a substituent of an amino group, the amine-based solvent can function as a catalyst for reacting the first precursor and the second precursor to obtain a result in which the first precursor and the second precursor are combined.
상기 아민계 용매는 상기 제1 전구체는 용해시킬 수 있으나, 제2 전구체는 불용성일 수 있다. The amine-based solvent may dissolve the first precursor, but may render the second precursor insoluble.
(2) 제1 전구체(2) first precursor
본 발명에 따른 제1 전구체는 S(황), Se(셀레늄) 및 O(산소)로 이루어진 군에서 선택된 칼코겐 원소를 포함한다. The first precursor according to the present invention includes a chalcogen element selected from the group consisting of S (sulfur), Se (selenium), and O (oxygen).
또한, 제1 전구체는 P(인), Si(규소), Al(알루미늄), B(붕소), Ge(게르마늄), Sn(주석), Sb(안티몬), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴) 및 Bi(비스무트)로 이루어진 군에서 선택된 하나의 원소를 더 포함할 수 있다. In addition, the first precursor is P (phosphorus), Si (silicon), Al (aluminum), B (boron), Ge (germanium), Sn (tin), Sb (antimony), Nb (niobium), and Mo (molybdenum). and Bi (bismuth).
즉, 상기 제1 전구체는 S(황), Se(셀레늄) 및 O(산소)로 이루어진 군에서 선택된 칼코겐 원소 및 P(인), Si(규소), Al(알루미늄), B(붕소), Ge(게르마늄), Sn(주석), Sb(안티몬), Nb(니오븀), Mo(몰리브덴) 및 Bi(비스무트)로 이루어진 군에서 선택된 하나의 원소를 포함할 수 있다.That is, the first precursor is a chalcogen element selected from the group consisting of S (sulfur), Se (selenium), and O (oxygen), P (phosphorus), Si (silicon), Al (aluminum), B (boron), It may contain one element selected from the group consisting of Ge (germanium), Sn (tin), Sb (antimony), Nb (niobium), Mo (molybdenum), and Bi (bismuth).
상기 제1 전구체는 칼코겐화물일 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 전구체는 금속 황화물일 수 있다.The first precursor may be a chalcogenide. For example, the first precursor may be a metal sulfide.
상기 제1 전구체의 예를 들면, P2O3, P2S5, SiS2, SiSe2, Al2S3, Al2Se3, Al2O3, B2S3, B2Se3, B2O5, GeS2, GeSe2, GeO2, SnS2, SnSe2, SnO2, Sb2S3, Sb2Se3, Sb2O5, MoS2, NbSe2, NbS2, Bi2S3, Bi2Se3 또는 Bi2O3일 수 있으며, 구체적으로 P2S5일 수 있다. Examples of the first precursor include P 2 O 3 , P 2 S 5 , SiS 2 , SiSe 2 , Al 2 S 3 , Al 2 Se 3 , Al 2 O 3 , B 2 S 3 , B 2 Se 3 , B 2 O 5 , GeS 2 , GeSe 2 , GeO 2 , SnS 2 , SnSe 2 , SnO 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , Sb 2 O 5 , MoS 2 , NbSe 2 , NbS 2 , Bi 2 S 3 , Bi 2 Se 3 or Bi 2 O 3 , specifically P 2 S 5 .
상기 제2 전구체는 상기 언급된 화합물 단독 또는 2개 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The second precursor may be used alone or in a mixture of two or more of the above-mentioned compounds.
(3) 제2 전구체(3) second precursor
본 발명에 따른 제2 전구체는 Li(리튬), Na(나트륨) 및 K(칼륨)로 이루어진 군에서 선택된 알칼리 원소를 포함한다.The second precursor according to the present invention includes an alkali element selected from the group consisting of Li (lithium), Na (sodium), and K (potassium).
구체적으로, 상기 제2 전구체는 황화물, 셀렌화물 또는 산화물일 수 있다. Specifically, the second precursor may be sulfide, selenide, or oxide.
즉, 본 발명에 따른 제2 전구체는 Li(리튬), Na(나트륨) 및 K(칼륨)로 이루어진 군에서 선택된 알칼리 원소를 포함하는 황화물, 셀렌화물 또는 산화물이다.That is, the second precursor according to the present invention is a sulfide, selenide, or oxide containing an alkali element selected from the group consisting of Li (lithium), Na (sodium), and K (potassium).
상기 제2 전구체가 황화물인 경우, 제2 전구체는 황화리튬(Li2S), 황화나트륨(Na2S) 또는 황화칼륨(K2S)일 수 있다.When the second precursor is sulfide, the second precursor may be lithium sulfide (Li 2 S), sodium sulfide (Na 2 S), or potassium sulfide (K 2 S).
상기 제2 전구체가 셀렌화물인 경우, 제1 전구체는 셀렌화리튬(Li2Se), 셀렌화나트륨(Na2Se) 또는 셀렌화칼륨(K2Se)일 수 있다.When the second precursor is selenide, the first precursor may be lithium selenide (Li 2 Se), sodium selenide (Na 2 Se), or potassium selenide (K 2 Se).
상기 제2 전구체가 산화물인 경우, 제1 전구체는 산화리튬(Li2O), 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O)일 수 있다. When the second precursor is an oxide, the first precursor may be lithium oxide (Li 2 O), sodium oxide (Na 2 O), or potassium oxide (K 2 O).
상기 제2 전구체는 예를 들어, 황화리튬(Li2S) 또는 셀렌화리튬(Li2Se)일 수 있고, 구체적으로 제2 전구체는 황화리튬(Li2S)일 수 있다.For example, the second precursor may be lithium sulfide (Li 2 S) or lithium selenide (Li 2 Se), and specifically, the second precursor may be lithium sulfide (Li 2 S).
상기 제2 전구체는 상기 언급된 화합물 단독 또는 2개 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The second precursor may be used alone or in a mixture of two or more of the above-mentioned compounds.
(4) 제3 전구체 (4) Third precursor
본 발명에 따른 고체 전해질 조성물은 Cl(염소), Br(브롬), I(아이오딘) 및 F(불소)로 이루어진 군에서 선택된 할로겐 원소를 포함하는 제3 전구체를 더 포함할 수 있다. The solid electrolyte composition according to the present invention may further include a third precursor containing a halogen element selected from the group consisting of Cl (chlorine), Br (bromine), I (iodine), and F (fluorine).
상기 제3 전구체는 할로겐화물일 수 있으며, 예를 들어, 리튬 할로겐화물, 나트륨 할로겐화물, 칼륨 할로겐화물, 황 할로겐화물, 셀레늄 할로겐화물, 알루미늄 할로겐화물, 실리콘 할로겐화물, 게르마늄 할로겐화물, 인 할로겐화물, 주석 할로겐화물, 안티몬 할로겐화물, 니오븀 할로겐화물 또는 비스무트 할로겐화물일 수 있다.The third precursor may be a halide, for example, lithium halide, sodium halide, potassium halide, sulfur halide, selenium halide, aluminum halide, silicon halide, germanium halide, phosphorus halide. , tin halide, antimony halide, niobium halide or bismuth halide.
상기 리튬 할로겐화물은 LiCl, LiBr, LiI 또는 LiF일 수 있고, 상기 나트륨 할로겐화물은 NaCl, NaBr, NaI 또는 NaF일 수 있으며, 상기 칼륨 할로겐화물은 KCl, KBr, KI 또는 KF일 수 있다.The lithium halide may be LiCl, LiBr, LiI or LiF, the sodium halide may be NaCl, NaBr, NaI or NaF, and the potassium halide may be KCl, KBr, KI or KF.
상기 황 할로겐화물은 SCl2, S2Cl2, S2Br2, SF2, SF4 또는 SF5일 수 있으며, 상기 셀레늄 할로겐화물은 SeCl2, SeCl4, SeF6 또는 SeBr4일 수 있고, 상기 알루미늄 할로겐화물은 AlCl3, AlBr3, AlI3 또는 AlF3일 수 있다.The sulfur halide may be SCl 2 , S 2 Cl 2 , S 2 Br 2 , SF 2 , SF 4 or SF 5 , and the selenium halide may be SeCl 2 , SeCl 4 , SeF 6 or SeBr 4 , The aluminum halide is It may be AlCl 3 , AlBr 3 , AlI 3 or AlF 3 .
상기 실리콘 할로겐화물은 SiCl4, SiBr4, SiI4, SiF4, SiBr2Cl2 또는 Si2Cl6일 수 있고, 상기 게르마늄 할로겐화물은 GeCl4, GeCl2, GeBr4, GeBr2, GeI4, GeI2, GeF4 또는 GeI4일 수 있으며, 상기 인 할로겐화물은 PCl3, PCl5, PBr3, PBr5, PI3, PI5, PF3 또는 PF5일 수 있다.The silicon halide may be SiCl 4 , SiBr 4 , SiI 4 , SiF 4 , SiBr 2 Cl 2, or Si 2 Cl 6 , and the germanium halide may be GeCl 4 , GeCl 2 , GeBr 4 , GeBr 2 , GeI 4 , It may be GeI 2 , GeF 4 or GeI 4 , and the phosphorus halide may be PCl 3 , PCl 5 , PBr 3 , PBr 5 , PI 3 , PI 5 , PF 3 or PF 5 .
상기 주석 할로겐화물은 SnCl4, SnCl2, SnBr4, SnBr2, SnI4, SnI2, SnF4 또는 SnF2일 수 있으며, 상기 안티몬 할로겐화물은 SbCl3, SbCl5, SbBr3, SbBr5, SbI3, SbI5, SbF3 또는 SbF5일 수 있고, 상기 니오븀 할로겐화물은 NbCl5, NbBr5, NbI5 및 NbF5일 수 있으며, 상기 비스무트 할로겐화물은 BiCl3, BiBr3, BiF3 및 BiI3일 수 있다.The tin halide may be SnCl 4 , SnCl 2 , SnBr 4 , SnBr 2 , SnI 4 , SnI 2 , SnF 4 or SnF 2 , and the antimony halide may be SbCl 3 , SbCl 5 , SbBr 3 , SbBr 5 , SbI 3 , SbI 5 , SbF 3 or SbF 5 , the niobium halide may be NbCl 5 , NbBr 5 , NbI 5 and NbF 5 , and the bismuth halide may be BiCl 3 , BiBr 3 , BiF 3 and BiI 3 It can be.
예를 들어, 상기 제3 전구체는 LiCl, LiBr, LiI, SiCl4, SiBr4 또는 SiI4일 수 있으며, 구체적으로, 상기 제3 전구체는 LiCl 또는 LiBr일 수 있다. For example, the third precursor may be LiCl, LiBr, LiI, SiCl 4 , SiBr 4 or SiI 4 , and specifically, the third precursor may be LiCl or LiBr.
상기 제3 전구체는 상기 언급된 화합물 단독 또는 2개 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. The third precursor may be used alone or in a mixture of two or more of the above-mentioned compounds.
(5) 추가적인 화합물(5) Additional compounds
본 발명에 따른 고체 전해질 조성물에는 유기 금속 화합물을 추가할 수 있다.An organometallic compound can be added to the solid electrolyte composition according to the present invention.
상기 유기 금속 화합물은 유기 실란 화합물, 유기 게르마늄 화합물, 유기 알루미늄 화합물 또는 유기 주석 화합물일 수 있다.The organometallic compound may be an organosilane compound, an organic germanium compound, an organoaluminum compound, or an organotin compound.
상기 유기 실란 화합물은 메틸실란, 에틸실란, 부틸실란, 헥실실란, 옥타데실실란, 디에틸실란, 디-tert-부틸실란, 트리에틸실란, 테트라메틸실란, 테트라에틸실란, 테트라부틸실란, 헥사메틸디실라잔, 비스(디메틸아미노)실란, 비스(디에틸아미노)실란, 트리스(디에틸아미노)실란, 비스(디메틸아미노)디메틸실란, 페닐실란, 디페닐실란, 트리페닐실란, 메틸디페닐실란, 디메틸페닐실란 또는 벤질디메틸실란일 수 있다.The organic silane compounds include methylsilane, ethylsilane, butylsilane, hexylsilane, octadecylsilane, diethylsilane, di-tert-butylsilane, triethylsilane, tetramethylsilane, tetraethylsilane, tetrabutylsilane, and hexamethyl Disilazane, bis(dimethylamino)silane, bis(diethylamino)silane, tris(diethylamino)silane, bis(dimethylamino)dimethylsilane, phenylsilane, diphenylsilane, triphenylsilane, methyldiphenylsilane , dimethylphenylsilane, or benzyldimethylsilane.
상기 유기 게르마늄 화합물은 테트라메틸게르마늄, 테트라에틸게르마늄 또는 헥사메틸디게르마늄일 수 있다.The organic germanium compound may be tetramethyl germanium, tetraethyl germanium, or hexamethyldigermanium.
상기 유기 알루미늄 화합물은 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄 또는 트리이소부틸알루미늄일 수 있다.The organoaluminum compound may be trimethylaluminum, triethylaluminum, or triisobutylaluminum.
상기 유기 주석 화합물은 테트라메틸틴, 테트라에틸틴, 트리메틸(페닐)틴 또는 테트라부틸틴일 수 있다. The organic tin compound may be tetramethyltin, tetraethyltin, trimethyl(phenyl)tin, or tetrabutyltin.
상기 유기 금속 화합물은 예를 들어, 테트라에틸실란 또는 테트라부틸주석일수 있다. The organometallic compound may be, for example, tetraethylsilane or tetrabutyltin.
본 발명에 따른 고체 전해질 조성물은 상기 유기 금속 화합물 외에도, Li4SiS4, Li4GeS4, Li4SiSe4, Li4GeSe4, Li4SnS4, Li4SnSe4, Li3SbS4. Li3SbSe4, Li3AlS3, Li3AlSe3, Na4SiS4, Na4GeS4, Na4SiSe4, Na4GeSe4, Na4SnS4, Na4SnSe4, Na3SbS4. Na3SbSe4, Na3AlS3, Na3AlSe3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 본 발명에 따른 고체 전해질 조성물은 Li4SiS4 또는 Li4GeS4를 더 포함할 수 있다.In addition to the organometallic compounds, the solid electrolyte composition according to the present invention contains Li 4 SiS 4 , Li 4 GeS 4 , Li 4 SiSe 4 , Li 4 GeSe 4 , Li 4 SnS 4 , Li 4 SnSe 4 , Li 3 SbS 4 . Li 3 SbSe 4 , Li 3 AlS 3 , Li 3 AlSe 3 , Na 4 SiS 4 , Na 4 GeS 4 , Na 4 SiSe 4 , Na 4 GeSe 4 , Na 4 SnS 4 , Na 4 SnSe 4 , Na 3 SbS 4 . It may include at least one selected from the group consisting of Na 3 SbSe 4 , Na 3 AlS 3 , Na 3 AlSe 3 and mixtures thereof. For example, the solid electrolyte composition according to the present invention includes Li 4 SiS 4 or Li 4 It may further include GeS 4 .
(6) 조성물의 비율(6) Proportion of composition
본 발명에 따른 고체 전해질 조성물은 전구체의 총량을 기준으로 제1 전구체를 40 내지 90% 포함할 수 있으며, 예를 들어, 제1 전구체는 전구체의 총량을 기준으로 40 내지 80%, 40 내지 73%, 45 내지 67%, 45 내지 65%, 45 내지 60% 또는 45 내지 53%일 수 있다. The solid electrolyte composition according to the present invention may include 40 to 90% of the first precursor based on the total amount of precursors, for example, the first precursor may be 40 to 80% or 40 to 73% based on the total amount of precursors. , 45 to 67%, 45 to 65%, 45 to 60%, or 45 to 53%.
구체적으로, 본 발명에 따른 고체 전해질 조성물이 제3 전구체를 포함하지 않는 경우, 제2 전구체는 60 내지 90%일 수 있으며, 예를 들어, 60 내지 80% 또는 65 내지 73%일 수 있다.Specifically, when the solid electrolyte composition according to the present invention does not include the third precursor, the second precursor may be 60 to 90%, for example, 60 to 80% or 65 to 73%.
이때, 상기 제1 전구체와 제2 전구체의 몰비는 1:2 내지 1:6일 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 전구체와 제2 전구체의 몰비는 1:2 내지 1:4, 1:2 내지 1:3 또는 1:2 내지 2:5 일 수 있다.At this time, the molar ratio of the first precursor and the second precursor may be 1:2 to 1:6. For example, the molar ratio of the first precursor and the second precursor may be 1:2 to 1:4, 1:2. It may be from 1:3 or 1:2 to 2:5.
또한, 본 발명에 따른 고체 전해질 조성물이 제3 전구체를 포함하는 경우, 제1 전구체는 전구체의 총량을 기준으로 10 내지 50몰%일 수 있으며, 예를 들어, 제1 전구체는 전구체의 총량을 기준으로 10 내지 40몰%, 10 내지 28몰% 또는 10 내지 20몰%일 수 있다.In addition, when the solid electrolyte composition according to the present invention includes a third precursor, the first precursor may be 10 to 50 mol% based on the total amount of precursors. For example, the first precursor may be 10 to 50 mol% based on the total amount of precursors. It may be 10 to 40 mol%, 10 to 28 mol%, or 10 to 20 mol%.
또한, 본 발명에 따른 고체 전해질 조성물이 제3 전구체를 포함하는 경우, 제3 전구체는 전구체의 총량을 기준으로 3 내지 50몰%일 수 있으며, 예를 들어, 제3 전구체는 전구체의 총량을 기준으로 20 내지 50몰%, 28 내지 50몰%, 30 내지 42몰%, 35 내지 42몰% 또는 35 내지 38몰%일 수 있다.In addition, when the solid electrolyte composition according to the present invention includes a third precursor, the third precursor may be 3 to 50 mol% based on the total amount of precursors. For example, the third precursor may be 3 to 50 mol% based on the total amount of precursors. It may be 20 to 50 mol%, 28 to 50 mol%, 30 to 42 mol%, 35 to 42 mol%, or 35 to 38 mol%.
상기 제1 전구체, 제2 전구체 및 제3 전구체의 총 중량은 용매의 부피를 기준으로 0.01 g/mL 내지 0.05 g/mL일수 있으며, 예를 들어, 상기 전구체의 총 중량은 용매의 부피를 기준으로 0.02 g/mL 내지 0.04 g/mL일 수 있다.The total weight of the first precursor, second precursor, and third precursor may be 0.01 g/mL to 0.05 g/mL based on the volume of the solvent. For example, the total weight of the precursors may be 0.01 g/mL to 0.05 g/mL based on the volume of the solvent. It may be 0.02 g/mL to 0.04 g/mL.
상기 범위의 미만에서는 전구체를 충분하게 용해 또는 분산시킬 수 없으며, 용액의 점도가 높아져서 고체 전해질을 형성이 어려울 수 있다. 또한, 상기 범위를 초과하는 경우에는 용매를 제거하는 건조 단계의 시간이 길어져 생산성이 저하될 수 있다. Below this range, the precursor cannot be sufficiently dissolved or dispersed, and the viscosity of the solution increases, making it difficult to form a solid electrolyte. In addition, if it exceeds the above range, the time for the drying step to remove the solvent becomes longer, which may reduce productivity.
2. 고체 전해질의 제조방법2. Manufacturing method of solid electrolyte
본 발명은 상기 고체 전해질 조성물을 사용하여 고체 전해질을 제조하는 방법을 제공한다. The present invention provides a method for producing a solid electrolyte using the solid electrolyte composition.
도 1(a)를 참조하면, 본 발명에 따른 고체 전해질의 제조방법은 아민계 유기 용매에 S, Se 및 O로 이루어진 군에서 선택된 칼코겐 원소를 포함하는 제1 전구체를 혼합하여 제1 전구체-용매 복합체를 형성하는 단계(S100); 및 상기 복합체에 Li, Na 및 K로 이루어진 군에서 선택된 알칼리 원소를 포함하는 제2 전구체를 혼합하는 단계(S200)를 포함하는 고체 전해질의 제조방법을 제공한다.Referring to Figure 1(a), the method for producing a solid electrolyte according to the present invention is to mix a first precursor containing a chalcogen element selected from the group consisting of S, Se, and O in an amine-based organic solvent to form the first precursor- Forming a solvent complex (S100); and mixing a second precursor containing an alkali element selected from the group consisting of Li, Na, and K into the composite (S200).
이때, 상기 아민계 용매는 전술한 아민계 용매를 사용할 수 있다.At this time, the amine-based solvent described above may be used.
제2 전구체는 상기 아민계 용매에 용해되지 않는다. 그러나 제1 전구체는 상기 아민계 용매에 용해될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전구체가 P2S5인 경우, 상기 제1 전구체는 용매에 완전히 용해되어 녹색의 용액을 생성할 수 있다.The second precursor is not dissolved in the amine-based solvent. However, the first precursor may be dissolved in the amine-based solvent. For example, when the first precursor is P 2 S 5 , the first precursor may be completely dissolved in the solvent to generate a green solution.
상기 제1 전구체는 용매에 완전히 용해되어 제1 전구체-용매 복합체를 형성할 수 있다. 상기 제1 전구체-용매 복합체는 제2 전구체를 용해시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전구체가 Li2S인 경우, 상기 제2 전구체는 상기 제1 전구체-용매 복합체에 용해될 수 있다.The first precursor may be completely dissolved in the solvent to form a first precursor-solvent complex. The first precursor-solvent complex may dissolve the second precursor. For example, when the second precursor is Li 2 S, the second precursor may be dissolved in the first precursor-solvent complex.
구체적으로, 상기 제2 전구체가 Li2S이고, 상기 제1 전구체가 P2S5이며, 상기 아민계 용매가 에틸렌디아민(EDA)인 경우, Li2S는 EDA에 용해되지 않지만, P2S5는 EDA에 용해되어 P2S5-EDA 복합체를 형성할 수 있고, 상기 P2S5-EDA 복합체에 Li2S를 혼합하면, Li2S는 P2S5-EDA 복합체에 용해된다. 이때, 상기 Li2S의 용해도는 P2S5-EDA 복합체에 존재하는 P2S5의 농도에 따라 달라진다.Specifically, when the second precursor is Li 2 S, the first precursor is P 2 S 5 , and the amine-based solvent is ethylenediamine (EDA), Li 2 S is not soluble in EDA, but P 2 S 5 can be dissolved in EDA to form a P 2 S 5 -EDA complex, and when Li 2 S is mixed with the P 2 S 5 -EDA complex, Li 2 S is dissolved in the P 2 S 5 -EDA complex. At this time, the solubility of Li 2 S varies depending on the concentration of P 2 S 5 present in the P 2 S 5 -EDA complex.
상기와 같은 순서로 수득된 혼합물은 제조된 고체 전해질에 높은 이온전도도를 제공할 수 있다. 아민계 용매는 아미노기의 치환기로 인해 제1 전구체-제2 전구체 결합을 잘 형성시킬 수 있으나, 종래 상기 제2 전구체의 용해도의 문제로 이를 사용하기가 어려웠다. The mixture obtained in the above order can provide high ionic conductivity to the prepared solid electrolyte. Amine-based solvents can easily form a first precursor-second precursor bond due to the substituent of the amino group, but it has conventionally been difficult to use them due to problems with the solubility of the second precursor.
본 발명에 따른 고체 전해질의 제조방법은 제1 전구체를 용매에 먼저 용해시킨 후 제2 전구체를 용해시킴으로써, 제1 전구체-제2 전구체의 결합을 잘 형성할 수 있고, 이로 인해 이온전도도가 높아진다.The method for producing a solid electrolyte according to the present invention first dissolves the first precursor in a solvent and then dissolves the second precursor, thereby forming a good bond between the first precursor and the second precursor, thereby increasing ionic conductivity.
도 1(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 고체 전해질의 제조방법이 제3 전구체를 더 포함하는 경우, 상기 제1 전구체-용매 복합체에 제3 전구체를 혼합하는 단계(S210)를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1(b), when the method for producing a solid electrolyte according to the present invention further includes a third precursor, it may further include mixing the third precursor with the first precursor-solvent complex (S210). You can.
이때, 상기 제1 전구체-용매 복합체에 제3 전구체를 혼합하는 단계(S210)는 도 1(b)와 같이 제2 전구체를 혼합하는 단계(S200)와 별도로 구성될 수 있고, 또는 도 1(c)에 나타낸 바와 같이 제2 전구체와 제3 전구체를 함께 혼합하는 단계(S220)의 형태로 첨가할 수도 있다. At this time, the step of mixing the third precursor with the first precursor-solvent complex (S210) may be configured separately from the step of mixing the second precursor (S200) as shown in FIG. 1(b), or as shown in FIG. 1(c) ), it may be added in the form of mixing the second precursor and the third precursor together (S220).
상기 제1 전구체를 용매에 혼합하는 단계 또는 제2 전구체 및/또는 제3 전구체를 제1 전구체-용매 복합체에 혼합하는 단계는 400 내지 1200rpm, 25℃ 내지 80℃ 및 30 내지 60분 동안 교반함으로써 수행할 수 있다. The step of mixing the first precursor with the solvent or the step of mixing the second precursor and/or the third precursor into the first precursor-solvent complex is performed by stirring at 400 to 1200 rpm, 25° C. to 80° C., and 30 to 60 minutes. can do.
또한, 고체 전해질의 제조방법은 상기 혼합물에서 용매를 제거하는 건조 단계(S300) 및 건조된 혼합물을 열처리하는 단계(S400)를 더 포함할 수 있다.In addition, the method for producing a solid electrolyte may further include a drying step of removing the solvent from the mixture (S300) and a step of heat treating the dried mixture (S400).
상기 건조 단계(S300)는 잔존하는 용매를 제거하여 고체 전해질 분말을 회수하는 단계로서, 150 내지 250℃에서 3 내지 7시간 수행할 수 있다. The drying step (S300) is a step of recovering the solid electrolyte powder by removing the remaining solvent, and can be performed at 150 to 250°C for 3 to 7 hours.
상기 열처리 단계(S400)는 200 내지 700℃에서 1 내지 15시간 수행할 수 있다. The heat treatment step (S400) can be performed at 200 to 700°C for 1 to 15 hours.
구체적으로, 상기 열처리 단계(S400)는 고체 전해질 분말을 열처리하는 단계이며, 고체 전해질의 조성에 따라 적합한 열처리 온도가 상이할 수 있다.Specifically, the heat treatment step (S400) is a step of heat treating the solid electrolyte powder, and the appropriate heat treatment temperature may vary depending on the composition of the solid electrolyte.
예를 들어, 고체 전해질의 조성이 Li3PS4인 경우, 상기 열처리온도는 200 내지 400℃일 수 있으며, 구체적으로 250 내지 350℃, 280 내지 350℃ 또는 280 내지 340℃일 수 있다. 이때, 열처리 시간은 2 내지 5시간 일 수 있다.For example, when the composition of the solid electrolyte is Li 3 PS 4 , the heat treatment temperature may be 200 to 400°C, specifically 250 to 350°C, 280 to 350°C, or 280 to 340°C. At this time, the heat treatment time may be 2 to 5 hours.
또한, 예를 들어, 고체 전해질의 조성이 Li-2S, Li7PS6, Li8P2S9 또는 아기로다이트(argyrodite)형인 경우, 상기 열처리온도는 400 내지 700℃일 수 있으며, 구체적으로 450 내지 650℃, 500 내지 600℃ 또는 430 내지 570℃일 수 있다. 이때, 열처리 시간은 5 내지 15시간 또는 7 내지 12시간일 수 있다.In addition, for example, the composition of the solid electrolyte is Li- 2 S, Li 7 PS 6 , In the case of Li 8 P 2 S 9 or argyrodite type, the heat treatment temperature may be 400 to 700°C, specifically 450 to 650°C, 500 to 600°C, or 430 to 570°C. At this time, the heat treatment time may be 5 to 15 hours or 7 to 12 hours.
본 발명에 따른 고체 전해질의 제조방법은 공정 시 H2S 또는 SO2와 같은 독성 가스를 생성하지 않으므로 공정이 안전한 이점이 있다.The method for producing a solid electrolyte according to the present invention has the advantage of being a safe process because it does not generate toxic gases such as H 2 S or SO 2 during the process.
또한, 제1 전구체-제2 전구체 또는 제1 전구체-제2 전구체-제3 전구체 결합을 합성이나 소성에 의하여 얻을 필요가 없으며, 고 비용 및 생산성이 낮은 분쇄 공정을 필요로 하지 않으므로, 저비용으로 간단하게 고체 전해질을 얻을 수 있다.In addition, there is no need to obtain the first precursor-second precursor or first precursor-second precursor-third precursor combination by synthesis or calcination, and it does not require a high-cost and low-productivity pulverization process, so it is low-cost and simple. A solid electrolyte can be obtained easily.
3. 고체 전해질3. Solid electrolyte
본 발명은 상기 조성물을 사용하여 제조된 고체 전해질 또는 상기 고체 전해질의 제조방법을 이용하여 제조된 고체 전해질을 제공한다.The present invention provides a solid electrolyte prepared using the above composition or a solid electrolyte prepared using the above solid electrolyte preparation method.
본 발명에 따른 고체 전해질은 입자 크기가 0.5 내지 2um일 수 있다. 상기 평균 입자 크기는 SEM 이미지를 통해 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 고체 전해질은 입자 크기가 0.6 내지 1.8um 또는 0.8 내지 1.5um일 수 있다. The solid electrolyte according to the present invention may have a particle size of 0.5 to 2 um. The average particle size can be measured through SEM images. For example, the solid electrolyte may have a particle size of 0.6 to 1.8 um or 0.8 to 1.5 um.
상기와 같이 작은 입자 크기를 가지는 고체 전해질은 전고체 전지에 적용 시 부착성이 좋으므로 효율을 높일 수 있다.When applied to an all-solid-state battery, a solid electrolyte having a small particle size as described above has good adhesion and can increase efficiency.
또한, 상기와 같은 작은 입자 크기를 가짐으로써, 접촉 면적이 넓어지고 이에 따라 이온전도도가 높아질 수 있다.In addition, by having the above-mentioned small particle size, the contact area can be expanded and the ionic conductivity can be increased accordingly.
상기 고체 전해질은 Li2S, Li3PS4, Li7PS6, Li7P3S11, Li8P2S9, Li9P3S12 및 아기로다이트(argyrodite)형 중 적어도 하나일 수 있고, 상기 아기로다이트형은 Li5.4PS4.4Cl1.6, Li5.5PS4.5Cl1.3 및 Li5.7PS4.7Cl1.3 중 적어도 하나일 수 있다.The solid electrolyte is at least one of Li 2 S, Li 3 PS 4 , Li 7 PS 6 , Li 7 P 3 S 11 , Li 8 P 2 S 9 , Li 9 P 3 S 12 , and argyrodite type. It may be, and the baby rhodite type may be at least one of Li 5.4 PS 4.4 Cl 1.6, Li 5.5 PS 4.5 Cl 1.3 , and Li 5.7 PS 4.7 Cl 1.3 .
상기 고체 전해질의 형태는 X-선 회절 분석을 통해 확인할 수 있다.The form of the solid electrolyte can be confirmed through X-ray diffraction analysis.
상기 고체 전해질은 25℃에서의 이온전도도가 10-3S/cm 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 이온전도도는 25℃에서 7MHz~1Hz의 주파수 범위에서 Biologic SP 300 기기를 사용하여 측정될 수 있다. The solid electrolyte may have an ionic conductivity of 10 -3 S/cm or more at 25°C. Specifically, the ionic conductivity can be measured using a Biologic SP 300 instrument in the frequency range of 7 MHz to 1 Hz at 25°C.
4. 전 고체 전지4. All-solid-state battery
본 발명은 상기 고체 전해질을 포함하는 전 고체 전지를 제공한다.The present invention provides an all-solid-state battery containing the above solid electrolyte.
전 고체 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 마련된 고체 전해질층을 포함하는데, 본 발명에 따른 상기 고체 전해질을 상기 양극, 음극 및 고체 전해질층 중 적어도 하나에 포함할 수 있다.The all-solid-state battery includes an anode, a cathode, and a solid electrolyte layer provided between the anode and the cathode. The solid electrolyte according to the present invention may be included in at least one of the anode, the cathode, and the solid electrolyte layer.
실시예 Example
실시예 1Example 1
황화리튬(Li2S, 순도: 99.9%, Aldrich) 및 오황화인(P2S5, 순도: 99%, Aldrich)을 사용하여 황화물 고체 전해질을 제조하였다. Ar 분위기의 글러브 박스에서 Li2S와 P2S5는 75.0:25.0(Li3PS4)의 몰비에 따라 취해졌다. 우선, P2S5를 20mL의 에틸렌디아민(EDA) 용매에 혼합 후 녹색의 용액이 될때까지 교반하였다. P2S5가 EDA에 완전히 용해된 후 Li2S를 첨가하였다. 혼합물을 800rpm의 속도로 25℃에서 30분 동안 교반하여 투명한 용액이 되도록 하였다. 그 후, 혼합물을 180℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 유기 용매를 제거 하였다. 마지막으로 2℃/min의 가열 속도로 260℃에서 3시간 동안 열처리하여 고체 전해질을 제조하였다. A sulfide solid electrolyte was prepared using lithium sulfide (Li 2 S, purity: 99.9%, Aldrich) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , purity: 99%, Aldrich). In a glove box under Ar atmosphere, Li 2 S and P 2 S 5 were taken at a molar ratio of 75.0:25.0 (Li 3 PS 4 ). First, P 2 S 5 was mixed with 20 mL of ethylenediamine (EDA) solvent and stirred until a green solution was formed. After P 2 S 5 was completely dissolved in EDA, Li 2 S was added. The mixture was stirred at 800 rpm at 25°C for 30 minutes to form a clear solution. Afterwards, the mixture was vacuum dried at 180°C for 5 hours to remove the organic solvent. Finally, a solid electrolyte was prepared by heat treatment at 260°C for 3 hours at a heating rate of 2°C/min.
실시예 2 및 실시예 3Example 2 and Example 3
열처리 온도를 300℃(실시예 2) 및 340℃(실시예 3)로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해질을 제조하였다.A solid electrolyte was prepared in the same manner as Example 1, except that the heat treatment temperature was 300°C (Example 2) and 340°C (Example 3).
실시예 4 내지 실시예 6Examples 4 to 6
Li2S와 P2S5의 몰비를 70.0 : 30.0으로 변경하고, 열처리를 각각 260℃(실시예 4), 300℃(실시예 5) 및 340℃(실시예 6)로 변경 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해질을 제조하였다.Except that the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 was changed to 70.0:30.0, and the heat treatment was changed to 260 ℃ (Example 4), 300 ℃ (Example 5), and 340 ℃ (Example 6), respectively. prepared a solid electrolyte in the same manner as Example 1.
실시예 7Example 7
40mL의 EDA를 사용하고, 열처리 온도 및 시간을 550℃ 및 10시간으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해질을 제조하였다.A solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that 40 mL of EDA was used and the heat treatment temperature and time were changed to 550°C and 10 hours.
실시예 8Example 8
황화리튬(Li2S, 순도: 99.9%, Aldrich), 오황화인(P2S5, 순도: 99%, Aldrich) 및 염화리튬(LiCl, 순도: 99.9%, Aldrich)을 사용하여 황화물 고체 전해질을 제조하였다. Ar 분위기의 글러브 박스에서 Li2S, P2S5 및 LiCl는 70.83 : 25.0 : 4.17의 몰비에 따라 취해졌다. 우선, P2S5를 20mL의 에틸렌디아민(EDA) 용매에 혼합 후 녹색의 용액이 될때까지 교반하였다. P2S5가 EDA에 완전히 용해된 후 Li2S 및 LiCl을 첨가하였다. 혼합물을 800rpm의 속도로 25℃에서 30분 동안 교반하여 투명한 용액이 되도록 하였다. 그 후, 혼합물을 180℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 유기 용매를 제거 하였다. 마지막으로 2℃/min의 가열 속도로 550℃에서 10시간 동안 열처리하여 고체 전해질을 제조하였다. Sulfide solid electrolyte using lithium sulfide (Li 2 S, purity: 99.9%, Aldrich), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , purity: 99%, Aldrich), and lithium chloride (LiCl, purity: 99.9%, Aldrich). was manufactured. In a glove box under Ar atmosphere, Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl were taken according to the molar ratio of 70.83:25.0:4.17. First, P 2 S 5 was mixed with 20 mL of ethylenediamine (EDA) solvent and stirred until a green solution was formed. After P 2 S 5 was completely dissolved in EDA, Li 2 S and LiCl were added. The mixture was stirred at 800 rpm at 25°C for 30 minutes to form a clear solution. Afterwards, the mixture was vacuum dried at 180°C for 5 hours to remove the organic solvent. Finally, a solid electrolyte was prepared by heat treatment at 550°C for 10 hours at a heating rate of 2°C/min.
실시예 9Example 9
Li2S, P2S5 및 LiCl의 몰비를 66.66 : 25.0 : 8.34로 변경한 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 8, except that the molar ratio of Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl was changed to 66.66:25.0:8.34.
실시예 10Example 10
80mL의 EDA를 사용하고, Li2S와 P2S5의 몰비를 87.5 : 12.5로 변경한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방법으로 고체 전해질을 제조하였다.A solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 7, except that 80 mL of EDA was used and the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 was changed to 87.5:12.5.
실시예 11Example 11
Li2S, P2S5 및 LiCl의 몰비를 62.5 : 12.5 : 25.0으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 8, except that the molar ratio of Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl was changed to 62.5:12.5:25.0.
실시예 12Example 12
Li2S, P2S5 및 LiCl의 몰비를 55.0 : 12.5 : 32.5로 변경한 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 8, except that the molar ratio of Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl was changed to 55.0:12.5:32.5.
실시예 13Example 13
Li2S, P2S5 및 LiCl의 몰비를 50.0 : 12.5 : 37.5로 변경한 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 8, except that the molar ratio of Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl was changed to 50.0:12.5:37.5.
실시예 14Example 14
Li2S, P2S5 및 LiCl의 몰비를 47.5 : 12.5 : 40.0으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 8, except that the molar ratio of Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl was changed to 47.5:12.5:40.0.
실시예 15Example 15
용매를 프로필렌디아민(Propylenediamine)으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 13과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as Example 13, except that the solvent was changed to propylenediamine.
실시예 16Example 16
용매를 트리메틸렌디아민(TMEDA)으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 12와 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as Example 12, except that the solvent was changed to trimethylenediamine (TMEDA).
실시예 17Example 17
용매를 트리메틸렌디아민(TMEDA)으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 13과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다.A solid electrolyte was obtained in the same manner as Example 13, except that the solvent was changed to trimethylenediamine (TMEDA).
실시예 18Example 18
용매를 트리메틸렌디아민(TMEDA) 및 에틸렌디아민(EDA)의 5:5(v) 혼합물로 변경한 것을 제외하고는 실시예 12와 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 12, except that the solvent was changed to a 5:5 (v) mixture of trimethylenediamine (TMEDA) and ethylenediamine (EDA).
실시예 19Example 19
용매를 트리메틸렌디아민(TMEDA) 및 에틸렌디아민(EDA)의 5:5(v) 혼합물로 변경한 것을 제외하고는 실시예 13과 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 13, except that the solvent was changed to a 5:5 (v) mixture of trimethylenediamine (TMEDA) and ethylenediamine (EDA).
실시예 20Example 20
용매를 에틸렌디아민(EDA) 및 에탄올의 5:5(v) 혼합물로 변경한 것을 제외하고는 실시예 12와 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 12, except that the solvent was changed to a 5:5 (v) mixture of ethylenediamine (EDA) and ethanol.
비교예Comparative example
용매를 에탄올로 변경한 것을 제외하고는 실시예 12와 동일한 방법으로 고체 전해질을 얻었다. A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 12, except that the solvent was changed to ethanol.
실험예Experiment example
(1) X-선 회절(XRD) 측정(1) X-ray diffraction (XRD) measurement
2℃/min의 스캔 속도로 Cu Ka 방사선(1.5418 )이 있는 Rigaku-Ultima(IV) X-선 회절계를 사용하여 실시예 및 비교예의 고체 전해질의 구조를 분석하였다. Cu Ka radiation (1.5418 ) The structures of the solid electrolytes of the Examples and Comparative Examples were analyzed using a Rigaku-Ultima(IV) X-ray diffractometer.
X-선 회절 측정 결과를 도 2 내지 6 및 하기 표 1에 나타내었다. The X-ray diffraction measurement results are shown in Figures 2 to 6 and Table 1 below.
도 2를 참조하면, 실시예 2 및 실시예 4는 Li3PS4 결정 구조를 가짐을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 2, it was confirmed that Examples 2 and 4 had a Li3PS4 crystal structure.
도 3을 참조하면, 실시예 7 및 8은 Li3PS4, Li7PS6 및 Li8P2S9가 혼용된 결정 구조를 나타내었다. Referring to Figure 3, Examples 7 and 8 showed a crystal structure in which Li 3 PS 4 , Li 7 PS 6 , and Li 8 P 2 S 9 were mixed.
도 4를 참조하면, 실시예 10은 Li2S상을 주로 나타내고, 미미하게 Li7PS6의 결정 구조를 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 11은 Li6PS5Cl의 결정 구조를 나타내었으며, 실시예 12 내지 14는 각각 Li5.7PS4.7Cl1.3, Li5.5PS4.5Cl1.5, Li5.4PS4.4Cl1.6의 아기로다이트 결정 구조를 가지고 있었다.Referring to FIG. 4, it was confirmed that Example 10 mainly showed the Li 2 S phase and had a slightly Li 7 PS 6 crystal structure. In addition, Example 11 showed the crystal structure of Li 6 PS 5 Cl, and Examples 12 to 14 showed babyrodite of Li 5.7 PS 4.7 Cl 1.3 , Li 5.5 PS 4.5 Cl 1.5 , and Li 5.4 PS 4.4 Cl 1.6, respectively. It had a crystal structure.
도 6에는 실시예 18 내지 20 및 비교예의 XRD 스펙트럼을 나타내었는데, 실시예 18 내지 10 및 비교예는 아기로다이트 결정 구조를 가지며, 소량의 Li2S, LiCl, Li4P2S6와 같은 불순물 상을 가지고 있었다. Figure 6 shows the had the same impurity phase.
(%)Li 2 S
(%)
(%)P 2 S 5
(%)
(%)LiCl
(%)
온도(℃)heat treatment
Temperature (℃)
(2) 이온전도도 측정(2) Ion conductivity measurement
제조한 고체 전해질을 직경 10mm의 몰드에 넣고 30MPa의 압력을 가하여 펠릿을 형성하였다. 펠릿의 두께는 0.11 내지 0.12cm였다. 그 후, 이온전도도 측정을 위하여 펠릿의 양면에 인듐 호일을 부착하였다. 이온전도도 분석은 25℃에서 7MHz 내지 1Hz의 주파수 범위에서 SP 300(Biologic사) 기기를 사용하여 수행되었다. The prepared solid electrolyte was placed in a mold with a diameter of 10 mm and a pressure of 30 MPa was applied to form a pellet. The thickness of the pellets was 0.11 to 0.12 cm. Afterwards, indium foil was attached to both sides of the pellet to measure ionic conductivity. Ion conductivity analysis was performed using an SP 300 (Biologic) instrument in the frequency range of 7 MHz to 1 Hz at 25°C.
도 7 내지 도 11 및 표 1에 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 측정된 이온전도도를 나타내었다. Figures 7 to 11 and Table 1 show the ionic conductivity measured according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
도 7을 참조하면, 실시예 1 내지 6의 Li3PS4 구조의 고체 전해질에서는 제1 전구체(P2s5)의 함량이 높을수록, 즉 제1 전구체와 제2 전구체의 몰비가 1:3인(실시예 1 내지 3) 경우보다 3:7인(실시예 4 내지 6) 경우가 이온전도도가 높았다.Referring to FIG. 7, in the solid electrolyte having the Li 3 PS 4 structure of Examples 1 to 6, the higher the content of the first precursor (P2s5), that is, the molar ratio of the first precursor and the second precursor is 1:3 (practice The ionic conductivity was higher in the case of 3:7 (Examples 4 to 6) than in the case of Examples 1 to 3).
또한, 동일한 조성비를 가지는 경우, 열처리 온도가 300℃인 경우(실시예 2 및 4)가 가장 높은 전도도를 나타내었다. 다만, 실시예 7과 같이 열처리 온도가 높아지는 경우 이온전도도가 급격히 낮아졌다.In addition, when the composition ratio was the same, the heat treatment temperature of 300°C (Examples 2 and 4) showed the highest conductivity. However, as in Example 7, when the heat treatment temperature increased, the ionic conductivity rapidly decreased.
도 8을 참조하면, 실시예 7에 비하여 실시예 8 및 9의 이온전도도가 훨씬 높다. 즉, 제3 전구체를 포함하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비하여 이온전도도가 높았으며, 실시예 7 내지 9와 같은 결정 구조를 가지는 경우에는 제3 전구체의 함량이 낮은 것이 이온전도도는 높았다.Referring to Figure 8, compared to Example 7, the ionic conductivity of Examples 8 and 9 is much higher. That is, the case containing the third precursor had higher ionic conductivity than the case without it, and in the case of having the same crystal structure as Examples 7 to 9, the ionic conductivity was higher when the content of the third precursor was low.
도 9를 참조하면, 아기로다이트 결정 구조에서는 제3 전구체(LiCl)의 함량이 증가할수록 이온전도도는 상승하였으나, 제3 전구체의 함량이 40몰%인 경우에는 오히려 이온전도도가 낮아졌다. Referring to FIG. 9, in the agyrhodite crystal structure, ionic conductivity increased as the content of the third precursor (LiCl) increased, but when the content of the third precursor was 40 mol%, the ionic conductivity actually decreased.
도 10을 참조하면, 용매의 종류가 다른 경우 이온전도도에 많은 차이가 있음을 알 수 있다. 구체적으로, EDA를 사용한 실시예 13의 경우 2.87 x 10-3(S/cm)을 나타내었으나, 프로필렌디아민 및 TMEDA를 사용한 실시예 15 내지 17은 이보다 낮은 이온전도도를 나타내었다.Referring to Figure 10, it can be seen that there is a significant difference in ionic conductivity when different types of solvents are used. Specifically, Example 13 using EDA showed 2.87 x 10 -3 (S/cm), but Examples 15 to 17 using propylenediamine and TMEDA showed ionic conductivity lower than this.
도 11을 참조하면, 복합용매를 사용하는 경우 각각 단일용매를 사용한 경우의 중간 정도의 이온전도도를 나타내었다. EDA와 결합 시 가장 높은 이온전도도를 나타내는 것은 실시예 20의 에탄올이었다.Referring to Figure 11, when a composite solvent was used, ionic conductivity was shown to be intermediate compared to when a single solvent was used. Ethanol in Example 20 showed the highest ionic conductivity when combined with EDA.
표 1을 참조하면, 비교예의 비아민계 유기 용매는 아민계 유기 용매를 사용하는 실시예 12에 비하여 낮은 이온전도도를 나타내었다.Referring to Table 1, the non-amine-based organic solvent of the comparative example showed lower ionic conductivity compared to Example 12 using the amine-based organic solvent.
이는 아민계 유기 용매가 Li2S 및 P2S5 또는 Li2S, P2S5 및 LiCl의 결합을 잘 형성하는 치환기를 가지기 때문으로 보인다. 또한, 용해도 차이로 인한 용매에 투입 순서를 조절한 것이 분산성에 유효한 영향을 미친 것으로 판단된다. This appears to be because the amine-based organic solvent has a substituent that is good at forming a bond between Li 2 S and P 2 S 5 or Li 2 S, P 2 S 5 and LiCl. In addition, it is believed that adjusting the order of addition to the solvent due to differences in solubility had an effective effect on dispersibility.
(3) SEM에 의한 입자 크기 측정(3) Particle size measurement by SEM
SEM이미지를 이용하여 실시예 13 및 비교예의 입자 크기를 측정하였다. 도 12를 참조하면, EDA 용매을 사용한 실시예 13의 경우 0.8 내지 1.5um의 입자크기를 나타내었으나, 에탄올을 용매로 사용한 비교예는 0.3 내지 3um의 입자 크기를 나타내었다. The particle sizes of Example 13 and Comparative Example were measured using SEM images. Referring to FIG. 12, Example 13 using an EDA solvent showed a particle size of 0.8 to 1.5 μm, while the comparative example using ethanol as a solvent showed a particle size of 0.3 to 3 μm.
이를 통해, 용매로서 EDA를 사용하는 경우, 우수한 분산성을 통해 입자 크기가 작고, 균일하게 형성되었음을 알 수 있다.Through this, it can be seen that when EDA was used as a solvent, the particle size was small and formed uniformly through excellent dispersibility.
상기와 같이 입자 크기가 작고 균일한 고체 전해질을 이차전지에 적용하는 경우, 전극 복합체와의 부착성이 뛰어난 효과가 있다.When a solid electrolyte with a small and uniform particle size as described above is applied to a secondary battery, excellent adhesion to the electrode complex is achieved.
Claims (17)
상기 복합체에 Li, Na 및 K로 이루어진 군에서 선택된 알칼리 원소를 포함하는 제2 전구체를 혼합하는 단계;
상기 복합체에 Cl, Br, I 및 F로 이루어진 군에서 선택된 할로겐 원소를 포함하는 제3 전구체를 혼합하는 단계;
150 내지 250℃의 온도에서 3 내지 7시간 용매를 제거하는 건조 단계; 및
200 내지 600℃에서 수행하는 열처리 단계를 포함하는 고체 전해질의 제조방법으로서,
아민계 용매는 상기 제1 전구체는 용해시킬 수 있으나, 제2 전구체는 불용성이며, 제1 전구체 및 제2 전구체를 반응시켜 제1 전구체-제2 전구체가 결합된 결과물을 얻기 위한 촉매로서 역할하여, 제1 전구체-제2 전구체의 결합을 제공하고,
제1 전구체와 제2 전구체의 몰비가 1:2 내지 1:6이며,
전체 전구체를 기준으로 10 내지 50몰%의 제2 전구체 및 3 내지 50몰%의 제3 전구체를 포함하고,
상기 고체 전해질의 조성물은 유기 실란 화합물, 유기 게르마늄 화합물, 유기 알루미늄 화합물 또는 유기 주석 화합물을 추가로 포함하며,
25℃에서의 이온전도도가 10-3S/cm 이상인 고체 전해질의 제조방법.
Forming a first precursor-solvent complex by mixing a first precursor containing a chalcogen element selected from the group consisting of S, Se, and O with at least one amine-based organic solvent selected from the group consisting of diamine, triamine, and tetraamine. steps;
mixing a second precursor containing an alkali element selected from the group consisting of Li, Na, and K into the composite;
mixing a third precursor containing a halogen element selected from the group consisting of Cl, Br, I, and F into the complex;
A drying step of removing the solvent at a temperature of 150 to 250°C for 3 to 7 hours; and
A method for producing a solid electrolyte comprising a heat treatment step performed at 200 to 600°C,
The amine-based solvent can dissolve the first precursor, but is insoluble in the second precursor, and acts as a catalyst to react the first precursor and the second precursor to obtain a result in which the first precursor and the second precursor are combined, providing a combination of the first precursor and the second precursor,
The molar ratio of the first precursor and the second precursor is 1:2 to 1:6,
Comprising 10 to 50 mol% of the second precursor and 3 to 50 mol% of the third precursor based on the total precursor,
The composition of the solid electrolyte further includes an organic silane compound, an organic germanium compound, an organic aluminum compound, or an organic tin compound,
Method for producing a solid electrolyte having an ionic conductivity of 10 -3 S/cm or more at 25°C.
상기 제1 전구체는 P, Si, Al, B, Ge, Sn, Sb, Nb, Mo 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 하나의 원소를 더 포함하는 고체 전해질의 제조방법.
According to paragraph 1,
The first precursor further includes one element selected from the group consisting of P, Si, Al, B, Ge, Sn, Sb, Nb, Mo, and Bi.
상기 제2 전구체는 황화물, 셀렌화물 또는 산화물인 고체 전해질의 제조방법.According to paragraph 1,
A method of producing a solid electrolyte wherein the second precursor is sulfide, selenide, or oxide.
A solid electrolyte manufactured using the manufacturing method of any one of claims 1, 4, and 5.
입자 크기가 0.5 내지 2um인 고체 전해질.
According to clause 12,
A solid electrolyte with a particle size of 0.5 to 2um.
상기 고체 전해질은 Li2S, Li3PS4, Li7PS6, Li7P3S11, Li8P2S9, Li9P3S12 및 아기로다이트(argyrodite)형 중 적어도 하나인 고체 전해질.
According to clause 12,
The solid electrolyte is at least one of Li 2 S, Li 3 PS 4 , Li 7 PS 6 , Li 7 P 3 S 11 , Li 8 P 2 S 9 , Li 9 P 3 S 12 , and argyrodite type. Phosphorus solid electrolyte.
상기 아기로다이트형은 Li5.4PS4.4Cl1.6, Li5.5PS4.5Cl1.3 및 Li5.7PS4.7Cl1.3 중 적어도 하나인 고체 전해질.
According to clause 14,
The agyrhodite type is a solid electrolyte that is at least one of Li 5.4 PS 4.4 Cl 1.6, Li 5.5 PS 4.5 Cl 1.3 , and Li 5.7 PS 4.7 Cl 1.3 .
An all-solid-state battery comprising the solid electrolyte of claim 12.
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