KR20240079294A - Sulfide-based solid electrolyte for a secondary batteries and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온전도도가 우수하고 안정성 특히 대기 중에서의 안정성이 우수한 전고체 리튬 이차전지용 Li2S-P2S5-LiX(X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상)계 황화물계 고체전해질 및 상기 황화물계 고체전해질 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides a Li 2 SP 2 S 5 -LiX (X is one or more types selected from the group consisting of Cl, F, Br and I) system for all-solid-state lithium secondary batteries with excellent ionic conductivity and stability, especially stability in the atmosphere. It relates to a sulfide-based solid electrolyte and a method for producing the sulfide-based solid electrolyte.
Description
본 발명은 이온전도도가 우수하고 안정성 특히 대기 중에서의 안정성이 우수한 전고체 리튬 이차전지용 황화물계 고체전해질 및 상기 황화물계 고체전해질 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfide-based solid electrolyte for an all-solid lithium secondary battery that has excellent ionic conductivity and excellent stability, especially stability in the air, and a method for manufacturing the sulfide-based solid electrolyte.
최근 리튬이차전지는 소형의 모바일 기기 전원에서 중대형의 전기자동차(xEV)와 전력저장시스템(ESS)의 전원으로 그 사용이 확대되고 있다. 특히 친환경 자동차인 전기자동차에 대한 관심은 매우 높아지고 있으며, 전 세계 주요 자동차 업체들은 친환경 전기자동차를 차세대 성장 기술로 인지하여 기술개발에 박차를 가하고 있다.Recently, the use of lithium secondary batteries has expanded from power sources for small mobile devices to power sources for mid- to large-sized electric vehicles (xEV) and power storage systems (ESS). In particular, interest in electric vehicles, which are eco-friendly vehicles, is increasing, and major automobile companies around the world are accelerating technology development by recognizing eco-friendly electric vehicles as the next generation growth technology.
전기자동차에 요구되는 전지의 사양은 급속 충전이 가능한 높은 출력 밀도와 높은 중량·부피당 에너지밀도, 가격, 안전성 등을 고려할 수 있으며, 특히 전기 자동차의 경우 사람이 직접 탑승, 조종하는 장치로서 운행 및 사고시 안전성 확보가 가장 중요한 요구 사항이다. 실제 대표적 전기차 회사인 미국 테슬라의 시판 모델인 모델 S의 경우, 주행 중 화재가 발생해 전소한 사건이 언론을 통해 다수 발표되어 높은 안전성을 가지는 전고체 전지 개발이 요구되고 있다.The battery specifications required for electric vehicles can take into account high power density capable of rapid charging, high energy density per weight/volume, price, safety, etc. In particular, in the case of electric vehicles, they are devices that are directly ridden and controlled by a person, so they can be operated and controlled in the event of an accident. Ensuring safety is the most important requirement. In fact, in the case of the Model S, a commercial model of Tesla, a representative electric vehicle company in the United States, several incidents of fires breaking out and burning down while driving have been announced in the media, leading to a demand for the development of all-solid-state batteries with high safety.
전고체 전지는 양극과 음극뿐만 아니라 전해질도 고체상으로 구성된다. 즉, 전고체 전지는 전지 양극과 음극 사이에 있는 액체전해질 및 분리막을 고체전해질로 대체한 배터리로 가연성 유기 용매를 사용하지 않아 내부 단락이 발생해도 화재나 폭발의 위험성이 낮아 안전성이 극대화 되었으며 크기도 줄일 수 있다. 게다가 제조 비용이나 생산성이 우수할 뿐만 아니라, 셀 내에서 직렬로 적층하여 고전압화를 도모할 수 있다는 특징도 있다. 또한, 이러한 고체전해질에서는, Li 이온 이외에는 움직이지 않기 때문에, 음이온의 이동에 따른 부(副)반응이 생기지 않는 등, 안전성이나 내구성의 향상이 기대된다. 이러한 전고체 전지는 기존 리튬이차전지에 비해 안전성을 높일 수 있다. All-solid-state batteries consist of a solid electrolyte as well as an anode and a cathode. In other words, an all-solid-state battery is a battery in which the liquid electrolyte and separator between the battery anode and cathode are replaced with a solid electrolyte. Since it does not use flammable organic solvents, there is a low risk of fire or explosion even if an internal short circuit occurs, thereby maximizing safety and reducing the size. It can be reduced. In addition, not only is it superior in manufacturing cost and productivity, but it also has the advantage of being able to achieve high voltage by stacking it in series within a cell. Additionally, in this solid electrolyte, since only Li ions do not move, side reactions due to movement of anions do not occur, and improvements in safety and durability are expected. These all-solid-state batteries can increase safety compared to existing lithium secondary batteries.
전고체 이차전지의 고체전해질에는 고분자계, 황화물계, 산화물계 등이 있다. 이 중 산화물계 고체전해질에는 LATP(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)계, LLTO(Li3xLa2/(3-x)TiO3)계, LLZO (Li7La3Zr2O12)계 등이 널리 알려져 있는데, 황화물계 고체전해질 대비 안정성이 우수한 반면 이온전도도가 낮은 단점이 있다. Solid electrolytes of all-solid-state secondary batteries include polymer-based, sulfide-based, and oxide-based electrolytes. Among these, oxide-based solid electrolytes include LATP (Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 ), LLTO (Li 3x La 2/(3-x) TiO 3 ), and LLZO (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) systems are widely known, and while they have excellent stability compared to sulfide-based solid electrolytes, they have the disadvantage of low ionic conductivity.
황화물계 고체전해질은 비정질 황화물계 고체전해질 또는 결정성 황화물계 고체전해질이 있고 LGPS(Li10GeP2S12), LSPSCl(Li9.54Si1.7P1.44S11.7Cl0.3), Argyrodite, Li2S-P2S5, Thio-LISICON, Li-M-P-S(M= Si, Ge, Sn) 등의 다양한 구조 및 성분이 알려져 있다. 황화물계 고체전해질의 황화물 이온은 산화물 이온에 비해 이온 전도 경로가 되는 음이온 간의 틈새가 넓다. 게다가 황화물 이온의 분극률이 높기 때문에 리튬이온에 대한 속박력이 약해서, 리튬이온이 움직이기 쉬운 상태가 되어 황화물계 고체전해질은 이온전도도가 산화물계에 비해 높다는 장점이 있다. 그러나 황화물계 고체전해질은 수분 반응성이 높아 공기 중 수분과 반응 시 유독한 H2S 가스를 발생시켜 인체에 해를 끼칠 수 있는 등, 공기 중 안전성이 취약하다. Sulfide-based solid electrolytes include amorphous sulfide-based solid electrolytes or crystalline sulfide-based solid electrolytes, including LGPS (Li 10 GeP 2 S 12 ), LSPSCl (Li 9.54 Si 1.7 P 1.44 S 11.7 Cl 0.3 ), Argyrodite, Li 2 SP 2 S 5 , Thio-LISICON, Li-MPS (M=Si, Ge, Sn), etc., are known for their various structures and components. Sulfide ions in sulfide-based solid electrolytes have a wider gap between anions, which serve as ion conduction paths, compared to oxide ions. In addition, because the polarization rate of sulfide ions is high, the binding force for lithium ions is weak, making lithium ions more mobile, so sulfide-based solid electrolytes have the advantage of having higher ionic conductivity than oxide-based electrolytes. However, sulfide-based solid electrolytes are highly reactive with moisture, and when reacted with moisture in the air, they generate toxic H 2 S gas, which can harm the human body, making it vulnerable to safety in the air.
황화물계 고체전해질은 또한 대기에 노출되면 이온전도도가 급격히 저하되는 문제가 있다. 이와 같이 고체전해질이 대기 중에서 불안하면 생산이 까다롭고, 셀 제조 공정에서 공기와의 접촉 제어가 매우 중요해지고 제조 단가가 높아지는 단점이 있다. 황화물계 고체전해질의 대기 안정성이 취약하다는 단점을 해소하기 위하여 공개특허공보 2020-0052651은 Li2S-P2S5-LiX(X는 할로겐)계 고체전해질에 도펀트로 인산리튬(lithium phosphate, Li3PO4)을 추가하여 황 원소의 일부가 산소로 치환되어 대기 중의 안정성이 향상된 고체전해질을 제공하였다.Sulfide-based solid electrolytes also have the problem that ionic conductivity rapidly decreases when exposed to the atmosphere. As such, if the solid electrolyte is unstable in the atmosphere, production is difficult, and control of contact with air becomes very important in the cell manufacturing process, which has the disadvantage of increasing manufacturing costs. In order to overcome the disadvantage of poor atmospheric stability of sulfide-based solid electrolytes, Publication Patent Publication 2020-0052651 uses lithium phosphate (Li 3 PO) as a dopant in Li 2 SP 2 S 5 -LiX (X is halogen)-based solid electrolyte. 4 ) was added to provide a solid electrolyte with improved stability in the atmosphere by replacing part of the sulfur element with oxygen.
그러나 상기 전해질은 대기 중의 안정성이 충분히 개선되지 못하였고, 도펀트로 추가되는 인산리튬은 가격이 비싸고 취급도 까다로워서 최종 고체전해질의 가격을 상승시킨다는 문제점이 있다.However, the stability of the electrolyte in the atmosphere has not been sufficiently improved, and lithium phosphate added as a dopant is expensive and difficult to handle, raising the price of the final solid electrolyte.
이에 본 발명은 Li2S-P2S5-LiX계 고체전해질로 이온전도성이 우수하고 대기 안정성이 충분히 우수하여 셀 제조 공정이 편리하고 또한 제조 단가도 낮은 Li2S-P2S5-LiX계 고체전해질 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.Accordingly , the present invention provides a Li 2 SP 2 S 5 -Li The purpose of the invention is to provide a manufacturing method thereof.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited here, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기 목적 달성을 위하여 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention
도펀트로 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX(X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상)계 황화물계 고체전해질을 제공한다. Provided is a Li 2 SP 2 S 5 -Li
또한 본 발명은 Additionally, the present invention
단계 1) Li2S 분말, P2S5 분말, LiX(X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상) 분말 및 Cu3(PO4)2 분말을 분쇄 혼합하여 혼합 분말을 조제하는 단계 및Step 1) Grind and mix Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, LiX (X is one or more types selected from the group consisting of Cl, F, Br and I) powder and Cu 3 (PO 4 ) 2 powder. Steps of preparing powder and
단계 2) 상기 혼합 분말을 소성하여 아지로다이트 결정형의 도펀트로 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX(X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상)계 황화물계 고체전해질을 얻는 단계를 포함하는 고체전해질을 제조하는 방법을 제공한다.Step 2) The mixed powder is calcined to form Li 2 SP 2 S 5 -LiX (X is selected from the group consisting of Cl, F, Br and I) doped with Cu 3 (PO 4 ) 2 as an argyrodite crystal type dopant. Provided is a method for producing a solid electrolyte including the step of obtaining one or more sulfide-based solid electrolytes.
본 발명의 황화물계 고체전해질은 높은 결정화도를 가지고 리튬 금속에 대한 안정성이 우수하고 이온전도도가 우수하며, 대기 안정성이 우수하여 산소에 노출되어도 이온전도도 감소가 적은 효과가 있다. 본 발명의 황화물계 고체전해질은 제조가 용이하고 제조 단가가 우수한 장점이 있다.The sulfide-based solid electrolyte of the present invention has a high degree of crystallinity, excellent stability to lithium metal, excellent ionic conductivity, and excellent atmospheric stability, so that there is a small decrease in ionic conductivity even when exposed to oxygen. The sulfide-based solid electrolyte of the present invention has the advantage of being easy to manufacture and having excellent manufacturing costs.
도 1은 전고체전지의 구성도이다.Figure 1 is a configuration diagram of an all-solid-state battery.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on principles.
황화물계 고체전해질은 산소와 접촉하는 경우 황(S)이 산소(O)로 치환되는 반응 등이 발생하여 이온전도도가 감소하는 문제가 있다. 이에 본 발명은 황화물계 고체전해질의 대기 안정성, 특히 산소에 대한 안정성이 취약한 단점을 해소하기 위하여 노력한 바 황화물계 고체전해질에 산소(O)를 도핑하여 대기 중에 노출되어도 고체전해질 표면 및 내부에 산소(O)가 치환되는 양이 감소하여 대기 안정성이 향상되면서 나아가 황(S)과 결합할 수 있는 원소를 도핑함으로써 황이 대기 중 산소와 치환되는 것을 방지할 수 있는 도펀트를 개발하고자 노력하였다.When sulfide-based solid electrolytes come in contact with oxygen, a reaction occurs in which sulfur (S) is replaced by oxygen (O), which causes a problem in that ionic conductivity decreases. Accordingly, the present invention attempted to solve the disadvantage of the sulfide-based solid electrolyte having poor atmospheric stability, especially stability to oxygen. By doping the sulfide-based solid electrolyte with oxygen (O), oxygen (O) is maintained on the surface and inside the solid electrolyte even when exposed to the atmosphere. Atmospheric stability was improved by reducing the amount of O) substitution, and efforts were made to develop a dopant that could prevent sulfur from being substituted with oxygen in the atmosphere by doping an element that can combine with sulfur (S).
그 결과 본 발명은 Li2S-P2S5-LiX계 고체전해질에 도펀트로 Cu3(PO4)2를 첨가하는 경우 제조되는 Li2S-P2S5-LiX계 고체전해질의 이온전도성이 유지되면서 또한 대기 중 산소에 대하여 안정성이 충분하여 대기 중에 노출되어도 이온전도도의 저하가 적다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.As a result, the present invention maintains the ionic conductivity of the Li 2 SP 2 S 5 -LiX-based solid electrolyte prepared by adding Cu 3 (PO 4 ) 2 as a dopant to the Li 2 SP 2 S 5 -Li The present invention was completed after discovering that the ionic conductivity was sufficiently stable even when exposed to the atmosphere due to its stability against oxygen in the atmosphere.
본 발명은 리튬 원소(Li), 황 원소(S), 인 원소(P) 및 할로겐 원소(X)를 포함하고, 도펀트로 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX(X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상)계 황화물계 고체전해질을 제공한다.The present invention is a Li 2 SP 2 S 5 -Li Provides a sulfide-based solid electrolyte (X is one or more selected from the group consisting of Cl, F, Br, and I).
본 발명의 고체전해질에서 도펀트로 추가되는 Cu3(PO4)2는 그 기능이 하기 설명의 역할을 하는 것으로 생각되지만 그에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 고체전해질에서 도펀트로 추가되는 Cu3(PO4)2의 산소(O)는 황 원소의 일부를 치환하여 존재함으로써 고체전해질이 대기 중 산소에 노출되어도 고체전해질 표면 및 내부에 산소(O)가 치환되는 양이 감소하여 대기 안정성이 향상되는 것으로 생각된다. 나아가 Cu3(PO4)2의 구리는 Cu-S 결합을 통하여 고체전해질이 대기 중 산소에 노출되어도 황(S)이 대기 중의 산소로 치환되는 것을 방지하는 것으로 생각된다.Cu 3 (PO 4 ) 2 added as a dopant in the solid electrolyte of the present invention is believed to have a function as described below, but is not limited thereto. In other words, the oxygen (O) of Cu 3 (PO 4 ) 2 added as a dopant in the solid electrolyte of the present invention exists by replacing part of the sulfur element, so that even when the solid electrolyte is exposed to oxygen in the atmosphere, oxygen remains on the surface and inside the solid electrolyte. It is thought that atmospheric stability is improved by reducing the amount of (O) substitution. Furthermore, Cu 3 (PO 4 ) 2 copper is thought to prevent sulfur (S) from being replaced by oxygen in the air even when the solid electrolyte is exposed to oxygen in the air through the Cu-S bond.
본 발명에 있어서 전체 고체전해질에 도핑되는 도펀트 Cu3(PO4)2의 몰%는 0.01 내지 10몰%, 바람직하게는 0.1 내지 1몰%이다. 도펀트가 상기 함량으로 혼합되어 고체전해질이 제조되는 경우 리튬 이온전도도의 감소 없이 대기 안정성을 충분히 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 도펀트가 0.01몰% 미만으로 사용되는 경우 대기 안정성을 증가 시키지 못하고, 도펀트가 10몰%을 초과하여 사용되는 경우 리튬 이온전도도를 감소시킬 수 있어서 바람직하지 않다.In the present invention, the mole percent of dopant Cu 3 (PO 4 ) 2 doped into the entire solid electrolyte is 0.01 to 10 mol%, preferably 0.1 to 1 mol%. When a solid electrolyte is produced by mixing dopants in the above amount, there is an effect of sufficiently increasing atmospheric stability without reducing lithium ion conductivity. If the dopant is used in less than 0.01 mol%, atmospheric stability cannot be increased, and if the dopant is used in more than 10 mol%, lithium ion conductivity may be reduced, which is not desirable.
본 발명의 Li2S-P2S5-LiX계 황화물계 고체전해질에서 할로겐 원소(X)는 염소 원소(Cl), 불소 원소(F), 브롬 원소(Br), 요오드 원소(I) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이상이고, 바람직하게는 염소 원소(Cl), 또는 염소 원소(Cl)와 함께 불소 원소(F), 브롬 원소(Br) 및 요오드 원소(I)로 구성되는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 할로겐을 포함하는 것일 수 있다.In the Li 2 SP 2 S 5 -Li At least one selected from the group consisting of, preferably selected from the group consisting of chlorine element (Cl) or chlorine element (Cl) together with fluorine element (F), bromine element (Br) and iodine element (I). It may contain one or more types of halogen.
본 발명의 도펀트 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX계 황화물계 고체전해질 입자의 D50은 0.5 내지 20㎛일 수 있다. 입자의 D50이 0.5 내지 20㎛일 때 적절한 이온전도도를 가질 수 있다.The D50 of the Li 2 SP 2 S 5 -LiX-based sulfide-based solid electrolyte particles doped with the dopant Cu 3 (PO 4 ) 2 of the present invention may be 0.5 to 20 μm. When the D50 of the particle is 0.5 to 20㎛, it can have appropriate ionic conductivity.
본 발명의 도펀트 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX계 황화물계 고체전해질은 온도 21 내지 23℃, 이슬점(Dew point) -45 내지 -65℃의 건조공기(Dry room) 하에서 24시간 노출하였을 때 하기 식 (1)로 계산되는 이온전도도 감소율이 30%이하인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 Li2S-P2S5-LiX계 황화물계 고체전해질은 도펀트 Cu3(PO4)2가 도핑됨으로써 대기 중 특히 건조 공기에서의 이온전도도 감소가 적고 따라서 이온전도도 감소율이 30%이하이다. The Li 2 SP 2 S 5 -Li When exposed for 24 hours under room), the ionic conductivity reduction rate calculated by the following equation (1) is less than 30%. The Li 2 SP 2 S 5 -Li
식 (1)Equation (1)
본 발명의 일 실시예에서 도펀트로 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX(X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상)계 황화물계 고체전해질은 하기 화학식 (1)의 화합물일 수 있다.In one embodiment of the present invention , a Li 2 SP 2 S 5 -Li The solid electrolyte may be a compound of the following formula (1).
화학식 (1)Chemical formula (1)
Li(7-x)(1-y)Cu3yP(1+y)S(6-x)(1-y)O8yXx(1-y) Li (7-x)(1-y) Cu 3y P (1+y) S (6-x)(1-y) O 8y
상기 식에서 In the above equation
x는 0.5 ≤ x ≤ 2이고,x is 0.5 ≤ x ≤ 2,
y는 0.0001 ≤ y ≤ 0.1 이다. y is 0.0001 ≤ y ≤ 0.1.
상기 y는 전체 고체전해질 1몰에 도핑되는 도펀트 Cu3(PO4)2의 몰수로 0.0001 내지 0.1, 바람직하게는 0.0001 내지 0.01이다.The y is the number of moles of dopant Cu 3 (PO 4 ) 2 doped in 1 mole of the total solid electrolyte and is 0.0001 to 0.1, preferably 0.0001 to 0.01.
본 발명의 고체전해질은 입방정계 아지로다이트형 결정 구조일 수 있다.The solid electrolyte of the present invention may have a cubic azirodite-type crystal structure.
본 발명은 상기 황화물계 고체전해질의 제조방법으로The present invention is a method for producing the sulfide-based solid electrolyte.
단계 1) Li2S 분말, P2S5 분말, LiX(X는 Cl, F ,Br 및 I로 이루어진 군에서 선택되는 1종이상) 분말 및 Cu3(PO4)2 분말을 분쇄 혼합하여 혼합 분말을 조제하는 단계 및Step 1) Grind and mix Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, LiX (X is at least one selected from the group consisting of Cl, F, Br and I) powder and Cu 3 (PO 4 ) 2 powder. Steps of preparing powder and
단계 2) 상기 혼합 분말을 소성하여 아지로다이트 결정형 황화물계 고체전해질을 얻는 단계를 포함하는 도펀트로 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX계 황화물계 고체전해질을 제조하는 방법을 제공한다.Step 2) Calcining the mixed powder to obtain an argyrodite crystalline sulfide-based solid electrolyte . Li 2 SP 2 S 5 -Li Provides a manufacturing method.
단계 1)은 Li2S 분말, P2S5 분말 및 LiX(X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상) 분말 및 Cu3(PO4)2 분말을 분쇄 혼합하여 혼합 분말을 조제하는 단계이다.Step 1) is grinding and mixing Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, LiX (X is one or more selected from the group consisting of Cl, F, Br and I) powder and Cu 3 (PO 4 ) 2 powder This is the step of preparing mixed powder.
상기 혼합은 밀링(milling)에 의해 수행될 수 있는데, 밀링은 어트리션밀(attrition mill) 또는 볼밀(ball mill)과 같은 기계적 밀링을 통해 균일하게 혼합하는 것이 바람직하다. 밀링은 불활성 가스 상태에서 진행될 수 있다. 볼밀의 경우, 1~10mm의 입경을 가지는 지르코니아볼을 이용하여 혼합할 수 있고 입경이 다른 2개 이상의 볼을 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들면 입경 1 내지 3mm의 볼과 입경 5 내지 10mm의 볼을 1:10 내지 10:1, 바람직하게는 2:8 내지 8:2의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.The mixing can be performed by milling, and milling is preferably performed by mechanical milling such as an attrition mill or ball mill to achieve uniform mixing. Milling can be carried out under inert gas conditions. In the case of a ball mill, zirconia balls with a particle size of 1 to 10 mm can be used for mixing, and two or more balls with different particle sizes can be mixed. For example, balls with a particle diameter of 1 to 3 mm and balls with a particle diameter of 5 to 10 mm can be mixed and used in a ratio of 1:10 to 10:1, preferably 2:8 to 8:2.
밀링은 100 내지 600rpm의 속도로 10 내지 50시간, 바람직하게는 15 내지 30시간 진행할 수 있다. 분쇄시간이 10시간 미만인 경우 분쇄가 충분하지 못하며, 50시간 초과인 경우 입도 저하로 이후 이온전도도 저하 등의 문제가 있을 수 있다.Milling may be performed at a speed of 100 to 600 rpm for 10 to 50 hours, preferably 15 to 30 hours. If the grinding time is less than 10 hours, grinding is not sufficient, and if it is longer than 50 hours, there may be problems such as a decrease in ionic conductivity due to a decrease in particle size.
상기 혼합되는 Li2S 분말, P2S5 분말 및 LiX 분말의 중량비는 바람직하게는 30 내지 40 : 35 내지 50 : 15 내지 27이고, 더욱 바람직하게는 33 내지 40 : 38 내지 45 : 19 내지 25이다. 혼합되는 Li2S 분말, P2S5 분말 및 LiX 분말의 중량비가 상기와 같을 때 아지로다이트 결정형의 황화물계 고체전해질이 제조되고 여기에 Cu3(PO4)2 도핑하여 대기 중에 안정성을 갖는 고체전해질을 제조할 수 있다.The weight ratio of the Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, and LiX powder mixed is preferably 30 to 40:35 to 50:15 to 27, more preferably 33 to 40:38 to 45:19 to 25. am. When the weight ratio of the mixed Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, and Li Electrolytes can be manufactured.
단계 2)는 혼합분말을 불활성 분위기인 아르곤(Ar) 하에서 열처리하여 구리 및 산소가 도핑된 고체전해질을 제조하는 단계이다. Step 2) is a step of heat treating the mixed powder under argon (Ar), an inert atmosphere, to produce a solid electrolyte doped with copper and oxygen.
단계 2)는 혼합 분말을 석영 도가니에 넣고 Ar가스 분위기의 전기로에서 450-550℃에서 5-15시간 소성하여 Li2S-P2S5-LiX(X=Cl, F, Br, I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상)계 황화물계 고체전해질을 제조하는 단계이다.Step 2) is to place the mixed powder in a quartz crucible and sinter it in an electric furnace in an Ar gas atmosphere at 450-550°C for 5-15 hours to obtain Li 2 SP 2 S 5 -LiX (X=Cl, F, Br, I from the group consisting of This is the step of manufacturing one or more selected sulfide-based solid electrolytes.
단계 2) 이후 분급하는 단계를 포함할 수 있다.Step 2) may include a subsequent classification step.
본 발명은 본 발명의 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체 리튬 이차전지를 제공한다. 즉, 본 발명의 황화물계 고체전해질은, 전고체 리튬 이차전지의 고체전해질층이나, 양극·음극 합재에 혼합하는 고체전해질 등으로서 사용할 수 있다.The present invention provides an all-solid lithium secondary battery containing the sulfide-based solid electrolyte of the present invention. That is, the sulfide-based solid electrolyte of the present invention can be used as a solid electrolyte layer of an all-solid-state lithium secondary battery or a solid electrolyte mixed into a positive electrode/negative electrode mixture, etc.
일실시예로 양극과, 음극과, 양극 및 음극 사이에 상기의 고체전해질을 포함하는 층을 형성함으로써, 전고체 리튬 이차전지를 구성할 수 있다.In one embodiment, an all-solid lithium secondary battery can be constructed by forming a layer containing the above solid electrolyte between the positive electrode, the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode.
본 발명의 고체전해질은, 높은 결정화도를 가지면서도 리튬 금속에 대한 안정성이 우수하고 이온전도성이 우수하여 안정하고 효율적인 전고체 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.The solid electrolyte of the present invention has high crystallinity and excellent stability to lithium metal and excellent ionic conductivity, thereby providing a stable and efficient all-solid-state lithium secondary battery.
여기에서, 고체전해질을 포함하는 층은, 예를 들면 고체전해질과 바인더 및 용제로 이루어지는 슬러리를 기체(基體) 상에 적하하고, 닥터 블레이드 등으로 마찰하여 자르는 방법, 기체와 슬러리를 접촉시킨 후에 에어나이프로 자르는 방법, 스크린 인쇄법 등으로 도막을 형성하고, 그 후 가열 건조를 거쳐 용제를 제거하는 방법 등으로 제작할 수 있다. 또는, 고체전해질의 분체(粉體)를 프레스 등에 의해 압분체를 제작한 후, 가공하여 제작할 수도 있다.Here, the layer containing the solid electrolyte can be created, for example, by dropping a slurry consisting of a solid electrolyte, a binder, and a solvent onto a base, cutting it by rubbing it with a doctor blade, etc., or by bringing the base and the slurry into contact with air. It can be produced by cutting with a knife or screen printing to form a coating film, followed by heat drying to remove the solvent. Alternatively, it can be produced by producing a green compact from the powder of the solid electrolyte by pressing, etc., and then processing it.
본 발명의 전고체 리튬이차전지의 양극재로서는, 리튬 이차전지의 양극 활물질로서 사용되고 있는 양극재는 제한없이 사용 가능하다. 양극 활물질로 예를 들면 스피넬형 리튬 전이 금속 산화물, 층상 구조를 구비한 리튬 전이 금속 산화물, 또는 올리빈, 또는 이들 2종류 이상의 혼합물을 들 수 있다.As the cathode material for the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention, any cathode material used as a cathode active material for lithium secondary batteries can be used without limitation. Examples of the positive electrode active material include spinel-type lithium transition metal oxide, lithium transition metal oxide with a layered structure, olivine, or a mixture of two or more types thereof.
본 발명의 전고체 리튬이차전지의 음극재로는, 리튬 이차 전지의 음극 활물질로서 사용되고 있는 음극재는 제한없이 사용 가능하다. 음극 활물질로 예를들면, 인조 흑연, 천연 흑연, 난흑연화성 탄소(하드 카본) 등의 탄소계 재료를 사용할 수 있다. 그 때문에, 리튬 이차 전지의 전해질로서 본 고체전해질을 사용함과 함께, 음극 활물질로서 탄소계 재료를 사용함으로써, 전고체 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 음극 활물질로 고용량 음극 재료인 규소 활물질을 사용할 수 있다. As the negative electrode material for the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention, any negative electrode material used as a negative electrode active material for lithium secondary batteries can be used without limitation. For example, carbon-based materials such as artificial graphite, natural graphite, and non-graphitizable carbon (hard carbon) can be used as the negative electrode active material. Therefore, by using this solid electrolyte as the electrolyte of the lithium secondary battery and using a carbon-based material as the negative electrode active material, the energy density of the all-solid-state lithium secondary battery can be greatly improved. Additionally, silicon active material, which is a high-capacity negative electrode material, can be used as the negative electrode active material.
이하, 본 발명의 일 실시예를 들어 본 발명을 설명한다. 다만, 본 발명이 이에 제한되지 않으며, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to an embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited thereto, and in describing the present invention, descriptions of already known functions or configurations will be omitted to make the gist of the present invention clear.
실시예 1. Cu3(PO4)2가 도핑된 황화물계 고체전해질의 제조Example 1. Preparation of sulfide-based solid electrolyte doped with Cu 3 (PO 4 ) 2
황화리튬(Li2S) 분말, 오황화이인(P2S5) 분말, 염화리튬(LiCl) 분말 및 Cu3(PO4)2을 하기 표 1의 함량으로 칭량하고, 불활성 기체 하에서 ball mill pot에 혼합볼과 함께 넣는다. Ball mill 장비를 이용하여 250rpm의 속도로 24시간 동안 분쇄 혼합하여 혼합 분말을 조제한다. 이 혼합 분말을 석영도가니에 넣어 전기로에서 Ar 가스 분위기에서 510℃에서 10시간 소성한다. 이후 시료를 취득하여 분말상의 고체전해질의 아지로다이트 결정형 황화물계 화합물을 얻었다.Lithium sulfide (Li 2 S) powder, phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) powder, lithium chloride (LiCl) powder, and Cu 3 (PO 4 ) 2 were weighed in the amounts shown in Table 1 below, and placed in a ball mill pot under an inert gas. Add it together with the mixing bowl. Mixed powder is prepared by grinding and mixing for 24 hours at a speed of 250 rpm using ball mill equipment. This mixed powder is placed in a quartz crucible and fired in an electric furnace at 510°C in an Ar gas atmosphere for 10 hours. Afterwards, a sample was obtained to obtain a powdery solid electrolyte azirodite crystalline sulfide-based compound.
비교예 1. 도펀트가 없는 황화물계 고체전해질의 제조Comparative Example 1. Preparation of dopant-free sulfide-based solid electrolyte
황화리튬(Li2S) 분말, 오황화이인(P2S5) 분말 및 염화리튬(LiCl) 분말을 사용하여 실시예 1과 같이 실시하여 고체전해질의 아지로다이트 결정형 황화물계 화합물을 얻었다.An azirodite crystalline sulfide-based compound for a solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1 using lithium sulfide (Li 2 S) powder, phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) powder, and lithium chloride (LiCl) powder.
비교예 2 내지 4. 도펀트의 종류를 달리한 황화물계 고체전해질의 제조Comparative Examples 2 to 4. Preparation of sulfide-based solid electrolytes using different types of dopant.
Cu3(PO4)2 대신 Li3PO4(비교예 2), Na3PO4(비교예 3) 및 Sr3(PO4)2(비교예 4)을 하기 표 1의 함량으로 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 실시하여 고체전해질의 아지로다이트 결정형 황화물계 화합물을 얻었다.Instead of Cu 3 (PO 4 ) 2 , Li 3 PO 4 (Comparative Example 2), Na 3 PO 4 (Comparative Example 3), and Sr 3 (PO 4 ) 2 (Comparative Example 4) were added in the amounts shown in Table 1 below. An azirodite crystalline sulfide-based compound of a solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that this was performed.
실시예 2 내지 5. Cu3(PO4)2의 함량을 달리한 황화물계 고체전해질의 제조Examples 2 to 5. Preparation of sulfide-based solid electrolytes with different contents of Cu 3 (PO 4 ) 2
하기 표 1과 같이 Cu3(PO4)2의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 실시하여 고체전해질의 아지로다이트 결정형 황화물계 화합물을 얻었다.As shown in Table 1 below, an azyrodite crystalline sulfide-based compound for a solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that the content of Cu 3 (PO 4 ) 2 was changed.
실시예 6 내지 9. Cu3(PO4)2의 함량 및 고체전해질 조성을 달리한 황화물계 고체전해질의 제조Examples 6 to 9. Preparation of sulfide-based solid electrolytes with different Cu 3 (PO 4 ) 2 content and solid electrolyte composition
하기 표 1과 같이 Cu3(PO4)2의 함량 및 황화리튬(Li2S) 분말, 오황화이인(P2S5) 분말과 염화리튬(LiCl) 분말의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 실시하여 고체전해질의 아지로다이트 결정형 황화물계 화합물을 얻었다.As shown in Table 1 below, except that the contents of Cu 3 (PO 4 ) 2 and lithium sulfide (Li 2 S) powder, phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) powder, and lithium chloride (LiCl) powder were changed. By carrying out the same procedure as Example 1, an azirodite crystalline sulfide-based compound of a solid electrolyte was obtained.
Ref. 99mol%Li 3 PO 4 1mol% +
Ref. 99mol%
Ref. 99mol%Na 3 PO 4 1mol% +
Ref. 99mol%
단위: gUnit: g
실험예 1. 이온전도도 측정Experimental Example 1. Ion conductivity measurement
- 평가 장비 및 조건: Zahner Zennium impedance analyzer (50 mV, 1 m㎐ ~ 4 ㎒ / 상온)- Evaluation equipment and conditions: Zahner Zennium impedance analyzer (50 mV, 1 mHz ~ 4 MHz / room temperature)
Glove box 내부에 샘플을 준비하고, 이온전도도 측정 cell을 준비한다. 이온전도도 cell에 고체전해질을 넣기 전과 넣은 후의 두께를 잰다. 0.4g의 실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 고체전해질을 넣은 후, 5ton의 힘을 가하여 Cell을 제조하고, impedance analyzer로 이온전도도를 측정하여 표 2에 기재하였다(노출 전). Prepare a sample inside the glove box and prepare an ionic conductivity measurement cell. Measure the thickness before and after adding the solid electrolyte to the ionic conductivity cell. After adding 0.4 g of the solid electrolytes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, a force of 5 tons was applied to manufacture the cell, and the ionic conductivity was measured using an impedance analyzer and is listed in Table 2 (before exposure).
실험예 2. 대기 안정성 측정Experimental Example 2. Atmospheric stability measurement
실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 고체전해질을 수분을 제거한 공기가 채워진 Dry room에서 온도 21~23℃, 이슬점(Dew point) -45 내지 -65℃ 조건에서 24시간 대기 노출 후 이온전도도를 측정하고 표 2에 기재하였다(노출 후). 하기 식으로 이온전도도의 감소율을 계산하였다.The ionic conductivity of the solid electrolytes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was measured after exposure to air for 24 hours at a temperature of 21 to 23°C and a dew point of -45 to -65°C in a dry room filled with air from which moisture had been removed. and are listed in Table 2 (after exposure). The reduction rate of ionic conductivity was calculated using the following formula.
식 (1)Equation (1)
상기 실시예 1의 고체전해질이 비교예 1의 고체전해질 대비 Dry room의 대기에 노출되었을 때 이온전도도의 감소가 낮은 것을 알 수 있다. 또한 Li3PO4를 포함한 타 인산염을 추가한 경우 대비 이온전도도의 감소가 적은 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 고체전해질은 대기 안정성이 우수하다.It can be seen that the solid electrolyte of Example 1 showed a lower decrease in ionic conductivity when exposed to the atmosphere of a dry room compared to the solid electrolyte of Comparative Example 1. In addition, it can be seen that the decrease in ionic conductivity is small compared to the case where other phosphates including Li 3 PO 4 are added. That is, the solid electrolyte of the present invention has excellent atmospheric stability.
실험예 3. 도펀트 첨가량에 따른 대기 안정성 확인Experimental Example 3. Confirmation of atmospheric stability according to the amount of dopant added
실시예 2 내지 9의 고체전해질에 대하여 셀을 제조하고 이온전도도를 측정하였다(노출 전). 이후 상기 셀을 수분을 제거한 공기가 채워진 Dry room에서 온도 21 내지 23℃, 이슬점(Dew point) -45 내지 -65℃ 조건에서 24시간 대기 노출 후 이온전도도를 측정하고 표 3에 기재하였다(노출 후). 이온전도도의 감소율을 계산하였다.Cells were prepared for the solid electrolytes of Examples 2 to 9, and ionic conductivity was measured (before exposure). Afterwards, the cell was exposed to air for 24 hours in a dry room filled with moisture-removed air at a temperature of 21 to 23°C and a dew point of -45 to -65°C. The ionic conductivity was measured and listed in Table 3 (after exposure) ). The reduction rate of ionic conductivity was calculated.
(Li5.76PS4.76Cl1.24)Ref.
(Li 5.76 PS 4.76 Cl 1.24 )
상기 표 3에 의하면 고체전해질의 조성비가 변경된 경우도 Cu3(PO4)2 도펀트 추가에 의하여 고체전해질의 대기 노출 후의 이온전도도 감소 정도가 비교예 1대비 감소한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 고체전해질은 대기 중 안정성이 높은 것을 알 수 있다.According to Table 3 , it can be seen that even when the composition ratio of the solid electrolyte was changed , the degree of decrease in ionic conductivity after exposure of the solid electrolyte to the air was reduced compared to Comparative Example 1 due to the addition of Cu 3 (PO 4 ) 2 dopant. In other words, it can be seen that the solid electrolyte of the present invention has high stability in the atmosphere.
Claims (12)
식 (1)
The method of claim 1, wherein when the sulfide-based solid electrolyte is exposed to dry air (dry room) at a temperature of 21 to 23°C and a dew point of -45 to -65°C for 24 hours, the ionic conductivity calculated by the following equation (1) A sulfide-based solid electrolyte with a reduction rate of 30% or less.
Equation (1)
화학식 (1)
Li(7-x)(1-y)Cu3yP(1+y)S(6-x)(1-y)O8yXx(1-y)
상기 식에서,
X는 Cl, F, Br 및 I로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상이고,
x는 0.5 ≤ x ≤ 2이고,
y는 0.0001 ≤ y ≤ 0.1 이다.The sulfide-based solid electrolyte according to claim 1, wherein the sulfide-based solid electrolyte is a compound of the following formula (1).
Chemical formula (1)
Li (7-x)(1-y) Cu 3y P (1+y) S (6-x)(1-y) O 8y
In the above equation,
X is one or more selected from the group consisting of Cl, F, Br and I,
x is 0.5 ≤ x ≤ 2,
y is 0.0001 ≤ y ≤ 0.1.
단계 2) 상기 혼합 분말을 소성하여 아지로다이트 결정형의 도펀트로 Cu3(PO4)2가 도핑된 Li2S-P2S5-LiX계 황화물계 고체전해질을 얻는 단계를 포함하는 황화물계 고체전해질을 제조하는 방법.Step 1) Grind and mix Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, LiX (X is one or more types selected from the group consisting of Cl, F, Br and I) powder and Cu 3 (PO 4 ) 2 powder. Steps of preparing powder and
Step 2) Calcining the mixed powder to obtain a Li 2 SP 2 S 5 -Li How to manufacture.
An all-solid lithium secondary battery comprising the sulfide-based solid electrolyte of claim 1 or the Li 2 SP 2 S 5 -LiX-based sulfide-based solid electrolyte doped with Cu 3 (PO 4 ) 2 manufactured by the manufacturing method of claim 6.
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WO2013073035A1 (en) | 2011-11-17 | 2013-05-23 | トヨタ自動車株式会社 | Method for producing sulfide solid electrolyte |
KR20200052651A (en) | 2018-11-07 | 2020-05-15 | 한국전기연구원 | Sulfide based solid electrolyte with improved air-stability and method for producing the same |
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