KR102812166B1 - A negative electrode and a lithium ion secondary battery including the negative electrode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집전체 및 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 활물질층은 산소 2 내지 10 at%를 포함하는 하나 이상의 활물질층을 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 리튬이온 이차전지를 제공한다.The present invention provides an anode including a current collector and a negative electrode active material layer, wherein the negative electrode active material layer includes one or more active material layers containing 2 to 10 at% of oxygen, and a lithium ion secondary battery including the negative electrode.
Description
본 발명은 음극 및 상기 음극을 포함하는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode and a lithium ion secondary battery including the negative electrode.
최근 전해질로서 고체전해질을 이용한 전고체 이차전지가 주목받고 있다. 이러한 전고체 이차전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 음극활물질로 리튬을 사용하는 것이 제안되어 있다. 리튬의 용량 밀도(단위중량당 용량)는 음극활물질로서 일반적으로 사용되는 흑연의 용량밀도의 10배 정도이다. 따라서 음극활물질로 리튬을 사용하는 경우, 전고체 이차전지를 박형화하면서도 출력을 높이는 것이 가능하다.Recently, all-solid-state secondary batteries using solid electrolytes as electrolytes have been attracting attention. In order to improve the energy density of such all-solid-state secondary batteries, it has been proposed to use lithium as an anode active material. The capacity density (capacity per unit weight) of lithium is about 10 times that of graphite, which is generally used as an anode active material. Therefore, when lithium is used as an anode active material, it is possible to increase the output while making the all-solid-state secondary battery thinner.
전고체 리튬이온 이차전지로서, 예를 들어 리튬과 합금을 형성하는 금속과 탄소재를 포함하는 음극 활물질층을 포함한 애노드리스 리튬이온 이차전지가 알려져 있다. As an all-solid-state lithium-ion secondary battery, for example, an anodeless lithium-ion secondary battery including a negative electrode active material layer including a metal that forms an alloy with lithium and a carbon material is known.
상기와 같은 애노드리스 리튬이온 이차전지는 충전시에는 상기 음극 활물질층 및 상기 음극 활물질층과 집전체 사이에 금속 리튬이 석출되고, 방전시에는 해당 금속리튬이 이온화하여 양극 쪽으로 이동하는 메커니즘에 의해 구동된다.The above anode-less lithium-ion secondary battery is driven by a mechanism in which metallic lithium is deposited between the negative electrode active material layer and the current collector during charging, and the metallic lithium is ionized and moves toward the positive electrode during discharge.
상기 음극 활물질층은 마이크로 두께의 매우 얇은 박막으로 형성되는데, 표면조도가 낮은 음극 활물질층을 형성하기 어렵다는 문제가 있었다.The above negative active material layer is formed as a very thin film with a micro-thickness, but there was a problem that it was difficult to form a negative active material layer with low surface roughness.
본 발명은 종래 기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, The present invention has been devised to solve the above problems of the prior art.
음극 활물질층의 탄소재와 금속이 균일하게 분포되며, 표면조도가 현저하게 개선됨으로써, 전지의 구동 특성을 크게 향상시키는 음극 및 이를 포함하는 성능이 개선된 리튬이온 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide an anode having improved performance and a lithium ion secondary battery including the same, which significantly improves the operating characteristics of a battery by uniformly distributing carbon material and metal in the anode active material layer and significantly improving the surface roughness.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above purpose, the present invention
집전체 및 음극 활물질층을 포함하며,Contains a collector and a negative electrode active material layer,
상기 음극 활물질층은 산소 2 내지 10 at%를 포함하는 하나 이상의 활물질층을 포함하는 음극을 제공한다.The above negative electrode active material layer provides a negative electrode including one or more active material layers containing 2 to 10 at% of oxygen.
또한, 본 발명은In addition, the present invention
상기 음극; 양극; 및 상기 음극과 양극 사이에 게재된 전해질을 포함하는 리튬이온 이차전지를 제공한다.A lithium ion secondary battery is provided, comprising the above negative electrode; the positive electrode; and an electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode.
본 발명의 음극은 탄소재와 금속이 균일하게 분포되며, 표면조도가 현저히 개선된 음극활물질층을 포함함으로써, 전지의 구동 특성을 크게 개선시키는 효과를 제공한다.The negative electrode of the present invention includes a negative electrode active material layer in which carbon material and metal are uniformly distributed and surface roughness is significantly improved, thereby providing an effect of significantly improving the operating characteristics of a battery.
또한, 본 발명의 리튬이온 이차전지는 상기 음극 활물질층을 포함함으로써, 우수한 구동 특성을 제공한다.In addition, the lithium ion secondary battery of the present invention provides excellent driving characteristics by including the negative electrode active material layer.
도 1 및 2는 본 발명의 리튬이온 이차전지의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이며,
도 3은 본 발명의 탄소재-금속 복합체의 입도 분포를 나타낸 그래프이며,
도 4는 본 발명의 탄소재-금속 복합체를 포함하는 음극활물질 슬러리의 유변물성 분석 결과를 나타낸 그래프이며,
도 5 및 6은 본 발명의 탄소재-금속 복합체를 포함하는 음극 활물질층을 포함하는 리튬이온 이차전지의 사이클 특성을 나타낸 그래프이며,
도 7은 실시예 2, 비교예 3, 및 비교예 4에서 제조된 음극 활물질층에 포함된 탄소(C)의 1s 스펙트럼을 나타내며,
도 8은 실시예 2, 비교예 3, 및 비교예 4에서 제조된 음극 활물질층에 포함된 산소에 대한 O 1s 스펙트럼에서 peak deconvolution한 결과를 나타내며,
도 9는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 5에서 제조된 음극에 적층된 음극 활물질층의 표면을 촬영한 SEM 이미지이며,
도 10은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 5에서 제조된 음극에 적층된 음극 활물질층의 표면조도를 측정한 결과를 나타낸 레이저 공초점 현미경 사진이다.Figures 1 and 2 are cross-sectional views schematically showing the structure of the lithium ion secondary battery of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the particle size distribution of the carbon material-metal composite of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the results of rheological analysis of a negative electrode active material slurry containing a carbon material-metal composite of the present invention.
Figures 5 and 6 are graphs showing the cycle characteristics of a lithium ion secondary battery including a negative active material layer including a carbon material-metal composite of the present invention.
Figure 7 shows the 1s spectrum of carbon (C) included in the negative electrode active material layer manufactured in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4.
Figure 8 shows the results of peak deconvolution in the O 1s spectrum for oxygen included in the negative electrode active material layers manufactured in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4.
Figure 9 is a SEM image of the surface of the negative electrode active material layer laminated on the negative electrode manufactured in Example 2 and Comparative Example 5 of the present invention.
Figure 10 is a laser confocal microscope photograph showing the results of measuring the surface roughness of the negative electrode active material layer laminated on the negative electrode manufactured in Example 2 and Comparative Example 5 of the present invention.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to help understand the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term to best describe his or her own invention. In addition, the terms used in this specification are only used to describe exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결된다, 구비된다, 또는 설치된다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 설치될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결된다 또는 설치된다"라고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~상부에"와 "상부에 직접" 또는 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be "connected to, provided with, or installed" another component, it should be understood that it may be directly connected or installed to the other component, but there may also be other components in between. On the other hand, when a component is said to be "directly connected to or installed" another component, it should be understood that there are no other components in between. Meanwhile, other expressions that describe the relationship between components, such as "above" and "directly above", "between" and "directly between", or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.
본 명세서에서 "조합"이라는 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. The term "combination" as used herein includes mixtures, alloys, reaction products, etc., unless specifically stated otherwise.
본 발명의 전극은 집전체 및 음극 활물질층을 포함하며,The electrode of the present invention comprises a current collector and a negative electrode active material layer,
상기 음극 활물질층은 산소 2 내지 10 at%를 포함하는 하나 이상의 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 한다. The above negative active material layer is characterized by including one or more active material layers containing 2 to 10 at% of oxygen.
상기 산소 함량의 하한 값은 2.5 at% 이상, 3 at% 이상, 3.5 at% 이상, 4 at% 이상, 4.5 at% 이상, 또는 5 at% 이상일 수 있다. 또한, 상기 산소 함량의 상한 값은 9.5 at% 이하, 9 at% 이하, 8.5 at% 이하, 8 at% 이하, 7.5 at% 이하, 7 at% 이하, 6.5 at% 이하, 6 at% 이하, 5.5 at% 이하, 5 at% 이하, 4.5 at% 이하, 4 at% 이하, 3.5 at% 이하, 또는 3 at% 이하일 수 있다. 상기 산소 함량은 상기 하한 값과 상한 값의 조합에 의해 구성되는 범위일 수 있다. 구체적으로, 상기 산소는 2.5 내지 10 at%로 포함되는 경우 바람직할 수 있다.The lower limit of the oxygen content may be 2.5 at% or more, 3 at% or more, 3.5 at% or more, 4 at% or more, 4.5 at% or more, or 5 at% or more. In addition, the upper limit of the oxygen content may be 9.5 at% or less, 9 at% or less, 8.5 at% or less, 8 at% or less, 7.5 at% or less, 7 at% or less, 6.5 at% or less, 6 at% or less, 5.5 at% or less, 5 at% or less, 4.5 at% or less, 4 at% or less, 3.5 at% or less, or 3 at% or less. The oxygen content may be in a range formed by a combination of the lower limit value and the upper limit value. Specifically, it may be preferable when the oxygen is included in an amount of 2.5 to 10 at%.
상기에서 산소가 2 at% 미만으로 포함되는 경우 활물질층의 표면조도가 현저하게 저하되므로 바람직하지 않으며, 10 at%를 초과할 경우 고체전해질과의 부반응으로 인한 전지의 성능 저하가 발생하므로 바람직하지 않다.In the above, if the oxygen content is less than 2 at%, the surface roughness of the active material layer is significantly reduced, which is not desirable, and if it exceeds 10 at%, the performance of the battery deteriorates due to a side reaction with the solid electrolyte, which is not desirable.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 탄소 65 내지 85 at% 및 금속 원소 0.5 내지 5 at%를 더 포함할 수 있으며, 더 바람직하게는 탄소 74 내지 85 at% 및 금속 원소 0.5 내지 3 at%를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the one or more active material layers may further comprise 65 to 85 at% of carbon and 0.5 to 5 at% of a metal element, more preferably 74 to 85 at% of carbon and 0.5 to 3 at% of a metal element.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 5 내지 25 at%의 불소(F)를 더 포함할 수 있으며, 더 바람직하게는 10 내지 20 at%의 불소(F)를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the one or more active material layers may further comprise 5 to 25 at% of fluorine (F), more preferably 10 to 20 at% of fluorine (F).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 0.01 내지 1 at%의 황(S)을 더 포함할 수 있으며, 더 바람직하게는 0.01 내지 0.5 at%의 황(S)을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the one or more active material layers may further comprise 0.01 to 1 at% of sulfur (S), more preferably 0.01 to 0.5 at% of sulfur (S).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 산소 2 내지 10 at%, 탄소 65 내지 85 at%, 금속 원소 0.5 내지 5 at%, 및 불소(F) 5 내지 25 at%를 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the one or more active material layers may include 2 to 10 at% of oxygen, 65 to 85 at% of carbon, 0.5 to 5 at% of a metal element, and 5 to 25 at% of fluorine (F).
또한, 더 바람직하게는 산소 2.5 내지 5 at%, 탄소 74 내지 85 at%, 금속 원소 0.5 내지 3 at%, 및 불소(F) 10 내지 20 at%를 포함할 수 있다.Additionally, it may more preferably contain 2.5 to 5 at% of oxygen, 74 to 85 at% of carbon, 0.5 to 3 at% of a metal element, and 10 to 20 at% of fluorine (F).
또한, 상기 성분들에 추가로 상기 황(s)이 더 포함될 수도 있다.In addition, sulfur (s) may be further included in addition to the above components.
상기 하나 이상의 활물질층의 성분비는 광전자 분광기(XPS 또는 ESCA)를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 활물질층의 성분비는 Nexsa4(Thermo Fisher Scientific) 장치를 사용하여 측정될 수 있다. The composition ratio of the one or more active material layers can be measured using a photoelectron spectroscopy (XPS or ESCA). For example, the composition ratio of the one or more active material layers can be measured using a Nexsa4 (Thermo Fisher Scientific) device.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 탄소재 입자 및 금속 입자를 포함할 수 있으며, 상기 탄소재 입자는 예를 들어 비정질 탄소재 입자일 수 있다. 상기 비정질 탄소재의 구체적인 예로는, 아세틸렌블랙, 퍼니스블랙 및 케첸블랙 등의 카본블랙을 들 수 있다.In one embodiment of the present invention, the one or more active material layers may include carbon material particles and metal particles, and the carbon material particles may be, for example, amorphous carbon material particles. Specific examples of the amorphous carbon material include carbon black such as acetylene black, furnace black, and Ketjen black.
상기 비정질 탄소재 입자가 기공들을 포함하는 경우, 상기 기공의 크기는 1 nm 이하, 바람직하게는 0.5 nm 이하일 수 있다. 그러나, 상기 비정질 탄소재 입자는 기공을 포함하지 않는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 왜냐하면, 상기 비정질 탄소재 입자에 기공이 포함되는 경우, 상기 기공 내부에 리튬이 석출되고, 이러한 리튬이 불활성화될 수 있으며, 이와 같이 불활성화되는 리튬의 양은 충방전이 반복됨에 따라 증가될 수 있기 때문이다.When the amorphous carbon material particles include pores, the size of the pores may be 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less. However, it may be more preferable that the amorphous carbon material particles do not include pores. This is because when the amorphous carbon material particles include pores, lithium may be precipitated inside the pores, and the lithium may be deactivated, and the amount of lithium deactivated in this way may increase as charge and discharge are repeated.
상기 비정질 탄소재 입자의 기공 크기는 예를 들어 질소 흡착 실험을 통하여 측정하거나, 투과전자현미경을 통하여 측정할 수 있다. The pore size of the above amorphous carbon material particles can be measured, for example, through a nitrogen adsorption experiment or through a transmission electron microscope.
상기 탄소재 입자는 3 내지 10 at%의 산소를 포함하는 탄소재 입자일 수 있다. 상기에서 산소가 3 at% 미만으로 포함되는 경우, 활물질층의 표면조도가 현저하게 저하되므로 바람직하지 않으며, 10 at%를 초과할 경우 고체전해질과의 부반응으로 인한 전지의 성능저하가 발생하므로 바람직하지 않다.The above carbon material particles may be carbon material particles containing 3 to 10 at% of oxygen. If the oxygen content is less than 3 at%, the surface roughness of the active material layer is significantly reduced, which is not preferable. If the oxygen content exceeds 10 at%, the performance of the battery is reduced due to a side reaction with the solid electrolyte, which is not preferable.
상기에서 산소 함량의 하한 값은 3.5 at% 이상, 4 at% 이상, 또는 4.5 at% 이상일 수 있다. 또한, 상기 함량의 상한 값은 9.5 at% 이하, 9 at% 이하, 8 at% 이하, 7.5 at% 이하, 7 at% 이하, 6.5 at% 이하, 6 at% 이하, 또는 5.5 at% 이하일 수 있다. 상기 산소 함량은 상기 하한 값과 상한 값의 조합에 의해 구성되는 범위일 수 있다. 구체적으로, 상기 산소 함량은 5 내지 10 at%가 바람직할 수 있다.In the above, the lower limit of the oxygen content may be 3.5 at% or more, 4 at% or more, or 4.5 at% or more. In addition, the upper limit of the content may be 9.5 at% or less, 9 at% or less, 8 at% or less, 7.5 at% or less, 7 at% or less, 6.5 at% or less, 6 at% or less, or 5.5 at% or less. The oxygen content may be in a range formed by a combination of the lower limit value and the upper limit value. Specifically, the oxygen content may be preferably 5 to 10 at%.
본 발명의 일 실시형태에서 상기 산소는 탄소재 입자에 결합된 관능기에 포함된 형태로 존재할 수 있다. 또한, 상기 관능기는 카르복시기, 하이드록시기, 에테르기, 에스테르기, 알데히드기, 카보닐기 및 아마이드기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the oxygen may be present in a form included in a functional group bonded to carbon material particles. In addition, the functional group may include at least one selected from the group consisting of a carboxyl group, a hydroxyl group, an ether group, an ester group, an aldehyde group, a carbonyl group, and an amide group.
상기 산소가 3 내지 10 at%로 포함된 탄소재 입자는 예를 들어, 탄소재를 산화시키는 방법으로 제조될 수 있다. 구체적으로, 탄소재를 산으로 처리하고, 25℃내지 60℃의 온도에서 교반하면서 반응시켜서 산소 작용기를 탄소재 표면에 도입할 수 있다. 상기 산의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 탄소재의 표면에 산소 작용기를 도입할 수 있는 것이라면 어떠한 것도 가능하다. 상기 산으로는 예를 들어, 황산, 질산 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있으며, 과망산칼륨과 같은 산화제를 사용할 수도 있다.The carbon material particles containing 3 to 10 at% of oxygen can be produced, for example, by a method of oxidizing the carbon material. Specifically, the carbon material is treated with an acid and reacted while stirring at a temperature of 25 to 60° C., thereby introducing an oxygen functional group to the surface of the carbon material. The type of the acid is not particularly limited, and any acid that can introduce an oxygen functional group to the surface of the carbon material can be used. Examples of the acid include sulfuric acid, nitric acid, or a mixture thereof, and an oxidizing agent such as potassium permanganate can also be used.
상기 탄소재에 포함된 산소의 함량은 광전자 분광기(XPS 또는 ESCA)를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, K-Alpha(Thermo Fisher Scientific) 장치를 사용하여 측정될 수 있다. The content of oxygen contained in the above carbon material can be measured using a photoelectron spectroscopy (XPS or ESCA). For example, it can be measured using a K-Alpha (Thermo Fisher Scientific) device.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 산소는 탄소재 입자의 표면에 존재하는 것일 수 있다. 상기 표면은 탄소재 입자의 외부 표면만 의미하는 것은 아니며, 기공이 존재하는 경우, 기공의 표면을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the oxygen may be present on the surface of the carbon material particles. The surface does not mean only the outer surface of the carbon material particles, and includes the surface of the pores if pores exist.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 금속 입자는 리튬과 합금을 형성하는 입자일 수 있으며, 상기 금속 입자는 은(Ag), 금, 백금, 팔라듐, 규소, 알루미늄, 비스무트, 주석, 인듐 및 아연으로부터 선택되는 1 종 이상의 입자일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal particles may be particles forming an alloy with lithium, and the metal particles may be at least one particle selected from silver (Ag), gold, platinum, palladium, silicon, aluminum, bismuth, tin, indium, and zinc.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 금속 입자는 은(Ag)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it may be preferable that the metal particles include silver (Ag).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 다음의 표면조도를 갖는 특징을 가질 수 있다:In one embodiment of the present invention, the one or more active material layers may have the following surface roughness characteristics:
0.01 ㎛ ≤ Sa ≤ 0.3 ㎛0.01 ㎛ ≤ Sa ≤ 0.3 ㎛
0.5 ㎛ ≤ Sz ≤ 5 ㎛0.5 ㎛ ≤ Sz ≤ 5 ㎛
500 mm-1 ≤ Spc ≤ 1500 mm-1 500 mm -1 ≤ Spc ≤ 1500 mm -1
0.005 ≤ Sdr ≤ 0.15.0.005 ≤ Sdr ≤ 0.15.
표면조도가 상기 범위를 충족하는 경우, 전반적인 전지의 특성이 향상되며, 특히 수명특성이 향상될 수 있다. 구체적으로, 음극 활물질층의 표면조도가 상기 범위를 초과할 경우, 전해질 측 방향으로는 전해질층과 접촉이 충분히 이루어지지 않으며, 음극 집전체 측 방향으로는 리튬의 균일한 석출에 도움이 되지 않으므로, 전지의 특성을 저하시킬 수 있다.When the surface roughness satisfies the above range, the overall battery characteristics are improved, and in particular, the life characteristics can be improved. Specifically, when the surface roughness of the negative electrode active material layer exceeds the above range, sufficient contact with the electrolyte layer is not made in the electrolyte side direction, and uniform deposition of lithium is not facilitated in the negative electrode current collector side direction, which may deteriorate the battery characteristics.
상기에서 음극 활물질층의 표면조도는 현미경 장치를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, 3D 레이저 공초점 현미경(KEYENCE사 제조)장치를 사용하여 측정될 수 있다. The surface roughness of the negative electrode active material layer as described above can be measured using a microscope device. For example, it can be measured using a 3D laser confocal microscope device (manufactured by KEYENCE Corporation).
상기에서 Sa(프로파일의 산술 평균 높이)는 최대 0.3 ㎛ 이하, 0.2 ㎛ 이하, 0.1 ㎛ 이하, 0.08 ㎛ 이하, 또는 0.075 ㎛ 이하일 수 있으며, 최소 0.01 ㎛ 이상, 0.02 ㎛ 이상, 0.03 ㎛ 이상, 0.04 ㎛ 이상, 0.05 ㎛ 이상, 0.06 ㎛ 이상, 또는 0.07 ㎛ 이상일 수 있다. 또한, 상기 Sa는 0.01 ㎛ ≤ Sa ≤ 0.1 ㎛ 범위인 것이 더 바람직할 수 있으나, 이들 범위로 한정되는 것은 아니며, 상기 최대 값 및 최소 값의 조합 범위로 설정될 수 있다. 상기 Sa는 표면의 평균 면에 대해 각 점간 높이 차의 절대값의 평균값을 나타낸다. In the above, Sa (arithmetic mean height of the profile) may be at most 0.3 ㎛ or less, 0.2 ㎛ or less, 0.1 ㎛ or less, 0.08 ㎛ or less, or 0.075 ㎛ or less, and at least 0.01 ㎛ or more, 0.02 ㎛ or more, 0.03 ㎛ or more, 0.04 ㎛ or more, 0.05 ㎛ or more, 0.06 ㎛ or more, or 0.07 ㎛ or more. In addition, it may be more preferable that Sa is in the range of 0.01 ㎛ ≤ Sa ≤ 0.1 ㎛, but is not limited to these ranges, and may be set as a combined range of the maximum and minimum values. The Sa represents the average value of the absolute value of the height difference between each point with respect to the average plane of the surface.
상기에서 Sz(프로파일의 최대 높이 거칠기)는 최대 5 ㎛ 이하, 4 ㎛ 이하, 3 ㎛ 이하, 2 ㎛ 이하, 또는 1.5 ㎛ 이하일 수 있으며, 최소 0.5 ㎛ 이상, 0.8 ㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 1.1 ㎛ 이상, 1.2 ㎛ 이상, 또는 1.3 ㎛ 이상일 수 있다. 또한, 상기 Sz은 0.5 ㎛ ≤ Sz ≤ 1.6 ㎛ 범위인 것이 더 바람직할 수 있으나, 이들 범위로 한정되는 것은 아니며, 상기 최대 값 및 최소 값의 조합 범위로 설정될 수 있다. 상기 Sz은 단일면 내에서 최대 높이 거칠기로서, 단일 면 내에서 최고점과 최저점 간의 거리를 나타낸다.In the above, Sz (maximum height roughness of the profile) may be at most 5 ㎛ or less, 4 ㎛ or less, 3 ㎛ or less, 2 ㎛ or less, or 1.5 ㎛ or less, and may be at least 0.5 ㎛ or more, 0.8 ㎛ or more, 1 ㎛ or more, 1.1 ㎛ or more, 1.2 ㎛ or more, or 1.3 ㎛ or more. In addition, it may be more preferable that the Sz is in the range of 0.5 ㎛ ≤ Sz ≤ 1.6 ㎛, but is not limited to these ranges, and may be set as a combination range of the maximum and minimum values. The Sz is the maximum height roughness within a single plane, and represents the distance between the highest point and the lowest point within the single plane.
상기에서 Spc(피크 수에 의한 거칠기)는 최대 1500 mm-1 이하, 1400 mm-1 이하, 1300 mm-1 이하, 1200 mm-1 이하, 1100 mm-1 이하, 또는 1000 mm-1 이하일 수 있으며, 최소 500 mm-1 이상, 600 mm-1 이상, 700 mm-1 이상, 800 mm-1 이상, 또는 900 mm-1 이상일 수 있다. 또한, 500 mm-1 ≤ Spc ≤ 1100 mm-1 범위가 더 바람직할 수 있으나, 이들 범위로 한정되는 것은 아니며, 상기 최대 값 및 최소 값의 조합 범위로 설정될 수 있다. 상기 Spc는 피크수에 의한 거칠기로서 피크의 가파른 정도를 나타내는 척도이다.In the above, Spc (roughness by number of peaks) may be at most 1500 mm -1 or less, 1400 mm -1 or less, 1300 mm -1 or less, 1200 mm -1 or less, 1100 mm -1 or less, or 1000 mm -1 or less, and may be at least 500 mm -1 or more, 600 mm -1 or more, 700 mm -1 or more, 800 mm -1 or more, or 900 mm -1 or more. In addition, a range of 500 mm -1 ≤ Spc ≤ 1100 mm -1 may be more preferable, but is not limited to these ranges, and may be set as a combined range of the maximum and minimum values. The Spc is a roughness by number of peaks and is a measure of the steepness of a peak.
상기에서 Sdr(계면적 증가 정도)은 최대 0.15 이하, 0.1 이하, 0.05 이하, 0.03 이하, 또는 0.02 이하일 수 있으며, 최소 0.005 이상, 0.01 이상, 또는 0.015 이상일 수 있다. 또한, 0.005 ≤ Sdr ≤ 0.03 범위가 더 바람직할 수 있으나, 이 범위로 한정되는 것은 아니며, 상기 최대 값 및 최소 값의 조합 범위로 설정될 수 있다. 상기 Sdr은 계면의 증가 정도로서, 전개 면적(측정한 형상의 표면적)의 측정 영역을 수직으로 볼 때의 면적 대비 증가한 면적비를 의미한다. In the above, Sdr (degree of increase in interface area) may be at most 0.15 or less, 0.1 or less, 0.05 or less, 0.03 or less, or 0.02 or less, and at least 0.005 or more, 0.01 or more, or 0.015 or more. In addition, a range of 0.005 ≤ Sdr ≤ 0.03 may be more preferable, but is not limited to this range, and may be set to a range combined of the maximum and minimum values. The Sdr is the degree of increase in the interface, and means the ratio of the increased area to the area when viewing the measurement area of the expanded area (surface area of the measured shape) vertically.
상기에서 Sa, Sz, Spc, 및 Sdr의 의미를 기재하고 있지만, 이는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 의미와 동일한 의미로 사용된다. Although the meanings of Sa, Sz, Spc, and Sdr are described above, they are used in the same meanings as commonly used in this field.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 기공도가 55 내지 70%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 62 내지 67%일 수 있다. 기공도가 상기 범위를 충족시키는 경우 전극 내 코팅층의 균일성 확보라는 점에서 바람직한 효과를 얻을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the at least one active material layer may have a porosity of 55 to 70%, more preferably 62 to 67%. When the porosity satisfies the above range, a desirable effect can be obtained in terms of securing uniformity of the coating layer within the electrode.
상기에서 활물질층의 기공도는 활물질층의 무게 및 두께 값을 이용해 계산한 값이다. The porosity of the active material layer above is a value calculated using the weight and thickness values of the active material layer.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하나 이상의 활물질층은 3 내지 10 at%의 산소를 포함하는 탄소재 입자 60 내지 80 중량%, 금속 입자 10 내지 30 중량%, 및 바인더 3 내지 20 중량%를 포함할 수 있다. 또한, 상기 하나 이상의 활물질층은 3 내지 10 at%의 산소를 포함하는 탄소재 입자 65 내지 75 중량%, 금속 입자 20 내지 30 중량%, 및 바인더 4 내지 8 중량%를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the at least one active material layer may include 60 to 80 wt% of carbon material particles containing 3 to 10 at% of oxygen, 10 to 30 wt% of metal particles, and 3 to 20 wt% of binder. Additionally, the at least one active material layer may include 65 to 75 wt% of carbon material particles containing 3 to 10 at% of oxygen, 20 to 30 wt% of metal particles, and 4 to 8 wt% of binder.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 탄소재 입자 및 금속 입자는 탄소재-금속 복합체 형태로 포함될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon material particles and metal particles may be included in the form of a carbon material-metal composite.
최근에 전고체 리튬이온 이차전지로서, 예를 들어, 리튬과 합금을 형성하는 금속과 탄소재를 포함하는 음극 활물질층을 포함한 애노드리스 리튬이온 이차전지가 다양하게 연구되고 있다. Recently, various studies have been conducted on all-solid-state lithium-ion secondary batteries, for example, anodeless lithium-ion secondary batteries including a negative electrode active material layer containing a metal that forms an alloy with lithium and a carbon material.
상기 음극 활물질층은 마이크로 두께의 매우 얇은 박막으로 형성되며, 탄소재 입자와 금속 입자가 결합된 탄소재-금속 복합체를 포함하는 형태로 제조되고 있다. 그런데, 상기 종래의 탄소재-금속 복합체는 탄소재 입자와 금속 입자가 균일하게 분포되기 어렵다는 문제가 있었다. The above-mentioned negative active material layer is formed as a very thin film with a micro-thickness, and is manufactured in the form of a carbon material-metal composite in which carbon material particles and metal particles are combined. However, the conventional carbon material-metal composite has a problem in that it is difficult for the carbon material particles and the metal particles to be uniformly distributed.
더 나아가서, 종래의 탄소재-금속 복합체는 입도를 작게 형성하는 것이 매우 어렵다는 문제가 있었다. 즉, 탄소재-금속 복합체의 입도가 마이크로 두께의 박막대비 너무 클 경우 우수한 표면조도를 갖는 음극 활물질층을 형성하는 것이 어려우며, 이에 따라 전지의 구동 특성도 저하되므로, 탄소재-금속 복합체의 입도를 작게 제조하는 것은 매우 중요하다. Furthermore, conventional carbon-metal composites have the problem that it is very difficult to form them into small particle sizes. That is, if the particle size of the carbon-metal composite is too large compared to the micro-thick film, it is difficult to form a negative electrode active material layer having excellent surface roughness, and accordingly, the operating characteristics of the battery deteriorate. Therefore, it is very important to manufacture the carbon-metal composite into small particle sizes.
본 발명은 종래 기술의 상기와 같은 문제를 획기적으로 개선하는 효과를 제공한다.The present invention provides an effect that dramatically improves the above-mentioned problems of the prior art.
즉, 상기 탄소재-금속 복합체는 종래의 탄소재를 사용하는 경우와 비교하여 입도가 현저히 작은 탄소재-금속 복합체를 형성한다. 상기 복합체를 형성하는 상기 탄소재는 상기 산소가 3 at% 이상 포함되어 금속 입자와 잘 혼합되고, 금속 입자와 균일하게 분포되는 특성을 갖는다. 따라서 성분 균일도가 우수한 탄소재-금속 복합체를 제조하는 것을 가능하게 한다. 또한, 위와 같은 이유로 작고 균일한 입도의 탄소재-금속 복합체를 제조하는 것을 가능하게 한다.That is, the carbon material-metal composite forms a carbon material-metal composite having a significantly smaller particle size compared to a case where a conventional carbon material is used. The carbon material forming the composite has the characteristics of containing 3 at% or more of oxygen, being well mixed with the metal particles, and being uniformly distributed with the metal particles. Therefore, it is possible to manufacture a carbon material-metal composite having excellent component uniformity. In addition, for the above reason, it is possible to manufacture a carbon material-metal composite having a small and uniform particle size.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄소재-금속 복합체는 탄소재 입자와 금속 입자의 화학 결합, 탄소재 입자와 금속 입자의 반데르발스 결합, 및 탄소재 입자와 금속 입자의 바인더에 의한 결합 중에서 선택되는 하나 이상의 결합에 의해 구성된 것일 수 있다. 상기 화학결합은 금속 입자(예: Ag)와 탄소재에 포함된 산소와의 금속(예: Ag)-O 결합일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon material-metal composite may be formed by at least one bond selected from a chemical bond between carbon material particles and metal particles, a van der Waals bond between carbon material particles and metal particles, and a bond between carbon material particles and metal particles via a binder. The chemical bond may be a metal (e.g., Ag)-O bond between a metal particle (e.g., Ag) and oxygen contained in the carbon material.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄소재-금속 복합체는 전체 중량을 기준으로 60 내지 90 중량%의 탄소재 및 10 내지 40 중량%의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 70 내지 80 중량%의 탄소재 및 20 내지 30 중량%의 금속을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon material-metal composite may include 60 to 90 wt% of carbon material and 10 to 40 wt% of metal based on the total weight. In addition, it may include 70 to 80 wt% of carbon material and 20 to 30 wt% of metal.
또한, 상기 탄소재-금속 복합체는 전체 복합체 중량을 기준으로 3 내지 10 중량%의 바인더를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소재-금속 복합체의 습식 제조시 탄소재 입자 및 금속 입자와 함께 용제에 용해시킨 바인더를 사용할 수 있는데, 이 경우, 탄소재-금속 복합체에 바인더가 포함될 수 있다. 상기 바인더가 포함되는 경우, 위에 기재된 탄소재의 함량은 상기 바인더의 함량만큼 감소된 함량범위로 포함될 수 있다.In addition, the carbon material-metal composite may further include 3 to 10 wt% of a binder based on the total weight of the composite. For example, when wet-producing the carbon material-metal composite, a binder dissolved in a solvent together with carbon material particles and metal particles may be used, in which case the binder may be included in the carbon material-metal composite. When the binder is included, the content of the carbon material described above may be included in a content range reduced by the content of the binder.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄소재 입자는 입도(D50)가 10nm 내지 100nm 또는 20nm 내지 60nm인 것이 사용될 수 있으며, 상기 금속 입자는 입도(D50)가 20nm 내지 100nm, 20nm 내지 60nm, 또는 30nm 내지 60nm인 것이 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon material particles may be used having a particle size (D50) of 10 nm to 100 nm or 20 nm to 60 nm, and the metal particles may be used having a particle size (D50) of 20 nm to 100 nm, 20 nm to 60 nm, or 30 nm to 60 nm.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄소재-금속 복합체의 입도(D50)는 0.1㎛ 내지 0.5㎛일 수 있다. 상기 입도의 상한 값은 0.4㎛ 또는 0.3㎛일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the particle size (D50) of the carbon material-metal composite may be 0.1 μm to 0.5 μm. The upper limit of the particle size may be 0.4 μm or 0.3 μm.
또한, 상기 탄소재-금속 복합체의 최대 입자 사이즈는 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1.5㎛ 이하, 1㎛ 이하일 수 있다.Additionally, the maximum particle size of the carbon material-metal composite may be 3 ㎛ or less, 2 ㎛ or less, 1.5 ㎛ or less, or 1 ㎛ or less.
상기 탄소재-금속 복합체의 입도가 마이크로 두께의 박막대비 너무 클 경우 우수한 표면조도를 갖는 음극 활물질층을 형성하는 것이 어려우며, 이에 따라 전지의 구동 특성도 저하되므로, 탄소재-금속 복합체의 입도를 작게 제조하는 것은 매우 중요하다. If the particle size of the carbon material-metal composite is too large compared to the micro-thick film, it is difficult to form a negative active material layer with excellent surface roughness, and thus the operating characteristics of the battery deteriorate. Therefore, it is very important to manufacture the carbon material-metal composite with a small particle size.
상기 전지의 구동 특성이 저하되는 이유는 음극 활물질층의 표면조도가 클 경우, 전해질 측 방향으로는 전해질층과 접촉이 충분히 이루어지지 않으며, 음극 집전체 측 방향으로는 리튬의 균일한 석출에 도움이 되지 않기 때문이다. The reason why the operating characteristics of the above battery are deteriorated is that when the surface roughness of the negative electrode active material layer is large, sufficient contact with the electrolyte layer is not made in the direction of the electrolyte, and it does not help in the uniform deposition of lithium in the direction of the negative electrode current collector.
애노드 리스 리튬이온 이차전지에서 음극 활물질층의 두께는 통상적으로 1 ㎛ 내지 100 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 60 ㎛ 범위로 형성될 수 있으며, 구체적으로는 10㎛, 20㎛, 30㎛, 40㎛, 50㎛ 등의 두께로 형성될 수 있다. In an anode-less lithium-ion secondary battery, the thickness of the negative electrode active material layer can typically be formed in a range of 1 ㎛ to 100 ㎛, or 10 ㎛ to 60 ㎛, and specifically, can be formed in a thickness of 10 ㎛, 20 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, etc.
예를 들어, 두께가 20㎛인 음극 활물질층을 형성하는데, 입도가 10㎛인 탄소재-금속 복합체를 사용한다면, 바람직한 표면조도를 형성하기 어려운 것은 자명하다.For example, if a carbon-metal composite having a particle size of 10 μm is used to form a negative electrode active material layer having a thickness of 20 μm, it is obvious that it is difficult to form a desirable surface roughness.
상기 탄소재-금속 복합체의 최대 입도가 3㎛ 이하일 경우, 표면조도 향상 효과를 더 확실하게 얻을 수 있으므로 바람직하다. 반면, 3㎛를 초과할 경우에는 박막의 형성시 우수한 표면조도를 얻기 어려울 수 있다. When the maximum particle size of the above carbon material-metal composite is 3㎛ or less, the effect of improving surface roughness can be more reliably obtained, which is preferable. On the other hand, when it exceeds 3㎛, it may be difficult to obtain excellent surface roughness when forming a thin film.
상기 탄소재-금속 복합체의 입도는 입도분석기를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, Mastersizer 3000(Malvem panalytical) 기기를 사용하여 측정될 수 있다.The particle size of the above carbon-metal composite can be measured using a particle size analyzer. For example, it can be measured using a Mastersizer 3000 (Malvem panalytical) instrument.
본 발명은 The present invention
상기 탄소재-금속 복합체를 포함하는 음극활물질 슬러리에 관한 것이다. It relates to a negative electrode active material slurry comprising the above carbon material-metal composite.
상기 음극활물질 슬러리는 shear rate 2.5 s-1에서의 점도가 8 Pa·s 이하, 7 Pa·s 이하, 6 Pa·s 이하, 또는 5 Pa·s 이하일 수 있다. The above negative active material slurry may have a viscosity at a shear rate of 2.5 s -1 of 8 Pa·s or less, 7 Pa·s or less, 6 Pa·s or less, or 5 Pa·s or less.
상기 음극활물질 슬러리는 탄소재-금속 복합체 15 내지 50 중량%, 바인더(고형분 기준) 1 내지 10 중량%, 및 용제 40 내지 80 중량%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 탄소재-금속 복합체 25 내지 35 중량%, 바인더 1 내지 5 중량%, 및 용제 60 내지 70중량%를 포함할 수 있다. 또한, 이 분야의 음극활물질 슬러리에 포함되는 첨가제가 더 포함될 수 있다.The above-described negative active material slurry may include 15 to 50 wt% of the carbon material-metal composite, 1 to 10 wt% of the binder (based on solid content), and 40 to 80 wt% of the solvent, and preferably 25 to 35 wt% of the carbon material-metal composite, 1 to 5 wt% of the binder, and 60 to 70 wt% of the solvent. In addition, an additive included in the negative active material slurry of this field may be further included.
본 발명은 The present invention
상기 탄소재-금속 복합체를 포함하는 음극 활물질층에 관한 것이다.It relates to a negative electrode active material layer including the above carbon material-metal composite.
상기 음극 활물질층은 탄소재와 금속이 균일하게 분포되고, 표면조도가 우수하여 이를 포함하는 리튬이온 이차전지의 구동 특성을 향상시키는 효과를 제공한다. The above negative active material layer has carbon material and metal uniformly distributed and has excellent surface roughness, thereby providing the effect of improving the operating characteristics of a lithium ion secondary battery including the same.
또한, 본 발명은 In addition, the present invention
상기 음극; 양극; 및 상기 음극과 양극 사이에 게재된 전해질을 포함하는 리튬이온 이차전지를 제공한다.A lithium ion secondary battery is provided, comprising the above negative electrode; the positive electrode; and an electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode.
상기 리튬이온 이차전지는 애노드리스 전지일 수 있다. The above lithium ion secondary battery may be an anodeless battery.
상기 리튬이온 이차전지는 본 발명의 음극 활물질층을 포함함으로써, 향상된 구동 특성을 제공한다.The above lithium ion secondary battery provides improved driving characteristics by including the negative electrode active material layer of the present invention.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 고체전해질은 황화물계 고체전해질일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the solid electrolyte may be a sulfide-based solid electrolyte.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 리튬이온 이차전지는 애노드리스 전지일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lithium ion secondary battery may be an anodeless battery.
이하에서 본 발명의 실시형태를 더 구체적으로 예시한다.Hereinafter, embodiments of the present invention are exemplified in more detail.
<전고체 리튬이온 이차전지의 구성><Composition of an all-solid-state lithium-ion secondary battery>
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전고체 리튬이온 이차전지의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an all-solid-state lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시형태에 따른 전고체 리튬이온 이차전지(100)는 양극(10)과 음극(20) 사이를 리튬이온이 이동함으로써 충방전을 실시하는, 소위 리튬이온 이차전지이다. 구체적으로 이 전고체 리튬이온 이차전지(100)는, 도 1에서 보이는 바와 같이, 양극(10), 음극(20), 및 양극(10)과 음극(20) 사이에 배치된 고체전해질층(30)으로 구성된다.An all-solid-state lithium ion secondary battery (100) according to one embodiment of the present invention is a so-called lithium ion secondary battery that performs charging and discharging by lithium ions moving between a positive electrode (10) and an negative electrode (20). Specifically, as shown in Fig. 1, this all-solid-state lithium ion secondary battery (100) is composed of a positive electrode (10), a negative electrode (20), and a solid electrolyte layer (30) arranged between the positive electrode (10) and the negative electrode (20).
(1) 양극(1) Bipolar
도 1에 도시된 바와 같이, 양극(10)은 음극(20)을 향하여 차례로 배치된 양극 집전체(12) 및 양극활물질층(14)을 포함한다.As shown in Fig. 1, the positive electrode (10) includes a positive electrode current collector (12) and a positive electrode active material layer (14) arranged in sequence toward the negative electrode (20).
양극 집전체(12)는 판상 또는 포일상(foil)일 수 있다. 양극 집전체(12)는, 예를 들어, 인듐, 구리, 마그네슘, 스테인레스 스틸, 티타늄, 철, 코발트, 니켈, 아연, 알루미늄, 게르마늄, 리튬으로부터 선택되는 1 종의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금일 수 있다.The positive electrode collector (12) may be plate-shaped or foil-shaped. The positive electrode collector (12) may be, for example, one type of metal or an alloy of two or more types of metals selected from indium, copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, and lithium.
양극활물질층(14)은 리튬이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있다. 양극활물질층(14)은 양극활물질 및 고체전해질을 포함할 수 있다.The cathode active material layer (14) can reversibly absorb and release lithium ions. The cathode active material layer (14) can include a cathode active material and a solid electrolyte.
상기 양극활물질은 리튬의 삽입/탈리가 가능한 화합물일 수 있다. 상기 리튬의 삽입/탈리가 가능한 화합물의 예로는, LiaA1-bB'bD'2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 및 0≤b≤0.5이다); LiaE1-bB'bO2-cD'c(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiE2-bB'bO4-cD'c(상기 식에서, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05이다); LiaNi1-b-cCobB'cD'α(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1-b-cCobB'cO2-αF'α(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNi1-b-cMnbB'cD'α(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2이다); LiaNi1-b-cMnbB'cO2-αF'α(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaCoGbO2(상기식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiI'O2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 것을 들 수 있다.The above cathode active material may be a compound capable of lithium insertion/de-insertion. Examples of the compound capable of lithium insertion/de-insertion include Li a A 1-b B' b D' 2 (wherein the above formula, 0.90≤a≤1.8, and 0≤b≤0.5); Li a E 1 - b B' b O 2-c D' c (wherein the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiE 2-b B' b O 4-c D' c (wherein the above formula, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); Li a Ni 1-bc Co b B' c D' α (wherein the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1-bc Co b B' c O 2-α F' α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni 1-bc Mn b B' c D' α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2); Li a Ni 1-bc Mn b B' c O 2-α F' α (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2); Li a Ni b E c G d O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1); Li a NiG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a CoG b O 2 (in the above formula, 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a MnG b O 2 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (wherein 0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiI'O 2 ; LiNiVO 4 ; Li ( 3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0≤f≤2); LiFePO 4 .
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B'는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D'는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F'는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I'는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.In the chemical formula, A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof; B' is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof; D' is O, F, S, P, or a combination thereof; E is Co, Mn, or a combination thereof; F' is F, S, P, or a combination thereof; G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof; Q is Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; I' is Cr, V, Fe, Sc, Y, or a combination thereof; J is V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.
상기 양극활물질의 구체적인 예로는, 코발트산 리튬(이하 LCO라 함), 니켈 산 리튬, 니켈코발트산 리튬, 니켈코발트알루미늄산 리튬(이하, NCA이라 함), 니켈코발트망간산 리튬(이하 NCM이라 함), 망간산 리튬 및 리튬철인산염 등의 리튬염, 및 황화리튬 등을 들 수 있다. 양극활물질층(14)은 양극활물질로서 이러한 화합물에서 선택되는 1 종만을 포함할 수 있고, 또한 2종 이상을 포함할 수 있다.Specific examples of the above-mentioned positive electrode active material include lithium cobaltate (hereinafter referred to as LCO), lithium nickelate, lithium nickel cobaltate, lithium nickel cobalt aluminum acid (hereinafter referred to as NCA), lithium nickel cobalt manganese acid (hereinafter referred to as NCM), lithium manganese acid, lithium iron phosphate, and lithium salts, and lithium sulfide. The positive electrode active material layer (14) may include only one selected from these compounds as the positive electrode active material, or may include two or more.
상기 양극활물질은 상술한 리튬염 중 층상 암염형 구조를 갖는 전이금속 산화물의 리튬염을 포함할 수 있다. 여기에서, 「층상 암염형 구조」는 입방정 암염형 구조의 방향으로 산소 원자층과 금속 원자층이 교대로 규칙적으로 배열하고 그 결과 각각의 원자층이 이차원 평면을 형성하고 있는 구조이다. 또한 「입방정 암염형 구조」는 결정 구조의 1종인 염화나트륨형 구조인 것을 의미한다. 예를 들어, 「입방정 암염형 구조」는 양이온 및 음이온 각각 형성된 면심 입방 격자가 서로 단위격자의 모서리의 1/2만큼 어긋나서 배치된 구조를 나타낸다.The above-described positive electrode active material may include a lithium salt of a transition metal oxide having a layered salt-like structure among the lithium salts described above. Here, the “layered salt-like structure” is a structure in which oxygen atomic layers and metal atomic layers are alternately and regularly arranged in the direction of the cubic salt-like structure, and as a result, each atomic layer forms a two-dimensional plane. In addition, the “cubic salt-like structure” means a sodium chloride-like structure, which is a type of crystal structure. For example, the “cubic salt-like structure” refers to a structure in which face-centered cubic lattices in which cations and anions are respectively formed are arranged displaced by half of the edges of the unit cell.
이러한 층상 암염형 구조를 갖는 전이금속 산화물의 리튬염으로는, 예를 들어, LiNixCoyAlzO2(NCA) 또는 LiNixCoyMnzO2(NCM) (단, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, x + y + z = 1) 등과 같은 삼원계 리튬 전이금속 산화물일 수 있다. 양극활물질층(14)은 이러한 층상 암염형 구조를 갖는 삼원계 전이금속 산화물의 리튬염을 양극활물질로 포함하여 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 에너지 밀도 및 열 안정성을 향상시킬 수 있다.The lithium salt of the transition metal oxide having such a layered rock salt structure may be, for example, a ternary lithium transition metal oxide such as LiNi x Co y Al z O 2 (NCA) or LiNi x Co y Mn z O 2 (NCM) (where 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, and x + y + z = 1). The cathode active material layer (14) includes a lithium salt of the ternary transition metal oxide having such a layered rock salt structure as a cathode active material, thereby improving the energy density and thermal stability of the all-solid-state lithium ion secondary battery (100).
여기서, 양극활물질의 형상으로는, 예를 들어, 진구형, 타원 구형 등의 입자 형상을 들 수 있다. 또한 양극활물질의 입경은 특별히 제한되지 않으며, 통상적인 전고체 리튬이온 이차전지의 양극활물질에 적용가능한 범위이면 된다. 또한, 양극활물질층(14)에서 양극활물질의 함량도 특별히 제한되지 않고, 통상적인 전고체 리튬이온 이차전지의 양극에 적용 가능한 범위 내라면 가능하다.Here, as the shape of the positive electrode active material, examples thereof include particle shapes such as spherical, elliptical, and spherical. In addition, the particle size of the positive electrode active material is not particularly limited, and may be within a range applicable to positive electrode active materials of a typical all-solid-state lithium-ion secondary battery. In addition, the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer (14) is not particularly limited, and may be within a range applicable to positive electrodes of a typical all-solid-state lithium-ion secondary battery.
물론, 상기 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트, 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 이 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. Of course, it is also possible to use one having a coating layer on the surface of the compound, or it is also possible to use a mixture of the compound and the compound having the coating layer. The coating layer may include a coating element compound of an oxide, a hydroxide, an oxyhydroxide of the coating element, an oxycarbonate of the coating element, or a hydroxycarbonate of the coating element of the coating element. The compounds forming these coating layers may be amorphous or crystalline. The coating elements included in the coating layer may include Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, or mixtures thereof. The coating layer forming process may use any coating method as long as it can coat the compound with these elements by a method (for example, spray coating, dipping, etc.) that does not adversely affect the properties of the positive electrode active material, and since this is well understood by those engaged in this field, a detailed description thereof will be omitted.
상기 코팅층의 구체적인 예로는 Li2O-ZrO2 등을 들 수 있다.Specific examples of the above coating layer include Li 2 O-ZrO 2 , etc.
양극활물질층(14)에 포함되는 고체전해질은 후술하는 고체전해질층(30)에 포함되는 고체전해질과 동종일 수도 있고 다른 것일 수도 있다.The solid electrolyte included in the cathode active material layer (14) may be the same as or different from the solid electrolyte included in the solid electrolyte layer (30) described later.
또한, 양극활물질층(14)은 상술한 양극활물질 및 고체전해질뿐만 아니라, 예를 들어, 도전제, 바인더(결착제), 필러(filler), 분산제, 또는 이온 전도성 보조제 등의 첨가제를 적절히 배합한 것일 수도 있다.In addition, the cathode active material layer (14) may be a mixture of not only the cathode active material and solid electrolyte described above, but also an appropriate amount of additives such as a conductive agent, a binder, a filler, a dispersant, or an ion conductive assistant.
상기 도전제로는, 예를 들어, 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸(Ketjen) 블랙, 카본섬유, 또는 금속분말 등을 들 수 있다. 또한 상기 바인더(결착제)로는, 예를 들어, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride), 또는 폴리에틸렌(polyethylene) 등을 들 수 있다. 또한 상기 필러(filler), 분산제, 또는 이온 전도성 보조제 등으로는 통상적으로 전고체 리튬이온 이차전지의 전극에 사용되는 공지의 재료를 사용할 수 있다.As the above-mentioned challenge agent, for example, graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, or metal powder may be mentioned. In addition, as the above-mentioned binder, for example, styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or polyethylene may be mentioned. In addition, as the above-mentioned filler, dispersant, or ion conductive auxiliary agent, a known material typically used in an electrode of an all-solid-state lithium ion secondary battery may be used.
(2) 음극(2) Cathode
음극(20)은 양극(10)을 향해 차례로 배치된 음극 집전체(22) 및 음극 활물질층(24)을 포함할 수 있다.The negative electrode (20) may include a negative electrode current collector (22) and a negative electrode active material layer (24) arranged sequentially toward the positive electrode (10).
음극 집전체(22)는 판상 또는 포일상(foil)일 수 있다. 음극 집전체(22)는, 리튬과 반응하지 않는, 즉 리튬과 합금 및 화합물 중 어느 것도 형성하지 않는 재료를 포함할 수 있다. 음극 집전체(22)를 구성하는 재료로는, 예를 들면, 구리, 스테인레스 스틸, 티타늄, 철, 코발트 및 니켈 등을 들 수 있다. 음극 집전체(22)는, 이들 금속 중에서 1종으로 구성되어 있을 수도 있고, 2종 이상의 금속의 합금 또는 클래드(clad, 피복) 재료로 구성되어 있을 수도 있다.The negative electrode current collector (22) may be plate-shaped or foil-shaped. The negative electrode current collector (22) may include a material that does not react with lithium, that is, does not form any alloy or compound with lithium. Examples of materials constituting the negative electrode current collector (22) include copper, stainless steel, titanium, iron, cobalt, and nickel. The negative electrode current collector (22) may be composed of one of these metals, or may be composed of an alloy of two or more metals or a clad material.
음극 활물질층(24)은 초기 상태 또는 완전 방전후 상태에서 상기 음극 집전체(22), 상기 음극 활물질층(24), 또는 상기 음극 활물질층(24)과 고체전해질층(30) 사이에는 리튬이 포함되지 않을 수 있다. 후술하는 바와 같이, 일 구현예에 따른 전고체 리튬이온 이차전지(100)를 과충전하면, 음극 활물질층(24)이 함유하는 음극활물질과 양극(10)에서 이동해온 리튬이온이 합금 또는 화합물을 형성하고 도 2와 같이 리튬을 주성분으로하는 금속층(26)이 음극(20)에 형성(석출)될 수 있다. 상기 금속층(26)은 상기 음극 집전체(22)와 상기 음극 활물질층(24) 사이, 상기 음극 활물질층(24)의 내부, 또는 이들 모두에 석출되어 배치될 수 있다. 상기 음극 집전체(22)와 상기 음극 활물질층(24) 사이에서 상기 리튬을 주성분으로 하는 금속층(26)은 상기 음극 활물질층(24) 보다 음극 집전체층(22)에 근접하여 배치될 수 있다.The negative active material layer (24) may not contain lithium between the negative current collector (22), the negative active material layer (24), or the negative active material layer (24) and the solid electrolyte layer (30) in the initial state or the fully discharged state. As described below, when the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) according to one embodiment is overcharged, the negative active material contained in the negative active material layer (24) and lithium ions moved from the positive electrode (10) may form an alloy or compound, and a metal layer (26) mainly composed of lithium may be formed (deposited) on the negative electrode (20) as shown in FIG. 2. The metal layer (26) may be deposited and arranged between the negative current collector (22) and the negative active material layer (24), inside the negative active material layer (24), or in both. Between the negative electrode current collector (22) and the negative electrode active material layer (24), the metal layer (26) containing lithium as a main component may be arranged closer to the negative electrode current collector layer (22) than to the negative electrode active material layer (24).
일 구현예에 따른 음극 활물질층(24)은 음극활물질로서 Ag를 포함할 수 있다. 따라서 과충전시 형성되는 금속층(26)은 리튬 중에 Ag가 고용된 γ1 상, βLi 상 또는 이들 조합의 상을 포함한 Li(Ag) 합금을 포함할 수 있다. 따라서 방전시에는 금속층(26)을 구성하는 Li(Ag) 합금에서 Li만 용해하고 고용한 Ag가 잔존하여 공극의 발생을 억제할 수 있다. 이 경우, 석출한 Li-Ag 고용체에서 Ag의 함량은 60 중량% 이하일 수 있다. 이와 같은 범위라면, Ag의 영향에 의한 평균 방전전위의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다. 한편, 석출한 Li-Ag 고용체 중의 Ag의 함량이 너무 적으면, 방전시에 잔존하는 Ag의 양이 적어지고, 공극의 발생을 충분히 억제할 수 없을 수 있다. 이 때문에, 석출한 Li-Ag 고용체 중의 Ag의 함량은 20 중량% 이상, 예를 들어 40 중량% 이상일 수 있다.The negative active material layer (24) according to one embodiment may include Ag as the negative active material. Accordingly, the metal layer (26) formed during overcharge may include a Li(Ag) alloy including a γ1 phase, a βLi phase, or a combination thereof in which Ag is dissolved in lithium. Therefore, during discharge, only Li is dissolved in the Li(Ag) alloy constituting the metal layer (26), and the dissolved Ag remains, thereby suppressing the occurrence of pores. In this case, the content of Ag in the precipitated Li-Ag solid solution may be 60 wt% or less. Within this range, the decrease in the average discharge potential due to the influence of Ag can be effectively suppressed. On the other hand, if the content of Ag in the precipitated Li-Ag solid solution is too small, the amount of Ag remaining during discharge becomes small, and the occurrence of pores may not be sufficiently suppressed. For this reason, the content of Ag in the precipitated Li-Ag solid solution may be 20 wt% or more, for example, 40 wt% or more.
상기 음극 활물질층(24)이 포함하는 Ag의 함량이 너무 작으면, 방전시에 잔존하는 Ag도 줄어들기 때문에 공극의 발생을 억제할 수 없게 될 수 있다. 이 때문에, 음극 활물질층(24)은 충방전을 하지 않은 초기상태에서, 음극 활물질층에 포함된 음극활물질 전체 100 중량%를 기준으로, Ag를 10 중량% 이상, 예를 들어 20 중량% 이상 포함할 수 있다.If the content of Ag included in the above-described negative electrode active material layer (24) is too small, the Ag remaining during discharge also decreases, so it may become impossible to suppress the occurrence of pores. For this reason, the negative electrode active material layer (24) may include Ag at 10 wt% or more, for example, 20 wt% or more, based on 100 wt% of the total negative electrode active material included in the negative electrode active material layer, in the initial state where no charge or discharge has been performed.
상기 음극 활물질층(24)은 Ag 이외의 임의의 음극활물질로서, 예를 들어, 비정질 탄소, Au, Pt, Pd, Si, Al, Bi, Sn, In 및 Zn으로부터 선택되는 1 종 이상을 더 포함할 수 있다. The above negative electrode active material layer (24) may further include any negative electrode active material other than Ag, for example, at least one selected from amorphous carbon, Au, Pt, Pd, Si, Al, Bi, Sn, In, and Zn.
음극 활물질층(24)에 포함되는 탄소재로는 비정질 탄소가 바람직하게 사용될 수 있다. 그러나 상기 탄소재가 비정질 탄소로 한정되는 것은 아니다. 상기 비정질 탄소의 구체적인 예로는, 아세틸렌블랙, 퍼니스블랙 및 케첸블랙 등의 카본블랙, 그래핀, 또는 이들 조합을 들 수 있다.Amorphous carbon can be preferably used as the carbon material included in the negative electrode active material layer (24). However, the carbon material is not limited to amorphous carbon. Specific examples of the amorphous carbon include carbon black such as acetylene black, furnace black, and Ketjen black, graphene, or a combination thereof.
음극 활물질층(24)에 포함된 음극활물질 전체 100 중량%를 기준으로, Ag 이외의 음극활물질을 합쳐서 50 중량% 이상, 예를 들어 70 중량% 이상일 수 있다. Ag 이외의 음극활물질의 함량은, 상기 Ag의 함량과 동일한 방법으로 측정할 수 있다.Based on 100 wt% of the total negative electrode active material included in the negative electrode active material layer (24), the negative electrode active material other than Ag may be combined to be 50 wt% or more, for example, 70 wt% or more. The content of the negative electrode active material other than Ag may be measured in the same manner as the content of Ag.
음극 활물질층(24)은 바인더(결착제)를 더 포함할 수 있다. 바인더(결착제)를 포함함으로써, 음극 활물질층(24)을 음극 집전체(22) 상에 안정화시킬 수 있다. 바인더(결착제)를 구성하는 재료로서는, 예를 들어, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리에틸렌 등의 수지재료를 들 수 있다. 바인더(결착제)는 이러한 수지 재료로부터 선택되는 1 종 이상으로 구성될 수 있다.The negative electrode active material layer (24) may further include a binder. By including the binder, the negative electrode active material layer (24) can be stabilized on the negative electrode current collector (22). Examples of materials constituting the binder (binding agent) include resin materials such as styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyethylene. The binder (binding agent) may be composed of one or more types selected from these resin materials.
또한 음극 활물질층(24)은 통상적인 전고체 리튬이온 이차전지에 사용되는 첨가제, 예를 들면 필러, 분산제, 이온도전제 등이 적절하게 배합되어 있어도 좋다. 상기 첨가제의 구체적인 예에 대해서는 전술한 양극에서 설명한 내용과 동일하다.In addition, the negative electrode active material layer (24) may be appropriately mixed with additives used in conventional all-solid-state lithium ion secondary batteries, such as fillers, dispersants, and ionic conductors. Specific examples of the additives are the same as those described for the positive electrode described above.
상기 음극 활물질층(24)의 전체 두께는 특별히 제한되지 않지만, 1 ㎛ 내지 100 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 60 ㎛일 수 있다. 상기 음극 활물질층(24)의 두께가 1 ㎛ 미만이 되는 경우, 전고체 이차전지의 성능이 충분히 개선되지 않을 수 있다. 상기 음극 활물질층(24)의 두께가 100 ㎛를 초과할 경우, 음극 활물질층(24)의 저항이 높아 결과적으로 전고체 이차전지의 성능이 충분히 개선되지 않을 수 있다. 상술한 바인더를 사용하면, 음극 활물질층(24)의 두께를 적정 수준으로 용이하게 확보할 수 있다.The total thickness of the negative active material layer (24) is not particularly limited, but may be 1 ㎛ to 100 ㎛, or 10 ㎛ to 60 ㎛. If the thickness of the negative active material layer (24) is less than 1 ㎛, the performance of the all-solid-state secondary battery may not be sufficiently improved. If the thickness of the negative active material layer (24) exceeds 100 ㎛, the resistance of the negative active material layer (24) is high, and as a result, the performance of the all-solid-state secondary battery may not be sufficiently improved. If the binder described above is used, the thickness of the negative active material layer (24) can be easily secured at an appropriate level.
한편, 상기 음극 집전체(22) 상에 리튬과 합금 또는 화합물의 형성이 가능한 재료를 포함하는 막을 더 포함하고, 상기 막은 상기 음극 집전체(22) 와 상기 음극 활물질층 사이에 배치될 수 있다.Meanwhile, a film including a material capable of forming an alloy or compound with lithium may be further included on the negative electrode current collector (22), and the film may be placed between the negative electrode current collector (22) and the negative electrode active material layer.
상기 음극 집전체(22)는 리튬 금속과 반응하지 않지만 상부에 매끈한 리튬 금속층을 석출시키는 것을 어렵게 만들 수 있다. 상기 막은 리튬 금속이 상기 음극 집전체(22) 상부에 평탄하게 석출되게하는 습윤층(wetting layer)으로도 사용될 수 있다.The above negative electrode current collector (22) does not react with lithium metal, but can make it difficult to deposit a smooth lithium metal layer on top. The above film can also be used as a wetting layer that allows lithium metal to be deposited evenly on top of the negative electrode current collector (22).
상기 막에 사용되는 리튬 금속과 합금 형성이 가능한 재료로는 실리콘, 마그네슘, 알루미늄, 납, 은, 주석, 또는 이들 조합을 포함할 수 있다. 상기 막에 사용되는 리튬 금속과 화합물 형성이 가능한 재료는 탄소, 황화티타늄, 황화철, 또는 이들 조합을 포함할 수 있다. 상기 막에 사용된 재료의 함량은 전극의 전기화학적 성질 또는/및 전극의 산화환원 전위에 영향을 미치지 않는 한도 내에서 소량일 수 있다. 상기 막은 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 충전 사이클 동안의 균열을 방지하기 위하여 상기 음극 집전체(22) 상에 평탄하게 적용될 수 있다. 상기 막의 적용은 증발 또는 스퍼터링과 같은 물리적 증착, 화학적 증착 또는 도금법 등의 방법이 사용될 수 있다.The material capable of forming an alloy with lithium metal used in the film may include silicon, magnesium, aluminum, lead, silver, tin, or a combination thereof. The material capable of forming a compound with lithium metal used in the film may include carbon, titanium sulfide, iron sulfide, or a combination thereof. The content of the material used in the film may be a small amount within a range that does not affect the electrochemical properties of the electrode or/and the redox potential of the electrode. The film may be applied flatly on the negative electrode current collector (22) to prevent cracking during the charge cycle of the all-solid-state lithium ion secondary battery (100). The film may be applied using a method such as physical deposition such as evaporation or sputtering, chemical deposition, or a plating method.
상기 막의 두께는 1 nm 내지 500 nm일 수 있다. 상기 막의 두께는 예를 들어, 2 nm 내지 400 nm일 수 있다. 상기 막의 두께는 예를 들어, 3 nm 내지 300 nm일 수 있다. 상기 막의 두께는 예를 들어, 4 nm 내지 200 nm일 수 있다. 상기 막의 두께는 예를 들어, 5 nm 내지 100 nm일 수 있다.The thickness of the film may be from 1 nm to 500 nm. The thickness of the film may be, for example, from 2 nm to 400 nm. The thickness of the film may be, for example, from 3 nm to 300 nm. The thickness of the film may be, for example, from 4 nm to 200 nm. The thickness of the film may be, for example, from 5 nm to 100 nm.
(3) 고체전해질층(3) Solid electrolyte layer
고체전해질층(30)은 양극(10)과 음극(20) 사이(예를 들어, 양극활물질층(14)과 음극 활물질층(24) 사이)에 배치되어 있다. 고체전해질층(30)은 이온을 이동시킬 수 있는 고체전해질을 포함한다. 상기 고체전해질층(30)은 황화물계 고체전해질을 포함할 수 있다.A solid electrolyte layer (30) is arranged between the positive electrode (10) and the negative electrode (20) (for example, between the positive electrode active material layer (14) and the negative electrode active material layer (24)). The solid electrolyte layer (30) includes a solid electrolyte capable of moving ions. The solid electrolyte layer (30) may include a sulfide-based solid electrolyte.
상기 황화물계 고체전해질은 Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiX(X는 할로겐 원소), Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-LiI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn(m 및 n은 양수, Z는 Ge, Zn 또는 Ga 중에서 하나), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LipMOq(p 및 q는 양수, M은 P, Si, Ge, B, Al, Ga 또는 In 중에서 하나), 또는 이들 조합을 포함할 수 있다. 고체전해질은 이러한 황화물계 고체전해질 재료에서 선택되는 1 종의 재료로 구성되어 있을 수도 있고, 2 종 이상의 재료로 구성되어 있을 수도 있다.The above sulfide-based solid electrolyte is Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiX (X is a halogen element), Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (m and n are positive numbers, Z is one of Ge, Zn, or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li p MO q (p and q are positive numbers, M is one of P, Si, Ge, B, Al, Ga or In), or a combination thereof. The solid electrolyte may be composed of one material selected from these sulfide-based solid electrolyte materials, or may be composed of two or more materials.
상기 황화물계 고체전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 고체전해질을 포함할 수 있다:The above sulfide-based solid electrolyte may include a solid electrolyte represented by the following chemical formula 1:
<화학식 1><Chemical Formula 1>
LixM'yPSzAw Li x M' y PS z A w
상기 화학식 1에서,In the above chemical formula 1,
x, y, z, w는 서로 독립적으로 0 이상 6이하이고;x, y, z, w are independently greater than or equal to 0 and less than or equal to 6;
M'는 As, Ge, Ga, Sb, Si, Sn, Al, In, Ti, V, Nb, 또는 Ta 중에서 하나 이상이고;M' is one or more of As, Ge, Ga, Sb, Si, Sn, Al, In, Ti, V, Nb, or Ta;
A는 F, Cl, Br, 또는 I 중에서 하나 이상이다.A is one or more of F, Cl, Br, or I.
고체전해질로서 상기 황화물 고체전해질 재료 중 구성원소로서 유황(S), 인(P) 및 리튬(Li)을 포함한 것을 이용할 수 있다. 예를 들어, Li2S-P2S5를 포함하는 것을 이용할 수 있다. 황화물계 고체전해질 재료로서 Li2S-P2S5를 포함하는 것을 이용하는 경우, Li2S와 P2S5의 혼합 몰비는 예를 들어, Li2S:P2S5 = 50:50 ~ 90:10의 범위에서 선택될 수 있다.As a solid electrolyte, one containing sulfur (S), phosphorus (P), and lithium (Li) as constituent elements among the above sulfide solid electrolyte materials can be used. For example, one containing Li 2 SP 2 S 5 can be used. When one containing Li 2 SP 2 S 5 is used as the sulfide-based solid electrolyte material, the mixing molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 can be selected in the range of, for example, Li 2 S:P 2 S 5 = 50:50 to 90:10.
또한 고체전해질은 비정질 상태일 수도 있고, 결정질 상태일 수도 있다. 또한, 비정질 및 결정질이 섞인 상태일 수도 있다.In addition, the solid electrolyte may be in an amorphous or crystalline state. In addition, it may be in a mixed amorphous and crystalline state.
고체전해질층(30)은 바인더(결착제)를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더(결착제) 재료로서 예를 들면, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리에틸렌, 폴리아크릴산 등의 수지를 들 수 있다. 상기 바인더(결착제) 재료로는 양극활물질층(14)과 음극 활물질층(24) 내의 바인더(결착제)를 구성하는 재료와 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.The solid electrolyte layer (30) may further include a binder. Examples of the binder material include resins such as styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, and polyacrylic acid. The binder material may be the same as or different from the material constituting the binder in the positive electrode active material layer (14) and the negative electrode active material layer (24).
(4) 전고체 리튬이온 이차전지의 구성(4) Composition of all-solid-state lithium-ion secondary battery
본 발명의 전고체 리튬이온 이차전지(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양극(10), 고체전해질층(30), 및 음극(20)을 이러한 순서로 포함하는 전고체 리튬이온 이차전지(100)일 수 있다. 상기 음극(20)은 음극 집전체(22) 및 음극 활물질층(24)을 포함하며, 상기 음극 활물질층(24)은 탄소재와 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속을 포함한다.The all-solid-state lithium ion secondary battery (100) of the present invention may be an all-solid-state lithium ion secondary battery (100) including a positive electrode (10), a solid electrolyte layer (30), and an anode (20) in this order, as illustrated in FIG. 1. The anode (20) includes a negative electrode current collector (22) and a negative electrode active material layer (24), and the negative electrode active material layer (24) includes a metal capable of forming an alloy with a carbon material and lithium.
상기 음극 집전체(22)는 Ni 호일, Ni가 코팅된 Cu 호일, 스테인레스스틸 호일, 또는 이들 조합을 포함할 수 있다. 이러한 음극 집전체(22)는 방전용량이 더욱 향상될 수 있다.The above negative electrode current collector (22) may include Ni foil, Ni-coated Cu foil, stainless steel foil, or a combination thereof. Such a negative electrode current collector (22) may further improve the discharge capacity.
<전고체 리튬이온 이차전지의 제조방법><Method for manufacturing an all-solid-state lithium-ion secondary battery>
다음으로, 상기 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 제조방법에 대하여 설명한다. 일 구현예에 따른 전고체 리튬이온 이차전지(100)는 양극(10), 음극(20), 및 고체전해질층(30)을 각각 제작한 후, 위의 각 층을 적층함으로써 얻을 수 있다.Next, a method for manufacturing the above-described all-solid-state lithium ion secondary battery (100) will be described. The all-solid-state lithium ion secondary battery (100) according to one embodiment can be obtained by manufacturing a positive electrode (10), a negative electrode (20), and a solid electrolyte layer (30), respectively, and then laminating each of the above layers.
(1) 양극 제작공정(1) Bipolar manufacturing process
양극 제작공정을 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 먼저, 양극활물질층(14)을 구성하는 재료(양극활물질, 바인더(결착제) 등)를 비극성용매에 첨가하여 슬러리(또는 페이스트)를 제작한다. 이어서, 얻은 슬러리를 준비한 양극 집전체(12) 상에 도포한다. 이것을 건조시켜 적층체를 얻는다. 이어서 얻은 적층체를, 예를 들면 정수압을 이용하여 가압하여 양극(10)을 얻는다. 또한 가압 공정은 생략되어있다.The positive electrode manufacturing process is explained as follows with an example. First, materials (positive electrode active material, binder, etc.) constituting the positive electrode active material layer (14) are added to a non-polar solvent to produce a slurry (or paste). Then, the obtained slurry is applied onto the prepared positive electrode current collector (12). This is dried to obtain a laminate. Then, the obtained laminate is pressurized using, for example, hydrostatic pressure to obtain a positive electrode (10). In addition, the pressurizing process is omitted.
(2) 음극 제작공정(2) Cathode manufacturing process
음극 제작공정을 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 먼저, 음극 활물질층(24)을 구성하는 재료(탄소재, 리튬과 합금을 형성하는 금속, 바인더 등)를 극성용매 또는 비극성용매에 첨가하여 슬러리(페이스트이어도 좋음)를 제조한다. 이어서, 얻은 슬러리를 준비한 음극 집전체(22) 상에 도포하여 음극 활물질층을 형성한다. The negative electrode manufacturing process is explained as follows with an example. First, materials (carbon material, metal forming an alloy with lithium, binder, etc.) constituting the negative electrode active material layer (24) are added to a polar solvent or a nonpolar solvent to prepare a slurry (paste may also be used). Then, the obtained slurry is applied onto the prepared negative electrode current collector (22) to form a negative electrode active material layer.
상기 음극 활물질층이 추가적으로 하나 이상의 층을 더 포함하는 경우, 위와 같은 방식으로 추가의 층을 적층할 수 있다.If the above negative active material layer additionally includes one or more layers, additional layers can be laminated in the same manner as above.
이어서, 상기 방법으로 얻은 적층체를 예를 들면 정수압을 이용하여 가압함으로써 음극(20)을 제작한다. 또한 가압 공정은 생략되어도 좋다. 또한 슬러리를 음극 집전체(22)에 도포하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 스크린 인쇄법, 메탈 마스크 인쇄법, 정전 도장법, 딥코팅법, 스프레이 코팅법, 롤 코트법, 닥터 블레이드법, 그라비아 코팅법 등을 들 수 있다.Next, the laminate obtained by the above method is pressurized, for example, using hydrostatic pressure, to produce a negative electrode (20). In addition, the pressurizing process may be omitted. In addition, the method of applying the slurry to the negative electrode current collector (22) is not particularly limited, and examples thereof include screen printing, metal mask printing, electrostatic painting, dip coating, spray coating, roll coating, doctor blade, and gravure coating.
상기에서 음극 활물질층을 2층으로 형성하는 방법을 설명하였으나, 추가의 층을 형성하는 경우에도 각 층을 형성할 슬러리를 제조하고, 위에 설명된 방법으로 적층 순서에 따라 순차적으로 각층을 적층하여 음극을 제조할 수 있다. The method of forming a two-layer negative electrode active material layer is described above, but even in the case of forming additional layers, the negative electrode can be manufactured by preparing a slurry for forming each layer and sequentially stacking each layer according to the stacking order using the method described above.
(3) 고체전해질층 제작 공정(3) Solid electrolyte layer manufacturing process
고체전해질층(30)은 예를 들어, 황화물계 고체전해질 재료를 포함하는 고체전해질에 의해 제작할 수 있다.The solid electrolyte layer (30) can be manufactured using a solid electrolyte including, for example, a sulfide-based solid electrolyte material.
먼저, 용융 급냉법이나 기계적 밀링법에 의해 출발원료 (예를 들어, Li2S, P2S5 등)를 처리하여 황화물계 고체전해질 재료를 얻는다. 예를 들어, 용융 급냉법을 사용하는 경우, 출발원료를 소정량 혼합하고, 펠렛상으로 한 것을 진공 중에서 소정의 반응온도에서 반응시킨 후, 급냉하여 황화물계 고체전해질 재료를 제조할 수 있다. 또한, Li2S와 P2S5의 혼합물의 반응온도는 400℃ ~ 1000℃, 예를 들어 800℃ ~ 900℃일 수 있다. 또한 반응시간은 0.1 시간 ~ 12 시간, 예를 들어 1 시간 ~ 12 시간일 수 있다. 또한 반응물의 급냉 온도는 10℃ 이하, 예를 들어 0℃ 이하일 수 있으며, 급냉속도는 통상 1℃/sec ~10000℃/sec, 예를 들어 1℃/sec ~ 1000℃/sec일 수 있다.First, the starting materials (e.g., Li 2 S, P 2 S 5 , etc.) are processed by a melting quenching method or a mechanical milling method to obtain a sulfide-based solid electrolyte material. For example, when the melting quenching method is used, the starting materials are mixed in a predetermined amount, made into pellets, reacted in a vacuum at a predetermined reaction temperature, and then quenched to produce a sulfide-based solid electrolyte material. In addition, the reaction temperature of the mixture of Li 2 S and P 2 S 5 can be 400 ° C to 1000 ° C, for example, 800 ° C to 900 ° C. In addition, the reaction time can be 0.1 hour to 12 hours, for example, 1 hour to 12 hours. In addition, the quenching temperature of the reactants can be 10 ° C or less, for example, 0 ° C or less, and the quenching speed can be typically 1 ° C/sec to 10,000 ° C/sec, for example, 1 ° C/sec to 1000 ° C/sec.
또한 기계적 밀링법을 사용하는 경우, 볼밀 등을 이용하여 출발원료를 교반시켜 반응시킴으로써, 황화물계 고체전해질 재료를 제조할 수 있다. 또한, 기계적 밀링법의 교반속도 및 교반시간은 특별히 한정되지 않지만, 교반속도가 빠를수록 황화물계 고체전해질 재료의 생성속도를 빠르게 할 수 있으며, 교반시간이 길수록 황화물계 고체전해질 재료에 원료의 전환율을 높일 수 있다.In addition, when using a mechanical milling method, a sulfide-based solid electrolyte material can be manufactured by stirring and reacting the starting materials using a ball mill, etc. In addition, the stirring speed and stirring time of the mechanical milling method are not particularly limited, but the faster the stirring speed, the faster the production speed of the sulfide-based solid electrolyte material can be, and the longer the stirring time, the higher the conversion rate of the raw material into the sulfide-based solid electrolyte material can be.
그 후, 얻어진 혼합원료(황화물계 고체전해질 재료)를 소정온도에서 열처리한 후, 이를 분쇄하여 입자형상의 고체전해질을 제조할 수 있다. 고체전해질이 유리 전이점을 갖는 경우는, 열처리에 의해 비정질에서 결정질로 변하는 경우가 있다.After that, the obtained mixed raw material (sulfide-based solid electrolyte material) is heat-treated at a predetermined temperature and then pulverized to produce a particle-shaped solid electrolyte. In cases where the solid electrolyte has a glass transition point, it may change from amorphous to crystalline through heat treatment.
이어서, 상기 방법으로 얻어진 고체전해질은, 예를 들면, 에어로졸 포지션법, 콜드 스프레이법, 스퍼터링법 등의 알려진 성막법을 이용하여 성막함으로써 고체전해질층(30)을 제조할 수 있다. 또한, 고체전해질층(30)은 고체전해질 입자를 가압하여 제조될 수 있다. 또한 고체전해질층(30)은 고체전해질과 용매, 바인더를 혼합하여 도포 건조 가압함으로써 고체전해질층(30)을 제조할 수 있다.Next, the solid electrolyte obtained by the above method can be formed into a film using a known film forming method such as an aerosol position method, a cold spray method, a sputtering method, etc., thereby manufacturing a solid electrolyte layer (30). In addition, the solid electrolyte layer (30) can be manufactured by pressurizing solid electrolyte particles. In addition, the solid electrolyte layer (30) can be manufactured by mixing a solid electrolyte, a solvent, and a binder, applying, drying, and pressurizing the solid electrolyte layer (30).
(4) 적층공정(4) Lamination process
양극(10)과 음극(20) 사이에 고체전해질층(30)을 배치하고, 이것을 예를 들면, 정수압 등을 이용하여 가압하여 일 구현예에 따른 전고체 리튬이온 이차전지(100)를 얻을 수 있다. A solid electrolyte layer (30) is placed between a positive electrode (10) and a negative electrode (20), and this is pressurized using, for example, hydrostatic pressure, to obtain an all-solid-state lithium ion secondary battery (100) according to one embodiment.
본 발명의 전고체 리튬이온 이차전지(100)는 엔드 플레이트 등을 이용하여 높은 외부 압력을 인가할 필요가 없고, 사용시에 양극(10), 음극(20) 및 고체전해질층(30)에 인가된 외부압력이 1 MPa 이하라도, 향상된 방전용량을 제공할 수 있다.The all-solid-state lithium ion secondary battery (100) of the present invention does not require application of high external pressure using an end plate or the like, and can provide improved discharge capacity even when the external pressure applied to the positive electrode (10), negative electrode (20), and solid electrolyte layer (30) during use is 1 MPa or less.
<전고체 리튬이온 이차전지의 충전방법><Charging method for all-solid-state lithium-ion secondary batteries>
다음으로, 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 충전방법에 대해 설명한다.Next, a charging method of an all-solid-state lithium ion secondary battery (100) is described.
일 구현예에 따른 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 충전방법은 전고체 리튬이온 이차전지(100)를 음극 활물질층(24)의 충전용량을 초과하여 충전(즉 과충전)하는 것일 수 있다.A charging method of an all-solid-state lithium ion secondary battery (100) according to one embodiment may be to charge (i.e., overcharge) the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) beyond the charging capacity of the negative electrode active material layer (24).
충전 초기에는 음극 활물질층(24) 내에 리튬이 흡장될 수 있다. 음극 활물질층(24)의 충전용량을 초과하여 충전을 하면 도 2와 같이, 음극 활물질층(24)의 뒷면, 즉 음극 집전체(22)와 음극 활물질층(24) 사이에 리튬이 석출되고, 이 리튬에 의해 제조시에는 존재하지 않았던 금속층(26)이 형성될 수 있다. 방전시에는 음극 활물질층(24) 및 금속층(26) 중 리튬이 이온화되고 양극(10) 측으로 이동할 수 있다. 따라서 본 발명의 전고체 리튬이온 이차전지(100)에서는 리튬을 음극활물질로 사용할 수 있다. 또한, 음극 활물질층(24)은 금속층(26)을 코팅하기 때문에, 금속층(26)의 보호층으로서 기능함과 동시에, 수지상 금속리튬의 석출 및 성장을 억제할 수 있다. 이렇게 하면, 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 단락 및 용량 저하가 억제되고, 나아가 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 특성이 향상될 수 있다. 또한, 일 구현예에 따르면, 금속층(26)은 미리 형성되어 있지 않기 때문에, 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 제조비용을 줄일 수 있다.At the beginning of charging, lithium may be absorbed into the negative electrode active material layer (24). If charging is performed exceeding the charge capacity of the negative electrode active material layer (24), as shown in FIG. 2, lithium may be precipitated on the back of the negative electrode active material layer (24), that is, between the negative electrode current collector (22) and the negative electrode active material layer (24), and a metal layer (26) that was not present during manufacturing may be formed by this lithium. During discharge, lithium in the negative electrode active material layer (24) and the metal layer (26) may be ionized and move toward the positive electrode (10). Therefore, lithium may be used as the negative electrode active material in the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) of the present invention. In addition, since the negative electrode active material layer (24) coats the metal layer (26), it may function as a protective layer for the metal layer (26) and may suppress precipitation and growth of dendritic metal lithium. In this way, short circuit and capacity reduction of the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) can be suppressed, and further, the characteristics of the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) can be improved. In addition, according to one embodiment, since the metal layer (26) is not formed in advance, the manufacturing cost of the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) can be reduced.
또한, 금속층(26)은 도 2와 같이 음극 집전체(22)와 음극 활물질층(24) 사이에 형성되는 것에 한정하지 않고, 음극 활물질층(24)의 내부에 형성될 수도 있다. 또한, 금속층(26)이 음극 집전체(22)와 음극 활물질층(24) 사이 및 음극 활물질층(24)의 내부에 모두 형성되어 있을 수도 있다.In addition, the metal layer (26) is not limited to being formed between the negative electrode current collector (22) and the negative electrode active material layer (24) as shown in Fig. 2, but may also be formed inside the negative electrode active material layer (24). In addition, the metal layer (26) may be formed both between the negative electrode current collector (22) and the negative electrode active material layer (24) and inside the negative electrode active material layer (24).
본 발명의 전고체 리튬이온 이차전지(100)는 양극/세퍼레이터/음극의 구조를 갖는 단위 전지, 양극/세퍼레이터/음극/세퍼레이터/양극의 구조를 갖는 바이셀, 또는 단위 전지의 구조가 반복되는 적층 전지의 구조로 제작될 수 있다.The all-solid-state lithium ion secondary battery (100) of the present invention can be manufactured as a unit cell having a structure of positive electrode/separator/negative electrode, a bicell having a structure of positive electrode/separator/negative electrode/separator/positive electrode, or a laminated battery having a structure of repeating unit cells.
본 발명의 전고체 리튬이온 이차전지(100)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형, 뿔형 등을 예시할 수 있다. 또한 전기자동차 등에 이용하는 대형전지에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 전고체 리튬이온 이차전지(100)는 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에도 사용될 수 있다. 또한, 많은 양의 전력 저장이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거 또는 전동 공구 등에 사용될 수 있다.The shape of the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include coin-shaped, button-shaped, sheet-shaped, stacked, cylindrical, flat, and cone-shaped batteries. In addition, the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) can be applied to large batteries used in electric vehicles, etc. For example, the all-solid-state lithium ion secondary battery (100) can be used in hybrid vehicles such as plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs). In addition, it can be used in fields requiring a large amount of power storage. For example, it can be used in electric bicycles or power tools, etc.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있 으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples in order to specifically explain the present invention. However, the examples according to the present invention may be modified in various different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the examples described below. The examples of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to a person having average knowledge in the art.
제조예 1: 산소 관능기가 도입된 탄소재 시료 선택Manufacturing Example 1: Selection of carbon material sample with oxygen functional group introduced
시중에서 판매되고 있는 다양한 종류의 탄소재를 구입하여 각 탄소재에 포함된 산소의 함량을 아래와 같은 방법으로 분석하여, 각각 산소의 함량이 5.2 at%인 카본블랙(시료 1), 2.6 at%인 카본블랙(시료 2), 산소의 함량이 1.3 at%인 카본블랙(시료 3)을 선별하여 사용하였다.Various types of carbon materials sold on the market were purchased and the oxygen content contained in each carbon material was analyzed using the following method. Carbon black with an oxygen content of 5.2 at% (Sample 1), carbon black with an oxygen content of 2.6 at% (Sample 2), and carbon black with an oxygen content of 1.3 at% (Sample 3) were selected and used.
<분석방법><Analysis method>
(1) 분석기기(1) Analysis device
광전자 분광기(XPS 또는 ESCA)인 K-Alpha(Thermo Fisher Scientific) 사용Using K-Alpha (Thermo Fisher Scientific), a photoelectron spectrometer (XPS or ESCA)
(2) 분석방법(2) Analysis method
먼저, 각 시료에 대한 Survey scan spectrum 및 Narrow scan spectrum 얻었다. 상기 Narrow scan spectrum은 각 위치 별로 4 point씩 측정하여 평균 및 편차를 구하였다.First, the Survey scan spectrum and Narrow scan spectrum were obtained for each sample. The Narrow scan spectrum was measured at 4 points for each location and the average and deviation were calculated.
(3) ESCA 공통 실험 조건(3) ESCA common experimental conditions
X-ray source: Monochromated Al Ka(1486.6 eV)X-ray source: Monochromated Al Ka (1486.6 eV)
X-ray spot size: 400㎛X-ray spot size: 400㎛
Operation mode: CAE(Constant Analyzer Energy) modeOperation mode: CAE (Constant Analyzer Energy) mode
Survey scan: pass energy 200 eV, energy step 1 eVSurvey scan: pass energy 200 eV, energy step 1 eV
Narrow scan: scanned mode, pass energy 50 eV, energy step 0.1 eVNarrow scan: scanned mode, pass energy 50 eV, energy step 0.1 eV
Charge compensation: flood gun offCharge compensation: flood gun off
SF: Al THERMO1, ECF: TPP-2M, BG subtraction: SmartSF: Al THERMO1, ECF: TPP-2M, BG subtraction: Smart
실시예 1 및 비교예 1~2: 음극활물질 슬러리의Example 1 and Comparative Examples 1 to 2: Negative electrode active material slurry 제조manufacturing
입경(D50)이 40nm 내지 60nm인 카본블랙(시료 1, 시료 2, 또는 시료 3) 6g, 입경(D50)이 40nm 내지 60nm인 Ag 2g, PVdF 바인더(고형분 6%) 9.33g, 및 NMP 용액 7.19g을 Thinky mixer 용기에 넣고 2000rpm으로 3분씩 12번 믹싱하였다. 이후, NMP 용액 5g을 추가로 투입한 후 2000rpm으로 3분씩 5번 믹싱하여 각각 실시예 1의 음극활물질 슬러리(산소함량이 5.2 at%인 카본블랙 사용), 비교예 1의 음극활물질 슬러리(산소함량이 2.6 at%인 카본블랙 사용), 및 비교예 2의 음극활물질 슬러리(산소함량이 1.3 at%인 카본블랙 사용)를 제조하였다. 6 g of carbon black (Sample 1, Sample 2, or Sample 3) having a particle size (D50) of 40 nm to 60 nm, 2 g of Ag having a particle size (D50) of 40 nm to 60 nm, 9.33 g of PVdF binder (solid content 6%), and 7.19 g of NMP solution were placed in a Thinky mixer container and mixed 12 times at 2000 rpm for 3 minutes each. Thereafter, 5 g of NMP solution was additionally added, and mixing was performed 5 times at 2000 rpm for 3 minutes each to manufacture the negative active material slurry of Example 1 (using carbon black having an oxygen content of 5.2 at%), the negative active material slurry of Comparative Example 1 (using carbon black having an oxygen content of 2.6 at%), and the negative active material slurry of Comparative Example 2 (using carbon black having an oxygen content of 1.3 at%), respectively.
실험예 1: 탄소재-금속 복합체의 입도 측정Experimental Example 1: Particle Size Measurement of Carbon-Metal Composites
(1) 탄소재-금속 복합체 시료 분리(1) Separation of carbon-metal composite sample
상기 실시예 1 및 비교예 1의 음극활물질 슬러리에 포함된 탄소재-금속 복합체 일부를 취하여 NMP 용액에 희석하여 분석 시료를 준비하였다.A portion of the carbon material-metal composite included in the negative electrode active material slurry of Example 1 and Comparative Example 1 was taken and diluted in an NMP solution to prepare an analysis sample.
(2) 분석기기(2) Analysis equipment
입도분석기 모델명 Mastersizer 3000(Malvem panalytical)를 사용하여 입도 분석을 진행하였다. 구체적으로 상기 (1)에서 준비한 탄소재-금속 복합체 분석 시료 1(실시예 1, 산소함량 5.2 at%인 카본블랙 포함) 및 탄소재-금속 복합체 분석 시료 2(산소함량 2.6 at%인 카본블랙 포함)를 각각 laser obscuration의 10-15%가 되도록 상기 장치의 샘플 투입구에 넣고 측정을 진행하였다.Particle size analysis was performed using a particle size analyzer model name Mastersizer 3000 (Malvem panalytical). Specifically, carbon-metal composite analysis sample 1 (Example 1, including carbon black with an oxygen content of 5.2 at%) and carbon-metal composite analysis sample 2 (including carbon black with an oxygen content of 2.6 at%) prepared in (1) above were placed into the sample inlet of the device so that the laser obscuration was 10-15%, and measurement was performed.
상기 분석기기는 입도 범위 0.01㎛ 내지 3500㎛까지 분석이 가능하며, 레이저 회절을 통해 습식과 건식 형태의 분산 유형에 적합한 입도 분석기이다.The above-mentioned analysis device is capable of analyzing particle sizes ranging from 0.01㎛ to 3500㎛, and is a particle size analyzer suitable for wet and dry dispersion types through laser diffraction.
(3) 분석결과(3) Analysis results
상기 탄소재-금속 복합체 분석 시료 1 및 시료 2의 입도 분석결과를 하기 표 2 및 도 3에 나타내었다. The particle size analysis results of the carbon-metal composite analysis samples 1 and 2 are shown in Table 2 and Figure 3 below.
상기 표 2의 결과로부터, 산소함량이 5.2 at%인 카본블랙을 포함한 탄소재-금속 복합체의 입도는 산소함량이 2.6 at%인 카본블랙을 포함한 탄소재-금속 복합체의 입도와 비교하여 현저히 작은 것을 알 수 있다.From the results in Table 2 above, it can be seen that the particle size of the carbon material-metal composite including carbon black having an oxygen content of 5.2 at% is significantly smaller than the particle size of the carbon material-metal composite including carbon black having an oxygen content of 2.6 at%.
또한, 도 3에 도시된 분석결과에 따르면, 산소함량이 5.2 at%인 카본블랙을 포함한 탄소재-금속 복합체의 최대 입도는 1㎛ 이하로서, 산소함량이 2.6 at%인 카본블랙을 포함한 탄소재-금속 복합체의 입도와 비교하여 현저히 작은 것을 알 수 있다.In addition, according to the analysis results shown in Fig. 3, the maximum particle size of the carbon material-metal composite including carbon black having an oxygen content of 5.2 at% is 1 μm or less, which is significantly smaller than the particle size of the carbon material-metal composite including carbon black having an oxygen content of 2.6 at%.
실험예 2: 음극활물질 슬러리의 유변물성 측정Experimental Example 2: Measurement of rheological properties of negative electrode active material slurry
실시예 1의 음극활물질 슬러리(산소함량이 5.2 at%인 카본블랙 사용) 및 비교예 1의 음극활물질 슬러리(산소함량이 2.6 at%인 카본블랙 사용)의 유변물성을 Rheometer, 모델명 DHR-1(TA instrument)를 사용하여 측정하였다.The rheological properties of the negative active material slurry of Example 1 (using carbon black having an oxygen content of 5.2 at%) and the negative active material slurry of Comparative Example 1 (using carbon black having an oxygen content of 2.6 at%) were measured using a Rheometer, model number DHR-1 (TA instrument).
이 때, geometry로는 40mm parallel plate를 사용하였으며, flow 테스트를 통하여 shear에 따르는 슬러리의 점도를 측정하였다. oscillation frequency 테스트는 점도 측정 전,후에 실시하였다. At this time, a 40 mm parallel plate geometry was used, and the viscosity of the slurry according to shear was measured through a flow test. The oscillation frequency test was performed before and after the viscosity measurement.
상기 유변물성 측정 결과는 도 4에 도시하였다. The results of the above rheological property measurements are shown in Fig. 4.
분산성이 우수한 슬러리의 경우, shear 증가에 따르는 점도 감소율이 유사하고, shear 증가 후 감소에 따르는 점도 변화도 유사하다. flow 테스트에서 점도굴곡은 입자가 풀리지 않아 큰 입자들이 다른 작은 입자의 흐름을 방해하기 때문에 발생한다. For slurries with good dispersibility, the viscosity decrease rate with increasing shear is similar, and the viscosity change after decreasing shear is also similar. In flow tests, viscosity curvature occurs because the particles are not released, so large particles impede the flow of other small particles.
도 4에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1 슬러리는 내 변곡점이 나타나지 않았으며, 전단 속도가 증가한 후 감소하는 경우의 점도 변화도 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러므로 이러한 결과로부터 실시예 1의 슬러리는 분산성이 우수한 것을 알 수 있다.As confirmed in Fig. 4, the slurry of Example 1 did not show an inflection point, and the viscosity change when the shear rate increased and then decreased was also shown to be almost similar. Therefore, from these results, it can be seen that the slurry of Example 1 has excellent dispersibility.
반면, 비교예 1의 슬러리는 내 변곡점이 나타났으며, 전단 속도가 증가한 후 감소하는 경우 비가역적인 거동을 나타냈다. 이러한 결과는 슬러리에 응집 현상이 발생한 것을 의미한다. On the other hand, the slurry of Comparative Example 1 showed an inflection point and showed irreversible behavior when the shear rate increased and then decreased. This result means that agglomeration occurred in the slurry.
일반적으로, shear rate 2.5 s-1에서의 점도가 10Pa·s 이하일 때, 슬러리의 코팅성이 우수하다. 이러한 기준 하에서, 실시예 1 슬러리는 shear rate 2.5 s-1에서의 점도가 4.134 Pa·s로 코팅성이 우수한 것으로 확인되는 반면, 비교예 1 슬러리는 shear rate 2.5 s-1에서의 점도가 52.546 Pa·s 이므로 코팅성이 좋지 않은 것으로 확인되었다.In general, when the viscosity at a shear rate of 2.5 s -1 is 10 Pa s or less, the slurry has excellent coatability. Under these criteria, the slurry of Example 1 was confirmed to have excellent coatability with a viscosity of 4.134 Pa s at a shear rate of 2.5 s -1 , whereas the slurry of Comparative Example 1 was confirmed to have poor coatability with a viscosity of 52.546 Pa s at a shear rate of 2.5 s -1 .
실시예 2 및 비교예 3~5: 음극의 제조Example 2 and Comparative Examples 3 to 5: Preparation of cathode
상기 실시예 1 및 비교예 1 및 2에서 제조된 각 음극활물질 슬러리를 SUS 호일에 10㎛ 두께로 코팅하고 건조하여 실시예 2(산소함량이 5.2 at%인 카본블랙 사용), 비교예 3(산소함량이 2.6 at%인 카본블랙 사용), 비교예 4(산소함량이 1.3 at%인 카본블랙 사용), 및 비교예 5(산소함량이 2.4 at%인 카본블랙 사용)의 음극을 제조하였다.Each of the negative active material slurries manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was coated on SUS foil to a thickness of 10 μm and dried to obtain the slurries of Example 2 (using carbon black having an oxygen content of 5.2 at%), Comparative Example 3 (using carbon black having an oxygen content of 2.6 at%), Comparative Example 4 (using carbon black having an oxygen content of 1.3 at%), and Comparative Example 5 (using carbon black having an oxygen content of 2.4 at%). The cathode was manufactured.
실험예 3: 음극 활물질층의 산소 함량 측정Experimental Example 3: Measurement of oxygen content in the negative electrode active material layer
상기 실시예 2, 비교예 3, 및 비교예 4에서 제조된 음극에 적층된 음극 활물질층에 포함된 산소 함량을 아래와 같은 방법으로 분석하고, 그 결과를 하기 표 3, 도 7 및 도 8에 나타내었다.The oxygen content included in the negative electrode active material layer laminated on the negative electrodes manufactured in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4 was analyzed by the following method, and the results are shown in Table 3, Figures 7 and 8 below.
<분석방법><Analysis method>
(1) 분석기기(1) Analysis device
광전자 분광기(XPS 또는 ESCA)인 Nexsa4(Thermo Fisher Scientific) 사용Using a Nexsa4 (Thermo Fisher Scientific), a photoelectron spectrometer (XPS or ESCA)
(2) 분석방법(2) Analysis method
먼저, 각 시료에 대한 Survey scan spectrum 및 Narrow scan spectrum 얻었다. 상기 Narrow scan spectrum은 각 위치 별로 4 point씩 측정하여 평균 및 편차를 구하였다. 다음으로 Depth profile을 진행하면서 Survey scan spectrum 및 Narrow scan spectrum을 얻었다. 상기 Depth profile은 Monatomic Ar 이온을 사용하여 5000초까지 진행하였다.First, Survey scan spectrum and Narrow scan spectrum were obtained for each sample. The Narrow scan spectrum was measured at 4 points for each location and the average and deviation were obtained. Next, the Survey scan spectrum and Narrow scan spectrum were obtained while performing the Depth profile. The Depth profile was performed for up to 5000 seconds using Monatomic Ar ions.
(3) 실험 및 데이터 프로세싱 조건(3) Experimental and data processing conditions
X-ray source: Monochromated Al Ka(1486.6 eV)X-ray source: Monochromated Al Ka (1486.6 eV)
X-ray spot size: 400㎛X-ray spot size: 400㎛
Sputtering gun: Monatomic Ar(energy: 1000 ev, current: Mid, raster width: 2.0 mm)Sputtering gun: Monatomic Ar (energy: 1000 ev, current: Mid, raster width: 2.0 mm)
Etching rate: 0.2 nm/s Ta2O5 기준(시료에 따라 다를 수 있음)Etching rate: 0.2 nm/s based on Ta2O5 (may vary depending on sample )
Operation mode: CAE(Constant Analyzer Energy) modeOperation mode: CAE (Constant Analyzer Energy) mode
Survey scan: pass energy 200 eV, energy step 1 eVSurvey scan: pass energy 200 eV, energy step 1 eV
Narrow scan: pass energy 50 eV, energy step 0.1 eVNarrow scan: pass energy 50 eV, energy step 0.1 eV
Charge compensation: flood gun offCharge compensation: flood gun off
SF: Al THERMO1, ECF: TPP-2M, BG subtraction: SmartSF: Al THERMO1, ECF: TPP-2M, BG subtraction: Smart
<분석결과><Analysis Results>
(1) 음극 활물질층 표면 원소 성분비(1) Element composition ratio of the surface of the negative electrode active material layer
음극 활물질층의 표면 원소 성분비는 하기 표 3과 같이 측정되었다.The surface element composition ratio of the negative electrode active material layer was measured as shown in Table 3 below.
원소element
(at%)average
(at%)
(at%)average
(at%)
(at%)average
(at%)
상기 표 3의 결과로부터, 음극 활물질층의 표면에 포함된 산소의 함량은 실시예 2, 비교예 3, 및 비교예 4에서 제조된 음극 활물질층에 포함된 탄소재에 포함된 산소의 함량에 비례하는 것을 알 수 있다.From the results in Table 3 above, it can be seen that the content of oxygen included in the surface of the negative electrode active material layer is proportional to the content of oxygen included in the carbon material included in the negative electrode active material layers manufactured in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4.
도 7은 실시예 2, 비교예 3, 및 비교예 4에서 제조된 음극 활물질층에 포함된 탄소(C)의 1s 스펙트럼을 나타낸다. 상기 도 7에 따르면, 탄소(C)의 화학상태는 실시예 2, 비교예 3, 및 비교예 4에서 제조된 음극 활물질층에서 모두 유사한 것을 알 수 있다.Figure 7 shows the 1s spectrum of carbon (C) included in the negative electrode active material layers manufactured in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4. According to Figure 7, it can be seen that the chemical state of carbon (C) is similar in all of the negative electrode active material layers manufactured in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4.
도 8은 실시예 2, 비교예 3, 및 비교예 4에서 제조된 음극 활물질층에 포함된 산소에 대한 O 1s 스펙트럼에서 peak deconvolution한 결과를 나타낸다. 상기 스펙트럼으로부터 상기 음극 활물질층을 구성하는 탄소재에 포함된 산소의 함량이 높아질 수록(실시예 2 > 비교예 3 > 비교예 4) Metal oxides 피크가 커짐을 확인할 수 있다. 상기 Metal oxides 피크는 탄소재 표면 산소와 Ag의 결합에 의한 것으로 보이며, 이는 곧 탄소재 표면에 산소가 많을 수록 Ag의 분산성이 개선됨을 의미한다.Figure 8 shows the results of peak deconvolution in the O 1s spectra for oxygen included in the negative active material layers manufactured in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4. From the spectra, it can be confirmed that as the content of oxygen included in the carbon material constituting the negative active material layer increases (Example 2 > Comparative Example 3 > Comparative Example 4), the metal oxides peak increases. The metal oxides peak appears to be due to the combination of oxygen on the surface of the carbon material and Ag, which means that the more oxygen there is on the surface of the carbon material, the better the dispersibility of Ag.
상기 도 8을 수치로 나타내면 하기 표 4와 같다.If the above figure 8 is expressed numerically, it is as shown in Table 4 below.
실험예 4: 음극 활물질층의 표면조도 측정Experimental Example 4: Measurement of Surface Roughness of Negative Electrode Active Material Layer
상기 실시예 2 및 비교예 5에서 제조된 음극에 적층된 음극 활물질층의 표면조도를 3D 레이저 공초점 현미경 장치(KEYENCE사 제조)를 사용하여 측정하였다.The surface roughness of the negative electrode active material layer laminated on the negative electrode manufactured in Example 2 and Comparative Example 5 was measured using a 3D laser confocal microscope device (manufactured by KEYENCE).
구체적으로, 조도를 측정하고자 하는 상기 음극을 적당한 크기로 준비하였다. 이 때, 데이터의 신뢰도 확보 및 샘플 내 조도 편차 확인을 위해 동일 전극에 대해 3개 이상의 샘플을 준비하였다. 이 샘플들을 슬라이드 글라스 위에 양면 테이프를 사용하여 구겨지지 않도록 부착하였다.Specifically, the cathode for measuring illuminance was prepared in an appropriate size. At this time, three or more samples were prepared for the same electrode to ensure data reliability and to check the illuminance deviation within the sample. These samples were attached to a slide glass using double-sided tape to prevent them from being wrinkled.
상기 준비된 샘플이 부착된 슬라이드 글라스를 측정 스테이지 위에 위치시킨 후, 초점을 맞추고 조도를 측정하였다. After placing the slide glass with the prepared sample attached on the measurement stage, the focus was adjusted and the illuminance was measured.
상기 실시예 2 및 비교예 5에서 제조된 음극에 적층된 음극 활물질층의 SEM 이미지는 도 9에 도시되었고, 상기 표면조도 측정 결과는 하기 표 5 및 도 10에 도시되었다.The SEM images of the negative electrode active material layers laminated on the negative electrodes manufactured in Example 2 and Comparative Example 5 are shown in Fig. 9, and the surface roughness measurement results are shown in Table 5 and Fig. 10 below.
실험예 5: 음극 활물질층의 밀도 및 기공도 분석Experimental Example 5: Density and Porosity Analysis of Negative Electrode Active Material Layer
상기 실시예 2, 비교예 3 내지 5에서 제조된 음극에 적층된 음극 활물질층의 밀도 및 기공도를 계산하여 하기 표 6에 나타내었다.The density and porosity of the negative electrode active material layer laminated on the negative electrodes manufactured in Example 2 and Comparative Examples 3 to 5 were calculated and shown in Table 6 below.
실시예 3 및 비교예 6~7의 전고체 리튬이온 이차전지의 제조Manufacturing of all-solid-state lithium-ion secondary batteries of Example 3 and Comparative Examples 6 to 7
양극으로는 양극활물질이 집전체에 5mAh/cm2로 로딩된 양극을 사용하고, 음극으로는 실시예 2 및 비교예 3~4에서 제조된 음극을 사용하고, 전해질로는 황화물계 전고체 전해질(LPSCl 조성)을 사용하여 실시예 3, 비교예 6 및 비교예 7의 파우치형 모노셀을 제작하였다. As the positive electrode, a positive electrode with a positive electrode active material loaded at 5 mAh/ cm2 on the current collector is used, and as the negative electrode, a cathode manufactured in Example 2 and Comparative Examples 3 to 4 is used. Pouch-type monocells of Example 3, Comparative Example 6, and Comparative Example 7 were manufactured using a cathode and a sulfide-based solid-state electrolyte (LPSCl composition) as an electrolyte.
실험예 6: 전지의 특성 평가Experimental Example 6: Battery Characteristics Evaluation
실시예 3, 비교예 6 및 비교예 7의 파우치형 모노셀을 작동전압 범위 4.25V-3.0V 및 구동온도 60℃에서 다음의 충방전 조건으로 구동시켜 사이클 특성을 평가하고 그 결과를 도 5 및 6에 나타내었다.The pouch-type monocells of Example 3, Comparative Example 6, and Comparative Example 7 were driven under the following charge/discharge conditions at an operating voltage range of 4.25 V to 3.0 V and an operating temperature of 60°C to evaluate the cycle characteristics, and the results are shown in Figures 5 and 6.
충전조건: 0.33C, 4.25V CC/CV, 0.1C cut-off Charge conditions: 0.33C, 4.25V CC/CV, 0.1C cut-off
방전조건: 0.33C, 3.0V, CCDischarge conditions: 0.33C, 3.0V, CC
도 5로부터, 실시예 3 전지의 경우 사이클이 진행됨에 따라 셀용량의 큰 저하없이 구동됨을 확인할 수 있다.From Fig. 5, it can be confirmed that the battery of Example 3 is operated without a significant decrease in cell capacity as the cycle progresses.
또한, 도 6으로부터, 실시예 3 전지의 경우, 사이클 특성이 비교예 6 및 비교예 7의 전지와 비교하여 현저히 우수함을 확인할 수 있다.In addition, from FIG. 6, it can be confirmed that the cycle characteristics of the battery of Example 3 are significantly superior to those of the batteries of Comparative Examples 6 and 7.
Claims (18)
상기 음극 활물질층은 산소 2 내지 10 at%를 포함하는 하나 이상의 활물질층을 포함하며,
상기 하나 이상의 활물질층은 표면에 3 내지 6 at%의 산소를 포함하는 비정질 탄소재 입자 60 내지 80 중량%, 금속 입자 10 내지 30 중량%, 및 바인더 3 내지 20 중량%를 포함하며,
충전시에 음극 활물질층 및 음극 활물질층과 집전체 사이에 금속 리튬이 석출되고, 방전시에 상기 금속 리튬이 이온화하여 양극 쪽으로 이동하는 애노드리스 전지용 음극.Contains a collector and a negative electrode active material layer,
The above negative active material layer comprises one or more active material layers containing 2 to 10 at% of oxygen,
The at least one active material layer comprises 60 to 80 wt% of amorphous carbon particles having 3 to 6 at% of oxygen on the surface, 10 to 30 wt% of metal particles, and 3 to 20 wt% of a binder,
An anode for an anodeless battery, wherein metallic lithium is deposited between the negative electrode active material layer and the negative electrode active material layer and the current collector during charging, and the metallic lithium is ionized and moves toward the positive electrode during discharge.
상기 산소는 탄소재 입자에 결합된 관능기에 포함된 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 음극.In the first paragraph,
A cathode characterized in that the oxygen exists in a form included in a functional group bonded to carbon material particles.
상기 관능기는 카르복시기, 하이드록시기, 에테르기, 에스테르기, 알데히드기, 카보닐기 및 아마이드기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.In Article 6,
A cathode characterized in that the functional group includes at least one selected from the group consisting of a carboxyl group, a hydroxyl group, an ether group, an ester group, an aldehyde group, a carbonyl group, and an amide group.
상기 금속 입자는 리튬과 합금을 형성하는 입자인 것을 특징으로 하는 음극.In the first paragraph,
A negative electrode, characterized in that the metal particles are particles that form an alloy with lithium.
상기 금속 입자는 은(Ag), 금, 백금, 팔라듐, 규소, 알루미늄, 비스무트, 주석, 인듐 및 아연으로부터 선택되는 1 종 이상의 입자인 것을 특징으로 하는 음극.In Article 8,
A cathode, characterized in that the metal particles are at least one type of particle selected from silver (Ag), gold, platinum, palladium, silicon, aluminum, bismuth, tin, indium, and zinc.
상기 금속 입자는 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.In Article 9,
A cathode characterized in that the metal particles include silver (Ag).
상기 하나 이상의 활물질층은 다음의 표면조도를 갖는 음극:
0.01 ㎛ ≤ Sa ≤ 0.3 ㎛
0.5 ㎛ ≤ Sz ≤ 5 ㎛
500 mm-1 ≤ Spc ≤ 1500 mm-1
0.005 ≤ Sdr ≤ 0.15.In the first paragraph,
The above one or more active material layers have the following surface roughness:
0.01 ㎛ ≤ Sa ≤ 0.3 ㎛
0.5 ㎛ ≤ Sz ≤ 5 ㎛
500 mm -1 ≤ Spc ≤ 1500 mm -1
0.005 ≤ Sdr ≤ 0.15.
상기 하나 이상의 활물질층은 기공도가 55 내지 70%인 것을 특징으로 하는 음극.In the first paragraph,
A negative electrode, wherein the one or more active material layers have a porosity of 55 to 70%.
상기 탄소재 입자 및 금속 입자는 탄소재-금속 복합체 형태로 포함되는 것을 특징으로 하는 음극.In the first paragraph,
A cathode characterized in that the carbon material particles and metal particles are included in the form of a carbon material-metal composite.
상기 탄소재-금속 복합체의 입도(D50)가 0.1㎛ 내지 0.5㎛인 것을 특징으로 하는 음극.In Article 13,
A cathode characterized in that the particle size (D50) of the carbon material-metal composite is 0.1 ㎛ to 0.5 ㎛.
상기 탄소재-금속 복합체의 최대 입도가 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 음극.In Article 14,
A cathode characterized in that the maximum particle size of the carbon material-metal composite is 3㎛ or less.
상기 전해질은 황화물계 고체전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.In Article 16,
A lithium ion secondary battery, characterized in that the electrolyte comprises a sulfide-based solid electrolyte.
상기 리튬이온 이차전지는 애노드리스 전지인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.In Article 17,
A lithium ion secondary battery, characterized in that the above lithium ion secondary battery is an anodeless battery.
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