KR101953738B1 - Composite Electrode with Ionic Liquid for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composite electrode for an all-solid-state battery including ionic liquid, a manufacturing method thereof, and an all-solid-state lithium battery including the same and, more specifically, to a composite electrode for an all-solid-state battery which adds ionic liquid to an interface of a solid electrolyte and a composite anode when manufacturing a lithium all-solid-state battery cell including a solid electrolyte densified by undergoing a sintering process and a solid electrolyte material to apply a composite anode having lithium ion conduction properties to improve adhesion of the interface between the solid electrolyte and the composite anode and reduce interface resistance by filling pores in the composite anode with the ionic liquid, and an all-solid-state battery which allows high output/long life and high performance when using the same as an electrode of a battery, and directly affixes a densified solid electrolyte to a composite electrode without inserting an intermediate layer such as a polymer electrolyte between the solid electrolyte and the composite anode.

Description

이온성 액체를 포함한 전고체 전지용 복합 전극, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 전고체 리튬 전지{Composite Electrode with Ionic Liquid for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a composite electrode for an all solid-state battery including an ionic liquid, a method for producing the same, and a full solid lithium battery including the same. BACKGROUND ART Comprising The Same}

본 발명은 이온성 액체를 함유하는 전고체 전지용 복합 전극 및 이를 포함하는 전고체 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체전해질 및 복합 양극 계면에 이온성 액체를 첨가한 전고체 전지용 복합 전극, 및 이를 통해 소결공정 등을 통하여 치밀화된 무기계 고체전해질을 고분자 전해질과 같은 중간층 삽입 없이 직접 복합 전극과 접촉시켜 제조되고 출력 및 장수명의 우수한 전기화학 특성을 지니는 전고체전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composite electrode for an all solid-state battery containing an ionic liquid and an all-solid-state cell including the same, and more particularly to a composite electrode for a solid- The present invention relates to an all-solid-state cell produced by contacting an inorganic solid electrolyte densified through a sintering process or the like directly with a composite electrode without interposing an intermediate layer such as a polymer electrolyte, and having excellent electrochemical characteristics with excellent output and long life.

에너지의 효율적 사용을 위하여 최근 리튬 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 소형 모바일 전자 기기 뿐만 아니라, 전기자동차 및 전력 저장 분야의 에너지원으로 사용하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다.Recently, lithium batteries have been actively studied for efficient use of energy, and various efforts are being made to use them as energy sources for electric vehicles and electric power storage as well as small-sized mobile electronic devices.

상용화된 리튬 이온 이차전지는 유기계 전해질을 기반으로 한 액체 전해질을 사용하고 있으나, 유기계 전해질의 경우 폭발/화재의 위험성이 매우 높아 전지의 안전성을 향상시키기 위하여 유기계 액체 전해질을 무기계 기반의 고체전해질로 대체하고자 하는 필요성이 계속 증가되어 왔다.The commercialized lithium ion secondary battery uses a liquid electrolyte based on an organic electrolyte. However, in the case of an organic electrolyte, the risk of explosion / fire is very high. To improve the safety of the battery, an organic liquid electrolyte is replaced with an inorganic- The need to do so has been increasing.

무기계 기반의 고체전해질을 액체전해질 대신 사용하는 전고체 이차전지는 가연성 유기 전해액을 사용하지 않아, 전해액의 유출이나 발화의 우려가 없어 안전성이 우수한 특징을 갖는다. 그러나 전고체 전지의 경우 구성되는 양극, (고체)전해질, 음극이 모두 고상으로, 상호 간에 밀착 등이 어려워 각 계면 및 전지 셀 저항이 매우 크게 되며, 액체 전해질 대비 고체전해질의 리튬 이온 전도도가 크게 낮아, 전지의 고출력화가 어려운 단점이 있다(일본 특허공개번호 제 2004-183078호 및 일본 특허공개번호 제 2000-138073호). A pre-solid secondary battery in which an inorganic-based solid electrolyte is used instead of a liquid electrolyte does not use a flammable organic electrolytic solution, and has excellent safety because there is no risk of electrolyte leakage or ignition. However, in the case of all solid-state batteries, the anode, the solid electrolyte and the cathode are all in a solid state, and it is difficult for them to come into close contact with each other and thus the resistance of each interface and the cell cell becomes very large and the lithium ion conductivity of the solid electrolyte , And it is difficult to increase the output of the battery (JP-A No. 2004-183078 and JP-A No. 2000-138073).

무기계 고체전해질 소재로는 크게 황하물 및 산화물계 소재로 나눌 수 있는데, 황하물계 소재의 경우 산화물계 대비 높은 리튬 이온 전도 특성을 보이고 있으나, 흡습성이 강하고, 유독 가스인 황하수소(H2S)가 발생될 가능성이 높은 문제점이 있다. 산화물계 고체전해질 소재로는 가넷 구조를 갖는 LLZO(LiaLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3aLa(2/3-a)(1/3-2a)TiO3), NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1+aAlaTi2-a(PO4)3) 등을 들 수 있으며, 산화물계 고체전해질은 황화물계 고체전해질 대비 수분, 화학적, 물리, 기계적 안정성이 우수하며, 높은 입내 (bulk) 이온전도특성으로 고체전해질 소재로 많은 주목을 받고 있다. 그러나 대부분의 산화물계 고체전해질 소재의 경우 높은 입계 저항을 갖고 있어, 전체(total) 리튬이온전도도가 낮아 분말을 직접 전지의 고체전해질로 사용하기에 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 고체전해질 분말을 압착하여 펠렛(pellet)을 제조한 후 높은 온도(800℃ ~ 1400℃)에서 소결공정(열처리)을 통해 고체전해질 입자 간 결합력 및 펠렛 밀도를 높혀 입계 저항을 낮추어 사용하게 되는데, 이러한 경우 고체전해질과 고체전해질 소재를 함유한 복합 전극과의 계면 접합성 및 밀착성에 문제가 발생하여, 고체전해질 셀의 계면 저항이 매우 커져, 셀 출력 및 수명 특성이 매우 저하되거나, 혹은 셀 자체가 아예 작동을 하지 않는 문제점이 나타날 수 있다. There an inorganic solid electrolyte material may be divided into sulfide and oxide-based material, in the case of the Yellow River water system materials, but shows an oxide-based contrast high lithium ion conductive property, hygroscopicity is strong and is a sulfide of hydrogen (H 2 S) toxic gas There is a high possibility of occurrence. Oxide-based solid electrolyte LLZO (Li a La 3 Zr 2 O 12), pages lobe LLTO (Li 3a La (2 / 3a) □ (1 / 3-2a) having a tree structure having the garnet configuration Sky material TiO 3), LATP (Li 1 + a Al a Ti 2-a (PO 4) 3) and the like, the oxide-based solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte compared to water, chemical, physical and mechanical stability having a NASICON structure And has attracted much attention as a solid electrolyte material due to its high bulk ion conduction property. However, most of the oxide-based solid electrolyte materials have a high grain boundary resistance, so that the total lithium ion conductivity is low, which makes it difficult to use the powder directly as a solid electrolyte of the battery. In order to solve this problem, the pellet is produced by sintering the solid electrolyte powder and then the sintering process (heat treatment) at a high temperature (800 ° C ~ 1400 ° C) is used to lower the grain boundary resistance by increasing the bonding force and pellet density between solid electrolyte particles. In this case, problems arise in interface bonding and adhesion between the solid electrolyte and the composite electrode containing the solid electrolyte material, so that the interfacial resistance of the solid electrolyte cell becomes very large and the cell output and lifetime characteristics are greatly deteriorated, The problem may be that it does not work at all.

따라서, 고성능의 전고체 리튬 이차전지 개발을 위해서는 고체전해질과 복합 전극 사이의 계면 저항을 줄이며, 접합 및 밀착성을 향상시키기 위한 계면 제어 기술이 요구되는 실정이다.Therefore, in order to develop a high-performance pre-solid lithium secondary battery, interfacial control technology is required to reduce the interfacial resistance between the solid electrolyte and the composite electrode, and to improve the bonding and adhesion.

한편, 이온성 액체(Ionic liquid)는 양이온과 음이온으로 구성되는 상온 용융염으로서 비휘발성, 난연성, 불연성, 넓은 전위창과 화학적 안정성 등의 특성을 가지므로 유기 전해질의 안전성 문제를 해결할 수 있는 대안 전해질로 주목받고 있다. 그러나 기존 유기 전해질에 비해 낮은 이온전도 특성으로 인해 이온성 액체를 단독으로 전해질로 사용하기에는 어려움이 있다. 대신 고체전해질과 복합 전극 사이의 계면 접합성을 증가시키기 위해 액체의 특성을 지니는 이온성 액체를 고체전해질/복합 전극 계면에 첨가시, 계면 접합을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 복합 전극 내의 기공 내로 함침되어 전극의 젖음성을 개선하여 리튬 이온의 이동을 원활히 해줄 수 있으며, 비휘발성, 난연성, 불연성 등의 특성으로 고체전해질의 안전성을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.On the other hand, the ionic liquid is a room temperature molten salt composed of cations and anions. It has non-volatile, flame-retardant, nonflammable, wide potential window and chemical stability, so it can solve the safety problem of organic electrolyte. It is attracting attention. However, it is difficult to use an ionic liquid alone as an electrolyte due to its low ion conductivity compared to conventional organic electrolytes. Instead of adding an ionic liquid having a liquid characteristic to the solid electrolyte / composite electrode interface to increase interfacial bonding between the solid electrolyte and the composite electrode, not only the interface bonding can be increased, but also the impregnation into the pores in the composite electrode It is possible to improve the wettability of the electrode to facilitate the movement of lithium ions and to maintain the safety of the solid electrolyte due to non-volatility, flame retardancy, and non-flammability.

이에, 본 발명자들은 상기 종래 기술의 문제점을 고려하여, 소결 공정을 거쳐 치밀화된 고체 전해질과 고체 전해질 소재가 포함되어 리튬이온전도 특성을 지니는 복합 양극을 적용하는 리튬 전고체 전지 셀 제조시, 고체 전해질 및 복합 양극 계면에 이미다졸륨(imidazolium) 및 피롤리디늄(pyrrolidinium) 기반의 이온성 액체를 첨가하여, 고체 전해질과 복합 양극 사이의 계면의 접합성을 증가시키고, 복합전극 내의 기공을 이온성 액체가 채워 계면 저항을 감소시키는 전고체 전지용 복합 전극을 제조하고, 이를 전고체 전지의 전극으로 사용시 전고체 전지의 고출력/장수명 및 고성능화를 가능하게 해주며, 고체 전해질과 복합 양극 사이에 고분자 전해질과 같은 중간층 삽입 없이, 치밀화된 고체 전해질을 직접 복합 전극과 접합시킬 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, in consideration of the problems of the prior art, the inventors of the present invention have found that, in the manufacture of a lithium ion battery cell employing a composite anode including a solid electrolyte and a solid electrolyte material densified through a sintering process and having a lithium ion conduction characteristic, And imidazolium and pyrrolidinium-based ionic liquids are added to the complex anode interface to increase the bonding of the interface between the solid electrolyte and the composite anode, A composite electrode for a full-solid battery which is filled with a polymer electrolyte and which reduces the interfacial resistance is manufactured. When the polymer electrolyte is used as an electrode of a pre-solid battery, high power / long life and high performance of the pre- By confirming that the densified solid electrolyte can be directly bonded to the composite electrode without insertion, And it completed the invention.

본 발명의 목적은 소결 공정을 거쳐 치밀화된 고체 전해질과 고체 전해질 소재가 포함되어 리튬이온전도 특성을 지니는 복합 양극을 적용하는 리튬 전고체 전지 셀 제조시, 고체 전해질 및 복합 양극 계면에 이미다졸륨(imidazolium) 및 피롤리디늄(pyrrolidinium) 기반의 이온성 액체를 첨가하여, 고체 전해질과 복합 양극 사이의 계면의 접합성을 증가시키고, 복합전극 내의 기공을 이온성 액체가 채워 계면 저항을 감소시키는 전고체 전지용 복합 전극, 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a lithium ion battery which comprises a solid electrolyte and a solid electrolyte material densified through a sintering process to form a composite anode having lithium ion conductive properties, imidazolium and pyrrolidinium based ionic liquids are added to increase the bondability of the interface between the solid electrolyte and the composite anode and to increase the adhesion of the pores in the composite electrode to the entire solid electrolyte A composite electrode, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 또다른 목적은 상기 본 발명에 따른 복합 전극을 전고체 전지의 전극으로 사용시, 전고체 전지의 고출력/장수명 및 고성능화를 가능하게 해주며, 고체 전해질과 복합 양극 사이에 고분자 전해질과 같은 중간층 삽입 없이 치밀화된 고체 전해질을 직접 복합 전극과 접합시킬 수 있는 전고체 리튬 전지, 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a solid electrolyte battery in which when the composite electrode according to the present invention is used as an electrode of a pre-solid battery, it is possible to achieve high output / long life and high performance of the pre- A solid lithium battery capable of directly bonding a solid electrolyte denatured without insertion to a composite electrode, and a method for manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극활물질 및 무기계 고체전해질 소재가 함유된 복합 전극, 및 이온성 액체를 포함하고, 상기 복합 전극의 계면에 이온성 액체가 균일하게 함침되어 있는, 전고체 리튬 전지용 복합 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a composite electrode comprising a composite electrode containing a cathode active material and an inorganic solid electrolyte material, and an ionic liquid, wherein the interface between the composite electrode and the composite solid electrolyte is uniformly impregnated with an ionic liquid, Thereby providing a composite electrode for a battery.

또한, 본 발명은 1) 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 복합화하여 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 복합 전극을 제조하는 단계; 및, 2) 상기 복합 전극의 표면에 이온성 액체를 균일하게 주입하여 복합 전극내 기공 및 표면을 함침시키는 단계;를 포함하는, 전고체 리튬 전지용 복합 전극의 제조 방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for manufacturing a composite electrode, comprising the steps of: 1) compositing a cathode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to prepare a composite electrode by slurry coating for current collector; And 2) uniformly injecting an ionic liquid onto the surface of the composite electrode to impregnate the pores and surfaces in the composite electrode, thereby providing a composite electrode for a full solid lithium battery.

또한, 본 발명은 양극활물질 및 무기계 고체전해질 소재가 함유된 복합 양극; 무기계 고체전해질의 소결체; 고분자 고체 전해질; 및 음극활물질을 포함하는 음극;이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 복합 전극과 무기계 고체전해질의 소결체 사이의 계면에 이온성 액체가 균일하게 채워져 있는, 전고체 리튬 전지를 제공한다.The present invention also relates to a composite anode containing a cathode active material and an inorganic solid electrolyte material; A sintered body of an inorganic solid electrolyte; Polymer solid electrolyte; And a negative electrode including a negative electrode active material, which are stacked in this order, and in which an ionic liquid is uniformly filled in the interface between the composite electrode and the sintered body of the inorganic solid electrolyte.

아울러, 본 발명은 1) 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 복합화하여 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 복합 전극을 제조하는 단계; 2) 상기 복합 전극의 표면에 이온성 액체를 균일하게 주입하여 복합 전극내 기공 및 표면을 함침시키는 단계; 3) 상기 이온성 액체가 함침된 복합 전극 표면에 무기계 고체전해질의 소결체를 적층하는 단계; 4) 상기 무기계 고체전해질의 소결체 상에 고분자 고체전해질을 적층하는 단계; 및, 5) 상기 고분자 고체전해질 상에 음극활물질을 포함하는 음극을 적층하는 단계;를 포함하는, 전고체 리튬 전지의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a composite electrode, comprising: 1) preparing a composite electrode by slurry coating a current collector with a positive electrode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material; 2) uniformly injecting an ionic liquid into the surface of the composite electrode to impregnate pores and surfaces in the composite electrode; 3) laminating a sintered body of an inorganic solid electrolyte on the surface of the composite electrode impregnated with the ionic liquid; 4) stacking a polymer solid electrolyte on the sintered body of the inorganic solid electrolyte; And 5) stacking a negative electrode comprising the negative active material on the polymer solid electrolyte.

본 발명은 소결 공정을 거쳐 치밀화된 고체전해질과 고체전해질 소재가 포함되어 리튬이온전도 특성을 지니는 복합 양극을 적용하는 리튬 전고체전지 셀 제조시, 고체전해질 및 복합 양극 계면에 이미다졸륨(imidazolium) 및 피롤리디늄(pyrrolidinium) 기반의 이온성 액체를 첨가하여, 고체전해질과 복합 양극 사이의 계면의 접합성을 증가시키고, 복합전극 내의 기공을 이온성 액체가 채워 계면 저항을 감소시키는 전고체전지용 복합 전극을 제공할 수 있다. The present invention relates to a process for producing a lithium-ion composite solid electrolyte battery comprising a solid electrolyte and a solid electrolyte material which are densified through a sintering process, And a pyrrolidinium-based ionic liquid are added to increase the bondability of the interface between the solid electrolyte and the composite anode, and the composite electrode for the entire solid-state battery in which the ionic liquid is filled in the pores in the composite electrode to reduce the interfacial resistance Can be provided.

또한, 상기 전고체전지용 복합 전극을 사용시 전고체전지의 고출력/장수명 및 고성능화를 가능하게 해주며, 고체전해질과 복합 양극 사이에 고분자 전해질과 같은 중간층 삽입 없이, 치밀화된 고체전해질을 직접 복합 전극과 접합시킬 수 있는 전고체 리튬 전지를 제공할 수 있다.In addition, when the composite electrode for a full solid battery is used, it is possible to achieve high output / long life and high performance of the entire solid electrolyte, and the densified solid electrolyte is directly bonded to the composite electrode without interposing an intermediate layer such as a polymer electrolyte between the solid electrolyte and the composite anode A solid lithium battery can be provided.

도 1은 본 발명에 따른 전고체 리튬 전지 구성도를 나타낸 그림이다.
도 2는 <실시예 1>에서 제조한 복합 전극의 단면 형상을 주사전자현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험을 통해 나타낸 결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 <실시예 1>, <실시예 2>, <비교예 1> 및 <비교예 2>에서 제조된 전고체 전지에 대한 초기 충방전 곡선 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 <실시예 1>, <실시예 2>, <비교예 1> 및 <비교예 2>에서 제조된 전고체 전지에 대한 충방전 수명 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing a configuration of a pre-solid lithium battery according to the present invention.
FIG. 2 is a photograph showing the results of scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) experiments of the cross-sectional shape of the composite electrode prepared in Example 1. FIG.
FIG. 3 is a graph showing initial charging / discharging curves of all the solid batteries manufactured in Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the evaluation results of charge / discharge life characteristics of all the solid batteries manufactured in Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. FIG.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 The present invention

양극활물질 및 무기계 고체전해질 소재가 함유된 복합 전극, 및 이온성 액체를 포함하고,A composite electrode containing a positive electrode active material and an inorganic solid electrolyte material, and an ionic liquid,

상기 복합 전극의 계면에 이온성 액체가 균일하게 함침되어 있는, Wherein the interface of the composite electrode is uniformly impregnated with an ionic liquid,

전고체 리튬 전지용 복합 전극을 제공한다.A composite electrode for a solid lithium battery is provided.

상기 무기계 고체전해질 소재로는 NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1+aAlaTi2-a(PO4)3)(여기서, a는 0 ~ 2 사이의 정수 또는 소수) 등을 들 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte material include LATP (Li 1 + a Al a Ti 2-a (PO 4 ) 3 ) having a NASICON structure (where a is an integer of 0 to 2 or a prime number).

상기 무기계 고체전해질은 상기한 고체전해질 외에 제조시 소결과정을 포함하는 일반적인 고체전해질을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물계 가넷 구조를 갖는 LLZO (LixLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3La2/(3-x)TiO3), LIPON(Li3 - xPO4 - xNx) 등일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. The inorganic solid electrolyte may further include a general solid electrolyte including a sintering process in addition to the solid electrolyte. For example, LLZO having an oxide-based garnet structure (Li x La 3 Zr 2 O 12), a perovskite structure having LLTO (Li 3 La 2 / ( 3-x) TiO 3), LIPON (Li 3 - x PO 4 - x N x) or the like. However, it is not necessarily limited to these as long as they can all be used in the art.

상기 복합 전극은 양극 활물질, 결착제, 전도성 소재 및 고체전해질 소재를 복합화하여 Al 등과 같은 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 제조되는 것이 바람직하다. It is preferable that the composite electrode is formed by combining a cathode active material, a binder, a conductive material, and a solid electrolyte material and slurry coating the current collector such as Al or the like.

상기 양극활물질은 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi1 - xMnxO2 (0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0<x<0.5, 0<y<0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2의 리튬전이금속산화물, 또는 전이금속황화물 등일 수 있다. The positive electrode active material can be used without limitation as long as it is commonly used in a lithium battery. For example, LiCoO 2, LiMnO 2, LiMn 2 O 4, LiNi 1 - x Mn x O2 (0 <x <1), LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0 <x <0.5, 0 <y <0.5), a lithium transition metal oxide of LiFePO 4 , TiS 2 , FeS 2 , or a transition metal sulfide.

상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸륨(imidazolium), 피롤리디늄(pyrrolidinium), 암모늄(ammonium) 또는 피페리디늄(piperidinium)을 포함하고, 음이온으로 테트라플루오로보레이트(tetrafluoroborate), 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide), 비스(플루오로설포닐)아미드(bis(fluorosufonyl)amide), 또는 플루오로포스페이트(fluorophosphate)를 포함할 수 있다.The ionic liquid includes imidazolium, pyrrolidinium, ammonium, or piperidinium as a cation and tetrafluoroborate, bis (fluoro (Bis (fluorosulfonyl) imide), bis (fluorosufonyl) amide, or fluorophosphate.

상기 이온성 액체는 첨가시 복합전극 두께 및 기공도에 따라 첨가량은 달라지게 되나, 일반적으로 0.2 μl/cm2 ~ 5.0 μl/cm2의 양이 적당하다. 이때, 0.2 μl/cm2 이하로 주입시 복합 양극 표면에 충분히 이온성액체가 침투가 어려워 고체전해질과 복합 양극간의 접합성이 감소되며, 5.0 μl/cm2 이상으로 첨가시 누액 등으로 인하여 타 구성요소들에 침투하여 부반응을 일으켜 오히려 성능을 감소시킬 우려가 있다. The added amount of the ionic liquid varies depending on the composite electrode thickness and the degree of porosity upon addition, but generally an amount of 0.2 μl / cm 2 to 5.0 μl / cm 2 is suitable. In this case, when injected below 0.2 μl / cm 2 , it is difficult to sufficiently penetrate the ionic liquid on the surface of the composite anode, so that the bonding between the solid electrolyte and the composite anode is decreased. When added at a concentration of 5.0 μl / cm 2 or more, It is possible to cause a side reaction and thereby reduce the performance.

상기 복합 양극의 두께는 10 μm ~ 100 μm가 적당하며, 이때 10 μm 이하시 복합 양극의 용량이 매우 작아 실용적이지 않으며, 100 μm 초과시 활물질과 도전재, 결착제, 고체전해질 소재 및 이온성 액체들 간의 균일한 혼합이 어려워 이온전도성 및 전자전도성이 감소하여, 복합 전극의 용량 및 수명을 감소시킬 수 있다.The thickness of the composite anode is suitably from 10 μm to 100 μm. When the thickness is less than 10 μm, the capacity of the composite anode is too small to be practical. When the thickness exceeds 100 μm, the active material, conductive material, binder, The ionic conductivity and the electron conductivity are reduced, and the capacity and life of the composite electrode can be reduced.

상기 전고체 리튬 전지용 복합 전극은 복합 양극 표면에 적정량의 이온성 액체를 주입하여 복합 전극 내 기공 및 표면을 함침시켜 제조되는 것이 바람직하다.The composite electrode for a full solid lithium battery is preferably prepared by injecting an appropriate amount of an ionic liquid into the surface of the composite anode to impregnate pores and surfaces in the composite electrode.

또한, 본 발명은 In addition,

1) 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 고체전해질 소재를 복합화하여 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 복합 전극을 제조하는 단계; 및,1) preparing a composite electrode by forming a composite of a cathode active material, a binder, a conductive material, and a solid electrolyte material and slurry coating the current collector; And

2) 상기 복합 전극의 표면에 이온성 액체를 균일하게 주입하여 복합 전극내 기공 및 표면을 함침시키는 단계;를 포함하는, 전고체 리튬 전지용 복합 전극의 제조 방법을 제공한다.2) uniformly injecting an ionic liquid onto the surface of the composite electrode to impregnate the pores and surface in the composite electrode, and a method for manufacturing the composite electrode for a full solid lithium battery.

상기 제조 방법에 있어서, 양극활물질, 고체전해질 및 이온성 액체는 상술한 바와 같다.In the above production method, the positive electrode active material, the solid electrolyte and the ionic liquid are as described above.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 결착제는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 셀룰로오스, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산(polyacrylic acid) 또는 다양한 고중합체 등을 들 수 있다. The binder may be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate Polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, cellulose, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, styrene butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, polyacrylic acid, .

상기 제조 방법에 있어서, 상기 전도성 소재(도전재)는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유;알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.In the above production method, the conductive material (conductive material) is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; metal powders such as aluminum and nickel powder; And a conductive metal oxide such as titanium oxide may be used.

상기 제조 방법에 있어서, 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 고체전해질 소재는 각각 60 ~ 80 : 20 ~ 10 : 10 ~ 7 : 10 ~ 3 중량비율로 복합화하는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the cathode active material, the binder, the conductive material, and the solid electrolyte material are preferably compounded in a ratio of 60 to 80:20 to 10:10 to 7:10 to 3, respectively.

상기 제조 방법에 있어서, 우선 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 고체전해질 소재를 복합화하여 Al 등과 같은 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 제조한 다음, 복합 양극 표면에 적정량의 이온성 액체를 주입하여 복합 전극 내 기공 및 표면을 함침시키고, 무기계 고체전해질을 밀착시켜 접촉시키는 방법으로 제조될 수 있다.In the above manufacturing method, a cathode active material, a binder, a conductive material, and a solid electrolyte material are combined and slurry coated for current collector such as Al, and then an appropriate amount of ionic liquid is injected onto the surface of the composite anode, Impregnating the pores and the surface, and bringing the inorganic solid electrolyte into close contact with each other.

또한, 본 발명은 In addition,

양극활물질 및 무기계 고체전해질 소재가 함유된 복합 양극; 무기계 고체전해질의 소결체; 고분자 고체 전해질; 및 음극활물질을 포함하는 음극;이 순차적으로 적층되어 있고, A composite anode containing a cathode active material and an inorganic solid electrolyte material; A sintered body of an inorganic solid electrolyte; Polymer solid electrolyte; And a negative electrode comprising a negative electrode active material,

상기 복합 전극과 무기계 고체전해질의 소결체 사이의 계면에 이온성 액체가 균일하게 채워져 있는, 전고체 리튬 전지를 제공한다.And an ionic liquid is uniformly filled in the interface between the composite electrode and the sintered body of the inorganic solid electrolyte.

상기 양극활물질은 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, LiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiNi1 - xMnxO2 (0<x<1), LiNi1-x-yCoxMnyO2 (0<x<0.5, 0<y<0.5), LiFePO4, TiS2, FeS2의 리튬전이금속산화물, 또는 전이금속황화물 등일 수 있다. The positive electrode active material can be used without limitation as long as it is commonly used in a lithium battery. For example, LiCoO 2, LiMnO 2, LiMn 2 O 4, LiNi 1 - x Mn x O2 (0 <x <1), LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0 <x <0.5, 0 <y <0.5), a lithium transition metal oxide of LiFePO 4 , TiS 2 , FeS 2 , or a transition metal sulfide.

상기 무기계 고체전해질은 NASICON 구조를 갖는 LATP(Li1 + aAlaTi2 -a(PO4)3)(여기서, a는 0 ~ 2 사이의 정수 또는 소수), 산화물계 가넷 구조를 갖는 LLZO (LixLa3Zr2O12), 페로브스카이트 구조를 갖는 LLTO(Li3La2 /(3-x)TiO3), LIPON(Li3 - xPO4 -xNx) 등일 수 있다.The inorganic solid electrolyte may be a LATP (Li 1 + a Al a Ti 2 -a (PO 4 ) 3 ) having a NASICON structure wherein a is an integer of 0 to 2 or a prime number, LLZO may be an x PO 4 -x N x) - Li x La 3 Zr 2 O 12), page LLTO lobe having a tree structure Sky (Li 3 La 2 / (3 -x) TiO 3), LIPON (Li 3.

상기 무기계 고체전해질의 소결체는 결정상 형성 및 이온전도 특성 개선을 위해 800 ~ 1200℃ 범위에서 열처리(소결공정)를 통해 펠렛 형태의 고체전해질의 치밀화도를 높여 제조한 것을 사용하는 것이 바람직하다.The sintered body of the inorganic solid electrolyte is preferably prepared by increasing the degree of densification of the pellet type solid electrolyte through a heat treatment (sintering process) in the range of 800 to 1200 ° C to improve the crystal phase formation and ion conduction characteristics.

상기 이온성 액체는 양이온으로 이미다졸륨(imidazolium), 피롤리디늄(pyrrolidinium), 암모늄(ammonium) 또는 피페리디늄(piperidinium)을 포함하고, 음이온으로 테트라플루오로보레이트(tetrafluoroborate), 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide), 비스(플루오로설포닐)아미드(bis(fluorosufonyl)amide), 또는 플루오로포스페이트(fluorophosphate)를 포함할 수 있다.The ionic liquid includes imidazolium, pyrrolidinium, ammonium, or piperidinium as a cation and tetrafluoroborate, bis (fluoro (Bis (fluorosulfonyl) imide), bis (fluorosufonyl) amide, or fluorophosphate.

상기 음극활물질은 리튬전지에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 금속산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 리튬과 합금 가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi 등을 들 수 있으며, 상기 금속산화물로는 리튬티탄 산화물, SnO2, SiOx(0<x<2) 등이다. 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The negative electrode active material can be used without limitation as long as it is commonly used in a lithium battery. For example, at least one selected from the group consisting of a lithium metal, a metal capable of alloying with lithium, a metal oxide, and a carbon-based material. For example, examples of the metal capable of being alloyed with lithium include Si, Sn, Al, Ge, Pb and Bi. Examples of the metal oxide include lithium titanium oxide, SnO 2 , SiO x to be. The carbon-based material may be crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof.

상기 무기계 고체전해질과 음극활물질 사이에 첨가되는 고분자 고체 전해질의 매트릭스로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플로라디드, 비닐리덴폴로라이드 및 헥사플로로프로필렌의 공중합체, 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리디메틸실록산 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. 리튬이온전도 특성을 내기 위해 첨가되는 리튬 염의 경우 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2) (단 x, y는 자연수), LiCl, LiI 로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 용매로는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 아세토니트릴(acetonitrile)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.As the matrix of the polymer solid electrolyte added between the inorganic solid electrolyte and the negative active material, a copolymer of polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polymethacrylate, polyacrylonitrile, Polydimethylsiloxane, and polydimethylsiloxane. When the lithium salt is added to give a lithium ion conductive property LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6 , LiAsF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3, Li (CF 3 SO 2) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3, LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl and LiI. The solvent may be selected from the group consisting of tetrahydrofuran and acetonitrile.

상기 리튬 전지는 양극활물질 함량 50 ~ 90% 및 양극 비용량 100 mAh g-1 이상의 특성을 가지며, 고체전해질과 복합 양극 사이에 고분자 전해질과 같은 중간층 삽입 없이, 치밀화된 고체전해질을 직접 복합 전극과 접합시킬 수 있다.The lithium battery has characteristics of a cathode active material content of 50 to 90% and an anode specific capacity of 100 mAh g -1 or more, and a densified solid electrolyte is directly bonded to the composite electrode without interposing an intermediate layer such as a polymer electrolyte between the solid electrolyte and the composite anode .

상기 리튬 전지는 전기차량(Electric Vehicle)과 같은 고안전성 및 고용량이 요구되는 용도에도 적합하며, 기존의 내연기관, 연료전지, 수퍼커패시터 등과 결합하여 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle) 등에도 사용될 수 있으며, 또한, 상기 리튬 전지는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 소형 IT 제품 등의 기타 모든 용도에 사용될 수 있는 것이다.The lithium battery is also suitable for applications requiring high safety and high capacity such as an electric vehicle and can be used in a hybrid vehicle by being combined with a conventional internal combustion engine, a fuel cell, a supercapacitor, , And the lithium battery can be used for all other purposes such as mobile compact IT products such as mobile phones and portable computers.

아울러, 본 발명은 In addition,

1) 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 복합화하여 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 복합 전극을 제조하는 단계; 1) Compositing a cathode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to prepare a composite electrode by slurry coating for current collector;

2) 상기 복합 전극의 표면에 이온성 액체를 균일하게 주입하여 복합 전극내 기공 및 표면을 함침시키는 단계; 2) uniformly injecting an ionic liquid into the surface of the composite electrode to impregnate pores and surfaces in the composite electrode;

3) 상기 이온성 액체가 함침된 복합 전극 표면에 무기계 고체전해질의 소결체를 적층하는 단계; 3) laminating a sintered body of an inorganic solid electrolyte on the surface of the composite electrode impregnated with the ionic liquid;

4) 상기 무기계 고체전해질의 소결체 상에 고분자 고체전해질을 적층하는 단계; 및, 4) stacking a polymer solid electrolyte on the sintered body of the inorganic solid electrolyte; And

5) 상기 고분자 고체전해질 상에 음극활물질을 포함하는 음극을 적층하는 단계;를 포함하는, 전고체 리튬 전지의 제조 방법을 제공한다.5) laminating a negative electrode containing the negative electrode active material on the polymer solid electrolyte.

상기 제조 방법에 있어서, 양극활물질, 고체전해질, 이온성 액체, 무기계 고체전해질의 소결체, 고분자 고체전해질 및 음극활물질은 상술한 바와 같다.In the above manufacturing method, the cathode active material, the solid electrolyte, the ionic liquid, the sintered body of the inorganic solid electrolyte, the polymer solid electrolyte and the anode active material are as described above.

상기 제조 방법에 있어서, 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 고체전해질 소재는 각각 60 ~ 80 : 20 ~ 10 : 10 ~ 7 : 10 ~ 3 중량비율로 복합화하는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the cathode active material, the binder, the conductive material, and the solid electrolyte material are preferably compounded in a ratio of 60 to 80:20 to 10:10 to 7:10 to 3, respectively.

상기 제조 방법에 있어서, 소결공정을 통하여 치밀화된 LATP 등의 무기계 고체전해질을 제조하고, 양극 활물질 소재, 바인더 소재, 전도성 소재 및 고체전해질 소재를 혼합하여 복합 전극을 제조한 후, 적정량의 이온성 액체를 주입하여 복합 전극 표면에 균일하게 함침시킨 다음, 무기계 고체전해질과 접촉시킨 후, 무기계 고체전해질과 음극 간의 접촉을 원활히 해주는 고분자 고체전해질 층을 적층시킨 후, 음극 활물질을 포함하는 음극을 저층시켜 제조할 수 있다.In the above manufacturing method, an inorganic solid electrolyte such as LATP, which is densified through a sintering process, is prepared and a composite electrode is prepared by mixing a cathode active material, a binder material, a conductive material, and a solid electrolyte material, A polymer solid electrolyte layer for facilitating contact between the inorganic solid electrolyte and the negative electrode is laminated and then the negative electrode including the negative active material is laminated to form a lower layer can do.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<< 실시예Example 1>  1>

출발물질로서 Li 전구체인 LiNO3, Al 전구체인 Al(NO3)32O, Ti 전구체인 Ti(OCH2CH2CH2CH3)4, P 전구체인 NH4H2PO4를 선정하였으며, Li1 . 4Al0 . 4Ti1 .6(PO4)3가 얻어지도록 Li, Al, Ti, P 사이의 몰비를 1.4 : 0.4 : 1.6 : 3로 칭량하여 준비하였다. 상기 출발 물질들은 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)에 용해 시킨 후, 상기 용액에 전체 금속 질산염 몰수의 4배에 해당하는 구연산(citric acid, (HOC(COOH)(CH2COOH)2))을 첨가하여 졸(sol)을 제조하였다. 상기 용액을 170℃로 가열하여 겔(gel)을 제조하고, 상기 겔을 계속 가열하여 300℃에서 열분해시켰다. 그 후에 800℃에서 5시간 동안 열처리를 완료한 후 고체전해질 분말을 제조하였다. 해당 분말을 지르코니아 볼과 에탄올을 첨가하여 습식 방식으로 220 rpm의 속도로 볼 밀링을 12시간 수행하여 분쇄하였다. 해당 분말을 수거하여 80℃에서 24시간 동안 건조하고, 100 micro 크기의 분채(mesh)에 걸러 100 nm ~ 5 um 크기의 미세한 LATP 분말을 얻었다. 분채 완료된 분말을 500 MPa의 일축 가압 성형으로 펠렛 형태의 성형체를 만든 후, 노(furnace)안에서 200℃/h의 승온 속도로 공기 분위기하에서 850℃에서 6시간 동안 소결처리를 진행 후 자연 건조시켜, LATP 고체전해질 소결체를 제조하였다. As a starting material, LiNO 3 , Al precursor, Al (NO 3 ) 32 O, Ti precursor Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 and P precursor NH 4 H 2 PO 4 were selected as Li precursor Li 1 . 4 Al 0 . Was prepared by weighing a 3: 4 Ti 1 .6 (PO 4) 3 is obtained so that the molar ratios between Li, Al, Ti, P 1.4 : 0.4: 1.6. The starting materials were dissolved in ethylene glycol and citric acid (HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 ) corresponding to four times the molar amount of the total metal nitrate was added to the solution, (sol). The solution was heated to 170 占 폚 to prepare a gel, and the gel was continuously heated and pyrolyzed at 300 占 폚. Thereafter, the solid electrolyte powder was prepared after the heat treatment was performed at 800 ° C for 5 hours. The powder was milled by wet milling at 220 rpm for 12 hours by adding zirconia balls and ethanol. The powder was collected, dried at 80 ° C for 24 hours, and filtered through a 100-micron mesh to obtain a fine LATP powder having a size of 100 nm to 5 μm. The powder thus obtained was subjected to a sintering process at 850 ° C for 6 hours in an air atmosphere at a heating rate of 200 ° C / h in a furnace, followed by naturally drying in a furnace, LATP solid electrolyte sintered body.

복합 전(양)극은 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 60:20:10:10로 칭량하여, NMP(N-methyl pyrrolidinine) 용액에 녹인 후 해당 슬러리를 Al foil 위에 닥터 블레이드 코팅을 하여 극판을 제조하였다. 120℃ 진공 오븐에서 충분히 건조시켜 NMP 등의 용매를 휘발시킨 후 롤 프레스를 통해 전극 밀도를 증가시켰다.The composite positive electrode was prepared by mixing the positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), the dispersed LATP powder, super-P (conductive material) and PVdF (binder) 10:10, and dissolved in NMP (N-methyl pyrrolidinine) solution. The slurry was coated on Al foil with a doctor blade to prepare an electrode plate. After sufficiently drying in a vacuum oven at 120 ° C to volatilize a solvent such as NMP, the electrode density was increased through a roll press.

LATP 고체전해질과 리튬 음극 사이의 계면 안정성을 증가시키기 위한 중간층(interlayer)으로 사용되는 자립형(free-standing) 고분자 고체 전해질은 다음과 같은 방법으로 제조하였다. ACN(actetonitile) 용매 20 ml에 PEO(분자량 600,000) 0.4 g과 LiClO4 0.054 g을 녹인 후 50℃에서 4시간 이상 교반하어 중합 과정을 수행한다. 이후 해당 슬러리를 상온에서 식힌 후, PTFE plate에 붓고, 닥터 블레이드를 통해 40 μm 두께로 코팅하고 건조, 박리하여 자립형의 PEO-LiClO4 고분자 전해질막을 제조하였다.A free-standing polymer solid electrolyte used as an interlayer to increase the interfacial stability between the LATP solid electrolyte and the lithium anode was prepared as follows. 0.4 g of PEO (molecular weight 600,000) and 0.054 g of LiClO 4 were dissolved in 20 ml of ACN (actetonitile) solvent, and the polymerization was carried out at 50 ° C for 4 hours or more. Then, the slurry was cooled at room temperature, poured into a PTFE plate, coated with a doctor blade to a thickness of 40 μm, dried and peeled to prepare a self-standing PEO-LiClO 4 polymer electrolyte membrane.

이후 전고체 리튬 전지 제조시 복합 양극 극판에 이미다졸륨 기반 이온성 액체(1-Ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)를 1 μl/cm2를 균일하게 주입한 후 LATP 고체전해질 소결체를 직접 적층하고, 이후 고분자 고체 전해질 및 리튬 음극을 LATP 소결체 위에 적층하여, 도 1에 나타난 바와 같이 [이온성 액체 첨가 복합 양극/무기계 고체전해질(LATP)/고분자전해질/음극(리튬포일)]로 구성된 전고체 리튬 전지를 제작하였다. Then, 1 μl / cm 2 of imidazolium-based ionic liquid (1-Ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) was uniformly injected into the composite anode plate and then the LATP solid electrolyte sintered body was directly laminated Polymer solid electrolyte and a lithium negative electrode were laminated on the LATP sintered body to form a total solid lithium battery composed of a composite anode / inorganic solid electrolyte (LATP) / polymer electrolyte / cathode (lithium foil) Respectively.

<< 실시예Example 2>  2>

전고체 리튬 전지 제조시 복합 양극 극판에 피롤리디늄 기반 이온성 액체(1-Ethyl-1-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate)를 1 μl/cm2을 균일하게 주입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. (1-ethyl-1-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate) was uniformly injected into a composite anode plate during the preparation of a solid lithium battery, and the same procedure as in Example 1 was repeated, except that 1 μl / cm 2 of a pyrrolidinium- A total solid lithium battery was produced.

<< 실시예Example 3> 3>

복합 전(양)극의 조성을 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 65:20:10:5로 변경한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. The composition of the complex positive electrode was prepared by mixing the positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), the LATP powder treated with the dispersion, super-P (conductive material) and PVdF : 10: 5 in the same manner as in < Example 1 &gt;.

<< 실시예Example 4> 4>

복합 전(양)극의 조성을 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 65:20:10:5로 변경한 것을 제외하고는 상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. The composition of the complex positive electrode was prepared by mixing the positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), the LATP powder treated with the dispersion, super-P (conductive material) and PVdF : 10: 5 was prepared in the same manner as in < Example 2 &gt;.

<< 실시예Example 5> 5>

복합 전(양)극의 조성을 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 80:10:7:3로 변경한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. The composition of the composite positive electrode was prepared by mixing the positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), the dispersed LATP powder, super-P (conductive material) and PVdF : &Lt; / RTI > 7: 3 was prepared in the same manner as in &lt; Example 1 &gt;.

<< 실시예Example 6> 6>

복합 전(양)극의 조성을 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 80:10:7:3로 변경한 것을 제외하고는 상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. The composition of the composite positive electrode was prepared by mixing the positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), the dispersed LATP powder, super-P (conductive material) and PVdF : &Lt; / RTI > 7: 3 was prepared in the same manner as in &lt; Example 2 &gt;.

<< 비교예Comparative Example 1> 1>

이온성 액체를 주입하지 않는 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. A full solid lithium battery was prepared in the same manner as in < Example 1 > except that no ionic liquid was injected.

<< 비교예Comparative Example 2> 2>

상기 <실시예 1>에서 이온성 액체를 첨가하는 대신 복합 양극 및 고체전해질 사이에 자립형 고분자 고체 전해질을 추가하여 [복합 양극/고분자 전해질/무기계 고체전해질(LATP)/고분자전해질/음극(리튬포일)]로 구성된 전고체 리튬 전지를 제작하였다. Polymer electrolyte / inorganic solid electrolyte (LATP) / polymer electrolyte / negative electrode (lithium foil)] was added in place of adding the ionic liquid in the above Example 1, and a self-supporting polymer solid electrolyte was added between the composite positive electrode and the solid electrolyte. ] Was prepared.

<< 비교예Comparative Example 3> 3>

복합 전(양)극의 조성을 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 65:20:10:5로 변경한 것을 제외하고는 상기 <비교예 2>와 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. The composition of the complex positive electrode was prepared by mixing the positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), the LATP powder treated with the dispersion, super-P (conductive material) and PVdF : 10: 5, the entire solid lithium battery was fabricated in the same manner as in < Comparative Example 2 &gt;.

<< 비교예Comparative Example 4> 4>

복합 전(양)극의 조성을 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 80:10:7:3로 변경한 것을 제외하고는 상기 <비교예 2>와 동일한 방법으로 전고체 리튬 전지를 제작하였다. The composition of the composite positive electrode was prepared by mixing the positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), the dispersed LATP powder, super-P (conductive material) and PVdF : 7: 3, the entire solid lithium battery was fabricated in the same manner as in < Comparative Example 2 &gt;.

<< 평가예Evaluation example 1> 주사전자현미경( 1> Scanning electron microscope ( SEMSEM ) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험) And energy dispersive spectroscopy (EDS) experiments

상기 <실시예 1>에서 제조된 복합 양극의 단면 특성을 파악하기 위하여 주사전자 현미경(SEM) 및 에너지분산형 분광분석(EDS) 실험을 수행하였다. <실시예 1>에서 복합 전극은 양극 활물질 Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2 (NCM), 분채 처리된 LATP 분말, super-P (도전재), PVdF(결착제)를 무게비로 60:20:10:10로 구성하였으며, 극판의 단면을 SEM 및 EDS 분석을 수행하였다. A scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive spectroscopy (EDS) experiment were conducted to examine the cross-sectional characteristics of the composite anode prepared in Example 1 above. In Example 1, the composite electrode was prepared by mixing a positive electrode active material Li [Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 ] O 2 (NCM), a dispersed LATP powder, super-P (conductive material), and PVdF 20:10:10. SEM and EDS analyzes were performed on the cross section of the plate.

실험 결과는 도 2에 나타내었다. 단면 SEM 결과로부터, 전극 극판이 치밀하게 구성되며, 약 20 μm의 두께를 갖는 것을 확인할 수 있다. EDS 분석결과로부터 Ni, Ti, C 성분이 전극 단면에 균일하게 존재하여, 양극 활물질, LATP 분말, 전도성 탄소 및 결착제 등이 고르게 분산되어 분포된 것을 확인할 수 있었다(도 2). The experimental results are shown in Fig. From the cross-sectional SEM results, it can be seen that the electrode plate is compact and has a thickness of about 20 μm. From the results of the EDS analysis, it was confirmed that the Ni, Ti, and C components are uniformly present on the electrode surface, and the cathode active material, LATP powder, conductive carbon, and binder are uniformly dispersed and distributed (FIG.

<< 평가예Evaluation example 2> 전지  2> Battery 충방전Charging and discharging 실험 Experiment

상기 <실시예 1>, <실시예 2>, <비교예 1> 및 <비교예 2>를 통해 제작된 전고체 리튬 전지에 대한 정전류 인가 충방전 평가를 수행하였다. 전류 밀도는 양극 활물질 무게를 기준으로 40 mA/g, 전압범위는 2.5 V ~ 4.2 V, 온도는 60℃에서 수행하였으며, 첫 번째 충방전 곡선 결과 및 50회 충방전 후 방전 용량 곡선을 도 3 및 4에 나타내었다. The charge / discharge evaluation of the all solid lithium battery manufactured through the above-described Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was performed. The current density was 40 mA / g based on the weight of the cathode active material, the voltage range was 2.5 V to 4.2 V, and the temperature was 60 ° C. The results of the first charge-discharge curve and the discharge capacity curve after 50 charge- Respectively.

실험 결과, <비교예 1>의 경우 이온성 액체가 첨가되지 않아 복합 전극과 LATP 고체전해질 사이의 계면 저항이 매우 커 충방전시 분극이 크게 증가하여 전지가 전혀 작동을 하지 못하였다. <비교예 2>의 경우 고분자 고체 전해질 층이 적용된 경우 방전 용량이 130 mAh/g으로 측정되었다. 반면, 이미다졸륨(imidazolium) 및 피롤리디늄(pyrrolidinium) 기반의 이온성 액체가 첨가된 <실시예 1> 및 <실시예 2>의 경우 초기 방전 용량이 각각 139 mAh/g, 137 mAh/g으로 측정되어 <비교예 2>의 고분자 전해질을 적용한 경우보다 초기 용량 특성 우수한 특성을 나타나는 것을 확인하였다. <비교예 2>, <실시예 1> 및 <실시예 2>의 50회 충방전 진행 후 방전 용량은 각각 59, 85, 79 mAh/g이 나와 방전 용량 유지율은 각각 45, 61, 58%에 달하는 것으로 이온성 액체가 첨가된 경우 더 우수한 충방전 수명을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 이온성 액체가 복합 전극의 기공에 함침되고, 더불어 복합전극과 LATP 고체전해질 계면의 접합성을 향상시켜 계면 저항을 감소시켜 나타나는 현상으로 판단되며, 고분자 전해질을 적용한 경우보다 점성이 낮은 이온성 액체가 복합 전극의 비용량 및 충방전 수명 유지율을 향상시키는데 더 효과적인 것을 알 수 있었다(도 3 및 도 4). As a result of the experiment, in Comparative Example 1, the ionic liquid was not added and the interfacial resistance between the composite electrode and the LATP solid electrolyte was so high that the polarization was greatly increased during charging and discharging, so that the battery could not operate at all. In the case of Comparative Example 2, when the polymer solid electrolyte layer was applied, the discharge capacity was measured to be 130 mAh / g. On the other hand, in Examples 1 and 2 in which imidazolium and pyrrolidinium-based ionic liquids were added, the initial discharge capacities were 139 mAh / g and 137 mAh / g, respectively , And it was confirmed that the characteristics of the initial capacity characteristics were superior to those of the polymer electrolyte of Comparative Example 2. The discharging capacities after 50 cycles of charging and discharging were 59, 85 and 79 mAh / g in Examples 2 and 3 and 45 and 61 and 58%, respectively It was confirmed that when the ionic liquid was added, it showed a better charge / discharge life. These results indicate that the ionic liquid is impregnated into the pores of the composite electrode, and the interface resistance between the composite electrode and the LATP solid electrolyte is improved by decreasing the interfacial resistance. In addition, Liquid was more effective in improving the specific capacity and the charge / discharge life span of the composite electrode (FIGS. 3 and 4).

또한, <실시예 3>, <실시예 4>, <실시예 5>, <실시예 6>, <비교예 3> 및 <비교예 4>를 통해 제작된 전고체 전지에 대해 인가 전류밀도 40 mA/g, 전압범위는 2.5 V ~ 4.2 V, 온도는 60℃에서 충방전 평가를 수행하였으며, 하기 [표 1]에 초기 및 50회 충방전 후 방전 용량, 용량 유지율을 나타내었다. The total current density of the entire solid battery fabricated through Example 3, Example 4, Example 5, Example 6, Comparative Example 3, and Comparative Example 4 was 40 charge / discharge evaluation was carried out at a voltage of 2.5 V to 4.2 V and a temperature of 60 ° C., and discharge capacity and capacity retention ratio after initial and 50 cycles of charge / discharge were shown in the following Table 1.

전고체 전지의 초기 및 50회 충방전 후 방전 용량, 50회 충방전 후 방전 용량 유지율The discharge capacity after the initial 50 cycles of charge / discharge of all solid-state cells, the discharge capacity retention rate after 50 cycles of charging / discharging 초기 방전 용량
(mAh/g)
Initial discharge capacity
(mAh / g)
50회 후 방전 용량
(mAh/g)
Discharge capacity after 50 cycles
(mAh / g)
용량 유지율
(%)
Capacity retention rate
(%)
실시예 3Example 3 132132 7676 57.657.6 실시예 4Example 4 130130 7272 55.455.4 비교예 3Comparative Example 3 125125 5151 40.840.8 실시예 5Example 5 120120 6565 54.254.2 실시예 6Example 6 118118 6262 52.552.5 비교예 4Comparative Example 4 109109 4141 37.637.6

실험 결과, 복합전극의 활물질 비율이 증가할수록, 초기 용량 및 용량 유지율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 이온성 액체가 첨가된 <실시예 3>, <실시예 4>, <실시예 5> 및 <실시예 6> 대비 고분자 전해질을 적용한 <비교예 3> 및 <비교예 4>의 경우 더 감소폭이 큰 것으로부터 고분자 전해질을 적용한 경우보다 이온성 액체를 적용한 경우 더 우수한 용량 및 수명 특성을 나타내는 것을 확인하였다(표 1). As a result, it was confirmed that the initial capacity and capacity retention rate decreased as the ratio of the active material of the composite electrode increased. However, in the case of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 to which the ionic liquid was added in Examples 3, 4, 5, and 6, It was confirmed that the ionic liquid showed better capacity and lifetime characteristics than the case where the polymer electrolyte was applied (Table 1).

본 명세서는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 충분히 인식하고 유추할 수 있는 내용은 그 상세한 기재를 생략하였으며, 본 명세서에 기재된 구체적인 예시들 이외에 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 구성을 변경하지 않는 범위 내에서 보다 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 구체적으로 설명하고 예시한 것과 다른 방식으로도 실시될 수 있으며, 이는 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자이면 이해할 수 있는 사항이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. More variations are possible within a range that does not. Accordingly, the present invention may be embodied in other forms without departing from the spirit or scope of the inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (11)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 양극활물질 및 무기계 고체전해질 소재가 함유된 복합 양극;
무기계 고체전해질의 소결체;
고분자 고체 전해질; 및
음극활물질을 포함하는 음극;이 순차적으로 적층되어 있고,
상기 복합 양극과 무기계 고체전해질의 소결체 사이의 계면에 이미다졸륨(imidazolium) 및 피롤리디늄(pyrrolidinium) 기반의 이온성 액체가 균일하게 채워져 있는,
전고체 리튬 전지.
A composite anode containing a cathode active material and an inorganic solid electrolyte material;
A sintered body of an inorganic solid electrolyte;
Polymer solid electrolyte; And
A negative electrode including a negative electrode active material;
Wherein the interface between the complex anode and the sintered body of the inorganic solid electrolyte is uniformly filled with imidazolium and pyrrolidinium based ionic liquids,
All solid lithium batteries.
제 6항에 있어서,
상기 무기계 고체전해질의 소결체는 LATP(Li1+aAlaTi2-a(PO4)3)(여기서, a는 0 ~ 2 사이의 정수 또는 소수)가 800 ~ 1200℃에서 소결 공정을 통해 펠렛 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 전지.
The method according to claim 6,
The sintered body of the inorganic solid electrolyte may be a sintered body of LATP (Li 1 + a Al a Ti 2-a (PO 4 ) 3 ) wherein a is an integer of 0 to 2 or a prime number at 800 to 1200 ° C through a sintering process. Wherein the solid lithium battery is formed in the shape of a cylinder.
삭제delete ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 9 is abandoned upon payment of registration fee. 제 6항에 있어서,
상기 고분자 고체전해질은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플로라디드, 비닐리덴폴로라이드 및 헥사플로로프로필렌의 공중합체, 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리디메틸실록산로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 구성되는 매트릭스인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 전지.
The method according to claim 6,
The polymer solid electrolyte may be any one selected from the group consisting of a copolymer of polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polymethacrylate, polyacrylonitrile and polydimethylsiloxane &Lt; / RTI &gt; wherein the electrolyte is a matrix.
1) 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 무기계 고체전해질 소재를 복합화하여 전류집전체 위해 슬러리 코팅하여 복합 전극을 제조하는 단계;
2) 상기 복합 전극의 표면에 이온성 액체를 균일하게 주입하여 복합 전극내 기공 및 표면을 함침시키는 단계;
3) 상기 이온성 액체가 함침된 복합 전극 표면에 무기계 고체전해질의 소결체를 적층하는 단계;
4) 상기 무기계 고체전해질의 소결체 상에 고분자 고체전해질을 적층하는 단계; 및
5) 상기 고분자 고체전해질 상에 음극활물질을 포함하는 음극을 적층하는 단계;를 포함하는,
전고체 리튬 전지의 제조 방법.
1) Compositing a cathode active material, a binder, a conductive material, and an inorganic solid electrolyte material to prepare a composite electrode by slurry coating for current collector;
2) uniformly injecting an ionic liquid into the surface of the composite electrode to impregnate pores and surfaces in the composite electrode;
3) laminating a sintered body of an inorganic solid electrolyte on the surface of the composite electrode impregnated with the ionic liquid;
4) stacking a polymer solid electrolyte on the sintered body of the inorganic solid electrolyte; And
5) stacking a negative electrode comprising the negative active material on the polymer solid electrolyte;
A method for manufacturing a solid lithium battery.
제 10항에 있어서,
상기 양극활물질, 결착제, 전도성 소재 및 고체전해질 소재는 각각 60 ~ 80 : 20 ~ 10 : 10 ~ 7 : 10 ~ 3 중량비율로 복합화하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬 전지의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the positive electrode active material, the binder, the conductive material, and the solid electrolyte material are compounded in a ratio of 60 to 80:20 to 10:10 to 7:10 to 3, respectively.
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