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KR-20260060525-A - MANUFACTURING METHOD FOR ALL-SOLID-STATE BATTERY

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Abstract

본 발명은 전고체 전지의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 파우치형 전고체 전지의 제조방법에 관한 것이다. 파우치형 전고체 전지의 제조 방법은 파우치에 제1 깊이를 갖는 수용부를 형성하는 것; 상기 수용부에 제1 두께를 갖는 전극 조립체를 수용하는 것; 상기 전극 조립체가 수용된 상기 파우치를 제1 압력으로 제1 가압하는 것; 및 상기 파우치의 주변부를 실링하여 파우치형 전고체 전지를 제조하는 것을 포함한다.

Inventors

  • 김리율
  • 이진아
  • 민정아
  • 문진희

Assignees

  • 삼성에스디아이 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241024

Claims (20)

  1. 파우치형 전고체 전지의 제조방법으로서, 파우치에 제1 깊이를 갖는 수용부를 형성하는 것; 상기 수용부에 제1 두께를 갖는 전극 조립체를 수용하는 것; 상기 파우치의 주변부를 실링하는 것; 및 상기 전극 조립체를 초기 충전하여 활성화하는 것을 포함하되, 상기 실링은 상기 수용된 전극 조립체를 제1 압력으로 정압 가압하면서 수행되고, 상기 제1 깊이는 상기 제1 두께보다 작은, 전고체 전지의 제조방법:
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 깊이는 하기 수학식 1을 만족하는 전고체 전지의 제조방법: [수학식 1] S E - σ ≤ 제1 깊이 ≤ S E + σ 상기 수학식 1 중, 상기 S E 는 상기 전극 조립체와 동일한 구성을 가진 복수개의 선행 전극 조립체들을 대상으로 상기 제1 압력 하에서 측정한 두께들의 평균이고, σ는 상기 두께들의 표준 편차이다.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 깊이를 결정하기 위한 기준 데이터를 취득하는 것을 더 포함하고, 상기 기준 데이터를 취득하는 것은: 상기 복수개의 선행 전극 조립체들을 상기 제1 압력으로 가압하는 것; 상기 제1 압력으로 가압된 상태에서 상기 선행 전극 조립체들의 두께를 측정하는 것; 및 상기 선행 전극 조립체들의 두께의 평균 및 표준 편차를 산출하는 것을 포함하는, 전고체 전지의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 압력은 1.5MPa이하인, 전고체 전지의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 초기 충전은 상기 전극 조립체가 제2 압력으로 가압하면서 수행되고, 상기 제2 압력으로 가압된 상태에서의 상기 전극 조립체는 제3 두께를 갖는, 전고체 전지의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 깊이는 상기 제1 두께 보다 작고 상기 제3 두께보다 큰, 전고체 전지의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제2 압력은 2 MPa 내지 2.5MPa인, 전고체 전지의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 파우치는 상부 파우치 및 하부 파우치를 포함하고, 상기 상부 파우치 및 상기 하부 파우치 중 적어도 하나는 상기 수용부를 포함하는, 전고체 전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 상부 파우치는 제1 수용부를 포함하고, 상기 하부 파우치는 제2 수용부를 포함하며, 상기 제1 수용부의 제3 방향으로의 깊이와 상기 제2 수용부의 제3 방향으로의 깊이의 합이 상기 제1 깊이로 정의되는, 전고체 전지의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 주변부는 제1 내지 제4 측부들을 포함하고, 상기 제1 측부 및 상기 제2 측부는 제2 방향을 따라 서로 이격되고, 상기 제3 측부 및 상기 제4 측부는 제1 방향을 따라 서로 이격되고, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 교차되며, 상기 파우치의 주변부를 실링하는 것은: 상기 제1 측부 및 상기 제2 측부 각각을 제1 방향을 따라 실링하는 것; 및 상기 제3 측부 및 상기 제4 측부 각각을 제2 방향을 따라 실링하는 것을 포함하는, 전고체 전지의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 측부들을 실링하는 것은, 상기 제1 압력으로 정압 가압하기 전에 수행되고, 상기 제3 및 제4 측부들을 실링하는 것은, 상기 제1 압력으로 정압 가압하면서 수행되는, 전고체 전지의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 측부들을 실링하는 것은, 상기 제1 압력으로 정압 가압하면서 수행되는, 전고체 전지의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 적어도 하나의 단위셀을 포함하고, 상기 단위셀은: 양극층; 음극층; 및 상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치되는 고체 전해질층을 포함하는, 전고체 전지의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전극 조립체는 적어도 하나의 탄성 부재를 더 포함하는, 전고체 전지의 제조방법.
  15. 제1 깊이를 갖는 수용부를 포함하는 파우치; 및 상기 파우치에 수용된 전극 조립체를 포함하되, 상기 전극 조립체는 제1 두께를 갖고, 상기 제1 깊이는 상기 제1 두께보다 작아 상기 전극 조립체의 일부가 노출되는, 파우치형 전고체 전지.
  16. 제15항에 있어서, 상기 파우치는 상부 파우치 및 하부 파우치를 포함하고, 상기 상부 파우치 및 상기 하부 파우치 중 적어도 하나는 상기 수용부를 포함하는, 파우치형 전고체 전지.
  17. 제15항에 있어서, 상기 상부 파우치는 제1 수용부를 포함하고, 상기 하부 파우치는 제2 수용부를 포함하며, 상기 제1 수용부의 제3 방향으로의 깊이와 상기 제2 수용부의 제3 방향으로의 깊이의 합이 상기 제1 깊이로 정의되는, 파우치형 전고체 전지.
  18. 제15항에 있어서, 상기 전극 조립체는 적어도 하나의 단위셀을 포함하고, 상기 단위셀은: 양극층; 음극층; 및 상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치되는 고체 전해질층을 포함하는, 파우치형 전고체 전지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 전극 조립체는 적어도 하나의 탄성 부재를 더 포함하는, 파우치형 전고체 전지.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제1 깊이는 하기 수학식 1을 만족하는, 파우치형 전고체 전지: [수학식 1] S E - σ ≤ 제1 깊이 ≤ S E + σ 상기 수학식 1 중, 상기 S E 는 상기 전극 조립체와 동일한 구성을 가진 복수개의 선행 전극 조립체들을 대상으로 상기 제1 압력 하에서 측정한 두께들의 평균이고, σ는 상기 두께들의 표준 편차이다.

Description

전고체 전지의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR ALL-SOLID-STATE BATTERY} 본 발명은 전고체 전지의 제조방법에 관한 것이다. 최근 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 전기 자동차 등 전지를 사용하는 전자 기구의 급속한 보급에 수반하여 에너지 밀도가 높고 고용량인 이차 전지의 수요가 급속히 증대되고 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 성능 향상을 위한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 한편, 현재 시판되고 있는 리튬 이온 전지는 가연성 유기 분산매를 포함 전해액을 포함하고 있기 때문에, 단락이 발생한 경우 과열 및 화재 가능성이 있다. 이러한 문제점을 고려하여 전해액을 고체전해질로 대체한 전고체 전지가 제안되고 있다. 전고체 전지는 가연성 유기 분산매를 사용하지 않음으로써, 단락이 발생해도 화재나 폭발이 발생할 가능성을 크게 줄일 수 있다. 따라서 이러한 전고체 전지는 전해액을 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 크게 안전성을 높일 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전고체 전지의 단면도이다. 도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 전고체 전지를 파우치에 수용하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 2b는 일 실시예에 따른 파우치형 전고체 전지의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 파우치형 전고체 전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 4a 내지 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 전고체 전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 파우치에 수용된 전극 조립체를 초기 충전하는 활성화 단계에서의 가압 조건과, 상기 가압 하에서의 전극 조립체의 두께를 설명하기 위한 단면도이다. 본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 전고체 전지 도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전고체 전지를 설명하기 위한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 전고체 전지(10)는 양극층(100), 양극층(100)과 대향하는 음극층(200), 및 양극층(100)과 음극층(200) 사이에 배치되는 고체 전해질층(300)을 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 전고체 전지(10)는 양극층(100)과 고체 전해질층(300) 사이 또는 음극층(200)과 고체 전해질층(300) 사이에 배치된 추가적인 기능성층, 예컨대 접착력 향상층을 더 포함할 수 있다. 양극층(100)은 양극 집전체(110) 및 양극 집전체(110) 상에 배치된 양극 활물질층(120)을 포함할 수 있다. 양극 활물질층(120)은 양극 활물질, 고체 전해질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다. 양극 집전체(110)는 양극 활물질층(120)이 배치되는 기준면을 제공할 수 있다. 양극 집전체(110)는 판상체(plate) 또는 호일(foil) 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 양극 집전체(110)는 인듐(In), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 리튬(Li) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 달리, 본 발명의 일 실시예에서 양극 집전체(110)는 생략 가능하다. 도시하지는 않았으나, 양극 집전체(110)와 양극 활물질층(120)과의 결착력을 높이기 위해 양극 집전체(110)와 양극 활물질층(120) 사이에 두께 0.1㎛ 내지 4 ㎛의 카본층이 더 배치될 수도 있다. 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장(absorb) 및 방출(desorb)할 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질은 리튬코발트산화물(LCO), 리튬니켈산화물(Lithium nickel oxide), 리튬니켈코발트산화물(lithium nickel cobalt oxide), 리튬니켈코발트알루미늄산화물(NCA), 리튬니켈코발트망간산화물(NCM), 리튬망간산화물(lithium manganate), 리튬인산철산화물(lithium iron phosphate) 등의 리튬전이금속산화물, 황화 니켈, 황화구리, 황화 리튬, 산화철, 또는 산화 바나듐(vanadium oxide)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 활물질은 각각 단독이거나, 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 리튬전이금속산화물은 예를 들어, LiaA1-bBbD2(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5), LiaE1-bBbO2-cDc(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05), LiE2-bBbO4-cDc(0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05), LiaNi1-b-cCobBcDα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2), LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2), LiaNi1-b-cMnbBcDα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α≤2), LiaNi1-b-cMnbBcO2-αFα(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05, 0<α<2), LiaNibEcGdO2(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0.001≤d≤0.1), LiaNibCocMndGeO2(0.90≤a≤1, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0.001≤e≤0.1), LiaNiGbO2(0.9≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), LiaCoGbO2(0.90≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), LiaMnGbO2(0.90≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), LiaMn2GbO4(0.90≤a≤1, 0.001≤b≤0.1), QO2, QS2, LiQS2, V2O5, LiV2O5, LiIO2, LiNiVO4, Li3-fJ2(PO4)3(0≤f≤2), Li3-fFe2(PO4)3(0≤f≤2), LiFePO4 중 어느 하나로 표현되는 화합물일 수 있다. 이러한 화합물에서, 대문자 "A"는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고, 대문자 "B"는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고, 대문자 "D"는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고, 대문자 "E"는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고, 대문자 "F"는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고, 대문자 "G"는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고, 대문자 "Q"는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고, 대문자 "I"는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이고, 대문자 "J"는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다. 양극 활물질은, 예를 들어, 상술한 리튬전이금속산화물 중 층상암염형(layered rock salt type) 구조를 갖는 전이금속산화물의 리튬염을 포함할 수 있다. "층상 암염형 구조"는 예를 들어 입방정 암염형(cubic rock salt type) 구조의 <111> 방향으로 산소 원자층과 금속 원자층이 교대로 규칙적으로 배열하고, 이에 의하여 각각의 원자층이 이 차원 평면을 형성하고 있는 구조이다. "입방정 암염형 구조"는 결정 구조의 일종인 염화나트륨형(NaCl type) 구조를 나타내며, 구체적으로는 양이온 및 음이온 각각이 형성하는 면심 입방 격자(face centered cubic lattice, fcc)가 서로 단위 격자(unit lattice)의 능(ridge)의 1/2 만큼 어긋나 배치된 구조를 나타낸다. 이러한 층상암염형 구조를 갖는 리튬전이금속산화물은, 예를 들어, LiNixCoyAlzO2 (NCA) 또는 LiNixCoyMnzO2 (NCM) (0<x<1,0<y<1, 0<z<1, x+y+z=1) 등의 삼원계 리튬전이금속산