전고체전지에서 양극복합체의 계면안정성 향상을 위한 산소 치환 Li6PS5Cl Argyrodite 고체전해질 = Enhanced interfacial stability of Li6PS5Cl argyrodite electrolyte by oxygen substitution in composite cathode for all-solid-state lithium-Ion batteries

국문 초록 (Abstract)

리튬 이온 배터리(Lithium Ion Battery, LIB)는 에너지밀도가 높고 사이클 특성이 우수하기 때문에 다양한 장치에 사용되고 있다. 최근에는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV) 및 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 시장이 성장함에 따라 증∙대형 리튬 이온 배터리가 큰 관심을 끌고있다. 액체 전해질 기반 배터리 시스템은 수년 동안 사용되어 왔지만, 발화에 대한 위험으로 인해 여전히 안전성 문제를 가지고 있다.
한편 전고체전지(All-solid-state Lithium Ion Battery, ASSLIB)는 우수한 안정성, 높은 에너지 밀도 및 넓은 전기화학적 창으로 인해 차세대 전지로서 많은 관심을 끌고있다. 고체전해질 중에서 황화물계 고체전해질은 적절한 전기화학적 성능을 보여주고, 낮은 탄성계수로 인한 좋은 성형성, 그리고 높은 리튬 이온전도성을 가지고 있어 가장 적합한 차세대 소재로서 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 Argyrodite 구조인 Li6PS5X (X = Cl, Br, I)는 가장 많이 쓰이는 황화물계 고체전해질 중에 하나이며, 실온에서 10-3 S/cm 이상의 높은 이온전도성을 가지고 있다. 전고체전지의 전기화학적 성능을 향상시키기 위해서는 고체전해질의 높은 안정성이 요구된다. 그러나 황화물계 고체전해질은 반응성이 높기 때문에 리튬 금속 및 대기(수분)에 대해 화학적 안정성이 매우 취약하다. 또한 황화물계 고체전해질은 양극활물질과의 계면에서 충∙방전에 따른 분해 반응이 일어난다고 보고되었다.
본 연구에서는 황화물계 고체전해질의 주요 원소인 황을 산소로 치환하여 고체전해질의 전기화학적안정성을 개선하였다. 산소의 강한 결합력은 양극활물질과 전해질 계면에서의 전해질 분해를 억제한다. 고체전해질의 구조 분석을 위해 X선 회절 분석법(X-ray diffraction, XRD)와 미세구조를 분석하기 위해 라만 분광법(Raman spectroscopy)를 실시하였다. 합성된 고체전해질을 적용한 전고체전지의 전기화학적 안정성을 측정하고자 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV), 교류 임피던스 분광법 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)와 X선광전자분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 실시하였다. 결과적으로 산소를 치환한 고체전해질을 적용한 전고체전지의 양극복합체에서 향상된 전기화학적 안정성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서론 1
• 1. 1. 전고체 리튬 이차전지의 연구 배경 1
• 1. 2. 무기계 고체 전해질의 종류 및 이온전도 메커니즘 5
• 1. 2. 1. 산화물계 고체 전해질 10
• 1. 2. 2. 황화물계 고체 전해질 13
• 1. 3. 전고체전지용 고체전해질의 문제점 및 개선방안 19
• 제 2 장. 실험 방법 및 특성 평가 28
• 2. 1. Li6PS5-xOxCl 고체전해질의 합성 26
• 2. 2. Li6PS5-xOxCl 고체전해질의 특성 평가 28
• 2. 3. 전고체전지 제조 및 전지 특성 평가 30
• 제 3 장. 실험결과 및 고찰 34
• 3. 1. Li6PS5-xOxCl 고체전해질의 구조 분석 34
• 3. 2. 전해질-활물질의 화학적 & 전기화학적 안정성 분석 37
• 3. 3. Li6PS5-xOxCl 고체전해질을 적용한 전지 성능 평가 44
• 제 4 장. 결론 52
• 참고문헌 54
• List of Figure Caption 60
• List of Tables 62
• Abstract 63