기계적 밀링을 이용하여 고체전해질(Li2S-P2S5) 사이에 황 활물질을 침투시킨 전고체 리튬황 전지의 전기화학적 성능 평가 = Electrochemical performance of all-solid-state lithium-sulfur batteries with sulfur-based cathodes prepared between glass like Li2S-P2S5 solid electrolytes using mechanical milling

국문 초록 (Abstract)

최근 유기용매와 리튬염으로 이뤄진 리튬 이온 전지의 기술은 높은 이온전도도를 기반으로 우수한 성능을 내는 유망한 배터리이다. 에너지 밀도 측면에서는 장점이 있지만, 비싼 가격과 고전압에서 전기화학적 불안정성, 유기 용매와 관련된 안정성 문제는 우선적으로 해결되어야 한다. 이와 같은 문제를 해결할 수 있는, 근본적으로 유기용매를 사용하지 않는 전고체 배터리의 경우 안정성에 큰 장점이 있다. 또한 높은 안정성과 더불어, 고출력밀도, 패키지 간소화과 같은 특징때문에 현재 많은 주목을 끌고 있고, 안전성이 크게 요구되는 전기자동차에 적용하려는 시도들이 진행되고 있다.
전고체 리튬황 전지는 고용량 양극재(Li2S, lithium sulfide)를 사용하여 우수한 이론 용량(1166mAh/g)과 고체전해질을 적용하여 폭발로부터 자유롭다는 장점이 있다. 양극 소재로 사용되고 있는 황은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하므로 전지의 제조단가를 낮출 수 있다는 장점으로 인해 높은 관심을 받고 있다. 또한 유기용매를 사용하지 않아, 황의 ‘셔틀 현상’으로 인한 양극 소재 손실을 원천적으로 제거할 수 있어 우수한 수명을 가진다. 이러한 특징 때문에 차세대 전기자동차(EV) 중대형 전지로 주목받고 있다.
하지만 전고체 전지는 복합체 구성 시, 고체전해질과 전극 간의 큰 계면저항으로 인해 제대로 된 전지 성능을 구현하지 못하고 있다. 그 이유는 크게 두 가지인데, 첫째는 고체전해질은 액체전해질과 달리 젖음성과 흐름성이 없다는 점이고 둘째는 전고체 양극 복합체(고체전해질+활물질+도전재) 구성 시, 각 성분의 크기 및 형상이 다양하다는 점이다. 따라서 충/방전 과정에서 양극 활물질 부피 변화에 따라 접촉면이 분리 되어 고체전해질과 활물질간의 균일한 접촉면을 형성하지 못해 charge 이동을 어렵게 만든다. 결과적으로 이는 전지의 성능을 악화시키고 우수한 전기화학적 특성을 위해 시급히 해결되어야 할 부분이다.

본 연구는 Mechanical Milling을 이용한 고체전해질 합성과 동시에 양극재 분쇄 과정을 진행할 수 있는 획기적인 합성 방법을 고안했다. 이를 통해 양극 복합체 입자 간 균일한 입자 분포 및 충/ 방전 과정에서 발생하는 양극 활물질 부피 변화를 최소하여 유연하게 대처할 수 있는 전고체 리튬황 양극 복합체를 합성하는데 목적이 있다.
실험의 세부 공정은, 고체전해질 조성(mol% 기준)을 Li2S(75%)-P2S5(25%)와 비교해, Li2S(87%)-P2S5(13%)까지 Li2S를 과량 첨가한 후 Mechanical milling을 이용하여 전해질을 합성한다. Li2S를 과량 넣은 이유는 고체전해질 합성과 동시에 ball energy에 의한 활물질 분쇄 과정을 동시에 진행하려고 실험 방법을 고안했다. 이후 열처리와 도전재(Super P) 첨가 과정을 거쳐 복합 전극을 만들고 셀 성능을 평가한다.
XRD 결과로 Thio-LISICON III phase의 주 결정상을 확인했고, Scherrer equation을 토대로 양극재의 입자 크기 감소를 확인했다. 결과적으로 양극소재 분쇄 과정과 고체전해질 합성이 동시에 진행됨을 확인했다. different capacity analysis 결과를 통해 1st 충전 과정에서 과전압 감소의 효과를 보였고, 임피던스 결과로 양극 복합체 내 charge transfer 저항 감소를 확인했다. 충/방전 그래프를 통해 Li2S와 폴리설파이드 (Li2Sx.x=2~4)간 가역적 반응이 빠르게 활성화되는 것을 확인했고, 향상된 율속 및 수명 특성 결과를 확보했다. 이와 같이 우수한 전기화학적 특성을 갖는 이유는 양극 활물질의 입자 감소로 인해 양극 활물질 내 charge 이동경로가 짧아졌고, 충/방전시 양극 활물질 부피 변화에 유연하게 대처할 수 있는 우수한 접촉 면적을 유지할 수 있는 양극 복합체를 합성한 결과이다.