The impact of pressure on sulfide-based polymer-in-ceramic electrolyte for all-solid-state battery

Abstract

Among the next-generation battery technologies, all-solid-state lithium batteries (ASLBs) are the most attractive because of the high safety and high energy density. The critical difference between ASLBs and conventional lithium-ion batteries (LIBs) is the replacement of the liquid electrolyte with a solid electrolyte (SE). Thus, for battery development, the investigation of ionic conductivities of SEs is essential. Sulfide-type ion conductors are representative SEs having high ionic conductivities and are ductile. However, sulfide-type SEs suffers from H2S gas release and degradation when exposed to the moisture in the air, and, as a result, the study and optimization of the fabrication parameters is challenging. In this study, we fabricated a polymer-in-ceramic SE as a thin, large-area, free-standing SE. Crucially, to optimize the fabrication conditions, we used a model inorganic particles that do not suffer from the moisture sensitivity typical of sulfide-based SEs. Interestingly, the ionic conductivity of the polymer-in-ceramic SE changed with applied pressure, behavior unlike that of a conventional pellet-type SEs prepared from sulfide powders. To understand this phenomenon, we carried out digital twinned 3D structure simulation analysis, which revealed changes in the specific contact area and distribution of ionic density in the polymer-in-ceramic SE. As a result, we propose a model composition that will facilitate the exploration of polymer-in-ceramic SEs and their characteristics and, thus, enhance the practical use of ASLBs. | 차세대 배터리 기술 중 전고체 전지는 안정성이 높고 에너지가 밀도를 높일 수 있어 주목을 받고 있다. 전고체 전지와 기존 리튬 이온 전지의 차이점은 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한다는 것이다. 따라서, 배터리 개발을 위해서는 고체전해질의 이온 전도도에 대한 조사가 필수적이다. 황화물계 고체전해질은 이온전도도가 높고 연성이 있는 대표적인 고체전해질이다. 그러나, 황화물계 고체전해질은 공기 중의 수분에 노출될 때, 황화수소 가스 방출과 열화를 겪기 때문에 제조 조건의 연구와 최적화에 어려움이 있다. 본 연구에서는 고체 전해질의 제조 조건을 최적화하기 위해, 공기 중의 수분과 반응성이 없는 모델 무기물 입자를 사용했다. 최적화된 조건을 통해 polymer-in-ceramic 고체 전해질을 얇고 넓은 면적의 독립형 고체 전해질로 제작할 수 있었다. polymer-in-ceramic 고체전해질의 이온전도도를 압력을 가해 측정하는 과정에서 황화물계 고체전해질 파우더로 제조된 기존의 펠렛형 고체전해질과 정반대의 이온전도도 거동을 보이는 것을 처음 발견하였다. 이 현상을 이해하기 위해, polymer-in-ceramic 형태의 고체전해질에서 비접촉 면적과 이온 밀도의 분포 변화를 밝혀낸 digital twin 3D 구조 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 결과적으로, 본 연구에서는 전고체 전지의 상용화를 위해 미개척 분야인 polymer-in-ceramic 고체 전해질의 특성에 대한 탐구를 용이하게 할 수 있는 효율적인 모사 복합체를 제안하였다.