전고체 이차전지용 Li2S-P2S5 Glass-ceramics 고체전해질의 Li2SO4 치환을 통한 전기화학적 안정성 향상

Title
전고체 이차전지용 Li2S-P2S5 Glass-ceramics 고체전해질의 Li2SO4 치환을 통한 전기화학적 안정성 향상
Other Titles
Enhanced electrochemical stability of Li2S-P2S5 Glass-ceramics solid electrolyte by Li2SO4 substitution for All-Solid-State lithium Batteries
Author
손진오
Alternative Author(s)
SON,JIN-OH
Advisor(s)
신동욱
Issue Date
2018-08
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
휴대용 기기의 보급이 확산되면서 휴대용 가전기기인 스마트폰에서부터 태블릿 PC, 노트북 등 많은 기기에 리튬 이온 이차전지가 적용되고 있다. 또한, 최근 환경규제와 화석연료의 고갈 등에 의해 자동차 시장이 전기자동차(EV) 시장으로 변화하고 있다. 따라서 중·대형 배터리 시장이 확대되면서 전기자동차에 적용될 고용량, 고 에너지 밀도의 리튬이온 이차전지를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화되는 리튬 이차전지는 액체 유기물 기반의 전해질로 낮은 이온저항에 의한 높은 이온전도도와 넓은 비표면적을 갖는다는 장점을 가지고 있다. 하지만 이러한 유기계 액체 전해질은 외부충격, 과 충전 및 높은 온도에 취약하여 폭발의 위험성을 가지고 있어 안전성이 이슈화되고 있으며 고전압에서 전해질의 전기화학 분해가 일어나 고 에너지 밀도의 이차전지를 구현하기에는 한계를 가지고 있다. 안전성의 문제점은 고 용량의 중·대형 배터리에서 더욱 크게 부각되고 있어 문제점을 보완하기 위해 많은 연구 그룹에서 차세대 배터리 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 그 중 유기계 액체전해질을 고체전해질로 대체하여 모든 구성물이 고체로 구성된 전고체 이차전지는 높은 온도 및 과 충전 등 악 조건에서도 폭발의 위험에서 안전하다는 장점이 있다. 또한, 셀의 패키징 간소화로 부피를 줄일 수 있으며 고 전압에서 전해질의 전기 분해 반응이 없어 고 전압용 양극 활물질을 적용할 수 있어 높은 에너지 밀도의 이차전지를 기대 할 수 있다. 이러한 이유로 현재 상용되는 유기계 액체전해질 기반의 배터리 약점을 극복 할 수 있는 차세대 배터리로 주목받고 있다. 전고체 전지에 적용되는 고체전해질은 유기계 전해질인 폴리머 전해질과 무기계 전해질인 산화물계 전해질, 황화물계 전해질이 있다. 본 연구에서는 상대적으로 높은 리튬 이온 전도도와 우수한 연성으로 전극과의 계면접촉이 유리한 Li2S-P2S5 황화물계 고체전해질을 선정하여 연구를 진행하였다. (100-x)Li2S-xP2S5 Glass-ceramics전해질은 조성에 따라 크게 Thio-LISICON analong와 Li7P3S11 등과 같은 불안정한 결정상과 Li4P2S6의 안정한 결정상이 대표적이다. x=30에서 형성되는 Li7P3S11 결정상의 전해질은 높은 이온전도도를 가지고 있지만 매우 불안정하여 전기화학적 안정성이 좋지 않은 단점이 있다. 또한 양극과의 계면저항 반응을 억제 하기 위한 양극의 개질로는 계면반응에 의한 수명 특성에 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 전극과의 계면저항을 줄이며, 10-3S/cm 이상의 이온 전도도와 우수한 전기화학적 안정성을 갖는 고체전해질을 합성하기 위해 Li2S-P2S5(LPS) Glass-Ceramics 전해질에 리튬 염을 첨가하였다. 본 연구에서 사용한 리튬 염인 Li2SO4는 소량의 Li2O첨가로 이온전도도 향상P2O5첨가에 의한 전기화학적 안정성을 향상시킨다는 것으로부터 고안되었다. 본 연구에서는 Li2SO4의 함량을 1~4 mol%로 첨가하여 Mechanical Milling법을 거쳐 열처리를 통해 결정상을 형성 하였다. 3mol%의 Li2SO4를 첨가한 고체전해질에서 10-3S/cm 이상의 이온 전도도와 향상된 전기화학적 안정성을 임피던스 및 Cyclic Voltammetry Test분석을 통하여 확인 하였으며 XRD분석을 통해 결정구조를 분석하였다. 또한, 합성된 고체전해질을 적용시킨 전고체 전지의 충방전 Test, 임피던스 분석 결과 Li2SO4 첨가한 고체전해질과 양극 활물질 사이의 계면저항이 감소하였으며 초기 방전 용량이 134mAh/g으로 증가하였으며 30Cycle 까지의 수명특성 향상되었다. 본 연구에서는 70Li2S­-30P2S5Glass-ceramics전해질에 첨가한 Li2SO4는 전해질의 전기화학적 특성을 향상시켜 전지 성능을 향상 된 것을 확인 하였다.
URI
http://dcollection.hanyang.ac.kr/common/orgView/000000107193http://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/75716
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING(신소재공학과) > Theses (Master)
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