기능화된 황화물과 최적화된 습식 캐스팅 공정으로 제작한 고성능 전고체전지 연구

Abstract

높은 이온전도도와 우수한 기계적 특성을 갖는 황화물 기반 전고체전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌은 황화물의 화학적 불안정성이다. 황화물 고체전해질은 대기 노출 시 인체에 유해한 황화수소 가스를 발생시키고, 황화물 고체전해질의 구조 열화가 진행된다. 또한 전고체전지의 상용화를 위해서는 유기 용매와 바인더를 이용한 습식캐스팅 방법 적용이 필요하며, 용매와 바인더의 사용은 황화물 고체전해질의 열화의 원인이 된다. 이러한 이유로 황화물 고체전해질의 화학적 안정성 향상 및 습식 캐스팅공정의 최적화 연구는 반드시 해결되어야 할 문제이다.

본 연구에서는 황화물 고체전해질 표면에 기능성 산황화층 형성하여 황화물의 화학적 안정성을 향상시키고, 습식 캐스팅 전지 제작 방법의 최적화를 통하여 높은 성능의 전고체전지를 제작하였다. 황화물 고체전해질 표면의 산황화층 형성은 밀링과정 중 산소분압의 조절을 이용하여 코어-쉘 구조로 구현하였다. 코어-쉘 구조의 황화물 고체전해질은 대기 노출 및 용매-바인더 슬러리 물질과 반응 후 각각 2.70, 2.54 mS·cm-1의 이온전도도를 유지한다. 화학적 안정성이 향상된 전해질을 습식 캐스팅 공정에 적용해 전지를 제작하여 비교한 결과 기존전해질에 대비 78% 우수한 초기 방전성능 101.7 mAh/g을 보이고, 50cycle 동안 안정적으로 전지가 구동하는 것을 확인했다. 우리는 황화물 고체전해질의 습식 캐스팅 공정의 최적화를 위해 다양한 용매와 바인더를 이용하여 전지를 제작하였으며, 고체전해질의 미분화를 통하여 전지의 성능을 향상시켰다. 다양한 용매 바인더 조합 중 EA용매와 18NBR에서 가장 높은 방전용량인 93 mAh·g-1의 성능을 보였다. 적절한 용매와 바인더 조합을 찾는 연구와 더불어 황화물 고체전해질을 미분화하고 전지를 제작하여 성능을 평가하였다. 미분화 공정 후 황화물 고체전해질은 기존 황화물 고체전해질 대비 PSA D50 값이 19.07 ㎛에서 5.48 ㎛ 으로 감소하였다. 미분화 공정 후 분말을 용매 EA와 18NBR에 적용하여 전지를 제작한 결과 100 mAh·g-1에 근접한 방전용량과 79%의 높은 충·방전 효율을 나타내었다.

본 연구 결과는 황화물 고체전해질의 상용화에 큰 문제점인 화학적 불안정성을 개선하여 공정상의 비용을 절감하고 용매와 바인더의 사용범위를 넓혀 캐스팅 공정을 용이 하게 할 수 있다. 또 전고체전지의 대량생산을 위해 반드시 적용되어야 할 습식 캐스팅 공정의 최적화를 통해 앞으로의 전고체전지의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것이라고 생각한다.