마이크로배터리용 Lithium Borophosphate glass 고체 전해질의 이온 전도도와 구조 변화에 관한 연구

Abstract

리튬 이차 전지는 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 진전됨에 따라 국내의 많은 기업체 및 연구소들이 개발에 관심을 가지고 있다. 그러나 리튬 이차 전지는 성능, 안정성 및 제조 방법상에 문제가 있기 때문에 이를 극복하기 위한 많은 연구들이 이루어지고 있으며, 그 중의 한 분야로서 고체 전해질 제조 및 lithium intercalating 전극과 복합 양극 (composite cathode)의 제조를 들 수 있다. 특히 고체 전해질의 경우에는 다양한 종류의 polymer 및 inorganic material을 이용하여 박막형 전지를 제작할 수 있기 때문에 안전성 이외에도 단위 무게 당 에너지 밀도 및 동력 밀도가 큰 전지를 개발하는데 핵심적인 구성 요소로 부각되고 있다. 본 연구의 목적은 저 전력 CMOS 메모리칩의 전원뿐만 아니라 고용량, 고전압용 배터리로의 응용을 위한 마이크로배터리를 개발하기 위한 기초연구로서 높은 이온 전도성 및 안전성을 갖는 고체 전해질을 개발하는 것이다. 먼저, Li₂O-B₂O₃-P₂O_(5) 유리를 기본조성으로 사용하여, glass former와 network modifier의 몰분율을 다르게 하여 전 조성에 대하여 시편을 제조한 뒤, Impedance analyzer를 이용하여 이온 전도도를 측정하여 기본 데이터를 확보하였으며, 박막형 배터리로의 응용을 위해 최적의 조성을 설계하여 라만 스펙트럼을 측정하였다. 이를 통해, 이들 유리의 전기적 물성은 어떤 구조와 연관된 것인지, 그리고 이온이동을 이해하기 위해 전하운반이온의 농도, 즉 Li₂O의 첨가량과 B₂O₃, P₂O_(5) 조성변화에 따른 glass내의 NBO(non-bridging oxygen)의 형성과 glass의 구조변화가 이온 전도도에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 이로부터 이들 삼성분계 유리계에서의 전기적 특성에 미치는 혼합유리 형성제의 효과와 고체전해질로서의 응용 가능성을 찾아 삼성분계 Li₂O-P₂O_(5)-SiO₂ 유리에서의 mixed former effect에 의한 최적조건을 찾고, 여기에 상당량의 리튬을 함유시키기 위해 P₂O_(5) 첨가하여 화학적, 전기화학적으로 안정한 상을 찾는데 주된 목적을 두었다.; The xLi₂O─(1-x)(yB₂O₃─(1-y)P₂O_(5)) glasses system is one of the parent compositions for chemically and electrochemically stable solid-state electrolyte applicable to thin film battery. The purpose of this study was to seek the best composition among the various compositions for the deposition of thin film electrolytes. xLi₂O─(1-x)(yB₂O₃─(1-y)P₂O_(5)) glasses were prepared with wide range of composition, i.e. x = 0.40─0.47 and B₂O₃/(B₂O₃+P₂O_(5)) ratio was 0.17-0.67. The structural variation of the oxide Li₂O-B₂O₃-P₂O_(5) system was investigated by Raman spectroscopy to find out the correlation with the electrical conductivity. It was shown that under 40mol% of Li₂O the ionic conductivities monotonically increased with increasing of B2O3, while over the 40mol% of Li₂O it exhibited a maximum at a specific B₂O₃/(B₂O₃+P₂O_(5)) ratio, typically ~0.5. The structural investigation indicated that the variation in conductivity was closely correlated to the variation of (B-O-P)^(-) groups and (B₂O_(7)^(4-) groups.