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Development of Sb-based Sulfide and Zr-based Halide Superionic Conductors for All-Solid-State Batteries

Title
Development of Sb-based Sulfide and Zr-based Halide Superionic Conductors for All-Solid-State Batteries
Author
곽히람
Alternative Author(s)
곽히람
Advisor(s)
김한수
Issue Date
2022. 2
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
Development of solid electrolytes with high ionic conductivity and excellent (electro)chemical stability is the key to the success of all-solid-state batteries. Despite sulfide based superionic conductors having been widely investigated, phosphorus-containing sulfide based solid electrolytes still suffered from poor chemical stability with H2S gas evolution. In this work, the development of a new Li+ superionic conductor showing excellent dry-air stability as well as negligible H2S evolution, Sb-substituted Li4SnS4 (max. 0.85 mS cm-1 at 30 °C), is described. In addition, halide-based solid electrolytes, especially chloride compounds, can take advantages of both the oxide- and sulfide-based solid electrolytes, due to the characteristics of halogen anion. However, the use of expensive central metals hinders their practical applicability. In this regard, earth-abundant and cheap Zr-based a new cost-effective Li2ZrCl6, Fe-substituted Li2ZrCl6, M-substituted Li2ZrCl6 (M=Sc, In) and Na2ZrCl6 are described.|고안전성 및 고에너지밀도 특성의 리튬전고체전지 구현을 위한 기술적 핵심은 이 온전도도가 높고 (전기)화학적 안정성이 우수한 고체전해질을 개발하는 것이다. 황화물 계 고체전해질은 우수한 기계적 변형성을 기반으로 단순 냉간 압착을 활용한 전고체전 지 제작기술을 통해 생산성 확대가 가능하지만, 공기 노출 시 H2S 독성 가스 발생 및 3V (vs. Li/Li + ) 이상에서의 산화분해 가능성으로 인하여 4V에서 구동하는 층상구조 양 극(LiMO2, M = Ni, Co, Mn, Al)과의 낮은 호환성이 실사용의 걸림돌이 되고 있다. 본 연 구에서는 우수한 대기 안정성과 H2S 발생을 억제하는 새로운 Sb를 치환한 Li4SnS4를 HASB 이론에 기반하여 개발하였다. 최근 재조명 받고 있는 할라이드계 고체전해질은 1-가 할로겐 음이온과 리튬 양이온 간의 약한 결합 강도에 기인하여 조성에 따라 10 -4 S cm -1를 초과하는 높은 이온전도도를 가질 수 있으며, 산화물계 및 황화물계 고체전 해질의 장점인 우수한 기계적 변형성 및 전기화학적/화학적 안정성을 동시에 보유할 수 있음이 확인되었다. 하지만 희토류 계열의 희소하고 값비싼 원소(Y, Er, Sc, In)를 중 심원소로 전체나 일부 사용한 경우에 대해서만 ~10 -3 S cm -1에 달하는 높은 이온전도 도를 구현한 연구결과가 보고되어왔고, 상대적으로 저렴하고 매장량이 풍부한 금속을 활용한 할라이드계 고체전해질 개발에 대한 연구는 여전히 부족한 실정이다. 따라서 본 연구진은 희소성이 높은 희토류 금속은 배제하고 매장량이 풍부한 Zr 기반의 새로운 조성의 Li2ZrCl6 및 Li2+xZr1-xFexCl6, Li2+xZr1-xMxCl6 (M=In, Sc), Na2ZrCl6 고이온전도 성 할라이드계 고체전해질을 개발하였다. 본 연구의 결과는 실제 전고체전지를 위한 기 술적 단초가 될 수 있으며, 초고이온전도성 고체전해질 개발을 위한 전략 수립에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다
URI
http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000590909https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/167727
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > ENERGY ENGINEERING(에너지공학과) > Theses (Ph.D.)
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