입방정계 구조 Li(7-3χ)AlχLa3Zr2O12 분말의 고상 합성 조성 최적화 및 상변화 원리에 관한 연구

Abstract

리튬 이차전지에 사용되는 액체 전해질은 누액, 발화 등으로 인해 안정성이 낮다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 높은 안전성과 에너지 밀도를 갖는 고체 전해질 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 다양한 고체 전해질 중 Garnet 구조 산화물계 고체 전해질인 Li7La3Zr2O12 (LLZO)는 상온에서의 이온전도도가 10-3 ~ 10-4 S/cm 정도로 우수하며, 고온에서도 높은 안정성을 가지기 때문에 전고체 전지에 사용 가능한 고체전해질로써 가능성이 높다고 보고되고 있다. LLZO는 입방정계, 정방정계 구조를 갖는다. 입방정계 구조 LLZO는 정방정계 구조 LLZO 보다 100배 높은 이온 전도도를 갖는 것으로 보고되어있다. 입방정계 구조 LLZO는 우수한 이온 전도도를 갖지만 정방정계 구조 LLZO에 비해 많은 에너지를 가져 상온에서 불안정하다는 단점이 있다. 입방정계 구조 LLZO를 안정화시키기 위해 Li 자리에 알루미나를 doping하여 입방정계 구조 LLZO의 결정구조 내 Li site에 공공 (vacancy)가 만들어지고 발생된 Li 공공으로 인해 격자가 무질서해지면서 입방정계 구조 LLZO가 안정화되는 효과가 있다. 입방정계 구조 Al-LLZO 합성을 위해서 용매의 종류, dopant의 입도 및 농도, 출발 원료의 종류, 열처리 온도 및 유지시간이 Al-LLZO 합성에 미치는 영향을 확인하였다. 입방정계 구조 Al-LLZO 합성을 위해 950 ℃에 다다랐을 때 급랭시켰으며, 결정상 분석 결과 La2O3, Li2CO3, Li2(ZrO3), La2(Zr2O7) 불순물 이차상이 검출되었다. 950 ℃에서 열처리 유지 시간을 늘려 실험을 진행한 결과 36시간 유지하여 열처리하였으며, 단일상 입방정계 Al-LLZO가 검출되었음을 확인하였다. 이를 통해 입방정계 구조 Al-LLZO로의 전환을 위한 열처리 온도 및 유지 시간이 필요하다는 사실을 알 수 있다.