리튬이온 이차전지용 고제 전해질
리튬 이차전지는 모바일 기기와 같은 소형 전자제품에서는 이미 상용화가 되었고, 자동차나 로봇용 전지와 같은 중대형 전지로의 사용된다. 또한 전력 저장장치로의 적용까지 기대되고 있다. 최근에는 하이브리드 전기자동차 (Hybrid Electric Vehicle, HEV)및 플러그인 하이브리드 전기자동차 (Plug-in-Hybrid Electric Vehicle; HEV), 궁극적으로 순수 전기 자동차 (Electric Vehicle; EV 또는 Battery Electric Vehicle; BEV)에 탑재되어 사용되고 있다. 전기자동차에서 리튬이차전지는 자동차의 엔진을 대체하며 차세대 친환경 에너지에서 자동차에 에너지를 공급할 수 있는 장치이다. 하지만 전기자동차의 상용화를 위해 해결해야 할 가장 큰 과제는 리튬이차전지의 안전성이다. 이 안전성 문제를 해결하기 위해서는 액체전해질이 아니라 고체전해질을 사용해야 한다. 그러나 고체 전해질의 전극과의 계면 접촉성 및 입계 저항이 좋지 못해 이온전도도가 매우 낮다. 그로 인해 전지의 충방전 시 전지의 전기적 안정성 및 고온 안전성으로 인한 가역성 문제가 대두가 되었다.
<그림 5> 전고체전지의 구성단면도, 이온전도도
본 연구에서는 황화물계 고체전해질을 주로 연구할 예정이며 황화물계는 결정성에 따라, 크게 결정질과 glass, glass를 비교적 낮은 온도에서 열처리한 glass ceramic으로 나뉜다. 상용 유기 액체전해질의 전도도와 비슷한 수준의 높은 이온전도도(2.2×10-3 S/cm)를 가지는 결정질인 thio-LISICON (Li3.25Ge0.25P0.75S4)의 LGPS가 그 예이다. 황화물계 고체 전해질은 특유의 연성으로 인해 냉간압축 (cold-pressing)만으로도 전고체전지에서 사용 가능한 수준의 전극/고체전해질 계면 접촉을 얻을 수 있다. 또한 황화물계 고체전해질은 산소이온에 비해 황이온 (S2-)의 크기가 더 크고 분극이 더 잘 되서 리튬이온의 이동이 적합한 구조로 되어있기 때문에 산화물계 고체 전해질보다 더 높은 이온전도도를 가져서 벌크형 리튬 전고체전지용 고체전해질로 적합하다. 하지만 공기에 대해서 화학적으로 안정하지 않고 특히 수분과 반응하면 유해한 H2S기체를 발생시키므로 코팅공정을 통해서 공기와 수분에 안정한 전해질 연구를 진행하고 있다. LGPS 같은 경우는 리튬금속과 접촉해 Li2S가 생성되면서 구조가 크게 변화되고 전지의 저항 증가를 유발할 수 있다는 단점이 있다. 또한 전극과의 반응성이 높아 셀 성능 구현이 어려우며, 고비용 및 독성, 대기 중에서 가공공정이 어렵다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 기술개발과 종합적인 성능 개선이 필요하다.
<그림 6> 전고체전지의 계면 문제점
따라서 본 연구에서는 전압안정성이 우수한 LPSX계 고체전해질의 이온전도성과 전압안정성을 극대화할 수 있는 조성 및 첨가제 연구를 통해 전고체전지에 적용 가능한 고이온전도도 고체전해질을 개발하고, 동시에 저전압/고용량 음극 및 고전압/고용량 양극의 적용이 가능한 계면상 연구를 통해 Prototype 전고체전지를 구현하고자 합니다. 고 에너지 볼밀 공정으로 다양한 전이 금속 황화물 도핑/혼합 LPS계 고체 전해질을 합성한다. 최고의 고체전해질을 다양한 전기화학적 특성 분석 방법으로 가려내고 여기에 다양한 전이금속을 도입하여 이에 따른 다른 LPS (Li3PS4, Li7P3S11, Li10P2S10 등) 전해질과 비교할 예정이다. 고 에너지 볼밀 공정으로 다양한 전이 금속 할라이드 도핑/혼합 MS-LPS계 고체전해질을 합성하여 최상의 고체전해질을 다양한 전기화학적 특성화 기술로 선택한다. 황 및 할로겐 화합물의 조성을 변경하여 고체전해질의 이온전도도 및 전기화학적 특성을 더욱 향상시킨다. 생성된 고체전해질은 다양한 특성화 기술로 분석하며, 고 에너지 볼밀 공정을 통해 다양한 메탈 로이드 황화물 도핑/혼합 고체전해질을 합성한다. 생성된 최적한 고체전해질은 다양한 특성화 기술로 분석한다. 최적화된 고체전해질을 이용하여 전고체형 리튬이차전지를 제조 및 전기화학적 특성평가를 할 예정이다.