전고체 이차전지 고체전해질 조성 균일성 향상시키기 위한 습식공정 및 전기화학적 특성 평가 Wet milling synthesis of 80Li2S·20P2S5 electrolyte with high compositional homogeneity for All-Solid-State Batteries원문보기
핸드폰, 노트북 등의 휴대기기를 비롯하여 전기자동차까지 리튬이온 이차전지는 현시대 우리생활의 일부분으로 자리매기하고 있다. 90년대, 일본 sony에 의해 IT기기용 원통형 전지가 상용화후, 20년 동안 매우 빠르고 다양하게 발전해 왔다. 20세기 이후는 화서연료의 사용으로 인한 지구온난화 및 화석연료 고갈문제들이 대두됨에 따라 가장 유력한 대체에너지 자원으로 리튬이온 이차전지기 각광받고 있다. 이와 더불어, electric vehicles(...
핸드폰, 노트북 등의 휴대기기를 비롯하여 전기자동차까지 리튬이온 이차전지는 현시대 우리생활의 일부분으로 자리매기하고 있다. 90년대, 일본 sony에 의해 IT기기용 원통형 전지가 상용화후, 20년 동안 매우 빠르고 다양하게 발전해 왔다. 20세기 이후는 화서연료의 사용으로 인한 지구온난화 및 화석연료 고갈문제들이 대두됨에 따라 가장 유력한 대체에너지 자원으로 리튬이온 이차전지기 각광받고 있다. 이와 더불어, electric vehicles(EV) 및 hybrid electric vehicles(HEV)의 시대가 도래함에 따라 고에너지 고밀도를 가지는 리튬이온 이차전지의 안정성 문제가 매우 중요되고 있는 시점이다. 현재 시판 되고 있는 리튬이온 이차전지는 가연성의 유기 전해질을 사용하고 있으며 이는 충전 과다 및 내부 합선 등의 이상이 발생 했을 때 전해액에 고온화 되어 휘발하는 성질이 있어 발화나 큰 폭발로 이어질 수 있다. 안정성 확보 및 내구성 측면에서 더욱 신중해야하는 중대형 이차전지 개발 분야에서 반드시 해결해야할 문제점이다. 따라서 폭발의 원인이 되는 유기액체전해질 자체를 비 가연성의 무기 고체전해질로 바꾸어 셀의 구성 성분이 모두 고체상태인 전고체 리튬이온 이차전지가 차세대 전지로 주목을 받기 시작했다. 전고체 리튬이온 이차전지의 고체전해질 후보로는 겔 타입의 폴리머 전해질, 무기 황화물계, 무기 산화물계 고체전해질 등이 있는데 그 중에서 황화물계 고체전해질은 10-3 S·cm-1 이상의 높은 리튬 이온전도도의 값을 보이며, 5V 이상의 넓은 전위창을 가지고 있어 극한 환경에서도 특성의 열화가 적으며, 고에너지밀도의 리튬 이차전지 설계에도 큰 이점을 가지고 있다. 황화물계 고체전해질의 합성공정은 초기에는 Li2S, LiI와 B2S3, SiS2, P2S5와 같은 3-5 족 황화물을 가지고 Melting quenching 방식에 의해 만들어졌으며, 90년대 들어와서는 Mechanical milling 법에 의해 고체전해질이 합성되고 있다. 고전 건식 밀링 (dry milling) 을 이용해서 만들어진 고체전해질파우더는 리튬의 고르지 않은 분포에 의해 결정화 시키는 과정에서 리튬 이온 전도도가 낮은 상이 생기는 경우가 많다. 또한, 이차상이 존재하기 때문에 온도가 변화시키면 팽창계수의 차이에 의해서 균열이 많이 생성된다. 전체적으로 리튬 이온 전도도가 낮아지는 영향이 있다. 본 연구에서는 전고상 이차 전지용 황화물 계 무기 고체전해질 Li2S-P2S5의 균질성을 향상시키기 위한 연구로써 건식 밀링법에 대신에 습식 밀링(wet milling)법을 이용하여 80Li2S-20P2S5고체전해질의 합성공정 및 고체전해질의 전기화학적 특성을 향상시킨 내용의 연구이다. 습식 공정의 용매 물질로 heptane을 사용하였다. 건식 공정과 습식 공정으로 고체전해질을 합성한 후, 구조적 성질과 전기화학적 특성을 분석해보았다. SEM 분석을 통하여 두 가지 공정방법으로 만들어진 파우더의 morphological 차이를 확인할 수 있었고 습식 공정의 전해질 상온에서 이온전도도가 1.38×10-3 S·cm-1을 나타내었으며, 이는 건식 공정의 경우 1.14×10-3 S·cm-1정도 나타난 것에 비해 21% 정도 전도도 개선 효과를 보였다. 본 연구를 통하여, 고체전해질 파우더의 균질성이 고체전해질 전기화학 특성의 영향을 확인할 수 있었다. 습식 밀링 공정은 고체전해질의 균질성을 효과적으로 개선하여 전해질의 전기화학 특성을 향상시킬 수 있었으며, 뛰어난 균질성을 갖는 전고상 이차전지용 고체전해질을 구현해낼 수 있다.
핸드폰, 노트북 등의 휴대기기를 비롯하여 전기자동차까지 리튬이온 이차전지는 현시대 우리생활의 일부분으로 자리매기하고 있다. 90년대, 일본 sony에 의해 IT기기용 원통형 전지가 상용화후, 20년 동안 매우 빠르고 다양하게 발전해 왔다. 20세기 이후는 화서연료의 사용으로 인한 지구온난화 및 화석연료 고갈문제들이 대두됨에 따라 가장 유력한 대체에너지 자원으로 리튬이온 이차전지기 각광받고 있다. 이와 더불어, electric vehicles(EV) 및 hybrid electric vehicles(HEV)의 시대가 도래함에 따라 고에너지 고밀도를 가지는 리튬이온 이차전지의 안정성 문제가 매우 중요되고 있는 시점이다. 현재 시판 되고 있는 리튬이온 이차전지는 가연성의 유기 전해질을 사용하고 있으며 이는 충전 과다 및 내부 합선 등의 이상이 발생 했을 때 전해액에 고온화 되어 휘발하는 성질이 있어 발화나 큰 폭발로 이어질 수 있다. 안정성 확보 및 내구성 측면에서 더욱 신중해야하는 중대형 이차전지 개발 분야에서 반드시 해결해야할 문제점이다. 따라서 폭발의 원인이 되는 유기액체전해질 자체를 비 가연성의 무기 고체전해질로 바꾸어 셀의 구성 성분이 모두 고체상태인 전고체 리튬이온 이차전지가 차세대 전지로 주목을 받기 시작했다. 전고체 리튬이온 이차전지의 고체전해질 후보로는 겔 타입의 폴리머 전해질, 무기 황화물계, 무기 산화물계 고체전해질 등이 있는데 그 중에서 황화물계 고체전해질은 10-3 S·cm-1 이상의 높은 리튬 이온전도도의 값을 보이며, 5V 이상의 넓은 전위창을 가지고 있어 극한 환경에서도 특성의 열화가 적으며, 고에너지밀도의 리튬 이차전지 설계에도 큰 이점을 가지고 있다. 황화물계 고체전해질의 합성공정은 초기에는 Li2S, LiI와 B2S3, SiS2, P2S5와 같은 3-5 족 황화물을 가지고 Melting quenching 방식에 의해 만들어졌으며, 90년대 들어와서는 Mechanical milling 법에 의해 고체전해질이 합성되고 있다. 고전 건식 밀링 (dry milling) 을 이용해서 만들어진 고체전해질파우더는 리튬의 고르지 않은 분포에 의해 결정화 시키는 과정에서 리튬 이온 전도도가 낮은 상이 생기는 경우가 많다. 또한, 이차상이 존재하기 때문에 온도가 변화시키면 팽창계수의 차이에 의해서 균열이 많이 생성된다. 전체적으로 리튬 이온 전도도가 낮아지는 영향이 있다. 본 연구에서는 전고상 이차 전지용 황화물 계 무기 고체전해질 Li2S-P2S5의 균질성을 향상시키기 위한 연구로써 건식 밀링법에 대신에 습식 밀링(wet milling)법을 이용하여 80Li2S-20P2S5고체전해질의 합성공정 및 고체전해질의 전기화학적 특성을 향상시킨 내용의 연구이다. 습식 공정의 용매 물질로 heptane을 사용하였다. 건식 공정과 습식 공정으로 고체전해질을 합성한 후, 구조적 성질과 전기화학적 특성을 분석해보았다. SEM 분석을 통하여 두 가지 공정방법으로 만들어진 파우더의 morphological 차이를 확인할 수 있었고 습식 공정의 전해질 상온에서 이온전도도가 1.38×10-3 S·cm-1을 나타내었으며, 이는 건식 공정의 경우 1.14×10-3 S·cm-1정도 나타난 것에 비해 21% 정도 전도도 개선 효과를 보였다. 본 연구를 통하여, 고체전해질 파우더의 균질성이 고체전해질 전기화학 특성의 영향을 확인할 수 있었다. 습식 밀링 공정은 고체전해질의 균질성을 효과적으로 개선하여 전해질의 전기화학 특성을 향상시킬 수 있었으며, 뛰어난 균질성을 갖는 전고상 이차전지용 고체전해질을 구현해낼 수 있다.
Mechanical Milling technology is widely used for application in the synthesis of solid electrolyte of lithium ion batteries, the advantages can be described as follow: (1) it is an easy process to realize large scale synthesis of electrolyte materials; (2) reliable operation can ensure reproducible ...
Mechanical Milling technology is widely used for application in the synthesis of solid electrolyte of lithium ion batteries, the advantages can be described as follow: (1) it is an easy process to realize large scale synthesis of electrolyte materials; (2) reliable operation can ensure reproducible results: (3) the process can be realized at normal temperature; (4) it is suitable for various synthesis systems, due to its economy. However, the drying milling method will decrease the compositional homogeneity, which leads to the generation of secondary phase and depression of Li ion conductivity. In order to improve the compositional homogeneity of solid electrolyte for lithium ion batteries, a wet milling method which use heptane as solvent . The enhancement of compositional homogeneity observed via scanning electron microscope and Differential Thermal Analysis. It was found that the improved compositional homogeneity was effective to enhance the lithium ion conductivity of the solid electrolyte. As a result, the 80Li2S-20P2S5 glass-ceramics electrolyte obtained via wet milling method has high ion conductivities of 1.38×10-3 S·cm-1 at room temperature, while the ion conductivities of dry milling method was 1.14×10-3 S·cm-1. This indicates that the compositional homogeneity has very important influence to the electrical performance of solid electrolyte, and using wet milling process is one of the most effective method to improve the compositional homogeneity as while as the electrical conductivity.
Mechanical Milling technology is widely used for application in the synthesis of solid electrolyte of lithium ion batteries, the advantages can be described as follow: (1) it is an easy process to realize large scale synthesis of electrolyte materials; (2) reliable operation can ensure reproducible results: (3) the process can be realized at normal temperature; (4) it is suitable for various synthesis systems, due to its economy. However, the drying milling method will decrease the compositional homogeneity, which leads to the generation of secondary phase and depression of Li ion conductivity. In order to improve the compositional homogeneity of solid electrolyte for lithium ion batteries, a wet milling method which use heptane as solvent . The enhancement of compositional homogeneity observed via scanning electron microscope and Differential Thermal Analysis. It was found that the improved compositional homogeneity was effective to enhance the lithium ion conductivity of the solid electrolyte. As a result, the 80Li2S-20P2S5 glass-ceramics electrolyte obtained via wet milling method has high ion conductivities of 1.38×10-3 S·cm-1 at room temperature, while the ion conductivities of dry milling method was 1.14×10-3 S·cm-1. This indicates that the compositional homogeneity has very important influence to the electrical performance of solid electrolyte, and using wet milling process is one of the most effective method to improve the compositional homogeneity as while as the electrical conductivity.
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