[논문]테잎캐스팅을 이용한 전고체전해질 Li7La3Zr2O12 후막 제조

신란희; 손삼익; 류성수; 김형태; 한윤수

doi:10.4150/kpmi.2016.23.5.379

[국내논문] 테잎캐스팅을 이용한 전고체전해질 Li7La3Zr2O12 후막 제조
Fabrication of Solid State Electrolyte Li7La3Zr2O12 thick Film by Tape Casting 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.5, 2016년, pp.379 - 383

신란희 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 손삼익 (현대기아자동차 환경에너지연구팀) , 류성수 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 김형태 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 한윤수 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A thick film of $Li_7La_3Zr_2O_{12}$ (LLZO) solid-state electrolyte is fabricated using the tape casting process and is compared to a bulk specimen in terms of the density, microstructure, and ion conductivity. The final thickness of LLZO film after sintering is $240{\mu}m$ which is stacked up with four sheets of LLZO green films including polymeric binders. The relative density of the LLZO film is 83%, which is almost the same as that of the bulk specimen. The ion conductivity of a LLZO thick film is $2.81{\times}10^{-4}S/cm$, which is also similar to that of the bulk specimen, $2.54{\times}10^{-4}S/cm$. However, the microstructure shows a large difference in the grain size between the thick film and the bulk specimen. Although the grain boundary area is different between the thick film and the bulk specimen, the fact that both the ion conductivities are very similar means that no secondary phase exists at the grain boundary, which is thought to originate from nonstoichiometry or contamination.

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문제 정의

본 연구에서는 높은 에너지밀도를 가지며, 이온저항이 낮은 이온전지를 제작하기 위해, 테잎캐스팅 공정을 통해 두께가 300 µm 이하의 LLZO 고체전해질을 제조하였다. 제조된 후막형 LLZO 고체전해질은 벌크형 시편과 미세구조 및 이온전도도 특성 측면에서 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서 테잎캐스팅법으로 두께 240 µm의 후막형 LLZO 시편을 제작하였고, 미세구조 및 이온전도도 관점에서 벌크 시편과 비교하였다. 후막 시편의 경우 벌크 시편과 상대밀도 차이는 나지 않았으나, 미세구조 상에서 입자의 크기가 작은 것으로 관찰되었다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 Li₇La₃Zr₂O₁₂ 분말(99.9%)은 독일의 Schott사에서 구입하여 사용하였다. 테잎캐스팅용 슬러리를 제조하기 위해 용매로는 에탄올과 톨루엔을 각각 50 vol% 혼합하여 사용하였으며 유기 바인더는 PVB((C₈H₁₄O₂)n, BMSZ, >97%, SEKISUI Chemical Co.

이론/모형

그림 4 (a)는 LLZO 슬러리를 테잎캐스팅법으로 PET 필름에 코팅한 후 건조 공정을 거쳐 제조한 LLZO 그린시트이다. LLZO 그린시트의 표면에는 미세균열이나 함몰 등 건조막 결함이 발견되지 않았다.

성능/효과

본 연구에서 테잎캐스팅법으로 두께 240 µm의 후막형 LLZO 시편을 제작하였고, 미세구조 및 이온전도도 관점에서 벌크 시편과 비교하였다. 후막 시편의 경우 벌크 시편과 상대밀도 차이는 나지 않았으나, 미세구조 상에서 입자의 크기가 작은 것으로 관찰되었다. 하지만, 후막 및 벌크 시편의 이온전도도는 각각 2.
후막 시편의 경우 벌크 시편과 상대밀도 차이는 나지 않았으나, 미세구조 상에서 입자의 크기가 작은 것으로 관찰되었다. 하지만, 후막 및 벌크 시편의 이온전도도는 각각 2.81×10^-4 S/cm와 2.54×10^-4 S/cm로 유사한 값을 보였는데, 이는 Nyquist 그래프에서 입계에서의 저항 곡선이 관찰되지 않은 것과 관련되어 보이며, 입계에 제 2상이 존재하지 않은 순수한 LLZO의 경우 입자크기 혹은 입계 면적은 전체 Li 이온전도도에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 널리 사용되는 리튬이온 이차전지에는 어떤 문제점이 있는가?	리튬이온 이차전지는 미래 개인 운송 수단 중 가장 가능성이 높은 전기자동차의 전기 에너지 저장원으로 가장 유망하다고 알려져 왔으며, 최근 10여 년 동안 전 세계적으로 많은 연구가 수행되어 왔다. 현재 널리 사용되는 리튬이온 이차전지는 상온에서 높은 이온전도도를 확보하기 위해 사용하는 액상 전해질로 인해, 낮은 화학적 안정성과 누액의 가능성으로 인해 발화 위험성이 존재한다. 하지만, 최근에 액상 전해질의 단점을 개선한 고체 전해질은 높은 안정성 및 에너지 밀도가 구현되어 많은 연구자들의 주목 을 받고 있다.
	고체 전해질 중 LLZO의 장점은?	하지만, 최근에 액상 전해질의 단점을 개선한 고체 전해질은 높은 안정성 및 에너지 밀도가 구현되어 많은 연구자들의 주목 을 받고 있다. 고체 전해질 중에서도 특히 가넷 구조의 Li7La3Zr2O12(이하 LLZO)는 상온에서 10-4 S/cm 정도의 비교적 높은 이온전도도를 가지며, 리튬 금속에 대한 탁월한 화학적 안정성으로 인해 2007년 Murugan에 의해 발표된 이후로 최근 10년간 많은 보고가 있어왔다[1]. 하지만, 대부분의 연구는 이온전도도를 향상시키기 위한, 새로운 dopant 첨가[2-12], 졸겔법을 통한 분말 제조[13-18], 새로운 소결공정 개발[19-25]에 초점이 맞춰져 있을 뿐, 고용량, 고속충전 등 실제 응용 분야에서 중요한 얇은 후막형태로의 제조 및 이에 대한 물성을 보고한 경우는 없었다.
	기존의 LLZO에 관한 연구들의 한계점은?	고체 전해질 중에서도 특히 가넷 구조의 Li7La3Zr2O12(이하 LLZO)는 상온에서 10-4 S/cm 정도의 비교적 높은 이온전도도를 가지며, 리튬 금속에 대한 탁월한 화학적 안정성으로 인해 2007년 Murugan에 의해 발표된 이후로 최근 10년간 많은 보고가 있어왔다[1]. 하지만, 대부분의 연구는 이온전도도를 향상시키기 위한, 새로운 dopant 첨가[2-12], 졸겔법을 통한 분말 제조[13-18], 새로운 소결공정 개발[19-25]에 초점이 맞춰져 있을 뿐, 고용량, 고속충전 등 실제 응용 분야에서 중요한 얇은 후막형태로의 제조 및 이에 대한 물성을 보고한 경우는 없었다. 고체 전해질의 두께는 이온저항과 반비례 관계를 가지고 있고, 에너지 밀도와 비례 관계에 있어, 고체 전해질의 두께가 얇을수록 전지 특성에 유리하나, 기존의 방법으로는 대면적의 전해질을 1 mm 이하로 얇게 제조하기 어려워 산업적인 응용이 제한되어 왔다.

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