고에너지밀도 황화물계 전고체전지를 위한 고체전해질 미립화 기반 복합 양극 소재 개발

Abstract

This study focuses on the development of a new anode material for lithium-ion batteries (LIBs). Over the past 30 years, secondary battery technology has advanced with an emphasis on lightweight design, high-density energy storage and stability. Recently, the market size has significantly expanded due to the increasing demand for electric vehicles and large-scale energy storage systems. Among the key components of secondary batteries, the anode is a crucial material that determines capacity and stability, with graphite, silicon, and lithium metal being actively researched. Graphite has high stability but limited capacity, silicon offers high capacity but suffers from performance degradation due to volume changes, and lithium metal has high energy density but faces dendrite formation issues. Therefore, this study proposes a new anode material by depositing a lithium reduction catalyst within commercial graphite, thereby increasing capacity and reducing volume expansion through lithium induction.

By guiding the lithium reduction catalyst to the desired locations within the commercial graphite material, it is possible to achieve high capacity while effectively suppressing volume expansion issues of the battery. Additionally, maintaining the surface properties of graphite ensures uniform SEI layer formation and stable performance. This study proposes an innovative design that selectively deposits the lithium reduction catalyst within commercial graphite to induce lithium reduction, promoting uniform lithium plating and stripping within the graphite. The design achieved through this study is expected to make a significant contribution to the development of next-generation lithium-ion batteries by simultaneously realizing high energy density, long cycle life, and fast charging speeds. Future research aims to contribute to commercialization advancements by exploring combinations of various anode materials and lithium reduction catalysts, as well as the potential for large-scale manufacturing processes.|최근 들어 리튬이온전지(LIB)를 사용한 전기자동차 화재 및 폭발이 여러 차례 보고되는 등 리튬이온전지의 가연성 전해액으로 인한 피해가 다수 발생하고 있다. 이러한 리튬이온전지의 가연성 전해액 화재를 방지하기 위해 이를 고체전해질로 대체한 전고체전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 고체전해질의 치명적인 단점인 낮은 이온전도도 문제를 어느 정도 개선하여 비교적 높은 이온전도도를 갖는 황화물계 전고체전지에 대한 관심이 급증하고 있으며 이에 대한 연구도 계속 보고되고 있다. 하지만 이러한 황화물계 전고체전지 시스템에서는 양극 활물질과 고체전해질 간의 접촉 면적을 향상시키기 위해 복합전극 내부에 많은 비율의 고체전해질을 섞고 있다. 이는 고가인 황화물계 고체전해질 특성상 전지의 제조 비용을 상승시키고, 비활성 물질인 고체전해질의 증가로 셀의 에너지 밀도를 낮추는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 황화물계 기반의 전고체전지 양극 복합전극의 에너지 밀도를 높이기 위해 기존의 마이크로 사이즈의 고체전해질을 미립화하여 나노화하고, 이를 선형 도전재와 함께 단결정 양극재 표면에 균일하게 코팅한 일체형 복합 양극 소재를 설계하였다. 결과적으로 많은 양의 고체전해질이 복합전극 내부에 존재했던 기존의 연구들과 달리, 적은 양의 고체전해질만으로 효과적인 리튬 이온 수송을 가능하게 하였고, 이와 함께 선형의 도전재인 CNT를 코팅해 전자 전도성을 향상시켰다. 그 결과, 활물질, LPSCl, CNT의 비율이 80:20:0.3의 조성에서 제작된 일체형 양극 소재를 사용한 셀에 대해 4.3V까지 충전시키는 실험 결과, 초기 용량 179.7 mAh/g의 결과를 얻었고 Scanning Electron Microscope (SEM) 형상 분석에서도 단결정 표면에 나노사이즈 고체전해질과 CNT 도전재가 균일하게 코팅됨을 확인할 수 있었다. 또한 고체전해질 미립화를 통해 복합 전극 내 고체전해질의 함량을 줄여 합재 밀도를 3.3 g/cc까지 향상시켰다. 또한 나노사이즈 고체전해질을 사용하여 복합전극 제작 시, 고체 전해질이 이온 전도 네트워크를 유지하는 데 최소한의 임계 함량이 15wt% 이상임을 제시한다. 이러한 연구 결과는 기존의 고가 메카노퓨전 장비를 사용하여 양극재 표면 전체를 덮듯이 코팅한 연구들에 비해 제작 단가를 줄이고, 고체전해질과 도전재를 모두 균일하게 코팅하여 전자 전도성까지 갖췄다는 점에서 의의가 있으며 황화물계 전고체전지의 합재 및 부피당 에너지 밀도를 개선해 전고체전지 상용화에 기여할 수 있다는 점에서 의의가 있다.