리튬이온전도성 고체 전해질전해질, LiTa2PO8의 미세구조에 따른 전기화학 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 최근에 알려진 산화물계 이온 전도체인 LiTa2PO8를 최종소결온도, 소결 전 열처리 온도 및 볼밀링 시간에따른 미세구조를 XRD(X-ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscope) 및 임피던스 측정을 이용하여 분석하였다. 우선 LiTa2PO8는 1100℃부터 분해되어 불순물이 생성됨을 확인하여 최종 소결 온도를 1050℃로 정하였다. 그 다음 소결 전 열처리 온도에 따른 밀도 차이를 확인하기 위해 전처리 온도를 600℃, 950℃, 1000℃로 하고 소결한 결과, 펠렛의 밀도가 각각 88.7%, 91.2%, 96.4%으로 변화함을 확인하었다. 1000℃이상에서 열처리한 시료의 경우 펠렛 표면에서 pore생성이 억제되고 밀도가 가장 높아지는 것을 관찰하였다. 이는 LiTa2PO8는 1000℃ 부근에서 저온 상에서 고온 상으로의 비가역적인 변화가 일어나면서 부피가 감소하는데, 이는 1000℃이상에서 열처리하면 이러한 상 변화가 일어나지 않음에 따라 부피 감소가 없기 때문인 것으로 예상된다. 마지막으로 볼밀링 시간을 변수로 두었을 때는 3시간 볼밀링 했을 때부터 LiTa2PO8의 분해가 일어나 불순물로 LiTa3O8이 생기는 것을 XRD회절패턴과BSE(Back Scattered Electron), EDS(Energy Dispersive Spectrometer)를 이용한 표면을 분석한 결과로 확인할 수 있었다. 이에 따라 최적 볼밀링 시간은 1시간으로 정하였다. 다음으로 앞에서 각기 다른 조건으로 합성한 LiTa2PO8의 이온전도도를 상온부터 200℃부근까지 임피던스를 측정하여 계산하였다. 그 결과 1000℃에서 열처리한 후 1시간 볼 밀링 과정을 거쳐 1050℃에서 소결한 LiTa2PO8 의 이온전도도가 상온에서 8.03×10-5 S·cm-1이며 활성화 에너지는 0.37eV값을 가져 가장 좋은 이온전도성을 나타내었다. 이러한 합성 조건 최적화 단계를 거쳐 제조한 LiTa2PO8 펠렛을 고체전해질로 응용하여 코인셀로 조립 후 CV(Cyclic Voltammetry) 및 충방전특성을 평가하였다. LiTa2PO8은 음극으로 사용할 리튬금속과 직접적인 접촉이 있으면 반응하기 때문에 전극과 고체전해질 사이에 PEO18-LiTFSI1 폴리머 박막을 넣어서 실험하였다. CV test결과3.8~4.1V 사이에서 산화 전위가, 대략 3.0V에서 환원 전위가 가역적으로 보여 LiFePO4의 산화, 환원 전위와 유사함을 확인하였다. 그리고 전고체전지의 충방전 특성을 시험한 결과 첫번째 cycle은 LiFePO4의 이론 용량의 78.3%정도의 방전 용량을 보였고 열번째 싸이클에서는 이론 용량의 52.2%로 방전 효율이 감소되었다. 본 실험을 통하여LiTa2PO8이 전해질로서의 역할을 할 수 있음을 확인할 수 있었다.