분광학적 방법을 통한 리튬이온전도성 고체 전해질 Li(1+x)Ta2P(1-x)SixO8의 구조적 특성 연구

Abstract

산화물계 리튬이온 전도체인 Li(1+x)Ta2P(1-x)SixO8 (x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) 을 고상법으로 합성하고, 방사광 X-선 회절과 분말 X-선 회절, FT-IR과 Raman 분광법 데이터를 바탕으로 결정구조를 규명하였다. x값이 증가할수록 Li(1+x)Ta2P(1-x)SixO8 구조에서 P의 비율이 줄어들고 이온반경이 상대적으로 큰 Si의 비율이 증가하기 때문에 단위격자의 부피가 증가하는 것을 확인하였다. 화합물은 공간군 C2/c의 단사정계 구조에 속하며 Ta 원자가 O 원자 6개와 팔면체를 이루고 P/Si 원자가 O 원자 4개와 사면체를 이루어 꼭지점의 산소를 공유하는 구조를 가지고 있다. X-선 회절데이터를 이용한 구조분석과 FT-IR, Raman 분석을 통하여 Ta-O 결합길이가 감소하고 Li-O 결합길이가 증가하는 경향을 확인하였다. 이로 인해 구조 속에서 리튬이온이 보다 자유롭게 이동 가능하여 이온전도 특성이 좋아진다. LTPSO 화합물의 이온 전도도는 x=0.1에서 0.5 순으로 5.45×10-4 S/cm, 6.73×10-4 S/cm, 8.70×10-4 S/cm, 8.35×10-4 S/cm, 5.19×10-4 S/cm를 보이며, 활성화에너지는 0.341eV, 0.338eV, 0.335eV, 0.325eV, 0.316eV임을 확인하였다. x=3까지는 이온전도도가 높아지며 x=0.4부터는 이온전도도가 0.3에 비하여 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 상대적으로 이온전도도가 낮은 LiTaO3의 비율이 크게 증가하면서 이온전도 특성이 감소하는 것이다. 이러한 복합적인 요인들로 인해 Li(1+x)Ta2P(1-x)SixO8 (0.1≤x≤0.5)에서 가장 이온전도도가 높은 화합물은 x=0.3인 Li1.3Ta2P0.7Si0.3O8으로 확인되었다.