산화물계 3차원 골격구조를 갖는 AₓZr₁₋ₓAlₓP₂O₇ (A=Li⁺or Na⁺)(0≤X≤1) 및 NaₓZrP₂₋ₓO₇(0≤X≤2)계의 이온전도 특성.

Abstract

해당 연구에서는 다면체 골격구조 형성원리를 활용한 다양한 산화물계 이온전도체들의 합성방법, 결정구조 분석, 이온전도 특성 분석을 수행하였다. 이 중 cornersharing metal centered Octahedra(MO6/2)와 Tetrahedra(TO4/2) 단위체가 1:2 의 비율로 존재하는 이온전도성 화합물에 집중했으며, BVEL(Bond Valence Energy Landscape) mapping 을 통해 3D Lithium, Sodium Ion-pathway 가 가장 낮은 ISEL(Iso-Surface Energy Level (각각 0.4eV, 2.4eV)을 <br>갖는 ZrP2O7 화합물을 활용하여 이온 전도체 활용을 위한 합성을 모색하였다. <br> <br>[Part Ⅰ.]에서는 Zr4+에 Al3+를 일정 비율이 치환된 Li+ 또는 Na+ 이온 전도체 AXZr1-XAlXP2O7 (A <br>= Li+ or Na+)합성을 진행했다. 합성 결과 최대 치환량은 X=0.4 로 확인되었으나, 300℃에서 Li0.2Zr0.8Al0.2P2O7이 6.2×10-5 S cm-1의 Lithium 이온 전도도를 가지며, Na0.2Zr0.8Al0.2P2O7의 경우 5.2×10-6 S cm-1의 Sodium 이온 전도도를 확인했다. 이후 Arrhenius plot 을 통해 각각의 활성화 에너지(Ea)가 0.4eV, 0.29 eV 로 확인하였다. 이는 동일한 다면체 골격비율을 갖는 이온 전도체(LiScP2O7)와 비교하여 50 배 향상된 수치를 갖는다. <br> <br>[Part Ⅱ.]에서는 Octahedra(MO6/2)와 Tetrahedra(TO4/2) 단위체가 1:2 의 비율로 존재하는 Na2ZrSi2O7과 ZrP2O7의 혼합계((ZrP2O7)1-x(Na2ZrSi2O7)x)를 이루며 합성 시 형성되는 각 phase 에 대한 상 분석과 이온 전도도의 측정을 진행하였다. NaXZrP2-XSiXO7 (0≤X≤2) 계에서 우세하게 형성되는 NASICON(Na1+XZr2SiXP3-XO12) phase 의 sodium 함유량과 amorphous area(%)에 따른 이온 전도도 상관관계에 대해 규명했다. 분석 결과 (ZrP2O7)2(Na2ZrSi2O7)8 계에서 crystalline(%)의 31%가 NASICON 으로 우세하게 형성되고, 20%의 가장 많은 <br>amorphous(%)로 이루어져 있음을 분석했다. 이는 Na3.3Zr1.9Si4.8P0.5 phase 에 해당함을 Refinement 를 통해 규명했다. 이후 30℃에서 2.83×10-4 S cm-1으로 가장 좋은 전도성을 확인했다. 이는 sodium 고체 전해질로써 활용할 수 있는 성능이다.