표제지
목차
국문요약 12
I. 서론 14
1.1. 연구 배경 14
1.2. 연구 목적 20
II. 이론적 배경 21
2.1. 전고체전지의 구조 및 원리 21
2.1.1. 양극재 (Cathode) 24
2.1.2. 음극재 (Anode) 27
2.1.3. 전해질 (Electrolyte) 29
2.2. 전해질 종류 31
2.2.1. 황화물계 전지 (Sulfide) 31
2.2.2. 폴리머계 전지 (Polymer) 32
2.2.3. 산화물계 전지 (Oxide) 33
2.3. 산화물계 전해질 34
2.3.1. Perovskite 구조 전해질 34
2.3.2. Garnet 구조 전해질 35
2.3.3. Nasicon 구조 전해질 37
2.4. Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3[이미지참조] 38
III. 실험 방법 43
3.1. 고상합성법 (Solid-State Reaction, SSR) 43
3.2. X-ray diffraction (XRD) 47
3.3. Rietveld refinement 50
3.4. Thermogravimetric Analysis (TGA) & Differential scanning calorimeter (DSC) 54
3.5. 시편 제작 56
3.5.1. 압축 성형 시편 제작 56
3.5.2. 테이프 캐스팅 시편 제작 58
3.6. 전기화학 특성 61
3.6.1. 임피던스 측정 61
3.7. 미세구조 64
3.7.1. Scanning Electron Microscope (SEM)& Energy Dispersive Spectrometer (EDS) 64
IV. 실험 결과 66
4.1. LATP 결정구조 분석 66
4.1.1. 하소온도에 따른 XRD 분석 66
4.1.2. 리튬 함량에 따른 XRD 분석 73
4.2. Rietveld refinement & lattice parameter 분석 76
4.2.1. LATP+Li10wt% Refinement 분석 76
4.2.2. Lithium content에 따른 lattice parameter 분석 80
4.3. Thermogravimetric Analysis (TGA) - Differential scanning calorimeter (DSC) 분석 82
4.4. 전기화학 특성 분석 85
4.4.1. 압축성형 시편 분석 85
4.4.2. 테이프 캐스팅 시편 분석 102
4.5. SEM 분석 109
4.5.1. 압축성형 시편 109
4.5.2. 테이프 캐스팅 시편 122
V. 결론 130
참고문헌 132
ABSTRACT 138
표 2.1.1-1. 양극재의 종류 26
표 2.1.1-2. 양극재의 요구조건 26
표 2.1.2. 음극재 종류와 특징 28
표 3.1. Nasicon 구조 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 조성 정리[이미지참조] 46
표 3.3. Rietveld 법 신뢰성 지수 52
표 3.5.2. 테이프 캐스팅 슬러리 조성 59
표 4.2.2. LATP의 excess Li content에 따른 lattice parameter. 81
표 4.4.1.2. LATP-600-800, LATP_700-800, 및 LATP_800-800의 임피던스 등가회로 분석 결과 99
그림 1.1-1. 2022년 9월 열대 태평양의 해수면 온도 15
그림 1.1-2. 1970-2019 사이 전 세계의 CO₂ 배출량 17
그림 2.1.1. 전고체전지의 구조 21
그림 2.1.2. Intercalation reaction 모식도 23
그림 2.1.3. 전고체전지의 충전 및 방전 과정 23
그림 2.1.2. 음극재 및 양극재의 potential 및 용량 28
그림 2.1.3-1. 액체 전해질과 고체 전해질에서의 Li-ion이동 모델 30
그림 2.1.3-2. 고체 전해질에서의 이온 확산 방법 30
그림 2.3.1. Perovskite 결정 구조 모델 34
그림 2.3.2. Garnet 결정 구조 모델 36
그림 2.3.3. Nasicon 결정 구조 37
그림 2.4. Li-metal 반응에 따른 Ti의 spectra (a) 반응 전 (b) 반응 후 40
그림 3.1-1. Solid-State Reaction 법에 사용한 Raw materials 44
그림 3.1-2. Solid-State Reaction 법을 이용한 Nasicon 구조 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 합성 과정[이미지참조] 45
그림 3.2. XRD 분석에 사용한 XRD 장비 49
그림 3.3. Rietveld 법 초기 모델 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (orthophosphate, space group=R -3 c h)[이미지참조] 53
그림 3.4. TGA & DSC 분석 장비 55
그림 3.5.1. 압축 성형 장비 및 제작 시편 57
그림 3.5.2. 테이프 캐스팅 장비 및 제작 시편 60
그림 3.6.1-1. Gold sputter 장비 62
그림 3.6.1-2. 임피던스 측정 장비 62
그림 3.6.1-3. 임피던스 등가회로 63
그림 3.7.1. SEM & EDS 장비 65
그림 4.1.1-1. 하소 온도에 따른 LATP 전해질 XRD 분석 결과 67
그림 4.1.1-2. LATP XRD 분석 결과에 존재하는 추가상 68
그림 4.1.1-3. 소결 후 하소 온도에 따른 LATP 전해질 XRD 분석 결과 72
그림 4.1.2. 탄산 리튬 함량에 따른 LATP 전해질 XRD 분석 결과 73
그림 4.2.1.1. LATP_800 조성의 Rietveld 분석 결과 77
그림 4.2.1.2. LATP_800 조성의 결정 구조 78
그림 4.2.1.3. LATP_800 조성의 lattice parameter 79
그림 4.2.2. LATP의 excess Li content에 따른 lattice parameter. 81
그림 4.3.1. 테이프 캐스팅 시편 열분석 결과 84
그림 4.3.2. DSC 파형에 따른 흡열 및 발열 반응 84
그림 4.4.1.1. 소결 온도 및 시간에 따른 LATP의 이온전도도 86
그림 4.4.1.2-1. 등가회로 분석 방법에 따른 LATP 임피던스 결과, (a) 임피던스 분석을 위한 등가회로 (b) LATP-700-800의 임피던스 결과, (c)... 90
그림 4.4.1.2-2. 하소 온도에 따른 LATP 압축 성형 시편의 온도별 임피던스 결과 및 이온전도도 (a) LATP_600-800, (b) LATP_700-800, (c) LATP_800-800,... 94
그림 4.4.1.2-3. 하소 온도에 따른 LATP의 이온전도도 및 활성화 에너지 (a) x축=온도 (b) x축=조건 97
그림 4.4.1.2-4. 등가회로를 통해 분석한 하소 온도에 따른 이온전도도 99
그림 4.4.1.3. 리튬 함량에 따른 압축 성형 시편의 이온전도도 100
그림 4.4.2.1-1. 소결 시간에 따른 테이프 캐스팅 시편의 이온전도도 103
그림 4.4.2.1-2. 테이프 캐스팅 시편 LATP+Li10wt%의 임피던스 결과 (a) 임피던스, (b) 등가회로 분석에 따른 이온전도도 105
그림 4.4.2.2. 리튬 함량에 따른 테이프 캐스팅 시편의 이온전도도 108
그림 4.5.1.1-1. 열처리 시간에 따른 LATP의 결정 성장 (a) 800℃ 2시간, (b) 800℃ 4시간, 및 (c) 800℃ 6시간 112
그림 4.5.1.1-2. LATP 압축 성형 시편의 소결 시간에 따른 결정 성장 (a) 800℃ 6시간, (b) 800℃ 9시간, 및 (c) 800℃ 12시간 116
그림 4.5.1.2. 하소 온도에 따른 LATP 압축성형 시편의 미세 구조 LATP_600-800, LATP_700-800, 및 LATP_800-800의 (a), (b),및 (c)=표면 / (d), (e), 및 (f)=단면 118
그림 4.5.1.3. LATP+Li30wt% 조건의 압축 성형 시편 미세 구조 (a) 표면 (b) 단면 121
그림 4.5.2.1. LATP+Li10wt% 조건의 그린시트 EDS 분석 결과 122
그림 4.5.2.2-1. LATP+Li10wt% 조성 테이프 캐스팅 시편의 소결 시간에 따른 미세구조 (a) 800℃ 2시간, (b) 800℃ 3시간, 및 (c) 800℃ 4시간 125
그림 4.5.2.2-2. 압축 성형 시편과 테이프 캐스팅 시편의 미세구조 비교 127
그림 4.5.2.2-3. 압축 성형 시편과 테이프 캐스팅 시편의 결정 성장 모식도 129