다양한 고체전해질 중 Garnet형 Li7La3Zr2O12 (LLZO)는 고온 안정성과 Li-metal과의 높은 화학적 안정성을 가지는 산화물계 차세대 고체전해질로 주목받는 재료이다. 하지만 LLZO를 제조하기 위해서는 높은 소결온도와 긴 유지시간을 필요로 하여 리튬 휘발과 그로 인한 상전이 문제가 발생한다. 1200 ℃ 이하의 저온에서 입방정상을 가지며 소결첨가제를 통한 치밀도와 이온전도도를 향상시키는 연구가 필수적이다.
본 연구에서는 저온소결을 통해 높은 치밀도와 안정적인 입방정상을 가지며 높은 이온전도도를 가지는 LLZO를 제작하기 위해 새로운 소결첨가제 소결법을 제안하였다. 새로운 소결법은 액상소결 촉진 첨가제와 고상소결 첨가제를 동시에 투입하는 방법이며 이를 하이브리드 소결첨가제 소결법이라 명명하였다. 이는 8종의 소결 첨가제를 비교 및 조합하여 최적의 소결 첨가제 선정 (Al₂O₃, Bi₂O₃)하였다. 이후 하이브리드 소결첨가제를 이용해 제작한 LLZTO의 소결 거동에 미치는 영향과 이온전도도 및 Li cell 특성에 대해서 연구하였다.
하이브리드 소결첨가제 조합 중 LLZTO에 중량비 1.2 wt%의 Al₂O₃와 2 wt% Bi₂O₃를 투입한 AlBi-LLZTO가 LLZTO에서 발견되는 비정상입성장 (AGG)를 억제하며 특히 1000 ℃의 저온 소결온도에서 가장 높은 상대밀도 (98 %)를 확보하였다.
기존의 LLZTO와 이온전도도를 비교시, 1000 ℃의 소결온도에서 4.64 x 10-4 S/cm로 5.2배 증가한 이온전도도를 보였으며 1100 ℃의 소결온도에서 5.51 x 10-4 S/cm로 2.7배 증가한 이온전도도를 관찰하였다. 또한 하이브리드 소결첨가제를 적용한 AlBi-LLZTO를 Li symmetric cell를 제작하여 표면저항 특성 분석 시 1000 ℃의 저온 소결온도에서 61.7 Ω·cm²의 표면저항을 가지며 임계 전류 밀도 (CCD) 측정 시 1.05 mA/cm²의 높은 최대전류밀도를 관찰하였다.
이를 통해 저온인 1000 ℃에서 LLZTO소결시 하이브리드 소결 첨가제를 사용하여 소결 특성 및 전기화학 특성을 긍정적으로 증가시키는 것에 성공하였다. 그러므로 하이브리드 소결첨가제를 사용한 AlBi-LLZTO는 차세대 배터리인 전고체 배터리의 산화물계 고체전해질에 적용 가능하다는 것을 증명하였다.