Ag 치환 보로하이드라이드 기반 아지로다이트계 황화물 고체전해질의 합성 및 전기화학 특성 = Synthesis and Electrochemical Properties of Ag-Substituted Borohydride-Based Argyrodite Sulfide Solid Electrolytes

국문 초록 (Abstract)

Ag 치환 보로하이드라이드 기반 아지로다이트계 황화물 고체전해질의 합성 및 전기화학 특성

황화물계 전고체전지는 높은 이온전도도와 우수한 기계적 특성으로 인해 차세대 에너지 저장 시스템의 핵심 후보로 주목받고 있다. 그러나 리튬 금속과의 낮은 계면 안정성은 실제 적용을 저해하는 주요 문제로 남아 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 기존 할라이드 치환 리튬 아지로다이트(Li-argyrodite) 고체전해질보다 높은 이온전도도를 갖는 보로하이드라이드(BH4-)기반 아지로다이트계 고체전해질에 주목하였다.

본 연구에서는 2단계 볼 밀링 공정을 통해 열처리 없이 Li6-x-yAgxPS5–y(BH4)1+y 조성의 은(Ag) 치환 아지로다이트 고체전해질을 합성하였다. 합성된 조성 중 Li5.5Ag0.1PS4.6(BH4)1.4 시료는 30 °C에서 13.7 mS cm-1의 높은 이온전도도를 나타내었다. 또한, 리튬 대칭셀 평가 결과, 장시간 안정적인 리튬 도금/박리 거동과 2.9 mA cm-2의 높은 임계전류밀도(Critical Current Density, CCD)를 확인하였다.

X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석을 통해, Ag가 리튬 금속과의 계면에서 Li–Ag 합금층을 형성함으로써 균일한 리튬 석출을 유도함을 규명하였다. 이러한 계면 합금층은 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하며, 리튬 금속과의 계면 안정성을 현저히 향상시켰다. 또한, Ag 치환 고체전해질을 적용한 전고체전지는 우수한 사이클 안정성과 속도 특성을 나타내어 실용적 적용 가능성을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sulfide-based solid electrolytes for all-solid-state batteries (ASSBs) have garnered significant attention due to their high ionic conductivity and excellent mechanical properties. However, poor interfacial stability with Li metal remains a critical barrier to their practical implementation. Among these materials, borohydride (BH4–)-based argyrodite solid electrolytes offer higher ionic conductivity than halide-substituted Li argyrodites. They are regarded as some of the most promising candidates for sulfide-based electrolytes. In this study, BH4–-based argyrodite electrolytes were synthesized via partial substitution of Ag at the Li site using a two-step ball-milling process, without any heat treatment. Among the synthesized compositions, Li5.5Ag0.1PS4.6(BH4)1.4 achieved a high ionic conductivity of 13.7 mS cm–1 at 30 ℃. Li symmetric cells incorporating the synthesized electrolytes demonstrated stable, long-term Li plating/stripping cycles and a high critical current density of 2.9 mA cm–2. The Li/solid electrolyte interface was investigated using X-ray photoelectron spectroscopy, revealing that Ag promotes uniform Li deposition by forming a Li-Ag alloy at the interface. This alloy formation effectively suppresses dendrite growth and significantly improves interfacial stability with Li metal. ASSBs utilizing the Ag-substituted solid electrolyte showed enhanced cycling stability and rate performance, highlighting their potential for practical application.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 실험방법 및 측정방법 4
• 2.1. 시료 준비 4
• 2.2. 물성 분석 5
• 2.3. 전기화학 분석 6
• 제3장 결과 및 토론 8
• 제4장 결론 49
• 참고문헌 50
• 영문초록 57