차세대 전지의 안정성 향상을 위한 리튬-황 전지 음극 구조체 및 황화물계 고체전해질 소재 연구 = Engineering of Li-S Battery Anodes and Sulfide Solid Electrolyte Materials toward Stable Next-Generation Batteries

국문 초록 (Abstract)

차세대 전지의 안정성 향상을 위해 본 연구는 리튬–황 전지용 리튬 금속 음극 구조체 개발과 황화물계 고체전해질의 대기안정성 향상이라는 두 가지 소재 연구를 수행하였다.
리튬–황 전지는 높은 이론용량(1675 mAh g⁻¹)과 저비용, 풍부한 황 자원으로 인해 차세대 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있다. 그러나 리튬 금속 음극의 수지상 리튬 형성, 계면 불안정성, 짧은 수명 등의 문제로 실용화에 한계가 존재한다. 이에 본 연구에서는 플라즈마 보강 화학기상증착(PECVD)을 통해 질소가 도핑된 수직 배열 탄소나노튜브(N-VACNT)를 구리 기판 위에 직접 성장시켜 바인더 프리 음극을 제작하였다. 이 구조는 높은 전기전도도, 기계적 안정성, 넓은 표면적을 제공하여 리튬의 균일한 석출과 우수한 전기화학적 성능을 유도한다. 라만 분광 분석을 통해 질소 도핑이 CNT의 구조적 결함과 결합 상태에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였으며, 대칭 셀 및 전지 테스트를 통해 N-VACNT 기반 리튬 금속 음극의 사이클 안정성과 전기화학적 특성을 평가하였다.
한편 황화물계 고체전해질은 높은 이온전도도와 전고체 전지 구현 측면에서 유망하지만, 수분 및 산소에 취약하여 H₂S 발생과 성능 저하가 유발되는 대기안정성 문제가 상용화를 저해하는 핵심 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 할라이드 과량 아지로다이트계 황화물 고체전해질의 표면을 선택적으로 산화시키는 코어–쉘 설계를 통해 코어의 높은 이온전도도는 유지하면서 표면 반응성을 저감하여 H₂S 발생을 억제하고 대기안정성을 향상시키는 전략을 제시하였다. 황화물계 고체전해질의 표면 개질 효과는 대기 노출 전후의 물성 변화 및 전기화학적 특성 비교를 통해 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 통합 서론 1
• II. 수직정렬 탄소나노튜브를 이용한 리튬황전지 음극 구조체 2
• 1. 서론 2
• 1) 연구의 이론적 배경 2
• (1) 리튬황 전지 2
• (2) 리튬황 전지 음극의 문제점 5
• (3) 리튬황 전지 음극의 보호 전략 7
• (가) 리튬의 균일한 도금 및 탈리 유도 9
• (나) 애노라이트(anolyte)에서 폴리설파이드 농도 감소 10
• (다) 리튬 금속 음극과의 폴리설파이드 반응 감소 11
• 2) 연구의 목적 13
• 2. 실험 15
• 1) VACNT 및 N-VACNT 합성 15
• 2) 리튬 함침 및 전극제조 15
• 3) 대칭셀 및 풀셀 조립 16
• 4) 전기화학적 분석 17
• 5) 구조 및 성분 분석 17
• 3. 결과 및 고찰 19
• 1) 질소 도핑에 따른 탄소나노튜브 구조 및 성질 19
• (1) N-VACNT 의 합성 및 리튬의 도금/박리 거동의 원리 19
• (2) N-VACNT의 질소 도핑 구조 및 특성에 대한 정량적 분석 22
• (가) XPS 분석 22
• (나) Raman spectrum 및 ID/IG, AD/AG ratio 분석 25
• (3) N-VACNT의 길이 및 리튬 도금 형상 28
• (가) SEM 및 EDS 분석 28
• (나) 리튬 도금 형상 관찰 33
• 2) N-VACNT 음극의 전기화학적 특성 37
• (1) 대칭셀 평가 37
• (2) 리튬-황 풀셀 평가 40
• 4. 결론 44
• III. 대기안정성 향상을 위한 황화물계 고체전해질 소재 46
• 1. 서론 46
• 1) 연구의 이론적 배경 46
• (1) 전고체 전지 46
• (2) 황화물계 고체전해질 49
• (3) 황화물계 고체전해질의 대기 불안정성 49
• (4) 황화물계 고체전해질의 대기안정성 향상을 위한 전략 52
• (가) 코팅/코어-쉘 설계 52
• (나) 도핑 개질 52
• (다) 합성 최적화 53
• 2) 연구의 목적 54
• 2. 실험 56
• 1) 고체전해질 합성 56
• 2) 표면 산화 처리(O-LiPSClBr 합성) 56
• 3) 구조 및 성분 분석 57
• 4) 이온전도도 및 대기안정성 평가 57
• 5) 전고체전지 조립 및 전기화학적 평가 58
• 3. 결과 및 고찰 59
• 1) 표면 산화 아지로다이트 고체전해질 설계 개념 59
• 2) 고체전해질 입도별 합성 61
• 3) 고체전해질 합성 및 코어-쉘 구조 표면 산화 분석 63
• (1) XRD와 EDS를 통한 고체전해질 합성 분석 63
• (2) XPS depth profile 및 표면 산화층 특성 65
• 4) 표면 산화 아지로다이트 고체전해질의 이온전도도 및 전기화학적 특성 67
• (1) 이온전도도 및 대기 안정성 67
• (2) 전고체전지 레이트/사이클 성능 및 계면 저항 개선 69
• 4. 결론 71
• IV. 통합결론 73
• 참고문헌 74
• 영문초록 82