고성능 리튬 전고체 전지를 위한 고순도 황화물계 고체전해질의 합성에 관한 고찰 = A Study on the Liquid-Phase Synthesis of High-Purity Li6PS5Cl Sulfide Solid Electrolytes for High-Performance All-Solid-State Li-Ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

전고체전지 핵심 소재인 고체전해질의 한 종류인 황화물계 고체전해질은 높은 이온 전도도를 가지며, 우수한 연성을 가지고 있어 양극과 고체전해질 간, 고체전해질과 고체전해질 간의 균일한 계면 형성에 유리하므로 상용화에 가장 적합한 후보로 평가되고 있다. 고체전해질 상용화를 위해서는 공정 스케일업이 필수적이며, 이에 적합한 합성법으로 습식합성법이 주목받고 있다. 그러나 습식합성법을 이용한 합성 과정에는 불순물 생성 문제가 존재하며, 주요 불순물인 Li3PO4와 Li2S는 이온전도도 및 전기화학적 안정성을 저해하는 요인으로 작용한다. Li3PO4는 고체전해질 습식합성 과정에서 잔존하는 유기용매와 시작물질이 반응하여 생긴 부산물로 본 연구에서 유기용매 부피 최적화를 통해 감소되었다. 고체전해질은 Li2S의 표면에서부터 반응하여 중간상인 Li3PS4를 거쳐 합성되는데 이때 Li2S의 입도에 따라 순도가 다른 고체전해질이 합성된다. 큰 입도의 Li2S를 적용했을 경우 겉은 고체전해질 속은 Li2S가 존재하는 코어쉘 구조의 입자가 형성된다. 따라서 반응이 충분히 이루어질 정도의 Li2S를 적용하면 고순도의 고체전해질을 합성할 수 있다. 그 결과, 2.0 mS/cm의 이온전도도를 가지는 Li6PS5Cl 고체전해질을 합성할 수 있었다. 특히, 균일한 전구체 분포를 기반으로 합성된 시료는 100사이클 동안 79.2%의 용량 유지율을 보여주며, 불순물이 존재하는 저순도 시료 대비 개선된 전지 성능을 확인할 수 있었다. 본 연구는 고체전해질 내 불순물을 반응 부산물과 미반응 불순물로 구분하여 체계적으로 분석하였으며, 고체전해질의 대량 생산 및 상용화를 위한 기반 기술로 활용될 수 있음을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A high-purity Li₆PS₅Cl solid electrolyte with an argyrodite crystal structure was synthesized using a liquid-phase synthesis method to address challenges associated with impurity control in sulfide-based electrolytes. Unreacted precursor, Li₂S, was identified as the primary impurity adversely affecting ionic conductivity and electrochemical stability. By optimizing precursor particle-size distribution, solvent volume, and reaction parameters, impurity formation was significantly reduced, resulting in an ionic conductivity of 2.0 mS/cm. Electrochemical evaluations revealed that Li₆PS₅Cl synthesized with a uniform precursor distribution exhibited superior capacity retention of 79.2% over 100 cycles compared to non-optimized samples. This study highlights the critical role of impurity control and synthesis optimization in achieving high-performance sulfide-based electrolytes, facilitating scalable production and commercialization for advanced all-solid-state batteries.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구의 배경과 목적 1
• 가. 연구의 배경 1
• 나. 연구의 목적 4
• II. 이론적 배경 5
• 1. 이차전지 5
• 가. 리튬이온전지 5
• 나. 전고체전지 7
• III. 실험 13
• 1. 재료 13
• 2. 시작물질 용매노출 14
• 3. 고체전해질 Li6PS5Cl 합성방법 16
• 가. 습식합성방법 16
• 나. 건식합성방법 18
• 4. 재료 특성 분석 20
• 5. 셀 제조 및 전기화학적 성능 측정 21
• 가. 이온전도도 측정 및 셀 구성 21
• 나. Cyclic Voltammetry 테스트 및 셀 구성 23
• 다. 충 방전 테스트 및 셀 구성 25
• IV. 결과 및 고찰 27
• 1. 기존의 습식합성 방법으로 합성한 고체전해질 특성 27
• 2. 불순물 원인 파악 31
• 3. 불순물 제어 36
• 가. Li3PO4 제어 36
• 나. Li2S 제어 40
• 4. Li6PS5Cl 합성 메커니즘 46
• 5. 전기화학적 테스트 48
• V. 결론 52
• 참고문헌 53
• 영문 초록 58