Design of Iron-Based Dual-Functional Superionic Materials for High Performance All-Solid-State Batteries = 고성능 전고체 전지를 위한 철 기반 이중 기능성 초이온 소재 설계

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

All-solid-state batteries (ASSBs) improve safety by replacing flammable liquid electrolytes (LEs) with solid electrolytes (SEs); however, they have still limitations in commercialization due to low ionic conductivity, high interfacial resistance, and limited cost-effectiveness. This dissertation focuses on the development of a novel class of iron-based dual-functional superionic materials based on superionic chemistry to address key challenges in the commercialization of ASSBs. I systematically investigated superionic materials composed of Li, Fe, Cl, and F or O. Specifically, two quaternary systems, Li-Fe-F-Cl and Li-Fe-O-Cl, were explored. I mapped two-dimensional (2D) compositional subspaces based on the charge-neutrality rule and examined all possible combinations with electrochemical and various spectroscopy evaluations for finding out superionic materials.
These novel superionic materials exhibited ionic conductivities above 10⁻⁴ S cm⁻¹ (3.63 × 10⁻⁴ S cm⁻¹ for Li-Fe-F-Cl and 1.37 × 10⁻⁴ S cm⁻¹ for Li-Fe-O-Cl) and electrochemical stability within 2.5–4.0 V versus Li/Li⁺. X-ray absorption spectroscopy (XAS) confirmed that the reversible electrochemical activity of these materials arises from Fe redox reactions. Electrochemical measurements demonstrated excellent rate capabilities, with specific capacities of 90.2 mAh g⁻¹ at 0.1C rate for Li-Fe-F-Cl and 135.0 mAh g⁻¹ at 0.1C rate for Li-Fe-O-Cl. In this dissertation, I developed iron-based dual-functional superionic materials as a novel class of materials with unique features. These materials exhibit dual functionality, namely high ionic conductivity and reversible electrochemical activity, showing strong potential to replace both SEs and active materials (AMs) and alleviate interfacial side effects. I hope this dissertation plays a role as a groundwork for the commercialization of ASSBs.

국문 초록 (Abstract)

전고체 전지는 가연성 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하여 안정성을 향상시키지만, 낮은 이온 전도도, 높은 계면 저항, 제한된 비용 효율로 인해 상용화에 여전히 한계가 있다. 본 학위 논문은 전고체 전지의 상용화를 목표로 하여 초이온 화학을 기반으로 한 새로운 종류의 철 기반 이중 기능성 초이온 소재 개발에 중점을 둔다. 리튬(Li), 철(Fe), 염소(Cl), 플루오린(F) 또는 산소(O)로 구성된 초이온 소재를 체계적으로 탐구하였다. 구체적으로 Li-Fe-F-Cl 및 Li-Fe-O-Cl의 두 가지 4원계 시스템을 중심으로 연구를 진행하였다. 전하 중성 규칙에 기반하여 2차원 조성 공간을 매핑하였고, 초이온 소재를 찾기 위해 전기화학적 및 다양한 분광학적 분석을 실시하여 가능한 모든 조합을 탐색하였다.
이러한 새로운 초이온 소재는 10⁻⁴ S cm⁻¹ 이상의 이온 전도도 (Li–Fe–F–Cl의 경우 3.63 x 10⁻⁴ S cm⁻¹, Li–Fe–O–Cl의 경우 1.37 x 10⁻⁴ S cm⁻¹)를 나타냈으며, Li/Li⁺ 대비 2.5-4.0V 이내의 전기화학적 안정성을 보였다. X선 흡수 분광법(XAS)을 통해 이러한 소재들의 가역적인 전기화학적 활성이 Fe의 산화환원 반응에서 비롯된다는 것을 확인하였다. 전기화학적 성능 평가 결과 Li-Fe-F-Cl의 경우 0.1C 속도에서 90.2 mAh g⁻¹, Li–Fe–O–Cl의 경우 0.1C 속도에서 135.0 mAh g⁻¹로 우수한 율속 특성을 나타냈다. 본 학위 논문은 독특한 특징을 가진 새로운 종류의 소재로서 철 기반의 이중 기능성 초이온 소재의 개발을 제시한다. 이러한 소재들은 높은 이온 전도도와 가역적인 전기화학적 활성이라는 이중 기능성을 나타내며, 고체 전해질과 활물질을 모두 대체하고, 계면 부작용을 완화할 수 있는 강력한 잠재력을 보여준다. 본 학위 연구가 향후 전고체 전지의 상용화를 위한 기초를 제공하길 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. The Emergence of All-Solid-State Batteries 1
• 1.2. Objectives 3
• Chapter 2. Iron-Based Dual-Functional Superionic Materials for All-Solid-State Batteries 4
• 2.1. Introduction 4
• 2.2. Experimental Section 7
• 2.3. Results and Discussion 9
• 2.4. Summary 48
• Chapter 3. Conclusion 49
• Bibliography 50
• 국문 초록 54