기계화학적으로 무질서한 옥시할라이드가 초이온 전도성을 발휘합니다
| Jerry Huang
편집자 주: 고체 전해질은 전고체 리튬 배터리(ASSLB)의 핵심 구성 요소입니다. 고체 배터리는 본질적인 안전성 덕분에 매우 매력적인 에너지 저장 장치이지만, 그 발전은 첨단 고체 전해질의 획기적인 발전에 달려 있습니다. 현재 사용 가능한 고체 전해질은 크게 무기 전해질(산화물, 황화물, 할로겐화물 포함), 유기 고분자 전해질(가장 일반적인 것은 폴리에틸렌 옥사이드, PEO), 그리고 이 둘을 결합한 복합 시스템의 세 가지 계열로 나뉩니다. 프랑스 콜레주 드 프랑스의 장-마리 타라스콘 교수 연구팀이 수행한 새로운 연구를 소개합니다. 무기 고체 전해질은 높은 이온 전도도, 우수한 열 안정성, 그리고 높은 Li⁺ 전달수를 가지고 있어 점점 더 많은 관심을 받고 있으며, 복합 고체 전해질 개발의 초석으로 여겨지고 있습니다. 실험과 계산 결과에 따르면 초이온 수송은 [Ta₂OCl₁₀]²⁻ 이합체의 무질서화, Li⁺ 이동 장벽 감소, 그리고 Li⁺ 확산 경로의 공간적 연결성 향상에 기인합니다. 이중층 전해질 NMC811 전지는 1C 전류 밀도에서 700회 이상의 충방전 사이클을 견딜 수 있지만, 동시에 이 소재의 실질적인 한계점인 불충분한 환원 안정성을 보여주며, 이는 양극 계면 보호의 필요성을 시사합니다. 앞서 닝보 동부공업대학의 쉥량(Xueliang Sun) 연구팀은 산화할로겐화물 설계에 Li₃Ta₃O₄Cl₁₀와 같은 다른 결정체를 사용하여 높은 이온 전도도를 구현한 바 있습니다. ASSB 설계에 유망한 초이온 전도체를 제시해 주신 모든 연구자분들께 감사드립니다.
추상적인
전고체 리튬금속 배터리(ASSB)는 기존 리튬이온 기술의 에너지 밀도 한계를 뛰어넘을 수 있는 유망한 대안입니다. 그러나 계면 불안정성, 화학적-기계적 열화, 그리고 현재 고체 전해질의 제한된 이온 전도도 등으로 인해 상용화가 저해되고 있으며, 특히 리튬 옥시할라이드 계열의 새로운 고속 이온 전도체 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 본 연구에서는 간단한 저온 합성법을 통해 새로운 리튬 탄탈륨 옥시염화물(Li2Ta2OCl10)을 합성했습니다. 이 물질은 분리된 [Ta2OCl10]2− 이량체로 구성된 삼사정계 결정 구조를 가지며, 상온에서 0.002 mS·cm−1의 이온 전도도를 나타냅니다. 볼 밀링 처리를 통해 Li+ 이온의 이동이 크게 향상되어 전도도가 5000배 증가한 11 mS·cm−1에 도달하는 동시에 활성화 에너지는 0.46 eV에서 0.27 eV로 감소했습니다. 구조적, 분광학적, 계산적 분석을 종합한 결과, 이러한 성능 향상은 고도로 무질서한 액체와 같은 Li+ 서브격자 형성에서 비롯됨을 밝혀냈습니다. Li2Ta2OCl10은 LixIn 대비 1.89~3.70V의 안정성 범위를 나타내며, 낮은 분극과 우수한 용량 유지율(1C에서 700회 사이클 동안 20% 미만의 용량 감소)을 보이는 전고체 배터리(ASSB)를 구현할 수 있습니다. 이러한 결과는 Li2Ta2OCl10을 유망한 초이온 전도체로 확립하고, Li–M–O–Cl 계열이 차세대 고체 전해질 설계에 있어 풍부한 가능성을 지닌 영역임을 시사합니다.
참고 자료
https://doi.org/10.1002/aenm.71736
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt9678