나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 리츠린(李馳麟) 연구원이 주도하는 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 ‘불소기 고체 상태 전해질(Fluorine based solid electrolyte)’ 연구개발에서 나노 복합 구조를 보유한 오픈 프레임워크의 풍부한 리튬 패스 불소기 고체 전해질 Li3GaF6을 개발하고, 고체 전지에 대해 성공적인 구동을 실현함.

연구팀은 기존 연구를 통해 수립한 할로겐화 전략이 고체 전지와 리튬 금속 전지 연구에서 독특한 우세를 보유하고 있는 장점을 분석하고 SEI 층 속 LiF체의 통과 전도율이 낮은 문제를 이온 액체 속에서 합성한 풍부한 리튬 패스의 빙정석 파생물(Cryolite derivatives) Li3AlF6(실온 전기 전도율은 ~10-5 S/cm이라는 높은 수준에 도달함)을 고체 전해질 첨가제로 사용하여 SEI 층 구성을 개선시키고 리튬 덴드라이트(Lithium dendrite) 성장을 억제시키는데 성공하였음.

연구팀은 관련 연구개발 성과를 기반으로 저온 이온 액체 불소화 저 에너지 소모 특징을 보유한 합성 전략을 이용하여 나노 복합 구조를 가진 풍부한 리튬 불소화물 고체 전해질인 Li3GaF6을 개발하는데 성공하였는데 동 전해질 구조 내부는 오픈 특징을 나타내는 이온 채널을 보유하고 있으며 결정립 경계(Grain boundary)는 이온 액체를 수정하는 특성을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

전해질 시트 중에서 이온 액체는 나노 버들개지(flocculus) 형태 물질로 고체화 되는 동시에 원 위치 접착제로 되어 주변의 나노 입자와 전체 전해질 박편(薄片)을 접착시키고, 전해질 시트가 전기화학 순환 과정 중의 가루화(Pulverization)와 파쇄(fragmentation)를 차단하는 것(특히 전극과의 접촉 인터페이스 위치에서)으로 나타났음.

인터페이스 위치에서 이온 수송이 강화됨에 따라 최적화된 Li3GaF6은 불소계 고체 전해질의 이온 전기 전도율을 최고 수준(실온 하에서 10-4 S/cm 수준에 접근함)에 도달시키며, 고체 상태의 Li/Li3GaF6/LiFePO4 전지는 1 C 고 배율 하에서 최소한 150회 순환이 가능한 성공적인 운행을 실현할 수 있는 것으로 나타났음.

이번 연구는 불소화 고체 전해질 구조를 해석하고, 나노 조정 제어를 실현하고, 인터페이스 특성을 개선시키는데 필요한 과학 소재를 제공한 동시에 고체 전지의 활성화를 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Energy Storage Materials’ ("High-conductivity open framework fluorinated electrolyte bonded by solidified ionic liquid wires for solid-state Li metal batteries")지에 게재됨.