전 고체 상태의 상용화를 실현하기 위해 리튬 배터리 산업고체 전해질은 우수한 성능을 입증해야 할 뿐만 아니라 비용 경쟁력도 충분히 확보해야 합니다.
이와 관련하여 이 기사에서는 전고체 전지의 상용화를 촉진하는 데 중요한 역할을 하는 위의 요구 사항을 동시에 충족할 수 있는 고체 전해질을 소개합니다.
목차
현재 고체 전해질의 특성
성능의 관점에서 볼 때 이상적인 조건에서 견고한 리튬 이온 배터리 전해질 는 이온 전도도, 산화 안정성, 환원 안정성 및 수분 안정성에서 동시에 장점을 가져야 합니다. 보고된 무기 고체 전해질은 크게 산화물, 황화물, 할로겐화물의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
산화물은 부서지기 쉬운 물질로서 변형성 요건을 충족할 수 없습니다. 반면 황화물과 할로겐화물은 특정 압력 하에서 변형이 가능하고 높은 이온 전도도를 달성하기도 비교적 쉽습니다. 하지만 황화물을 합성하는 데 사용되는 원료인 Li2S는 $654.18/kg에 달할 정도로 상당히 비쌉니다.
황화물 고체 전해질 원료에서 Li2S의 질량비가 일반적으로 30% 이상임을 고려할 때 원료 비용은 $196.25 / kg 이상입니다. 할로겐화물은 합성을 위해 희토류 또는 인듐 기반 염화물 및 기타 고가의 원료를 사용해야만 높은 이온 전도도(> 1mS cm-1)를 얻을 수 있으므로 원재료 비용도 대부분 $190/kg 이상으로 상당히 높습니다.
따라서 이 세 가지 유형의 재료는 모두 이온 전도도, 변형성 및 비용의 요구 사항을 동시에 충족할 수 없습니다. 유일한 예외는 2021년 중국과학기술대학의 마쳉 교수 연구팀이 보고한 고체 전해질 리튬 염화지르코늄입니다.
희토류 원소나 인듐이 포함되어 있지 않기 때문에 원재료 비용이 $50/kg 미만입니다. 그러나 재료의 이온 전도도가 약 0.5mS cm-1로 낮아 이온 수송 효율 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
일반적으로 현재의 산화물, 황화물 및 할로겐화물 고체 전해질은 이온 전도도, 변형성 및 비용 경쟁력에서 애플리케이션 요구 사항을 동시에 충족하지 못합니다.
그러나 이러한 특성 중 많은 부분은 다른 방법으로 보완할 수 있는데, 예를 들어 고체 전해질의 산화 또는 환원 안정성이 좋지 않더라도 전극 활성 물질이 적절한 코팅 재료 위에 구성되는 한 배터리는 여전히 좋은 성능을 발휘할 수 있습니다.
이러한 특성을 제외하더라도 고체 전해질은 여전히 우수한 이온 전도도(상온에서 1mS cm-1 이상)와 변형성(250-350 MPa에서 90% 상대 밀도 이상)이 모두 필요합니다. 그러나 현재의 고체 전해질은 두 가지 성능 이점을 모두 제공하면서 가격 경쟁력($50/kg 미만)도 충분히 확보할 수 없습니다.
새로운 배터리 고체 전해질
중국과학기술대학의 마쳉 교수 연구팀은 다음과 같은 요구 사항을 충족할 수 있는 새로운 옥시염화물 고체 전해질 Li1.75ZrCl4.75O0.5를 설계했습니다. 솔리드 스테이트 배터리 의 세 가지 측면을 살펴봅니다.
Li1.75ZrCl4.75O0.5의 상온 이온 전도도는 2.42mS cm-1에 달하며, 이는 1mS cm-1 이상의 적용 요건을 충족하고 황화물 및 희토류/인듐 기반 할로겐화물에 비해 열등하지 않습니다.
또한 리튬 지르코늄 옥시 염화물은 변형성이 우수하여 300MPa에서 냉간 압착 후 상대 밀도가 94.2%에 달해, 변형성이 좋은 것으로 알려진 고체 전해질인 Li3InCl6 및 Li10GeP2S12(같은 압력에서 밀도가 90%보다 낮음)보다 높습니다.
위의 특성으로 인해 Li1.75ZrCl4.75O0.5로 구성된 전고체 배터리는 우수한 성능을 보여줍니다. 단결정 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 기반의 전고체 배터리는 1000mA g-1의 높은 전류 밀도에서 2082 사이클 후에도 70.2mAh g-1의 방전 용량에 도달할 수 있습니다. 최근 Nature Energy에 보고된 Li2In1/3Sc1/3Cl4 고체 전해질의 배터리 성능(540mA g-1, 3000 사이클, 최종 방전 용량 약 70mAh g-1)에 근접한 수치입니다.
하지만 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 가격은 Li2In1/3Sc1/3Cl4보다 훨씬 저렴하며($11.60/kg 대 $4418.10/kg, 후자의 0.3% 미만) 위에서 언급한 $50/kg 기준에도 훨씬 못 미칩니다. 원가와 성능에서 강력한 경쟁력을 갖춘 이 고체 전해질 소재는 전고체 배터리 상용화의 길을 열었습니다.
새로운 고체 전해질 연구 과정
연구진은 먼저 고에너지 볼 밀링 방법으로 일련의 Li2+xZrCl6-xOx 고체 전해질을 합성하려고 시도했습니다. 화학식은 (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2)로도 표현할 수 있습니다. X-선 회절은 x≤0.25의 성분이 P-3m1 구조를 나타낸다는 것을 보여줍니다. x가 더 증가하면 C2/m 구조의 상이 물질에 나타나며 P-3m1 상과 공존합니다.
Li2+xZrCl6-xOx의 조성 의존적 위상 진화
x≥1.0인 경우, 재료는 C2/m 상만을 나타냅니다. 0.25<x<1.0 사이의 2상 공존 영역에서 재료의 결정 구조는 특히 고에너지 볼 밀링 손상에 취약하며 결정성은 20%보다 낮습니다. Zr 기반 염화물 고체 전해질은 일반적으로 효율적인 이온 수송을 위해 비정질 상에 의존하기 때문에 이러한 이중 결정상이 0.25<x<1.0 공존하는 재료는 이온 전도도가 더 높을 수 있습니다.
전기화학 임피던스 분광법(EIS) 테스트는 이중 결정상이 공존하는 성분이 이온 전도도가 더 높다는 것을 보여줍니다. 예상 결과와 일치하여 결정성이 낮은 2상 성분의 실온 이온 전도도는 일반적으로 단상 성분의 이온 전도도보다 높습니다.
성분점 x=0.5(화학식: Li2.5ZrCl5.5O0.5)에서 상온에서의 이온 전도도는 1.17mS cm-1에 달해 희토류나 인듐 기반 할로겐화물 고체 전해질과 비교해도 나쁘지 않은 수준입니다.
Li2+xZrCl6-xOx의 리튬 이온 수송 거동
위 물질의 이온 전도도는 1mS cm-1을 초과했지만 여전히 더 향상될 수 있습니다. 조성에 따른 이온 전도도의 추세에 따르면 연구진은 위상 다이어그램에서 2상 영역의 조성이 단상 영역과의 위상 경계에 가까워지면 이온 전도도가 향상된다는 것을 발견했습니다.
조성을 정확하게 제어하고 상 경계에 가깝게 만들기 위해 연구진은 이온 전도도가 가장 높은 위의 성분 Li2.5ZrCl5.5O0.5(즉, 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2)를 기반으로 세 번째 성분인 LiZrCl5를 도입했습니다.
그 결과 일련의 구성 요소 (75%-y) Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 또는 Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5가 생성됩니다. X-선 회절 결과에 따르면, y가 증가함에 따라 Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5 (y≤0.75)에서 P-3m1상의 회절 피크 강도는 점차 증가합니다. 의 회절 피크 강도는 점차 증가하는 반면, C2/m 상은 점차 감소합니다.
y=0.75일 때 P-3m1 위상과 C2/m 위상이 여전히 공존하지만 후자의 특성 피크가 매우 약해져 위상 다이어그램에서 2상 영역과 단상 영역 사이의 위상 경계에 매우 가깝게 구성 요소가 있음을 나타냅니다.
예상대로 Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5의 상온 이온 전도도는 y가 증가함에 따라 크게 증가합니다(즉, 구성이 상 다이어그램에서 단상 영역과 2상 영역 사이의 상 경계에 계속 접근합니다).
2상 영역 조성 y=0.75(화학식: Li1.75ZrCl4.75O0.5)의 경우 25°C에서 이온 전도도가 2.42mS cm-1에 달해 고가의 원료를 기반으로 하는 Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4와 같은 고체 전해질을 능가합니다.
Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5의 구조 및 이온 전도도
이온 전도성 외에도 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 변형성 또한 매우 우수합니다. 이 특성은 특정 압력 하에서 재료가 달성할 수 있는 상대 밀도로 평가할 수 있습니다. 변형성이 우수할수록 특정 압력에서 재료가 달성할 수 있는 상대 밀도가 높아집니다.
실험 테스트에 따르면 변형성이 좋은 것으로 알려진 Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 및 Li2ZrCl6와 같은 무기 고체 전해질의 상대 밀도는 300MPa에서 90%보다 낮습니다. 반면, Li1.75ZrCl4.75O0.5는 300MPa에서 상대 밀도가 94.2%로 위에서 언급한 모든 고체 전해질을 능가하는 변형성을 가지고 있습니다.
LZCO의 압축성
이온 전도성이 우수하고 변형성이 좋은 Li1.75ZrCl4.75O0.5 전고체 전해질로 구성된 전고체 배터리는 뛰어난 성능을 발휘합니다.
코팅되지 않은 리튬코발트산화물(LCO)을 양극으로, 리튬인 합금을 음극으로 사용하는 전고체 배터리입니다. 리튬 이온 배터리 음극고체 전해질로 Li1.75ZrCl4.75O0.5를, Li1.75ZrCl4.75O0.5와 음극 사이의 완충층으로 Li6PS5Cl을 사용하여 25°C, 14mA g-1에서 최대 98.28%의 첫 사이클 쿨롱 효율을 기록했습니다. 이는 문헌에 보고된 동일한 유형의 전고체 배터리보다 우수합니다.
또한, 25°C 및 700mA g-1의 높은 전류 밀도에서 150 사이클의 LCO 기반 솔리드 스테이트 배터리는 기본적으로 용량이 감쇠되지 않으며 102mA g-1의 방전 용량을 여전히 달성할 수 있습니다. Li2ZrCl6로 구성된 유사한 배터리는 위 값의 1/10에 불과한 전류 밀도(70mA g-1)에서 100회 사이클 후에도 비슷한 방전 용량(114mAh g-1)을 제공합니다.
Li-In, LPSCH-LZCO, LCO 셀의 전기 화학적 성능
단결정 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(scNMC811)를 사용하는 경우 를 음극 재료전고체 배터리는 여전히 우수한 사이클 성능을 보여줍니다. 25°C, 20mA g-1에서 배터리의 첫 번째 사이클 쿨롱 효율은 87.31%입니다.
1000mA g-1의 높은 전류 밀도에서 2082 사이클을 거친 후에도 방전 용량은 여전히 70.2mAh g-1에 도달할 수 있습니다. 최근 Nature Energy에 보고된 Li2In1/3Sc1/3Cl4 고체 전해질을 사용한 유사한 배터리 성능(540mA g-1, 3000 사이클, 최종 방전 용량 약 70mAh g-1)이 있습니다.
그러나 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 합성에는 염화 희토류 및 황화 리튬과 같은 고가의 화합물을 사용할 필요가 없기 때문에 원료 비용은 $11.60/kg에 불과하여 Li2In1/3Sc1/3Cl4의 원료 비용($4418.10/kg)의 0.3%보다 낮습니다. 또한 위에서 언급한 $50/kg 기준치보다 훨씬 낮습니다. 따라서 Li1.75ZrCl4.75O0.5는 비용과 성능 모두에서 경쟁력이 높습니다.
Li-In, LPSCH-LZCO, scNMCSII 셀의 전기화학적 성능
요약 및 전망
마쳉 교수 연구팀은 새로운 유형의 다결정 산화물 염화물 고체 전해질 Li1.75ZrCl4.75O0.5를 설계하고 합성했습니다. 성능 면에서 이 물질은 Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 및 기타 고성능 고체 전해질보다 이온 전도도가 높고, Li6PS5Cl 및 Li10GeP2S12와 같이 쉽게 변형되는 고체 전해질보다 더 우수합니다.
이 물질로 구성된 전고체 배터리의 방전 용량은 1000mA g-1의 높은 전류 밀도에서 2082 사이클을 거친 후 540mA g-1에서 3000 사이클을 거친 후 Li2In1/3Sc1/3Cl4를 기반으로 하는 유사한 배터리의 방전 용량에 근접합니다.
비용 측면에서도 Li1.75ZrCl4.75O0.5는 LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4와 같은 저렴한 화합물로 합성할 수 있기 때문에 원료 비용이 $11.60/kg에 불과하여 비슷한 특성을 가진 다른 고체 전해질(대부분 약 $200/kg 이상)보다 저렴할 뿐만 아니라, 상용화를 위한 기준치인 $50/kg 보다도 낮습니다. 또한 상용화에 필요한 기준치인 $50/kg보다 낮습니다.
또한, 더 저렴한 ZrOCl2-8H2O, LiCl 및 ZrCl4에서 합성하면 $11.60/kg을 기준으로 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 비용을 더 낮출 수 있습니다. Li1.75ZrCl4.75O0.5의 발견은 고체 전해질이 달성할 수 있는 '비용 성능'의 한계를 돌파한 것입니다. 이 저비용 고성능 전고체 전해질은 전고체 배터리의 상용화에 큰 도움이 될 것입니다.
비용 대비 성능의 한계를 뛰어넘는 새로운 배터리 고체 전해질
현재 고체 전해질의 특성
성능의 관점에서 볼 때 이상적인 조건에서 견고한 리튬 이온 배터리 전해질 는 이온 전도도, 산화 안정성, 환원 안정성 및 수분 안정성에서 동시에 장점을 가져야 합니다. 보고된 무기 고체 전해질은 크게 산화물, 황화물, 할로겐화물의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
산화물은 부서지기 쉬운 물질로서 변형성 요건을 충족할 수 없습니다. 반면 황화물과 할로겐화물은 특정 압력 하에서 변형이 가능하고 높은 이온 전도도를 달성하기도 비교적 쉽습니다. 하지만 황화물을 합성하는 데 사용되는 원료인 Li2S는 $654.18/kg에 달할 정도로 상당히 비쌉니다.
황화물 고체 전해질 원료에서 Li2S의 질량비가 일반적으로 30% 이상임을 고려할 때 원료 비용은 $196.25 / kg 이상입니다. 할로겐화물은 합성을 위해 희토류 또는 인듐 기반 염화물 및 기타 고가의 원료를 사용해야만 높은 이온 전도도(> 1mS cm-1)를 얻을 수 있으므로 원재료 비용도 대부분 $190/kg 이상으로 상당히 높습니다.
따라서 이 세 가지 유형의 재료는 모두 이온 전도도, 변형성 및 비용의 요구 사항을 동시에 충족할 수 없습니다. 유일한 예외는 2021년 중국과학기술대학의 마쳉 교수 연구팀이 보고한 고체 전해질 리튬 염화지르코늄입니다.
희토류 원소나 인듐이 포함되어 있지 않기 때문에 원재료 비용이 $50/kg 미만입니다. 그러나 재료의 이온 전도도가 약 0.5mS cm-1로 낮아 이온 수송 효율 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
일반적으로 현재의 산화물, 황화물 및 할로겐화물 고체 전해질은 이온 전도도, 변형성 및 비용 경쟁력에서 애플리케이션 요구 사항을 동시에 충족하지 못합니다.
그러나 이러한 특성 중 많은 부분은 다른 방법으로 보완할 수 있는데, 예를 들어 고체 전해질의 산화 또는 환원 안정성이 좋지 않더라도 전극 활성 물질이 적절한 코팅 재료 위에 구성되는 한 배터리는 여전히 좋은 성능을 발휘할 수 있습니다.
이러한 특성을 제외하더라도 고체 전해질은 여전히 우수한 이온 전도도(상온에서 1mS cm-1 이상)와 변형성(250-350 MPa에서 90% 상대 밀도 이상)이 모두 필요합니다. 그러나 현재의 고체 전해질은 두 가지 성능 이점을 모두 제공하면서 가격 경쟁력($50/kg 미만)도 충분히 확보할 수 없습니다.
새로운 배터리 고체 전해질
중국과학기술대학의 마쳉 교수 연구팀은 다음과 같은 요구 사항을 충족할 수 있는 새로운 옥시염화물 고체 전해질 Li1.75ZrCl4.75O0.5를 설계했습니다. 솔리드 스테이트 배터리 의 세 가지 측면을 살펴봅니다.
Li1.75ZrCl4.75O0.5의 상온 이온 전도도는 2.42mS cm-1에 달하며, 이는 1mS cm-1 이상의 적용 요건을 충족하고 황화물 및 희토류/인듐 기반 할로겐화물에 비해 열등하지 않습니다.
또한 리튬 지르코늄 옥시 염화물은 변형성이 우수하여 300MPa에서 냉간 압착 후 상대 밀도가 94.2%에 달해, 변형성이 좋은 것으로 알려진 고체 전해질인 Li3InCl6 및 Li10GeP2S12(같은 압력에서 밀도가 90%보다 낮음)보다 높습니다.
위의 특성으로 인해 Li1.75ZrCl4.75O0.5로 구성된 전고체 배터리는 우수한 성능을 보여줍니다. 단결정 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 기반의 전고체 배터리는 1000mA g-1의 높은 전류 밀도에서 2082 사이클 후에도 70.2mAh g-1의 방전 용량에 도달할 수 있습니다. 최근 Nature Energy에 보고된 Li2In1/3Sc1/3Cl4 고체 전해질의 배터리 성능(540mA g-1, 3000 사이클, 최종 방전 용량 약 70mAh g-1)에 근접한 수치입니다.
하지만 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 가격은 Li2In1/3Sc1/3Cl4보다 훨씬 저렴하며($11.60/kg 대 $4418.10/kg, 후자의 0.3% 미만) 위에서 언급한 $50/kg 기준에도 훨씬 못 미칩니다. 원가와 성능에서 강력한 경쟁력을 갖춘 이 고체 전해질 소재는 전고체 배터리 상용화의 길을 열었습니다.
새로운 고체 전해질 연구 과정
연구진은 먼저 고에너지 볼 밀링 방법으로 일련의 Li2+xZrCl6-xOx 고체 전해질을 합성하려고 시도했습니다. 화학식은 (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2)로도 표현할 수 있습니다. X-선 회절은 x≤0.25의 성분이 P-3m1 구조를 나타낸다는 것을 보여줍니다. x가 더 증가하면 C2/m 구조의 상이 물질에 나타나며 P-3m1 상과 공존합니다.
x≥1.0인 경우, 재료는 C2/m 상만을 나타냅니다. 0.25<x<1.0 사이의 2상 공존 영역에서 재료의 결정 구조는 특히 고에너지 볼 밀링 손상에 취약하며 결정성은 20%보다 낮습니다. Zr 기반 염화물 고체 전해질은 일반적으로 효율적인 이온 수송을 위해 비정질 상에 의존하기 때문에 이러한 이중 결정상이 0.25<x<1.0 공존하는 재료는 이온 전도도가 더 높을 수 있습니다.
전기화학 임피던스 분광법(EIS) 테스트는 이중 결정상이 공존하는 성분이 이온 전도도가 더 높다는 것을 보여줍니다. 예상 결과와 일치하여 결정성이 낮은 2상 성분의 실온 이온 전도도는 일반적으로 단상 성분의 이온 전도도보다 높습니다.
성분점 x=0.5(화학식: Li2.5ZrCl5.5O0.5)에서 상온에서의 이온 전도도는 1.17mS cm-1에 달해 희토류나 인듐 기반 할로겐화물 고체 전해질과 비교해도 나쁘지 않은 수준입니다.
위 물질의 이온 전도도는 1mS cm-1을 초과했지만 여전히 더 향상될 수 있습니다. 조성에 따른 이온 전도도의 추세에 따르면 연구진은 위상 다이어그램에서 2상 영역의 조성이 단상 영역과의 위상 경계에 가까워지면 이온 전도도가 향상된다는 것을 발견했습니다.
조성을 정확하게 제어하고 상 경계에 가깝게 만들기 위해 연구진은 이온 전도도가 가장 높은 위의 성분 Li2.5ZrCl5.5O0.5(즉, 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2)를 기반으로 세 번째 성분인 LiZrCl5를 도입했습니다.
그 결과 일련의 구성 요소 (75%-y) Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 또는 Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5가 생성됩니다. X-선 회절 결과에 따르면, y가 증가함에 따라 Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5 (y≤0.75)에서 P-3m1상의 회절 피크 강도는 점차 증가합니다. 의 회절 피크 강도는 점차 증가하는 반면, C2/m 상은 점차 감소합니다.
y=0.75일 때 P-3m1 위상과 C2/m 위상이 여전히 공존하지만 후자의 특성 피크가 매우 약해져 위상 다이어그램에서 2상 영역과 단상 영역 사이의 위상 경계에 매우 가깝게 구성 요소가 있음을 나타냅니다.
예상대로 Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5의 상온 이온 전도도는 y가 증가함에 따라 크게 증가합니다(즉, 구성이 상 다이어그램에서 단상 영역과 2상 영역 사이의 상 경계에 계속 접근합니다).
2상 영역 조성 y=0.75(화학식: Li1.75ZrCl4.75O0.5)의 경우 25°C에서 이온 전도도가 2.42mS cm-1에 달해 고가의 원료를 기반으로 하는 Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4와 같은 고체 전해질을 능가합니다.
이온 전도성 외에도 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 변형성 또한 매우 우수합니다. 이 특성은 특정 압력 하에서 재료가 달성할 수 있는 상대 밀도로 평가할 수 있습니다. 변형성이 우수할수록 특정 압력에서 재료가 달성할 수 있는 상대 밀도가 높아집니다.
실험 테스트에 따르면 변형성이 좋은 것으로 알려진 Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 및 Li2ZrCl6와 같은 무기 고체 전해질의 상대 밀도는 300MPa에서 90%보다 낮습니다. 반면, Li1.75ZrCl4.75O0.5는 300MPa에서 상대 밀도가 94.2%로 위에서 언급한 모든 고체 전해질을 능가하는 변형성을 가지고 있습니다.
이온 전도성이 우수하고 변형성이 좋은 Li1.75ZrCl4.75O0.5 전고체 전해질로 구성된 전고체 배터리는 뛰어난 성능을 발휘합니다.
코팅되지 않은 리튬코발트산화물(LCO)을 양극으로, 리튬인 합금을 음극으로 사용하는 전고체 배터리입니다. 리튬 이온 배터리 음극고체 전해질로 Li1.75ZrCl4.75O0.5를, Li1.75ZrCl4.75O0.5와 음극 사이의 완충층으로 Li6PS5Cl을 사용하여 25°C, 14mA g-1에서 최대 98.28%의 첫 사이클 쿨롱 효율을 기록했습니다. 이는 문헌에 보고된 동일한 유형의 전고체 배터리보다 우수합니다.
또한, 25°C 및 700mA g-1의 높은 전류 밀도에서 150 사이클의 LCO 기반 솔리드 스테이트 배터리는 기본적으로 용량이 감쇠되지 않으며 102mA g-1의 방전 용량을 여전히 달성할 수 있습니다. Li2ZrCl6로 구성된 유사한 배터리는 위 값의 1/10에 불과한 전류 밀도(70mA g-1)에서 100회 사이클 후에도 비슷한 방전 용량(114mAh g-1)을 제공합니다.
단결정 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(scNMC811)를 사용하는 경우 를 음극 재료전고체 배터리는 여전히 우수한 사이클 성능을 보여줍니다. 25°C, 20mA g-1에서 배터리의 첫 번째 사이클 쿨롱 효율은 87.31%입니다.
1000mA g-1의 높은 전류 밀도에서 2082 사이클을 거친 후에도 방전 용량은 여전히 70.2mAh g-1에 도달할 수 있습니다. 최근 Nature Energy에 보고된 Li2In1/3Sc1/3Cl4 고체 전해질을 사용한 유사한 배터리 성능(540mA g-1, 3000 사이클, 최종 방전 용량 약 70mAh g-1)이 있습니다.
그러나 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 합성에는 염화 희토류 및 황화 리튬과 같은 고가의 화합물을 사용할 필요가 없기 때문에 원료 비용은 $11.60/kg에 불과하여 Li2In1/3Sc1/3Cl4의 원료 비용($4418.10/kg)의 0.3%보다 낮습니다. 또한 위에서 언급한 $50/kg 기준치보다 훨씬 낮습니다. 따라서 Li1.75ZrCl4.75O0.5는 비용과 성능 모두에서 경쟁력이 높습니다.
요약 및 전망
마쳉 교수 연구팀은 새로운 유형의 다결정 산화물 염화물 고체 전해질 Li1.75ZrCl4.75O0.5를 설계하고 합성했습니다. 성능 면에서 이 물질은 Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 및 기타 고성능 고체 전해질보다 이온 전도도가 높고, Li6PS5Cl 및 Li10GeP2S12와 같이 쉽게 변형되는 고체 전해질보다 더 우수합니다.
이 물질로 구성된 전고체 배터리의 방전 용량은 1000mA g-1의 높은 전류 밀도에서 2082 사이클을 거친 후 540mA g-1에서 3000 사이클을 거친 후 Li2In1/3Sc1/3Cl4를 기반으로 하는 유사한 배터리의 방전 용량에 근접합니다.
비용 측면에서도 Li1.75ZrCl4.75O0.5는 LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4와 같은 저렴한 화합물로 합성할 수 있기 때문에 원료 비용이 $11.60/kg에 불과하여 비슷한 특성을 가진 다른 고체 전해질(대부분 약 $200/kg 이상)보다 저렴할 뿐만 아니라, 상용화를 위한 기준치인 $50/kg 보다도 낮습니다. 또한 상용화에 필요한 기준치인 $50/kg보다 낮습니다.
또한, 더 저렴한 ZrOCl2-8H2O, LiCl 및 ZrCl4에서 합성하면 $11.60/kg을 기준으로 Li1.75ZrCl4.75O0.5의 비용을 더 낮출 수 있습니다. Li1.75ZrCl4.75O0.5의 발견은 고체 전해질이 달성할 수 있는 '비용 성능'의 한계를 돌파한 것입니다. 이 저비용 고성능 전고체 전해질은 전고체 배터리의 상용화에 큰 도움이 될 것입니다.