Global economic development and industrial growth are accompanied by the use of fossil fuels as energy sources such as coal and oil. The increase in carbon dioxide emitted due to indiscriminate consumption of energy sources for development adversely affects the environment. This soon caused climate change, and became a climate crisis, threatening mankind. In order to solve this climate crisis, research on zero-carbon systems has been ongoing for the past 25 years, and one of the key technologies is lithium-ion batteries. Lithium ion batteries are rechargeable, have no greenhouse gas emissions, and their application fields are gradually increasing in size. As the range of utilization expands and the energy used increases, the demand for safety along with high energy density is increasing. Lithium-ion batteries have limited energy density. In addition, since a flammable liquid electrolyte is used, the risk of leakage and ignition is high. In order to overcome these limitations, next-generation batteries are being researched, and all-solid-state batteries with increased energy density and safety are in the spotlight. However, all-solid-state batteries have difficulties in implementing actual performance due to high interfacial resistance. Hybrid solid electrolytes (HSEs) based on oxide-based inorganic electrolytes in combination with polymer electrolytes or gel electrolytes are promising options for lithium batteries. Utilizing the synergistic combination of the two materials, HSEs offer great potential to achieve high ionic conductivity, reduced interfacial resistance, mechanical integrity and high processability. Despite the enhanced performances by the hybrid designs, the reason for the enhancement has not been fully understood. Herein, we report that a HSE consisting of a three-dimensional (3D) network of Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP) nanofibers and a UV-cured gel electrolyte in comparison with a LATP powder-dispersed and a LATP-free UV-curved gel electrolyte to elucidate the role of the 3D LATP network in enhancing the performance of lithium metal batteries. The LATP fiber was prepared by electrospinning of LATP powder and polyacrylonitrile without calcination. The incorporation of the LATP fiber network to the gel electrolyte increases the ionic conductivity and Li+ transference number due to the interfacial Li+ conduction between the fibers and the gel-electrolyte. The LATP fiber and powder-dispersed gel electrolytes show a change in SEI structure, however, the former exhibits more uniform Li deposition morphology, longer cycling stability and higher rate capability, demonstrating the critical role of the interfacial conduction.
전세계적인 경제 발전과 산업 성장에는 석탄, 석유와 같은 화석연료의 에너지원 사용이 뒤따른다. 개발을 위한 무분별한 에너지원 소비로 인해 배출된 이산화탄소의 증가는 환경에 악영향을 미친다. 이는 곧 기후 변화를 야기하였고, 기후 위기가 되어 인류를 위협하고 있다. 이러한 기후 위기를 해결하고자 지난 25년 동안 탄소 제로 시스템에 대한 연구가 지속되고 있으며, 그 중 핵심 기술 중 하나가 바로 리튬이온전지이다. 리튬이온전지는 재충전이 가능하고, 온실가스 배출이 없으며, 그 활용 분야가 점차 대형화되고 있다. 활용 범위가 확대되고, 사용 에너지가 커지는 만큼, 높은 에너지밀도와 함께 안전성에 대한 요구가 커지고 있다. 리튬이온전지는 에너지밀도가 제한적이고, 가연성의 액체전해질을 사용하기 때문에 누액 및 발화에 대한 위험이 높다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 차세대 전지가 연구되고 있으며, 에너지밀도와 안전성을 높인 전고체전지에 대한 관심이 뜨겁다. 그러나 전고체전지는 높은 계면 저항으로 인해 실제 성능 구현에 어려움을 겪고 있다. 이를 보완하기 위한 폴리머 전해질 또는 겔 전해질과 결합된 산화물 기반 무기 전해질을 기반으로 하는 복합 고체 전해질은 리튬 배터리에 대한 유망한 옵션이다. 유-무기 두 재료의 시너지 조합을 활용하는 복합전해질은 높은 이온 전도성, 감소된 계면 저항, 기계적 무결성 및 높은 가공성을 달성할 수 있는 장점이 있다. 그러나 두 재료의 복합화 디자인에 의한 향상된 성능에도 불구하고 향상된 이유는 완전히 이해되지 못하고 있다. 따라서 본 학위 논문에서는 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP) 나노 섬유의 3차원 네트워크와 가교 결합된 겔 전해질로 구성된 복합전해질의 특성에 대한 이온 전달 및 전기화학 특성에 관한 연구를 다루었다. 특히, 리튬 금속 배터리의 성능을 향상시키는 데 있어 LATP 네트워크의 역할을 설명하기 위해 LATP 섬유는 하소 없이 polyacrylonitrile(PAN) 고분자와 함께 전기방사하여 제조하였다. 겔 전해질에 LATP 섬유 네트워크를 통합하면 섬유와 겔 전해질 사이의 높은 계면 리튬 이온 전도로 인해 이온전도도와 리튬이온 수송수가 증가한다. 또한 균일한 리튬 증착 형태 및 안정적인 전기화학 특성을 보인다. 이 연구에서의 결과들은 이차 전지 시스템에서 향상된 성능을 보여주었다.
