Solid electrolytes, although generally exhibit lower ionic conductivity compared to liquid counterparts, have garnered attention in devices where safety is paramount, such as in electric vehicles and Energy Storage Systems (ESS), given the significantly enhanced safety compared to the explosive risk associated with liquid electrolytes. Among solid electrolytes, oxide-based materials offer high oxidative and electrochemical stability. Particularly, layered oxide-based solid electrolytes require lower synthesis sintering temperatures than other oxide-based solid electrolytes and demonstrate decent ionic conductivity along with a straightforward Na-ion path. This work aimed to replace $Zn^2+$ in $Na_2Zn_2TeO_6$(NZTO), which is recognized as having the highest ionic conductivity among layered oxide solid electrolytes, with Fe. By substituting $Fe^3+$ for $Zn^2+$, this substitution attempted to increase ionic carriers, create vacancies at Na sites, and improve ionic conductivity. The effect of the $Fe^3+$ substitution was investigated at various compositions (0.05, 0.1, and 0.15). X-ray diffraction and inductively coupled plasma-mass spectrometry analysis were used to confirm the substitution into NZTO. Ionic conductivity changes were investigated via electrochemical impedance spectroscopy (EIS), which confirmed that ionic conductivity increased when $Fe^3+$ replaced $Zn^2+$ in NZTO. Ionic conductivity has been observed to significantly increase from $0.3961 mS/cm$ in pristine NZTO to $0.6914 mS/cm$ at $20^\circ C$, especially at a 0.1 substitution of Fe. This showed the highest increase in ion conductivity compared to previous studies aiming to enhance ion conductivity in $Na_2Zn_2TeO_6$(NZTO) through the substitution of $Ca^2+$ ions or $Ga^3+$ ions. Above a composition of 0.15 substitution of $Fe^3+$, an alternative crystal structure, $Na_2.9Zn_2.9Fe_1.1Te_2O_12$, was synthesized. This resulted decrease in ionic conductivity. Thus, the highest ionic conductivity can only be obtained by modifying the $Fe^3+$ substitution ratio while taking trade-offs into account. Furthermore, it is crucial to create real cells to determine variations in $Fe^3+$ substitution performance in real cell conditions.
고체전해질은 액체 전해질에 비해 일반적으로 낮은 이온전도도를 가지고 있으나, 액체전해질이 폭발과 같은 위험성을 가지는 것에 비해 훨씬 안전하기 때문에 전기자동차나 에너지 저장 시스템과 같은 안전성이 매우 중요한 장비에서 주목받고 있는 소재이다. 이와 같은 고체전해질 중에서 산화물계의 경우 높은 산화 및 전기화학적 안정성을 가지며, 특히 층상 구조 산화물계 고체전해질의 경우 합성에 필요한 온도가 다른 산화물계 고체전해질에 비해 낮으며, 나쁘지 않은 이온전도도와 간단한 나트륨 이온 경로를 가지는 물질이다. 이에 따라 층상구조형 산화물계 고체전해질 중 이온전도도가 가장 높은 Na2Zn2TeO6(NZTO)에 대해서, 다른 치환원소에 비해 가격이 매우 저렴하고, 층상구조 산화물들에 대한 다양한 연구가 이미 존재하는 철 이온으로 치환해 보는 것을 목표로 하였다. 이에 따라 $Na_2Zn_2TeO_6$(NZTO) 내부의 아연 2가 양이온의 부분을 더 높은 가수를 가지는 철 3가 양이온으로 치환함으로써, 나트륨 위치에 공극을 유도하여 이온 운반체를 증가시키는 방식으로 이온전도도를 향상시키고자 연구를 진행하였다. 이처럼 철 3가 양이온으로 치환함에 따라 영향을 확인하고자 다양한 조성으로(0.05, 0.1, 0.15) 치환을 진행하였고, 엑스선 회절 분석법과 유도 결합 플라즈마 질량분석법을 통해 NZTO에 치환되어 합성됨을 확인할 수 있었다. 또한 전기화학 임피던스 분광법을 통해 전기화학적으로 분석을 진행하여 연구 목표와 같이 철 3가 양이온이 NZTO에 치환됨에 따라 이의 이온전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 철 3가 양이온을 0.1의 조성으로 치환한 경우 섭씨 20도에서 $0.3961 mS/cm$의 치환하지 않은 NZTO에 비해 $0.6914 mS/cm$의 증가된 이온전도도를 가짐을 확인할 수 있었다. 이는 $Na_2Zn_2TeO_6$(NZTO)에 칼슘 2가 양이온이나 갈륨 3가 양이온을 통해 이온전도도를 향상시키고자 한 기존의 연구들과 비교하여 가장 높은 이온전도도 상승을 보였다. 또한, 철 3가 양이온이 0.15의 특정 조성 이상 치환될 경우, $Na_2.9Zn_2.9Fe_1.1Te_2O_12$이라는 다른 결정구조의 물질이 합성된다는 것을 확인하였고, 이의 양이 늘어남에 따라 이온전도도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 가장 높은 이온전도도를 가지게 하기 위해서는 철 3가 양이온의 치환 비율을 상충관계를 고려하여 조정하는 과정이 필요하고, 이를 통해 실제 셀을 제작하여, 철 3가 양이온 치환에 따른 실제 셀에서의 성능변화 차이가 있는지 확인해보는 과정이 필요하다.
