프레스 롤링을 통한 PEO 기반 고체 고분자 전해질의 이온 전도도 향상

초록

폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 기반 고체 고분자 전해질(SPE)은 전고체 리튬이온 배터리에서 큰 응용 전망을 가지고 있습니다. 그러나 PEO 기반 SPE의 적용은 상대적으로 낮은 이온 전도도로 인해 제약을 받으며, 이는 결정성과 결정립계 밀도에 크게 의존합니다. 본 연구에서는 PEO 기반 SPE의 결정성을 낮추기 위해 단순하고 효과적인 프레스 롤링 방법을 최초로 적용했습니다. 롤링 처리된 PEO 기반 SPE를 사용한 LiFePO₄/SPE/Li 전고체 리튬이온 배터리는 0.2 C 전류 밀도에서 162.6 mAh g⁻¹의 우수한 재충전 비용량과 60 mV의 방전-충전 전압 간격, 훨씬 낮은 용량 감소율을 보였습니다. 전기화학적 특성 향상은 프레스 롤링 방법이 기존 주조법 대비 전도도를 2배 높이고 활성화 에너지를 감소시킨 데 기인합니다. 본 연구는 SPE를 위한 효과적이고 사용하기 쉬운 결정립 재구성 방법을 제공하며, 향후 응용이 기대됩니다.

서론

높은 에너지 밀도와 우수한 안전 성능으로 인해 전고체 리튬이온 배터리는 차세대 충전식 전기화학 에너지 저장 시스템으로 유망하게 여겨집니다[1,2,3,4]. 고성능 전고체 리튬이온 배터리를 구현하기 위해서는 고체 전해질이 만족스러운 높은 이온 전도도, 우수한 기계적/전기화학적 안정성, 적절한 전극-전해질 계면을 가져야 합니다[2,3,4].

폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 기반 고체 고분자 전해질(SPE)은 우수한 유연성, 리튬 금속과의 좋은 상용성, 쉬운 공정, 저비용 등으로 큰 응용 전망을 가집니다[5]. 전고체 리튬이온 배터리 외에도 PEO 기반 SPE는 마그네슘 이온 배터리, 리튬-황 배터리 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 전망을 가집니다[6,7,8]. 그러나 낮은 전도도가 PEO 기반 SPE의 적용을 크게 방해합니다: PEO 전해질은 실온에서 10⁻⁸~10⁻⁶ S cm⁻¹ 범위의 전도도를 보이며, 낮은 전도도는 배터리 내부 분극을 증가시키고 방전-충전 용량과 에너지 효율을 감소시킵니다[9,10,11,12]. PEO 기반 SPE에서 리튬이온은 PEO의 산소와 배위 결합을 형성하고 산소 원자와의 지속적인 배위와 해리를 통해 이동합니다. 따라서 리튬이온의 이동도는 주로 결정립계와 비정질 상 영역에서의 고분자 사슬 세그먼트 운동에 의존하며, 결정립계와 비정질 영역을 통한 이온 전도도는 결정질 박층을 통한 전도도보다 훨씬 높습니다[10].

PEO의 결정성을 낮추고 SPE의 전도도를 개선하기 위해 충전제 첨가, 그래프팅 등 다양한 접근법이 개발되어 적용되었습니다. 나노 크기 충전제는 PEO 기반 SPE에 널리 사용되어 왔으며, 나노 Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, Li_0.33La_0.557TiO₃, Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂ 등이 포함됩니다[12,13,14,15,16,17]. 이러한 나노 충전제는 PEO 결정을 억제하고 결정립계와 비정질 영역 형성을 촉진합니다. 또한 일부 높은 이온 전도도 충전제는 리튬이온 수송을 위한 추가 경로를 제공하기도 합니다[13,14,15]. 그래프팅도 PEO 기반 SPE의 결정성을 낮춥니다. 예로 PEO를 폴리(하이드록시스티렌) 백본에 그래프팅하거나 폴리스티렌과의 블록 공중합체를 형성하면 거대분자가 PEO 사슬의 복합 결정 형성 경향을 크게 억제하여 SEP의 이온 전도도를 개선합니다[18].

프레스 롤링은 금속 가공의 일반적인 재구성 기술입니다[19,20,21]. 금속 표면에 외부 힘을 가해 결정을 분쇄하고 미세화하며, 결정립계 비율을 높이고 금속의 경도를 증가시킵니다[22, 23]. 공정이 단순하고 저비용, 고효율, 뚜렷한 결정 미세화 효과로 인해 프레스 롤링은 대형 벌크 시트나 플레이트 시료 제조에 널리 사용됩니다. 프레스 롤링이 결정을 깨뜨리고 결정립계와 비정질 상을 증가시킬 수 있으므로, PEO 기반 SPE에 적용하여 전해질의 결정성을 낮추고 전도도를 높일 잠재력이 있습니다. 본 연구에서는 전고체 리튬이온 배터리용 고이온전도도 PEO 기반 고체 전해질을 제조하기 위한 단순하고 용이한 프레스 롤링 경로를 보고합니다. 이 새로운 방법은 다음과 같은 특징이 있습니다: (i) 롤링 처리 후 고분자 전해질의 구상편(spherulite)이 분쇄되고 재구성되어 결정성이 감소하고 전도도가 2배 증가하며 (ii) 낮은 결정성으로 PEO 기반 SPE가 리튬이온 수송 경로를 더 많이 제공하여 리튬 표면의 전류 분포를 균일화하고 덴드라이트 성장을 억제합니다. 또한 본 연구에서 제안한 프레스 롤링을 통한 PEO 기반 SPE 제조법은 매우 직관적입니다.

방법 및 특성 분석

고체 고분자 전해질 제조

분석급 폴리에틸렌 옥사이드(PEO, Mw = 600,000), 나노 크기 산화알루미늄(Al₂O₃, d ≤ 20 nm), 비스(트리플루오로메탄)술포이미드 리튬염(LiTFSI), 아세토니트릴을 Aladdin(중국)에서 구입하여 그대로 사용했습니다.

원래 고체 고분자 전해질은 단순 주조법으로 제조했습니다: PEO, Al₂O₃, LiTFSI를 EO/Li 몰비 16/1, PEO/Al₂O₃ 중량비 90/10으로 아세토니트릴에 혼합하여 24시간 교반한 후, 얻은 백색 현탁액을 폴리테트라플루오로에틸렌 몰드에 주조하고 건조 N₂ 흐름에서 실온으로 24시간 건조했습니다. 결과적인 투명 전해질을 PAL-C라 명명하고 건조기에 보관했습니다. PAL-R 전해질 제조를 위해 제조된 PAL-C 고체 고분자 전해질을 라인 하중 150 N mm⁻¹ 조건에서 롤러 프레스로 냉간 압연했습니다. 전해질 두께가 성능에 미치는 영향을 배제하기 위해 각 전해질의 두께를 ~135 μm로 제어했습니다.

전극 제조

양극은 통상적인 닥터 블레이드 법으로 LiFePO₄(LFP, BTR New Energy Material Ltd., 중국), 아세틸렌 블랙(AB), PEO, LiTFSI를 질량비 7:1:1.4:0.6으로 혼합하여 제조했습니다. PEO와 LiTFSI를 아세토니트릴에 완전히 용해시킨 후 LFP와 AB를 첨가했습니다. 혼합물을 자기교반기로 24시간 교반하여 균일한 슬러리를 얻은 후 통상적인 닥터 블레이드 법으로 알루미늄 호일에 코팅했습니다. 전극을 80°C에서 12시간 건조한 후 직경 12 mm 원형 디스크로 절단했습니다. 제조된 LFP 전극의 활물질 질량 로딩을 ~1.5 mg cm⁻²로 제어했습니다.

전해질 특성 분석

PAL-C와 PAL-R 전해질의 결정립 형태는 주사전자현미경(SEM, JEOL-7500F)으로 관찰했습니다. 결정성은 X선 회절 시스템(XRD, 모델 PW1825)으로 Cu-Kα 소스(40 keV)를 사용해 분석했습니다. 시차주사열량분석(DSC)은 TA Instrument(Q5000IR)로 승온 속도 5°C min⁻¹, -70~10°C 범위, N₂ 분위기에서 수행했습니다. 응력-변형률 곡선으로 응력-변형률 비율을 평가하고, 인장 강도는 인장 시험기(CMT6104, 중국)로 곡선 최대값에서의 응력값으로 측정했습니다.

PEO 기반 고분자 고체 전해질의 전기화학적 성능

합성된 고분자 고체 전해질을 직경 16.5 mm 디스크로 절단하여 전기화학적 성능 시험에 사용했습니다. 고체 고분자 전해질의 이온 전도도는 CR2032 셀에서 두 개의 연마된 스테인리스강(SS) 시트(d = 14.0 mm) 사이에 고체 전해질을 샌드위치 구조로 끼워 측정했습니다. 이온 전도도는 SS/SPE/SS 셀에서 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 CHI660E 전기화학 워크스테이션으로 주파수 범위 1~100 mHz, 온도 25~65°C에서 측정하여 얻었습니다. PEO 기반 SPE의 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과는 Neware 테스트 시스템(Neware, 중국)에서 Li/SPE/Li 대칭 셀을 사용해 방전-충전 전류 밀도 0.1, 0.2, 0.3 mA cm⁻² 조건으로 60°C에서 수행했습니다. 다양한 전해질의 리튬이온 이동도(t_Li+)는 Evans 등[21]의 방법에 따라 교류 임피던스와 직류 분극 측정 결합으로 평가했습니다. 대칭 Li/SPE/Li 셀에서 작은 분극 전위(ΔV) 10 mV 하의 분극 전류(초기 I_o 및 정상 상태 I_s 값)를 기록했습니다. 동시에 직류 분극 전후 임피던스 측정으로 초기 및 정상 상태 Li/전해질 계면 저항(R₀ 및 R_s)을 조사했습니다. t_Li+는 Bruce-Vincent-Evans 식(1)으로 계산했습니다:

$$ {t}_{{\mathrm{Li}}^{+}}=\frac{I_{\mathrm{s}}\left(\Delta \mathrm{V}-{I}_0{R}_0\right)}{I_0\left(\Delta \mathrm{V}-{I}_{\mathrm{s}}{R}_{\mathrm{s}}\right)} $$

고체 고분자 전해질의 배터리 성능은 제조된 LFP 양극, PEO 기반 SPE, 리튬 금속 음극을 사용한 전고체 리튬이온 배터리에서 시험했습니다. 배터리는 아르곤 충전 글러브박스(DELLIX, 중국, 수분 및 산소 ≤ 0.1 ppm)에서 기타 액체 전해질 없이 조립했습니다. 갈바노스태틱 방전-충전 시험은 0.1 C(1 C = 170 mA g⁻¹) 전류 밀도에서 전압 범위 2.0~3.75 V로 배터리 사이클링 시스템에서 수행했습니다. 충전-방전 공정 전 충전 전달 저항을 주파수 범위 100 kHz~0.1 Hz, 교류 전압 진폭 5 mV로 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS) 측정했습니다. 배율 및 사이클 성능은 각각 0.1 C~1 C와 0.5 C에서 얻었습니다. 위 모든 배터리 성능 시험은 60°C에서 Neware 테스트 시스템(Neware, 중국)으로 수행했습니다.

결과 및 고찰

제조된 전해질의 SEM 이미지는 제조된 전해질(PAL-C)과 롤링된 전해질(PAL-R)의 결정립 크기와 결정립계 분포를 직접 보여줍니다. PAL-C 전해질은 구상편 직경 50 μm의 치밀한 구상편 다결정 구조를 보입니다(Fig. 1a 및 S1a). PEO 기반 SPE에서 리튬이온은 주로 결정립계와 비정질 상을 통해 수송되는 것으로 여겨집니다. 따라서 주조법으로 얻은 대결정립 PAL-C SPE는 리튬이온 수송에 불리하며 전해질 전도도를 제한합니다. 롤링 처리는 전해질 결정을 분쇄하여 결정성을 현저히 낮추고 리튬이온 수송 경로를 증가시킬 수 있습니다. 프레스 롤링 후 대형 구상편이 사라지고 전해질은 PAL-R에 대해 상대적으로 균질한 구조를 보입니다(Fig. 1b 및 S1b). 이 균일한 균질 구조는 SPE 전도도 향상에 분명한 이점이 있는 것으로 여겨집니다.

롤링 전후 결정성 변화를 추가 분석하기 위해 XRD 시험을 수행했으며 결과는 Fig. 1c에 나타냈습니다. PAL-C 전해질의 19.0°와 23.2° 회절 피크가 날카롭고 강하여 높은 결정성을 나타냅니다[22, 23]. 비교적으로 PAL-R의 회절 패턴은 여러 개의 넓고 약한 피크를 보여주어 프레스 롤링 후 PAL-R의 결정성이 크게 감소했음을 시사합니다. 또한 PEO의 주 XRD 피크(19.0°)도 반치전폭(FWHM)에서 유의미한 변화를 보입니다(PAL-C 0.216, PAL-R 0.323), 이는 전해질 내 비정질 상이 증가했음을 의미합니다. 결정성 감소는 전도도 향상에 유의미한 영향을 미치는 것으로 여겨집니다.

PAL-C와 PAL-R 전해질의 DSC 프로파일을 시험하여 Fig. 1d에 나타냈으며, 두 전해질 간 유리 전이 온도(T_g) 차이를 보여줍니다. 결과에 따르면 PAL-R의 T_g는 -49.17°C로 PAL-C(-46.78°C)보다 낮습니다. 이는 PAL-R 전해질에서 고분자 세그먼트 운동이 더 낮은 온도에서 발생할 수 있어 PAL-C 전해질보다 높은 이온 전도도를 나타냄을 의미합니다.

PAL-C와 PAL-R SPE의 이온 전도도 σ는 다음 식(2)로 계산했습니다:

$$ \sigma =L/ RS $$

여기서 S, L, R은 각각 스테인리스강 차단 전극의 기하학적 면적, 전해질 두께, 임피던스 플롯에서 얻은 시료의 벌크 저항을 나타냅니다. PAL-C와 PAL-R 고체 고분자 전해질의 다양한 온도에서의 임피던스 스펙트럼을 측정하여 Fig. S2에 나타냈습니다. Fig. 1c는 PAL-C와 PAL-R 전해질의 계산된 이온 전도도 온도 의존성을 보여줍니다. 제조된 PAL-R 전해질은 25°C에서 7.58 × 10⁻⁵ S cm⁻¹, 60°C에서 1.03 × 10⁻³ S cm⁻¹의 이온 전도도에 도달하며, 이는 PAL-C 전해질(25°C에서 3.58 × 10⁻⁵ S cm⁻¹, 60°C에서 7.43 × 10⁻⁴ S cm⁻¹)의 2배 높고 다른 방법으로 제조된 PEO 기반 SPE보다 우수합니다[14, 24, 25]. 리튬이온 전도도 향상은 프레스 롤링 공정 후 PEO 기반 SPE의 결정성 감소에 기인하며, 이는 우수한 배터리 성능으로 이어질 것으로 기대됩니다. log σ와 1000/T의 관계는 PAL-C와 PAL-R SPE의 전도도 온도 의존성이 Vogel-Tammann-Fulcher(VTF) 경험식[10, 16, 26, 27]을 따름을 보여줍니다:

$$ \sigma ={\sigma}_0{T}^{-1/2}\exp \left(-{E}_a/ RT\right) $$

여기서 σ, E_a, σ₀, T, R은 각각 이온 전도도, 활성화 에너지, 지수 앞 인자, 온도 인자, 이상 기체 상수를 나타냅니다. PAL-C와 PAL-R의 E_a를 VTF 식(Fig. 1e)으로 계산한 결과, PAL-R의 피팅값은 5.0 × 10⁻² eV로 PAL-C(5.8 × 10⁻² eV)보다 훨씬 작습니다. 낮은 E_a는 PAL-R 전해질에서 리튬이온 이동에 더 적은 에너지가 필요함을 보여주며, 이는 더 높은 전도도를 나타냅니다.

SPE의 기계적 특성은 리튬 덴드라이트에 대한 차단 효과와 직접 관련됩니다. Fig. 1f는 PAL-C와 PAL-R SPE의 응력-변형률 시험 결과를 보여줍니다. PAL-R SPE의 연신율은 1990%로 PAL-C SPE(1470%)보다 훨씬 높습니다. PAL-R SPE의 강화된 연성은 덴드라이트 관통에 대한 내성을 크게 개선하고 배터리 내 단락을 억제할 것입니다. 두 가지 다른 고체 고분자 전해질의 전기화학적 창은 선형 쓸기 전압법으로 시험했으며 결과는 Fig. S2에 나타냈습니다. 두 전해질의 분해 전압 모두 5.8 V로 높아 프레스 롤링 후에도 고체 고분자 전해질의 안정성에 변화가 없음을 시사합니다. 두 전해질의 실제 밀도는 케로신을 매질로 한 아르키메데스 배수법으로 얻었으며, PAL-C와 PAL-R의 밀도는 모두 1.38 ± 0.02 g cm⁻³로 계산되었습니다. 이 결과는 두 전해질의 전도도 차이가 밀도 변화가 아닌 결정립계 차이에서 기인함을 보여줍니다.

두 SPE의 리튬 덴드라이트 성장 억제 효과는 Li/SPE/Li 대칭 셀로 시험했습니다. 시험 전 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)으로 다른 셀의 Li-SPE 계면 특성을 분석했으며 결과는 Fig. 2a에 나타냈습니다. EIS 플롯은 옴 저항(R_Ω), 계면 저항(R_f), 전하 전달 저항(R_ct), 상수 위상 요소(CPE1, 2), 바르부르크 확산 저항(Wo)으로 구성된 단순 모델로 피팅했습니다[28, 29]. PAL-R 전해질 사용 배터리의 시뮬레이션된 R_Ω, R_f, R_ct는 각각 19.12, 5.72, 17.65 Ω로 PLA-C 전해질 사용 시(21.83, 5.99, 21.77 Ω)보다 작습니다. 감소된 용액 저항(R_Ω)과 계면 저항(R_f)은 두 가지 이유로 기인합니다: (i) 롤링 프레스 후 PAL-R 전해질에 더 많은 결정립계가 생성되어 전도도가 높아지고 용액 저항이 낮아집니다. (ii) 상대적으로 매끄러운 전해질 표면과 증가된 결정립계는 전해질과 리튬 금속 간 표면 접촉을 개선하여 용액 저항과 계면 저항을 낮춥니다. 감소된 용액 저항과 개선된 계면 연결은 전기화학 반응을 위한 더 많은 리튬이온 수송 경로와 반응 계면을 제공하여 결국 전하 전달 저항(R_ct) 감소로 이어집니다. 초기 EIS 시험 후 Li/SPE/Li 대칭 셀에 10 mV 직류 전압을 가해 다른 SPE의 리튬이온 이동도를 조사했습니다[30, 31]. 전류-시간 곡선(Fig. 2b), 분극 전후 임피던스(Fig. 2a 및 S3)를 기반으로 PAL-R SPE의 리튬이온 이동도는 0.24로 계산되어 PAL-C SPE(0.16)보다 높습니다. 이 개선은 결정질 상 감소로 더 많은 리튬이온이 이온 수송을 위해 방출되기 때문으로 여겨집니다. EIS 시험 후 Li/PAL-C/Li와 Li/PAL-R/Li 대칭 셀을 60°C에서 전류 밀도 0.1, 0.2, 0.3 mA cm⁻²로 각각 30분 충방전했습니다(Fig. 2c). 이 결과에서 Li/PAL-R/Li 셀 전압은 0.1 및 0.2 mA cm⁻²에서 각각 33 mV와 67 mV로 안정화되며, 이는 Li/PAL-C/Li(56 및 126 mV)보다 훨씬 작습니다. 더 높은 전류 밀도(0.3 mA cm⁻²)에서 PAL-R SEP는 200 사이클 동안 안정적으로 순환하지만, PAL-C SPE는 동일한 전류 밀도에서 몇 사이클만 지나 덴드라이트 관통이 발생합니다. 0.2 mA cm⁻²에서 200 사이클 후 다른 SPE를 사용한 리튬 전극 표면 형태를 시험하여 Fig. 2c, d에 나타냈습니다. PAL-C SPE에서는 대량의 불규칙한 리튬 덴드라이트가 발견되는 반면, PAL-R SPE에서는 상대적으로 매끄러운 리튬 표면이 관찰됩니다. 이 결과는 PAL-R SPE의 높은 이온 전도도와 균일한 이온 수송 경로가 균일한 리튬 증착을 유도하여 리튬 덴드라이트 성장으로 인한 내부 단락을 방지하기 때문으로 여겨집니다.

다른 SPE를 포함하는 LiFePO₄(LFP) 양극, 리튬 음극의 전고체 리튬이온 배터리 갈바노스태틱 충방전 성능을 시험했으며 결과는 Fig. 3에 나타냈습니다. 갈바노스태틱 충방전 시험 전 각 배터리의 임피던스를 시험하고 등가 회로 모델로 피팅했습니다(Fig. 3a 인셋). 이 모델에서 R_Ω은 옴 저항에 대응하고, R_ct는 전기화학 반응의 전하 전달 저항을 나타내며, CPE는 다공성 양극의 이중층 용량과 관련된 상수 위상각 요소이고, Z_w는 유한 길이 바르부르크 기여입니다. PAL-C와 PAL-R SPE 배터리에서 R_Ω은 17.1에서 14.4 Ω로, R_ct는 47.5에서 33.1 Ω로 감소했습니다(Fig. 3a). 감소된 R_Ω과 R_ct는 PAL-R SPE의 낮은 결정성이 더 많은 리튬이온 수송 경로를 제공하여 전해질 전도도를 높이고 LFP 전극의 산화환원 반응을 동시에 촉진하기 때문으로 여겨집니다. Fig. 3b는 60°C, 0.2 C 전류 밀도에서 다른 SPE를 사용한 전고체 리튬이온 배터리의 충방전 용량을 보여줍니다. PAL-R 전해질 배터리는 방전 용량 162.6 mAh g⁻¹, 방전-충전 전압 간격 60 mV를 보인 반면, PAL-C 전해질 배터리는 방전 용량 156.7 mAh g⁻¹, 전압 간격 82 mV를 보였습니다. 방전 용량 증가와 전압 간격 감소는 PAL-R 전해질의 높은 전도도와 낮은 저항에 기인합니다. 다른 SPE를 사용한 전고체 리튬이온 배터리의 배율 성능은 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 0.2 C 전류 밀도에서 수행했습니다(Fig. 3c, d 및 S4). 결과에 따르면 PAL-R 배터리는 각각 164.3, 162.6, 161.8, 157.8, 161.2 mAh g⁻¹ 용량을 보인 반면, PAL-C 전해질 배터리는 각각 161.5, 156.7, 148.7, 142.1, 151.8 mAh g⁻¹만 보였습니다. 이 결과는 PAL-R 전해질이 높은 전도도 덕분에 고배율 동작을 감당할 수 있음을 보여줍니다.

다른 SPE 배터리의 사이클 성능은 0.5 C 전류 밀도에서 시험했습니다(Fig. 3e). LFP/PAL-C/Li 셀은 300 사이클 후 방전 용량 117.1 mAh g⁻¹을 유지하며 사이클당 용량 감소율 0.071%를 보였습니다. 비교적으로 LFP/PAL-R/Li 셀은 동일한 조건에서 방전 용량 136.8 mAh g⁻¹을 유지하며 사이클당 용량 감소율 0.048%를 보였습니다. 기존 전고체 LFP/PEO-SPE/Li 리튬이온 배터리에서 용량 감소는 주로 두 가지 측면에서 기인합니다: (i) 음극에서 리튬 덴드라이트의 지속적인 생성과 성장이 Li 전극과 전해질 간 접촉을 희석시켜 음극 저항을 증가시킵니다. (ii) PEO가 우수한 안정성을 가지지만 충방전 전압 범위에서 여전히 분해됩니다[14, 29]. 축적된 분해 생성물은 점차 양극 반응 저항을 증가시킵니다. PAL-R 전해질 전고체 배터리에서는 우수한 덴드라이트 억제 성능으로 음극 저항 증가가 억제됩니다. 그러나 양극에서의 지속적인 분해 반응이 배터리 저항을 증가시켜 100 사이클 후 배터리 용량 감소의 주원인이 됩니다. 대조적으로 PAL-C 전해질 전고체 배터리는 음극 저항과 양극 저항 증가 모두를 겪으며 300 사이클 동안 지속적인 용량 감소를 보입니다. 결과는 롤링 처리가 전해질 전기화학적 성능을 개선할 수 있음을 보여주며, 향후 응용을 위해 더 안정적인 고체 전해질 개발이 필요함을 시사합니다.

결론

본 연구에서는 PEO 기반 SPE의 전고체 리튬이온 배터리 성능 향상을 위해 단순 프레스 롤링 기술을 적용했습니다. 롤링된 PEO 기반 SPE는 결정성 감소와 비정질 상 증가를 보이며, 이는 리튬이온 수송에 유리할 것으로 기대됩니다. 처리 후 PEO 기반 SPE는 실온 전도도 2배 증가와 활성화 에너지 감소를 보입니다. 실험적으로 롤링된 PEO 기반 SPE를 사용한 LiFePO₄/SPE/Li 전고체 리튬이온 배터리는 0.2 C 전류 밀도에서 162.6 mAh g⁻¹ 재충전 비용량과 60 mV 방전-충전 전압 간격을 보이며, 이는 주조 PEO 기반 SPE(156.7 mAh g⁻¹, 82 mV)보다 훨씬 우수합니다. 또한 0.5 C에서 300 사이클 후 용량 감소율이 0.0048%로 감소했습니다. 모든 결과는 결정립 재구성 기술이 PEO 기반 SPE 성능 향상을 위한 유망한 기술임을 보여줍니다.