KR101687808B1 - A Lithium Ion Conductive Materials - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 리튬 이온 전도체에 관한 것이다.
[화학식 1]
LixBaZr1 - xMxO3
(상기 식에서, x= 0.1 내지 0.5이고, M은 Ga, Al 또는 In이다.)
The present invention relates to a lithium ion conductor having a structure represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Li x BaZr 1 - x M x O 3
(Wherein x = 0.1 to 0.5 and M is Ga, Al or In).

Description

리튬 이온 전도체{A Lithium Ion Conductive Materials}[0002] Lithium Ion Conductive Materials [0003]

본 발명은 리튬 이온 전도체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄, 갈륨 또는 인듐으로 도핑된 리튬 이온 전도체에 관한 것이다.
The present invention relates to a lithium ion conductor, and more particularly to a lithium ion conductor doped with aluminum, gallium or indium.

고체 전해질 리튬 이온 전지(Solid state electrolyte Li-ion battery)는 현재 활발한 연구가 진행 중인 차세대 이차 전지이다. 이는 도 1 (a)와 같이 EC, DMC, EMC 등의 용매로 구성 된 종래의 액체전해질을, 도 1 (b)와 같이 Li 이온의 확산계수가 높은 고체 재료로 대체하여 만든 리튬 이차전지이기 때문에 분리막이 필요 없고 전극, 전해질이 모두 고체 물질이기 때문에 안정성이 높다. Solid-state electrolyte Li-ion battery is a next-generation secondary battery under active research. This is a lithium secondary battery made by replacing a conventional liquid electrolyte composed of a solvent such as EC, DMC, EMC or the like with a solid material having a high diffusion coefficient of Li ion as shown in Fig. 1 (a) No separation membrane is required, and the electrode and the electrolyte are all solid materials, so the stability is high.

이러한 고체 전해질 리튬 이온 전지는 순수 양이온에 의한 이온전도도인 Li transference number 가 1.0 정도로 높기 때문에 종래에 사용하던 액체 전해질(0.3 ~0.5)에 대비하여 다소 낮은 Li 이온의 전도도를 가지더라도 유사한 성능 혹은 더 우수한 성능을 보일 수 있다는 장점이 있다.This solid electrolyte lithium ion battery has a Li transference number of about 1.0, which is the ion conductivity due to pure cations. Therefore, even if the conductivity of the Li ion is lower than that of the conventional liquid electrolyte (0.3-0.5) It has the advantage of showing performance.

이러한 고체 전해질로 사용 가능한 후보 재료로, 먼저 LLTO(Li3xLa(2/3)-x(1/3)-2xTiO3)가 있는데, 결정질 재료 중 Li 이온 전도도가 가장 우수하지만, Li-metal과 반응성이 있어 Li-metal 전극을 사용하지 못하고, 밀도가 커 부피가 커지면 무게가 무거워지는 단점이 있다. 다음으로 thio-LISICON(Li10GeP2S12)가 있는데, 상온에서 Li 이온 전도도가 우수하나, 합성이 힘들고 수분에 매우 취약하여 수분과 반응시 유독가스 방출하는 단점이 있다. 또, 수화물계 (LiBH4 등)가 있는데, 합성이 용이하고 밴드 갭이 커 고전압에도 사용가능하며 밀도가 낮아 가벼우나, 환원성이 강하여 산화물계 전극 사용에 제약이 있으며, 비교적 낮은 온도에서 상변화가 일어나 구조적인 안정성이 낮다는 단점이 있다.LLTO (Li 3 x La (2/3) -x? (1/3) -2x TiO 3 ) is the candidate material that can be used as such a solid electrolyte. Li- It has a disadvantage in that it can not use Li-metal electrode due to its reactivity with metal, and the weight becomes heavy when the density becomes large. Next, there is thio-LISICON (Li 10 GeP 2 S 12 ), which is excellent in Li ion conductivity at room temperature, but it has a disadvantage that it is difficult to synthesize and is very vulnerable to moisture, and releases poisonous gas upon reacting with moisture. In addition, there is a hydrate system (LiBH 4, etc.), which is easy to synthesize, has a large bandgap, can be used at high voltage, has a low density and is light and has a strong reducing property, There is a disadvantage that the structural stability is low.

따라서, 상기와 같은 문제점을 갖지 않으면서도, 절연체이면서 Li 이온의 확산 속도가 빠르고, 상온 보다 높은 온도에서 작동 가능한 고체 전해질 리튬 이온 전지에 대한 개발의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.
Accordingly, there is a need to develop a solid electrolyte lithium ion battery that is an insulator, has a fast diffusion rate of Li ions, and can operate at a temperature higher than room temperature, without the above problems.

일본 공개특허 2006-286599 AJapanese Patent Application Laid-Open No. 2006-286599 A

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, In order to solve the above problems of the prior art,

본 발명은 절연체이면서 Li 이온의 확산 속도가 빠르고, 상온 보다 높은 온도에서 작동 가능한 리튬 이온 전지용 고체 전해질로 사용 가능한 리튬 이온 전도체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
An object of the present invention is to provide a lithium ion conductor which can be used as a solid electrolyte for a lithium ion battery which is an insulator and has a high diffusion rate of Li ions and can operate at a temperature higher than room temperature.

상기의 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above object,

본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 리튬 이온 전도체를 제공한다.The present invention provides a lithium ion conductor having a structure represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixBaZr1 - xMxO3 Li x BaZr 1 - x M x O 3

(상기 식에서, x= 0.1 내지 0.5이고, M은 Ga, Al 또는 In이다.)
(Wherein x = 0.1 to 0.5 and M is Ga, Al or In).

또한, 본 발명은 상기 리튬 이온 전도체를 포함하는 리튬 이차전지용 고체 전해질을 제공한다.
The present invention also provides a solid electrolyte for a lithium secondary battery comprising the lithium ion conductor.

또한, 본 발명은 상기 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the solid electrolyte.

본 발명의 리튬 이온 전도체는 절연체이면서 Li 이온의 확산 속도가 빠르고, 녹는점이 매우 높고 내화학성 및 내부식성이 강하하여 상온보다 높은 온도에서 작동 가능할 뿐만 아니라, 열적 안정성이 우수하여 1300℃ 이하에서 상변화가 일어나지 않고 열팽창계수가 매우 작다는 장점이 있다.The lithium ion conductor of the present invention is not only an insulator but also has a high diffusion rate of Li ions, a very high melting point, a low chemical resistance and corrosion resistance so that it can operate at a temperature higher than room temperature and has excellent thermal stability. And the coefficient of thermal expansion is very small.

또한, 본 발명의 리튬 이온 전도체는 밴드갭이 비교적 넓은 절연체이기 때문에 고전압하에서 동작할 때 전극과 계면 반응이나 분해가 없으며, 단결정으로 만들 경우 가시광선 투과도가 우수하여 투명한 전해질 구현도 가능하다는 장점이 있다.In addition, since the lithium ion conductor of the present invention has an insulator having a relatively wide band gap, there is no interfacial reaction or decomposition with electrodes when operated under a high voltage, and when the electrode is made of a single crystal, its visible light transmittance is excellent and a transparent electrolyte can be realized .

또한, 본 발명의 리튬 이온 전도체는 황화물에 비해 공기중의 수분에 안정하여 일반적인 드라이룸 환경에서 작업이 가능하다는 장점이 있다.In addition, the lithium ion conductor of the present invention has an advantage that it is stable to moisture in the air as compared with a sulfide, and can be operated in a general drainer environment.

따라서, 본 발명의 리튬 이온 전도체는 상기와 같은 장점으로 인하여 리튬 이온 전지용 고체 전해질로 사용 가능하다.
Therefore, the lithium ion conductor of the present invention can be used as a solid electrolyte for a lithium ion battery due to the above advantages.

도 1은 액체 전해질을 이용한 리튬 이차전지와 고체 전해질을 이용한 리튬 이차 전지를 나타낸 그림이다.
도 2는 양성자(Proton)가 이 Ba-O 사이의 인터스티셜(interstitial) 자리로 이동한 경우의 활성 에너지(activation energy)를 나타낸 그래프이다.
도 3은 perovskite 구조의 BaZrO3 중의 격자 구조를 이용하여, 3가 양이온과 Li-인터스티셜의 쇼트키결함(Schottky defect)을 나타낸 모식도이다.
도 4는 실시예 및 비교예의 리튬 이온 전도체 따른 격자 내의 Ba-O의 거리를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 및 비교예의 리튬 이온 전도체의 Li+ 이온이 인접한 격자의 인터스티셜 자리로 이동할 때 필요한 활성화 에너지의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 리튬 이온 전도체를 GGA exchange-correlation 함수를 사용하여 측정한 밴드 갭을 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing a lithium secondary battery using a lithium secondary battery and a solid electrolyte using a liquid electrolyte.
FIG. 2 is a graph showing the activation energy when a proton is moved to an interstitial site between Ba and O. FIG.
3 is a schematic diagram showing Schottky defects of trivalent cations and Li-interstitials using the lattice structure in BaZrO 3 of the perovskite structure.
4 is a graph showing distances of Ba-O in a lattice according to lithium ion conductors of Examples and Comparative Examples.
5 is a graph showing the magnitudes of activation energies required when Li + ions of the lithium ion conductors of Examples and Comparative Examples migrate to the interstitial sites of adjacent lattices.
FIG. 6 is a graph showing band gaps of lithium ion conductors of Examples and Comparative Examples measured using a GGA exchange-correlation function. FIG.

이하 본 발명의 리튬 이온 전도체에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the lithium ion conductor of the present invention will be described in detail.

본 발명의 리튬 이온 전도체는, 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.The lithium ion conductor of the present invention is characterized by having a structure represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

LixBaZr1 - xMxO3 Li x BaZr 1 - x M x O 3

(상기 식에서, x= 0.1 내지 0.5이고, M은 Ga, Al 또는 In이다.)
(Wherein x = 0.1 to 0.5 and M is Ga, Al or In).

상기 화학식 1의 구조를 갖는 리튬 이온 전도체는 페로브스카이트 (Perovskite) 구조를 갖는 BaZrO3를 모체로 하여, Zr 중 일부를 M으로 치환함과 동시에 Li 이온을 인터스티셜(interstitial) 자리에 삽입한 것을 특징으로 한다.
The lithium ion conductor having the structure of the above formula (1) has BaZrO 3 having a perovskite structure as a host, substituting a part of Zr with M, and inserting Li ions into an interstitial site .

상기 BaZrO3는 perovskite 구조를 가지고 있으며, 예를 들어 Y-doped BaZrO3의 경우 proton(H+) 전도체로 다양하게 응용되고 있다. 예를 들어, “J. Phys. Chem. A 112 (2008) 11414, 한국세라믹학회지 제46권 제6호(2009) 695” 등에는, 도 2에서와 같이, Proton 이 Ba-O 사이의 인터스티셜(interstitial) 자리로 이동하고, 상기 Proton 이 이동할 때 activation energy 가 0.54 eV로 proton 전도체로 사용 가능한 수준이라는 것이 개시되어 있다.
The BaZrO 3 has a perovskite structure. For example, Y-doped BaZrO 3 has been widely applied as a proton (H + ) conductor. For example, " J. Phys. Chem. 2, Proton moves to an interstitial site between Ba-O, and Proton () is transferred to an interstitial site between Ba-O, It is disclosed that the activation energy is a usable level of proton conductor at 0.54 eV.

본 발명의 리튬 이온 전도체는, 상기와 같은 perovskite 구조의 BaZrO3에 Li-인터스티셜(Li-interstitial)을 형성하기 위하여, 도 3 (a)와 같이 Zr4 + 자리에 3가 양이온인 Al, Ga 또는 In을 치환시킨다. 이를 통하여, Al, Ga 또는 In 등의 치환되는 3가 양이온과 Li-인터스티셜은 쇼트키결함(Schottky defect)으로 LixBaZr1 - xMxO3 의 화학식을 가지게 된다. 이렇게 Zr4 + 보다 이온 크기가 작은 Al3 +, Ga3 + 등의 3가 양이온이 Zr4 + 자리에 치환되면, perovskite 구조의 BaZrO3 중의 격자 내의 Ba-O 사이의 거리가 상대적으로 커지게 되어 도 3 (b)와 같이 Li+ 이온이 인터스티셜 자리(interstitial site) 에 삽입되기 쉽게 된다.
In order to form Li-interstitial in BaZrO 3 having the perovskite structure as described above, the lithium ion conductor of the present invention is prepared by mixing Al, which is a trivalent cation in Zr 4 + Ga or In. As a result, the substituted trivalent cations such as Al, Ga or In and the Li-interstitial are Schottky defects, which have the chemical formula Li x BaZr 1 - x MxO 3 . This would more Zr 4 + ion size is less Al 3 +, Ga 3 + and 3 of cationic substitution for Zr 4 + position, the distance between the Ba-O in the lattice of BaZrO 3 in the perovskite structure becomes large relative to The Li + ions are easily inserted into the interstitial site as shown in FIG. 3 (b).

본 발명의 리튬 이온 전도체에, Li+ 이온이 인터스티셜 자리(interstitial site) 에 삽입된 경우, proton 전도체로 쓰이는 Y-doped BaZrO3와 달리 proton에 비해 사이즈가 큰 Li+ 이온의 인터스티셜 확산을 위해서, Zr보다 작은 Ga, Al, In 이온을 치환하여 Ba-O 사이 거리를 넓혀주는 것이 유리하며, 이 때 상기 LixBaZr1-xMxO3 의 화학식을 갖는 리튬 이온 전도체의 격자 내의 Ba 원자와 O 원자 사이의 거리는 3.0 내지 4.0 Å, 보다 바람직하게는 3.23 내지 3.30 Å를 가질 수 있다.
When the Li + ion is inserted into the interstitial site of the lithium ion conductor of the present invention, unlike the Y-doped BaZrO 3 used as the proton conductor, the interstitial diffusion of the Li + It is advantageous to substitute Ga, Al, and In ions smaller than Zr to widen the distance between Ba and O. In this case, Ba atoms in the lattice of the lithium ion conductor having the formula Li x BaZr 1-x MxO 3 And the O atom may have a distance of 3.0 to 4.0 ANGSTROM, more preferably 3.23 to 3.30 ANGSTROM.

본 발명의 리튬 이온 전도체의 인터스티셜 자리(interstitial site)에 삽입된 Li+ 이온은 도 3 (b)과 같이 나타낼 수 있는데, A-인터스티셜 자리에 있는 Li+ 이온이 인접한 격자의 B-인터스티셜 자리로 이동할 때 극복해야 될 활성 에너지(activation energy)는 Zr 자리에 Ga, Al, In 이 치환된 Li0.125BaZr0.875M0.125O3 (M=Ga, Al, In) 의 경우 가장 낮은 값인 0.5 내지 0.8 eV, 보다 바람직하게는 0.7 내지 0.79 eV의 값을 가질 수 있다. 이는 도핑 되지 않은 BaZrO3 와 Y, Gd 가 도핑된 BaZrO3 에 비해 개선된 값을 나타낸다.
May be shown as Interstitial place the Li + ion is a 3 (b) inserted (interstitial site) of the lithium ion conductor of the present invention, A- interstitial lattice of the Li + ions are in the adjacent position B- The activation energy to be overcome when moving to the interstitial site is the lowest value for Li 0.125 BaZr 0.875 M 0.125 O 3 (M = Ga, Al, In) in which Ga, Al, 0.5 to 0.8 eV, more preferably 0.7 to 0.79 eV. This shows an improved value compared to undoped BaZrO 3 and Y, Gd-doped BaZrO 3 .

본 발명의 리튬 이온 전도체에서, Al3+, Ga3+ 등의 3가 양이온이 Zr4+ 자리에 치환되고, Li+ 이온이 인터스티셜 위치에 삽입된 Li0.125BaZr0.875M0.125O3 (M=Ga, Al, In) 의 경우, 범밀도함수론(density functional theory) 기반 코드인 VASP 를 이용하여 PDOS (partial density of states) 계산 결과, GGA exchange-correlation 함수를 사용한 밴드 갭이 2.5 내지 5.0 eV, 보다 바람직하게는 2.5 내지 3.0 eV의 값을 나타낼 수 있으며, 이를 통하여 본 발명의 리튬 이온 전도체가 부도체라는 것을 알 수 있다.
In the lithium ion conductor of the present invention, Al 3+, Ga 3+ is a trivalent cation, such as substituted for Zr 4+ place, Li + ions are inter-stitch the Li 0.125 0.875 BaZr inserted into the differential position M 0.125 O 3 (M In the case of GaAs, Al, and In, the band gap is 2.5 to 5.0 eV using the GGA exchange-correlation function as a result of calculation of partial density of states (PDOS) using VASP based on a density functional theory. And more preferably 2.5 to 3.0 eV, which indicates that the lithium ion conductor of the present invention is an insulator.

본 발명은 상기 리튬 이온 전도체를 포함하는 리튬 이차전지용 고체 전해질을 제공한다. 상기 리튬 이차전지용 고체 전해질은 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 진공증착법을 이용하여 기판에 증착시켜 박막 형태로 구현될 수 있다. 상기 진공증착법은 스퍼터링법(sputtering method), 펄스 진공 증착법(pulse laser deposition method: PLD), 열증착법(thermal evaporation method), 전자빔 증착법(electron-beam evaporation method), 분자빔 에피턱셜법(molecular beam epitaxy method), 활성화 반응성 증착법(activated reactive evaporation method: ARE), 레이저 어블레이션법(laser ablation method) 또는 이온 플레이팅법(ion plating method)을 사용할 수 있다.
The present invention provides a solid electrolyte for a lithium secondary battery comprising the lithium ion conductor. The solid electrolyte for a lithium secondary battery is not particularly limited, but may be deposited on a substrate using a vacuum deposition method to form a thin film. The vacuum deposition method may be performed by a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD), a thermal evaporation method, an electron-beam evaporation method, a molecular beam epitaxy method, an activated reactive evaporation method (ARE), a laser ablation method, or an ion plating method.

본 발명은 상기 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 상기 리튬 이차전지는, 음극; 상기 음극 상의 고체 전해질; 및 상기 고체 전해질 상의 양극을 포함하는 리튬 이차전지일 수 있다. 본 발명의 리튬 이차전지에 있어서, 상기 고체 전해질은 리튬 이온 전도체를 포함할 수 있다.
The present invention provides a lithium secondary battery including the solid electrolyte. The lithium secondary battery includes a negative electrode; A solid electrolyte on the negative electrode; And a positive electrode on the solid electrolyte. In the lithium secondary battery of the present invention, the solid electrolyte may include a lithium ion conductor.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. Changes and modifications may fall within the scope of the appended claims.

실시예Example

리튬 이온 전도체의 제조Manufacture of lithium ion conductor

[실시예 1] [Example 1]

BaCO3 분말 (1.0 mol), Ga2O3 분말 (0.0625 mol) 및 ZrO2 분말 (0.875 mol)을 혼합 한 후, 15시간 동안 에탄올이 든 PE 용기에 넣은 다음, 지르코니아 볼과 함께 혼합하였다. 이 후 1200℃의 온도에서 10시간 동안 하소(calcination) 한 후, planetary mill을 이용하여 4시간 동안 밀링을 수행하였다. 이 후, Li2O (0.0625 mol)과 함께 1700℃의 온도로 소결하여, perovskite 구조를 갖는 BaZrO3의 Zr4 + 자리에 Ga을 치환시킨 후, 리튬 금속 전극을 이용하여 Li+ 이온을 Ga가 치환된 인터스티셜 위치에 삽입시키면서 산소 결핍부분(vacancy)을 제거하여, Li0.125BaZr0.875Ga0.125O3를 제조하였다.BaCO 3 powder (1.0 mol), Ga 2 O 3 powder (0.0625 mol) and ZrO 2 The powder (0.875 mol) was mixed, placed in a PE container with ethanol for 15 hours, and then mixed with a zirconia ball. After calcination at 1200 ° C for 10 hours, milling was performed for 4 hours using a planetary mill. After that, sintering was carried out with Li 2 O (0.0625 mol) at a temperature of 1700 ° C to substitute Ga in the Zr 4 + site of BaZrO 3 having a perovskite structure, and Li + And the oxygen vacancy was removed while inserting it into the substituted interstitial site to prepare Li 0.125 BaZr 0.875 Ga 0.125 O 3 .

[실시예 2][Example 2]

Ga2O3 대신 Al2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 Li0.125BaZr0.875Al0.125O3를 제조하였다.Li 0.125 BaZr 0.875 Al 0.125 O 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that Al 2 O 3 was used instead of Ga 2 O 3 .

[실시예 3][Example 3]

Ga2O3 대신 In2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 Li0.125BaZr0.875In0.125O3를 제조하였다.Li 0.125 BaZr 0.875 In 0.125 O 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that In 2 O 3 was used instead of Ga 2 O 3 .

[비교예 1] [Comparative Example 1]

perovskite 구조를 갖는 BaZrO3를 사용하였다.BaZrO 3 with a perovskite structure was used.

[비교예 2][Comparative Example 2]

Ga2O3 대신 Y2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 Li0.125BaZr0.875Y0.125O3를 제조하였다.Li 0.125 BaZr 0.875 Y 0.125 O 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that Y 2 O 3 was used instead of Ga 2 O 3 .

[비교예 3][Comparative Example 3]

Ga2O3 대신 Gd2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 Li0.125BaZr0.875Gd0.125O3를 제조하였다.
Li 0.125 BaZr 0.875 Gd 0.125 O 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that Gd 2 O 3 was used instead of Ga 2 O 3 .

실험예Experimental Example

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 리튬 이온 전도체를 이용하여 다음과 같이 분석하였다.
The lithium ion conductors prepared in the above Examples and Comparative Examples were analyzed as follows.

1) 리튬 이온 전도체의 격자 부피 및 격자 내의 1) the lattice volume of the lithium ion conductor and the lattice volume within the lattice BaBa -O의 거리 측정-O distance measurement

상기 실시예 1(Ga 도핑), 실시예 2(Al 도핑), 실시예 3(In 도핑), 비교예 2(Y 도핑) 및 비교예 3(Gd 도핑)에서 제조한 리튬 이온 전도체 각각의 격자 부피 및 격자 내의 Ba-O의 거리를, 범밀도함수론(density functional theory) 기반 코드인 VASP를 사용하여 측정한 후, 도 4에 나타내었다.The lattice volume of each of the lithium ion conductors prepared in Example 1 (Ga doping), Example 2 (Al doping), Example 3 (In doping), Comparative Example 2 (Y doping) and Comparative Example 3 (Gd doping) And the distance of Ba-O in the lattice are measured using VASP, a density functional theory-based code, and are shown in Fig.

도 4에 나타난 바와 같이, Zr4 + 보다 이온 크기가 작은 Al3 +, Ga3 + 이온이 Zr4 + 자리에 치환될 경우, Ba-O 사이 거리가 상대적으로 커지는 것을 확인 하였으며, 이러한 경우 Li+ 이온이 인터스티셜 자리(interstitial site)에 삽입되기 쉽다는 것을 알 수 있었다.
As shown in Figure 4, if the ion size is less Al 3 +, Ga 3 + ion than Zr 4 + is substituted for Zr 4 + place, it was found that the distance between the Ba-O is relatively large, if such a Li + Ion is likely to be inserted into the interstitial site.

2) 리튬 이온 전도체의 활성 에너지(2) activation energy of lithium ion conductor ( activationactivation energyenergy )의 측정)

상기 실시예 1(Ga 도핑), 실시예 2(Al 도핑), 실시예 3(In 도핑), 비교예 1(도핑 없음), 비교예 2(Y 도핑) 및 비교예 3(Gd 도핑)에서 제조한 리튬 이온 전도체 각각의 Li+이온이 인접 격자의 인터스티셜 자리(interstitial site)로 이동할 때 필요한 활성 에너지를, 범밀도함수론(density functional theory) 기반 코드인 VASP를 사용하여 측정한 후, 도 5에 나타내었다.(Ga doping), Example 2 (Al doping), Example 3 (In doping), Comparative Example 1 (No doping), Comparative Example 2 (Y doping), and Comparative Example 3 (Gd doping) The activation energy required when the Li + ions of each lithium ion conductor migrate to the interstitial site of the adjacent lattice is measured using VASP, a density functional theory-based code, Respectively.

도 5에 나타난 바와 같이, Ga, Al, In이 치환된 실시예 1 내지 3의 리튬 이온 전도체의 활성 에너지가 낮아, 비교예 1 내지 3에 비하여 개선되었다는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 5, the activation energy of the lithium ion conductors of Examples 1 to 3 in which Ga, Al, and In were substituted was lower than that of Comparative Examples 1 to 3.

3) 리튬 이온 전도체의 활성 에너지(3) Activation energy of lithium ion conductor ( activationactivation energyenergy )의 측정)

상기 실시예 1(Ga 도핑), 실시예 2(Al 도핑), 실시예 3(In 도핑)에서 제조한 리튬 이온 전도체 각각에 대하여, 범밀도함수론(density functional theory) 기반 코드인 VASP를 사용하여 PDOS (partial density of states)를 계산한 후, GGA exchange-correlation 함수를 사용하여, 밴드 갭을 측정한 후, 도 6에 나타내었다.VASP, a density functional theory based code, was used for each of the lithium ion conductors prepared in Example 1 (Ga doping), Example 2 (Al doping) and Example 3 (In doping) (partial density of states), and then the bandgap is measured using the GGA exchange-correlation function, and is shown in FIG.

도 6 (a) 내지 도 6 (c)에 나타난 바와 같이, 밴드 갭이 2.5 eV 정도로 나타났으며, 실제 밴드 갭은 이 보다 큰 3.0 eV 이상인 부도체일 것으로 예상할 수 있었다.
As shown in Figs. 6 (a) to 6 (c), the band gap was about 2.5 eV, and the actual band gap could be expected to be larger than 3.0 eV.

Claims (10)

하기 화학식 1의 구조를 갖는 리튬 이온 전도체.
[화학식 1]
LixBaZr1 - xMxO3
(상기 식에서, x= 0.1 내지 0.5이고, M은 Ga, Al 또는 In이다.)
A lithium ion conductor having a structure represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Li x BaZr 1 - x M x O 3
(Wherein x = 0.1 to 0.5 and M is Ga, Al or In).
청구항 1에 있어서,
상기 리튬 이온 전도체는,
페로브스카이트 (Perovskite) 구조를 갖는 BaZrO3를 모체로 하여, Zr 중 일부를 M으로 치환함과 동시에 Li 이온을 인터스티셜(interstitial) 자리에 삽입한 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전도체.
The method according to claim 1,
The lithium ion conductor is a lithium-
A lithium ion conductor characterized in that BaZrO 3 having a Perovskite structure is used as a matrix and a part of Zr is substituted with M and Li ions are inserted into an interstitial site.
청구항 2에 있어서,
상기 리튬 이온 전도체의 Ba 원자와 O 원자 사이의 거리가 3.0 내지 4.0 Å인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전도체.
The method of claim 2,
Wherein a distance between Ba atoms and O atoms of the lithium ion conductor is 3.0 to 4.0 ANGSTROM.
청구항 2에 있어서,
상기 리튬 이온 전도체의 Ba 원자와 O 원자 사이의 거리가 3.23 내지 3.30 Å인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전도체.
The method of claim 2,
Wherein a distance between Ba atoms and O atoms of the lithium ion conductor is 3.23 to 3.30 ANGSTROM.
청구항 2에 있어서,
상기 리튬 이온 전도체의 Li 이온이 인접한 격자의 인터스티셜(interstitial) 자리로 이동할 때 필요한 활성 에너지(activation energy)가 0.5 내지 0.8 eV 값을 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전도체.
The method of claim 2,
Wherein the activation energy required when the Li ion of the lithium ion conductor moves to the interstitial site of the adjacent lattice has a value of 0.5 to 0.8 eV.
청구항 2에 있어서,
상기 리튬 이온 전도체의 Li 이온이 인접한 격자의 인터스티셜(interstitial) 자리로 이동할 때 필요한 활성 에너지(activation energy)가 0.7 내지 0.79 eV 값을 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전도체.
The method of claim 2,
Wherein the activation energy required when the Li ion of the lithium ion conductor moves to the interstitial site of the adjacent lattice has a value of 0.7 to 0.79 eV.
청구항 2에 있어서,
상기 리튬 이온 전도체의 PDOS (partial density of states) 값의 밴드 갭이 2.5 내지 5.0 eV인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전도체.
The method of claim 2,
And the band gap of the partial density of states (PDOS) value of the lithium ion conductor is 2.5 to 5.0 eV.
청구항 2에 있어서,
상기 리튬 이온 전도체의 PDOS (partial density of states) 값의 밴드 갭이 2.5 내지 3.0 eV인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전도체.
The method of claim 2,
Wherein a band gap of a partial density of states (PDOS) value of the lithium ion conductor is 2.5 to 3.0 eV.
청구항 1의 리튬 이온 전도체를 포함하는 리튬 이차전지용 고체 전해질.A solid electrolyte for a lithium secondary battery comprising the lithium ion conductor according to claim 1. 청구항 9의 고체 전해질을 포함하는 리튬 이차전지.
A lithium secondary battery comprising the solid electrolyte of claim 9.
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