KR102610969B1 - Method for designing of sulfide-based solid electrolyte using computer simulations and all-solid-state battery containing solid electrolyte designed thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법 및 이에 의하여 설계된 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체전지에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 전산모사를 활용하여 황화물계 고체전해질의 개발 기간을 단축시켜 상용 가능성을 높일 수 있고, 멈춰 있는 위상이 아닌 전기장 하에서의 위상을 이용하여 전산모사를 수행함으로써 실제 황화물계 고체전해질에 부합하는 결과를 얻을 수 있다.The present invention relates to a design method of a sulfide-based solid electrolyte using computer simulation and an all-solid-state battery containing a sulfide-based solid electrolyte designed thereby. According to the present invention, the development period of a sulfide-based solid electrolyte is shortened by using computer simulation. This can increase commercial feasibility, and by performing computer simulations using the phase under an electric field rather than the stationary phase, results consistent with actual sulfide-based solid electrolytes can be obtained.

Description

전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법 및 이에 의해 설계된 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체전지{Method for designing of sulfide-based solid electrolyte using computer simulations and all-solid-state battery containing solid electrolyte designed thereby}Method for designing of sulfide-based solid electrolyte using computer simulations and all-solid-state battery containing solid electrolyte designed thereby }

본 발명은 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법 및 이에 의해 설계된 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체전지에 관한 것으로, 구체적으로, 전산모사를 이용하여 황화물계 고체전해질의 분석 및 도핑에 의해 향상된 이온전도성을 갖는 황화물계 고체전해질을 설계하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a design method for a sulfide-based solid electrolyte using computational simulation and an all-solid-state battery containing a sulfide-based solid electrolyte designed thereby. Specifically, the present invention relates to a method for designing a sulfide-based solid electrolyte using computerized simulation and to an all-solid-state battery including a sulfide-based solid electrolyte designed using the same. This relates to a method of designing a sulfide-based solid electrolyte with improved ionic conductivity.

충방전이 가능한 이차전지는 휴대폰, 노트북 등의 소형 전자 기기뿐만 아니라 하이브리드 자동차, 전기자동차 등의 대형 운송수단에도 사용된다. 기존 이차전지는 대부분 유기 액체 전해질을 기반으로 한 구성을 가지므로 안정성 및 에너지 밀도 향상에 있어서 그 한계를 보이고 있다.Secondary batteries that can be charged and discharged are used not only in small electronic devices such as mobile phones and laptops, but also in large transportation vehicles such as hybrid cars and electric cars. Most existing secondary batteries are based on organic liquid electrolytes, showing limitations in improving stability and energy density.

한편, 고체전해질을 이용하는 전고체 전지는 유기용제를 사용하지 않기 때문에 더욱 안전하고 간소한 형태로 전지를 구성할 수 있기 때문에 최근 각광받고 있다.Meanwhile, all-solid-state batteries using solid electrolytes have recently been in the spotlight because they do not use organic solvents and can be constructed in a safer and simpler form.

무기 고체전해질은 산화물계와 황화물계로 나뉘는데, 황화물계 고체전해질은 산화물계 고체전해질과 비교하여 리튬 이온전도도가 높고, 연성(ductility)이 우수하여 공정 용이성이 우수하기 때문에 다양한 용도로 적용할 수 있는 이점이 있다.Inorganic solid electrolytes are divided into oxide-based and sulfide-based. Sulfide-based solid electrolytes have higher lithium ion conductivity and excellent ductility compared to oxide-based solid electrolytes, making them easier to process, so they have the advantage of being applicable to a variety of purposes. There is.

일반적으로 황화물계 고체전해질의 이온전도도를 향상시키기 위한 방법은 두가지가 있다. 첫번째는 결정구조를 제어함으로써 리튬 이온의 확산을 향상시키는 것이고, 두번째는 결정구조 안에 다른 원자를 도핑하여 리튬 이온의 확산을 향상시키는 것이다. 일부 황화물계 고체전해질의 경우 도핑 방법을 이용하여 고체전해질의 이온전도도가 2~100배까지 증가한다고 보고된 바 있다.In general, there are two methods to improve the ionic conductivity of sulfide-based solid electrolytes. The first is to improve the diffusion of lithium ions by controlling the crystal structure, and the second is to improve the diffusion of lithium ions by doping other atoms in the crystal structure. In the case of some sulfide-based solid electrolytes, it has been reported that the ionic conductivity of the solid electrolyte increases by 2 to 100 times using a doping method.

상기와 같은 황화물계 고체전해질을 제조하기 위한 기존 실험 기반 연구는 실험과 분석을 반복적으로 수행하여 수년의 개발기간이 걸린다는 문제점이 있다.Existing experiment-based research to produce the sulfide-based solid electrolyte as described above has the problem of requiring several years of development time by repeatedly performing experiments and analysis.

이에 따라, 황화물계 고체전해질을 개발하는데 있어서 전산모사를 활용하여 개발 기간을 단축시키는 기술에 대한 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for the development of technology to shorten the development period by utilizing computer simulation in developing sulfide-based solid electrolytes.

특허문헌 patent literature

한국등록특허 제10-0918387호 (2009.09.15)Korean Patent No. 10-0918387 (2009.09.15)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전산모사를 이용하여 황화물계 고체전해질의 도핑에 따른 구조적 변화를 모사 및 분석하여 우수한 이온전도도를 가지는 황화물계 고체전해질을 설계하는 방법 및 이에 의해 설계된 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체전지를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is a method of designing a sulfide-based solid electrolyte with excellent ionic conductivity by simulating and analyzing structural changes due to doping of a sulfide-based solid electrolyte using computational simulation, and a sulfide-based solid electrolyte designed thereby. To provide an all-solid-state battery containing.

본 발명은 데이터베이스에 등록된 정보를 바탕으로 황화물계 고체전해질의 분자 구조를 모델링하는 구조 모델링 단계;The present invention includes a structural modeling step of modeling the molecular structure of a sulfide-based solid electrolyte based on information registered in a database;

상기 황화물계 고체전해질의 전하밀도분포를 계산하여 모델링하는 전하분포변화 모델링 단계;A charge distribution change modeling step of calculating and modeling the charge density distribution of the sulfide-based solid electrolyte;

상기 전하분포변화 모델링 단계를 거친 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함되는 원자 중 적어도 어느 하나 이상의 원자의 변위를 계산하는 변위 계산 단계; 및A displacement calculation step of calculating the displacement of at least one atom included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte that has undergone the charge distribution change modeling step; and

계산된 원자의 변위를 이용하여 이온전도도를 계산하는 이온전도도 예측 단계;를 포함하는 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법을 제공한다.A design method for a sulfide-based solid electrolyte using computational simulation including an ionic conductivity prediction step of calculating ionic conductivity using the calculated atomic displacement is provided.

또한, 상기 서술한 황화물계 고체전해질의 설계방법에 의하여 설계된 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체전지를 제공한다.In addition, an all-solid-state battery containing a sulfide-based solid electrolyte designed by the above-described sulfide-based solid electrolyte design method is provided.

본 발명은 전산모사를 이용하여 고이온전도성을 가지는 할로겐 원자가 도핑된 황화물계 고체전해질의 설계방법에 관한 것으로, 전산모사를 활용하여 황화물계 고체전해질의 개발 기간을 단축시켜 상용 가능성을 높일 수 있다.The present invention relates to a method of designing a sulfide-based solid electrolyte doped with halogen atoms having high ionic conductivity using computer simulation. By using computer simulation, the development period of the sulfide-based solid electrolyte can be shortened and its commercial potential can be increased.

또한, 본 발명에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법은 멈춰 있는 위상이 아닌 전기장 하에서의 위상을 이용하여 전산모사를 수행함으로써 실제 황화물계 고체전해질에 부합하는 결과를 얻을 수 있다.In addition, the design method of a sulfide-based solid electrolyte using computational simulation according to the present invention can obtain results that correspond to an actual sulfide-based solid electrolyte by performing computer simulation using a phase under an electric field rather than a stationary phase.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 구조 모델링 단계에서 황화물계 고체전해질의 구조를 모델링한 이미지이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 전하분포변화 모델링 단계에서 황화물계 고체전해질의 전하밀도분포를 계산하여 모델링한 이미지이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 확산통로 계산 단계에서 황화물계 고체전해질의 확산통로 너비를 계산하여 모델링한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 확산통로 계산 단계에서 도핑원자별 계산된 황화물계 고체전해질의 확산통로 너비를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 전하분포변화 모델링 단계에서 황화물계 고체전해질의 리튬 및 황의 평균제곱의 변위를 계산하여 진폭으로 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 이온전도도 예측 단계에서 황화물계 고체전해질의 확산계수를 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is a flowchart showing an analysis method of a sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to an embodiment of the present invention.
Figures 2 to 4 are images modeling the structure of a sulfide-based solid electrolyte in the structural modeling step of the analysis method of a sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to an embodiment of the present invention.
Figures 5 to 7 are images modeled by calculating the charge density distribution of the sulfide-based solid electrolyte in the charge distribution change modeling step of the analysis method of the sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to an embodiment of the present invention.
Figures 8 to 10 are images modeled by calculating the diffusion path width of the sulfide-based solid electrolyte in the diffusion path calculation step of the analysis method of the sulfide-based solid electrolyte using transfer simulation according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is a graph showing the diffusion path width of the sulfide-based solid electrolyte calculated for each doping atom in the diffusion path calculation step of the analysis method of the sulfide-based solid electrolyte using transfer simulation according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a graph showing the calculated amplitude of the mean square displacement of lithium and sulfur of the sulfide-based solid electrolyte in the charge distribution change modeling step of the analysis method of the sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is a graph showing the diffusion coefficient of the sulfide-based solid electrolyte in the ionic conductivity prediction step of the analysis method of the sulfide-based solid electrolyte using transfer simulation according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

대부분의 연구에서는 단순히 도핑 원자가 확산통로를 넓혀 리튬의 확산을 빠르게 하여 이온전도도가 높아진다고 해석을 해왔다. 그러나 실제로 황(S)과 염소(Cl)의 원자 지름의 차이는 큰 차이가 없어 염소(Cl)의 도핑이 확산 통로의 폭을 넓힌다는 관점의 해석은 한계가 있다.Most studies have interpreted that doping atoms simply widen the diffusion path and accelerate the diffusion of lithium, thereby increasing ionic conductivity. However, in reality, the difference between the atomic diameters of sulfur (S) and chlorine (Cl) is not significant, so there is a limit to the interpretation that doping with chlorine (Cl) expands the width of the diffusion path.

또한, 확산통로의 분포를 평균적으로 계산한 결과 0.6~0.8Å 사이의 폭을 가지나, 리튬 이온의 지름은 1.52Å으로 이보다 크다. 따라서, 멈춰 있는 위상에서 단순히 도펀트(dopant)를 이용하여 확산통로를 넓혀준다는 해석은 모순이 있다.In addition, the distribution of diffusion channels was calculated on average to have a width between 0.6 and 0.8 Å, but the diameter of lithium ions is larger at 1.52 Å. Therefore, the interpretation that the diffusion path is expanded by simply using a dopant in the stationary phase is contradictory.

본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이 구조 모델링 단계(S100), 전하분포변화 모델링 단계(S200), 변위 계산 단계(S300) 및 이온전도도 예측 단계(S400)를 포함하는 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법 및 이에 의하여 설계된 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체전지를 제공한다. As shown in Figure 1, the present invention is a sulfide-based solid electrolyte using computational simulation including a structure modeling step (S100), a charge distribution change modeling step (S200), a displacement calculation step (S300), and an ionic conductivity prediction step (S400). A design method and an all-solid-state battery including a sulfide-based solid electrolyte designed thereby are provided.

또한, 본 발명에 따른 황화물계 고체전해질의 설계방법은 상기 전하분포변화 모델링 단계(S200) 및 변위 계산 단계(S300) 사이에 확산통로 계산 단계(S220)를 더 포함할 수 있다.In addition, the design method of the sulfide-based solid electrolyte according to the present invention may further include a diffusion path calculation step (S220) between the charge distribution change modeling step (S200) and the displacement calculation step (S300).

본 발명에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법은 전산모사를 통해 황화물계 고체전해질 화합물의 구조 안정성을 저하시켜 고체전해질 내의 이온의 확산통로를 넓힐 수 있는 물질 및 도펀트(dopant)를 선정하여 높은 이온전도도를 갖는 황화물계 고체전해질을 설계하는 방법에 관한 것이다.The design method of a sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to the present invention selects materials and dopants that can widen the diffusion path of ions in the solid electrolyte by reducing the structural stability of the sulfide-based solid electrolyte compound through computer simulation. This relates to a method of designing a sulfide-based solid electrolyte with high ionic conductivity.

종래에는 단순히 도펀트를 첨가함으로써 사면체 구조의 S의 자리에 도펀트, 예컨대 염소(Cl)가 치환되고, 이에 의하여 상기 도펀트가 리튬 이온의 확산통로의 폭을 넓힌다는 관점으로 도펀트에 의한 이온전도도 증가효과를 설명해 왔다. 반면, 황 원자 반지름은 대략 1.81Å이고, 염소 원자의 반지름은 대략 1.84Å로 서로 유사한 크기로 치환 전이나 큰 차이가 없다. 또한, 전고체 리튬이차전지용 황화물계 고체전해질인 LGPS(Li10GeP2S12)와, LGPS에서 염소 원자가 도핑된 황화물계 고체전해질의 확산통로의 분포를 평균적으로 계산한 결과 양측 모두 유사하게 0.6~0.8Å 사이의 폭을 갖는 것으로 확인되었고, 이는 리튬 이온의 지름도 1.52Å보다 작은 것으로 확인된다. Conventionally, by simply adding a dopant, a dopant, such as chlorine (Cl), is substituted in place of S in the tetrahedral structure, and the effect of increasing ionic conductivity by the dopant is achieved with the view that the dopant thereby widens the width of the diffusion path for lithium ions. It has been explained. On the other hand, the radius of the sulfur atom is approximately 1.81 Å, and the radius of the chlorine atom is approximately 1.84 Å, which are similar in size and do not differ significantly even before substitution. In addition, as a result of calculating the distribution of diffusion paths on average for LGPS (Li 10 GeP 2 S 12 ), a sulfide-based solid electrolyte for all-solid-state lithium secondary batteries, and sulfide-based solid electrolyte doped with chlorine atoms in LGPS, both were similar, 0.6~ It was confirmed to have a width of between 0.8Å, which means that the diameter of the lithium ion is also smaller than 1.52Å.

즉, 종래의 황화물계 고체전해질에서 도펀트 첨가에 의하여 이온전도도가 증가하는 것에 대한 이유로, 도펀트에 의한 구조적인 폭의 증가 또는 확산통로의 폭이 증가는 적절한 해석의 한계가 있었다.That is, the reason for the increase in ionic conductivity due to the addition of dopants in the conventional sulfide-based solid electrolyte was that there were limits to appropriate analysis of the increase in structural width or diffusion path width due to the dopant.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법은 종래의 해석과 같은 단순한 방법이 아닌, 하기와 같은 전산모사를 이용하여 실제 황화물계 고체전해질의 리튬 이온의 확산통로의 폭의 증가 여부를 규명할 수 있다. 따라서, 전고체 리튬이차전지에 적용되는 황화물계 고체전해질에 대해서 높은 이온전도도를 갖는 화학식을 제안함으로써, 전고체 리튬이차전지의 전기화학특성 및 수명특성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the design method of the sulfide-based solid electrolyte using computational simulation according to the embodiment of the present invention is not a simple method like the conventional analysis, but rather uses the following computerized simulation to determine the diffusion path of lithium ions in the actual sulfide-based solid electrolyte. It is possible to determine whether the width of is increasing. Therefore, by proposing a chemical formula with high ionic conductivity for the sulfide-based solid electrolyte applied to the all-solid lithium secondary battery, the electrochemical properties and lifespan characteristics of the all-solid lithium secondary battery can be improved.

구체적으로, 본 발명에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법은 황화물계 고체전해질로 사용되는 화합물의 정지위상(stationary phase)이 아닌 화합물 내의 원자의 진동(vibration)을 반영하여 얻어질 수 있다. 구체적으로, 황화물계 고체전해질로 사용되는 화합물에 전기장을 가하면 정사면체 구조의 화합물의 위상왜곡(distortion)이 발생하고, 이에 따라 전하분포의 변화가 생겨 진동(vibration)이 증가하여 화합물의 구조적 안정성이 저하되면서 리튬 이온의 확산통로가 확장되어 리튬 이온의 이동성이 향상될 수 있음을 실험을 통하여 확인하였고, 이를 바탕으로 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법을 제공한다.Specifically, the design method of the sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to the present invention can be obtained by reflecting the vibration of atoms in the compound rather than the stationary phase of the compound used as the sulfide-based solid electrolyte. there is. Specifically, when an electric field is applied to a compound used as a sulfide-based solid electrolyte, phase distortion of the compound with a tetrahedral structure occurs, resulting in a change in charge distribution and increased vibration, thereby reducing the structural stability of the compound. It was confirmed through experiments that the diffusion path of lithium ions can be expanded and the mobility of lithium ions can be improved. Based on this, a design method for a sulfide-based solid electrolyte using computer simulation is provided.

상기 구조 모델링 단계(S100)는 데이터베이스에 등록된 정보를 바탕으로 황화물계 고체전해질의 분자 구조를 모델링하는 단계이다. 예컨대, 상기 구조 모델링 단계(S100)는 화학식 또는 구조식 등과 같은 황화물계 고체전해질을 구성하는 화합물의 정보 (이하, 화학식이라 함)를 입력한 경우, 상기 데이터베이스를 통하여 입력된 화학식에 따른 황화물계 고체전해질의 분자 구조를 모델링 할 수 있다.The structural modeling step (S100) is a step of modeling the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte based on information registered in the database. For example, in the structural modeling step (S100), when information (hereinafter referred to as chemical formula) of the compound constituting the sulfide-based solid electrolyte, such as chemical formula or structural formula, is input, the sulfide-based solid electrolyte according to the chemical formula entered through the database The molecular structure of can be modeled.

통상, 전고체 리튬이차전지에서 전해질로는 상기 황화물계 고체전해질이 주로 사용되는데, 상기 황화물계 고체전해질은 파우더와 첨가제 등을 혼합하여 펠렛형태로 압축시킨 고체상태로 기존 유기화합물로 이루어진 액체상태의 전해질에 비하여 안전성은 향상되는 반면 리튬 이온의 이동성이 낮다는 문제가 있었다.Typically, the sulfide-based solid electrolyte is mainly used as an electrolyte in all-solid-state lithium secondary batteries. The sulfide-based solid electrolyte is a solid state made by mixing powder and additives and compressed into a pellet form, and is a liquid state made of existing organic compounds. Although safety was improved compared to electrolytes, there was a problem that the mobility of lithium ions was low.

반면, 본 실시예에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법은 상기 황화물계 고체전해질의 화합물의 종류에 따라 원자의 진동이 반영되어 얻어질 수 있는 실제 리튬 이온의 이동통로를 수치값으로 제공할 수 있다. 따라서, 전고체 리튬이차전지에서 리튬 이온의 이동성이 향상된 황화물계 고체전해질의 설계방법을 제공할 수 있으므로, 전고체 리튬이차전지의 수명특성 및 전기화학 특성 등을 향상시킬 수 있다. On the other hand, the design method of the sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to this embodiment provides numerical values for the actual lithium ion movement path that can be obtained by reflecting atomic vibrations depending on the type of compound of the sulfide-based solid electrolyte. can be provided. Therefore, it is possible to provide a design method for a sulfide-based solid electrolyte with improved mobility of lithium ions in an all-solid lithium secondary battery, thereby improving the lifespan characteristics and electrochemical properties of the all-solid lithium secondary battery.

보다 구체적으로, 상기 구조 모델링 단계(S100)는 제1 원리 계산을 기반으로한 퀀텀 에스프레소(Quantum Espresso) 프로그램을 이용하여 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 황화물계 고체전해질의 분자 구조를 모델링할 수 있다:More specifically, the structural modeling step (S100) can model the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte of the following Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 using the Quantum Espresso program based on first principles calculation:

[화학식 1][Formula 1]

LiaPcSdXe Li a P c S d X e

[화학식 2][Formula 2]

LiaMbPcSdXe Li a M b P c S d X e

상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,In Formula 1 or Formula 2,

X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 셀레늄(Se) 및 텔레륨(Te) 중 적어도 하나 이상이고,X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I), selenium (Se), and tellurium (Te),

M은 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 또는 납(Pb)이고,M is silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or lead (Pb),

7≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤3, 10≤d≤12, 0<e≤2이다.7≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤3, 10≤d≤12, 0<e≤2.

구체적으로, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서, X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 셀레늄(Se) 또는 텔레륨(Te)이고, M은 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 또는 납(Pb)이고, 9≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤2, 10≤d≤12, 0<e≤2이다. 보다 구체적으로, 상기 화학식 1에서 a는 7, c는 3, d는 10, e는 1이고, 화학식 2에서 a는 10, b는 1.5, c는 1.5, d는 11.5 및 e는 0.5일 수 있다.Specifically, in Formula 1 or Formula 2, ), germanium (Ge), tin (Sn), or lead (Pb), and 9≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤2, 10≤d≤12, 0<e≤2. More specifically, in Formula 1, a is 7, c is 3, d is 10, and e is 1, and in Formula 2, a may be 10, b may be 1.5, c may be 1.5, d may be 11.5, and e may be 0.5. .

또한, 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 황화물계 고체전해질에서 X는 브롬(Br)일 수 있다. 예컨대, 상기 X가 브롬인 경우 황화물계 고체전해질의 리튬 이온의 확산통로의 폭(width)은 0.1~0.8Å, 또는 0.1~0.5Å일 수 있고, 리튬 이온이 활발하게 이동하여 높은 이온전도도를 나타낼 수 있다. 상기 확산통로의 폭은 리튬 이온이 이동하는 통로(channel)의 너비일 수 있다. Additionally, in the sulfide-based solid electrolyte of Formula 1 or Formula 2, X may be bromine (Br). For example, when You can. The width of the diffusion path may be the width of the channel through which lithium ions move.

도 2 내지 도 4는 화학식 1의 황화물계 고체전해질의 분자 구조를 모델링한 것으로, 도 2는 Li7P3S10Cl1의 구조, 도 3은 Li7P3S10Br1의 구조, 및 도 4는 Li7P3S10I1의 구조를 모델링한 것이다. 구체적으로, 도 2 내지 도 4를 살펴보면 Li7P3S11 할로겐 원자인 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I)의 각각을 도핑한 경우, 전반적인 결정 구조는 무너지지 않고 유지되지만, 할로겐 원자가 도핑된 사면체의 구조가 일그러지는 것을 알 수 있다. 구체적으로, Li7P3S10X1(여기서, X는 Cl, Br 및 I 중 어느 하나임)는 PS4의 정사면체와, 상기 PS4에서 X가 치환된 PS3X의 사면체가 혼합된 형태의 황화물계 고체전해질의 분자 구조로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 PS3X는 할로겐 원자의 도핑에 의하여 구조적으로 왜형(찌그러짐)되어 구비될 수 있다.Figures 2 to 4 model the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte of Chemical Formula 1, Figure 2 shows the structure of Li 7 P 3 S 10 Cl 1 , Figure 3 shows the structure of Li 7 P 3 S 10 Br 1 , and Figure 4 models the structure of Li 7 P 3 S 10 I 1 . Specifically, looking at Figures 2 to 4, Li 7 P 3 S 11 halogen atom When each of chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I) is doped, the overall crystal structure is maintained without collapsing, but the structure of the tetrahedron doped with halogen atoms is distorted. Specifically, Li 7 P 3 S 10 The molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte may be a mixture of the regular tetrahedron of PS4 and the tetrahedron of PS3X where X is substituted in PS4. Here, the PS3X may be structurally distorted (distorted) by doping with halogen atoms.

상기 전하분포변화 모델링 단계(S200)는 상기 구조 모델링 단계(S100)에서 얻어진 황화물계 고체전해질의 분자 구조를 바탕으로, 상기 황화물계 고체전해질의 전하밀도분포를 계산하여 모델링하는 단계이다.The charge distribution change modeling step (S200) is a step of calculating and modeling the charge density distribution of the sulfide-based solid electrolyte based on the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte obtained in the structure modeling step (S100).

상기 전하분포변화 모델링 단계(S200)는 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함된 각 원자의 전하분포와 황화물계 고체전해질의 분자 구조 자체의 전하분포의 차이를 캘리브레이션 하는 단계이다.The charge distribution change modeling step (S200) is a step of calibrating the difference between the charge distribution of each atom included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte and the charge distribution of the molecular structure itself of the sulfide-based solid electrolyte.

예를 들어, 상기 전하분포변화 모델링 단계(S200)는 상기 황화물계 고체전해질의 분자 구조 중에 포함되는 각 원자의 전하분포가 상기 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 미치는 영향을 계산하기 위한 것으로, 상기 황화물계 고체전해질에 전기장을 인가하여 전하분포의 변화를 측정하여 상기 황화물계 고체전해질의 전하밀도분포를 계산하여 수행할 수 있다.For example, the charge distribution change modeling step (S200) is for calculating the effect of the charge distribution of each atom included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte on the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte. The change in charge distribution can be measured by applying an electric field to the sulfide-based solid electrolyte to calculate the charge density distribution of the sulfide-based solid electrolyte.

구체적으로, DFT 이론(Density functional theory)을 이용하여 상기 황화물계 고체전해질의 전하밀도분포를 계산할 수 있다. 퀀텀 에스프레소(Quantum Espresso)에서 평면파기저(plane-wave basis set) 및 평균 보존 유사 퍼텐셜 (norm-conserving pseudopotentials)를 수행하여 상기 황화물계 고체전해질의 전하밀도분포를 계산한다.Specifically, the charge density distribution of the sulfide-based solid electrolyte can be calculated using DFT theory (Density functional theory). Plane-wave basis set and norm-conserving pseudopotentials are performed in Quantum Espresso to calculate the charge density distribution of the sulfide-based solid electrolyte.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 전하분포변화 모델링 단계에서 황화물계 고체전해질의 전하밀도분포를 계산하여 모델링한 이미지이다. 구체적으로, 도 5 내지 도 7은 도 2 내지 도 4의 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 대한 전하분포변화를 모델링한 것으로, 도 5는 Li7P3S10Cl1의 전하밀도분포(도 2), 도 6은 Li7P3S10Br1의 전하밀도분포(도 3), 및 도 7은 Li7P3S10I1의 전하밀도분포(도 4)를 나타내었다. 도 5 내지 도 7에서 원으로 표시된 부분은 각각 Cl, Br, I가 치환된 부분의 전하밀도분포를 나타낸 것으로, 붉은색 부분이 전하밀도가 높은 곳, 파란색은 전하밀도가 낮은 곳을 의미한다. Cl, Br, I의 순으로 전하밀도가 점점 감소함을 확인할 수 있고, 이는 Cl, Br, I로 갈수록 전기음성도가 감소하기 때문이다.Figures 5 to 7 are images modeled by calculating the charge density distribution of the sulfide-based solid electrolyte in the charge distribution change modeling step of the analysis method of the sulfide-based solid electrolyte using computer simulation according to an embodiment of the present invention. Specifically, Figures 5 to 7 model the charge distribution change for the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte of Figures 2 to 4, and Figure 5 shows the charge density distribution of Li 7 P 3 S 10 Cl 1 (Figure 2 ), Figure 6 shows the charge density distribution of Li 7 P 3 S 10 Br 1 (Figure 3), and Figure 7 shows the charge density distribution of Li 7 P 3 S 10 I 1 (Figure 4). In Figures 5 to 7, the circled parts show the charge density distribution of the parts where Cl, Br, and I are substituted, respectively. The red part means the part with high charge density, and the blue part means the part with low charge density. It can be seen that the charge density gradually decreases in the order of Cl, Br, and I, and this is because electronegativity decreases as Cl, Br, and I go.

상기 확산통로 계산 단계(S220)는 상기 전하분포변화 모델링 단계(S200)를 통해 리튬 이온이 확산될 수 있는 확산통로의 너비를 계산하여 도출해낼 수 있다.The diffusion path calculation step (S220) can be derived by calculating the width of the diffusion path through which lithium ions can diffuse through the charge distribution change modeling step (S200).

상기 확산통로 계산 단계(S220)는 도 8 내지 도 11에 나타난 바와 같이, 황화물계 고체전해질의 도핑 후의 확산통의 너비를 구하여 형상을 나타낼 수 있다. 상기 도 8 내지 도 10을 살펴보면, 기존의 황화물계 고체전해질(Li7P3S11)과 비교하여 할로겐 원자를 도핑하는 경우, 확산통로의 너비가 증가함을 알 수 있다.As shown in FIGS. 8 to 11, the diffusion path calculation step (S220) can represent the shape by calculating the width of the diffusion path after doping with the sulfide-based solid electrolyte. Looking at FIGS. 8 to 10, it can be seen that when doping halogen atoms compared to the existing sulfide-based solid electrolyte (Li 7 P 3 S 11 ), the width of the diffusion path increases.

구체적으로, 도 8은 염소 원자가 도핑된 Li7P3S10Cl의 고체전해질은 넓은 영역에서 확산통로의 너비가 증가하는 것을 알 수 있고, 도 9는 브롬 원자가 도핑된 Li7P3S10Br의 고체전해질은 매우 넓은 영역에서 확산통로의 너비가 증가하였고, 도 10은 요오드 원자가 도핑된 Li7P3S10I의 고체전해질은 좁은 영역에서 확산통로의 너비가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, Cl, Br, I의 도핑에 의하여 리튬 이온의 확산통로의 너비가 증가하되, Br이 가장 넓은 영역으로 증가하고, I가 가장 좁은 영역으로 증가함을 확인할 수 있었다.Specifically, Figure 8 shows that the width of the diffusion path increases over a wide area in the solid electrolyte of Li 7 P 3 S 10 Cl doped with chlorine atoms, and Figure 9 shows that the width of the diffusion path increases over a wide area, and Figure 9 shows the solid electrolyte of Li 7 P 3 S 10 Cl doped with bromine atoms. In the solid electrolyte, the width of the diffusion path increased in a very wide area, and in Figure 10, it was confirmed that in the solid electrolyte of Li 7 P 3 S 10 I doped with iodine atoms, the width of the diffusion path increased in a narrow area. In other words, it was confirmed that the width of the lithium ion diffusion path increased by doping Cl, Br, and I, with Br increasing to the widest area and I increasing to the narrowest area.

도 11을 살펴보면, 기존의 황화물계 고체전해질(Li7P3S11)의 확산통로는 0.2~0.3Å인 반면, 염소 원자가 도핑된 Li7P3S10Cl의 고체전해질은 넓은 영역에서 확산통로의 너비가 평균 0.3~0.4Å이고, 브롬 원자가 도핑된 Li7P3S10Br의 고체전해질은 넓은 영역에서 확산통로의 너비가 평균 0.55~0.7Å이고, 요오드 원자가 도핑된 Li7P3S10I의 고체전해질은 일부 영역에서 확산통로의 너비가 평균 0.4~0.5Å로, 기존의 도핑되지 않은 고체전해질 대비하여 확산통로의 너비가 매우 크게 향상됨을 알 수 있다.Looking at Figure 11, the diffusion path of the existing sulfide-based solid electrolyte (Li 7 P 3 S 11 ) is 0.2 to 0.3 Å, whereas the solid electrolyte of Li 7 P 3 S 10 Cl doped with chlorine atoms has a diffusion path over a wide area. The width of the Li 7 P 3 S 10 Br solid electrolyte doped with bromine atoms is on average 0.55 to 0.7 Å, and the width of the diffusion path in a wide area is on average 0.55 to 0.7 Å, and the Li 7 P 3 S 10 Br doped with iodine atoms has an average width of 0.55 to 0.7 Å. In the solid electrolyte of I, the width of the diffusion path is on average 0.4 to 0.5 Å in some areas, which shows that the width of the diffusion path is greatly improved compared to the existing undoped solid electrolyte.

상기 염소 원자의 도핑은 넓은 영역으로 확산통로의 너비를 대략 ~0.08Å로 향상시키고, 요오드 원자는 일부 영역으로 확산통로의 너비를 대략 ~0.12Å로 크게 향상시키며, 브롬 원자는 매우 넓은 영역으로 확산통로의 너비를 대략 ~0.3Å로 매우 크게 향상시킨다.Doping of the chlorine atom improves the width of the diffusion path to approximately ~0.08Å in a wide area, iodine atom greatly improves the width of the diffusion path to approximately ~0.12Å in some areas, and bromine atoms diffuse to a very wide area. It greatly improves the width of the passageway to approximately ~0.3Å.

확산통로의 너비가 증가된 정도와, 이와 같이 증가된 확산통로가 구비되는 영역을 함께 고려할 때, 평균값은 염소 원자가 도핑된 Li7P3S10Cl의 고체전해질은 넓은 영역에서 확산통로의 너비는 기존 고체전해질과 비교하여 0.05~0.1Å 더 크고, 요오드 원자가 도핑된 Li7P3S10I의 고체전해질은 일부 영역에서 확산통로의 너비가 기존 고체전해질과 비교하여 0.1~0.15Å 더 크고, 브롬 원자가 도핑된 Li7P3S10Br의 고체전해질은 넓은 영역에서 확산통로의 너비가 기존 고체전해질과 비교하여 0.15~0.4Å 더 큼을 확인할 수 있었다.Considering the degree to which the width of the diffusion path has increased and the area where the increased diffusion path is provided, the average value is that the width of the diffusion path in a large area of the chlorine atom-doped Li 7 P 3 S 10 Cl solid electrolyte is Compared to the existing solid electrolyte, the width of the diffusion path in the Li 7 P 3 S 10 I solid electrolyte doped with iodine atoms is 0.1 to 0.15 Å larger than that of the existing solid electrolyte, and the width of the diffusion path is 0.1 to 0.15 Å larger than that of the existing solid electrolyte. It was confirmed that the diffusion path width of the atomically doped Li 7 P 3 S 10 Br solid electrolyte was 0.15 to 0.4 Å larger in a wide area compared to the existing solid electrolyte.

상기 변위 계산 단계(S300)는 상기 전하분포변화 모델링 단계를 거친 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함되는 원자 중 적어도 어느 하나 이상의 원자의 변위를 계산하는 단계이다.The displacement calculation step (S300) is a step of calculating the displacement of at least one atom included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte that has undergone the charge distribution change modeling step.

구체적으로, 상기 변위 계산 단계(S300)는 상기 전하분포변화 모델링 단계를 거친 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함되는 원자 중 적어도 어느 하나 이상의 원자의 변위를 계산하여 진폭을 구할 수 있다.Specifically, in the displacement calculation step (S300), the amplitude can be obtained by calculating the displacement of at least one atom included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte that has undergone the charge distribution change modeling step.

보다 구체적으로, 상기 변위 계산 단계(S300)는 카-파리넬로 분자동역학(Car-Parrinello molecular dynamics)를 통해 하기 식 1을 이용하여 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함되는 원자 중 적어도 어느 하나 이상의 원자의 평균제곱의 변위(mean square displacement, MSD)를 계산할 수 있다:More specifically, the displacement calculation step (S300) uses the following formula 1 through Car-Parrinello molecular dynamics to calculate at least one atom among the atoms included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte. You can calculate the mean square displacement (MSD) of:

[식 1] [Equation 1]

상기 식 1에서, to는 기준시간(time origin), nt는 to의 총 개수, N은 총 원자의 개수, t는 측정시간. Ri(t)은 t에서의 ith원자의 위치이다. In Equation 1, t o is the reference time (time origin), n t is the total number of t o , N is the total number of atoms, and t is the measurement time. R i (t) is the position of the i th atom at t.

상기 변위 계산 단계(S300)는 카-패리넬로 분자 역학(Car-Parrinello molecular dynamics)를 통해 상기 식 1을 이용하여 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함되는 원자 중 리튬 및 황의 원자의 평균제곱의 변위(MSD)를 계산할 수 있다. 구체적으로, 상기 변위 계산 단계(S300)에서는 상기 황화물계 고체전해질의 분자 구조 중 포함된 모든 원자에 대해서 MSD를 측정하는 것으로, 예컨대 황의 MSD는 황화물계 고체전해질 내의 모든 황원자에 대한 MSD를 의미한다.The displacement calculation step (S300) is the displacement of the mean square of lithium and sulfur atoms included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte using Equation 1 through Car-Parrinello molecular dynamics. (MSD) can be calculated. Specifically, in the displacement calculation step (S300), the MSD is measured for all atoms included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte. For example, the MSD of sulfur means the MSD for all sulfur atoms in the sulfide-based solid electrolyte.

도 12는 화학식 1의 황화물계 고체전해질(Li7P3S10Cl1, Li7P3S10Br1 및 Li7P3S10I1)의 황 원자 및 리튬의 평균제곱의 변위를 계산하여 진폭으로 나타낸 그래프이다. Figure 12 calculates the mean square displacement of sulfur atoms and lithium of the sulfide-based solid electrolyte of Chemical Formula 1 (Li 7 P 3 S 10 Cl 1 , Li 7 P 3 S 10 Br 1, and Li 7 P 3 S 10 I 1 ). This is a graph expressed in terms of amplitude.

도 12의 상부도면은 황화물계 고체전해질에서 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)를 도핑한 경우, 각각의 황(S) 원자의 평균제곱의 변위를 나타낸 그래프이고, 하부도면은 황화물계 고체전해질에서 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)를 도핑한 경우, 각각의 리튬(Li) 원자의 평균제곱의 변위를 나타낸 그래프이다. The upper drawing of FIG. 12 is a graph showing the mean square displacement of each sulfur (S) atom when chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I) are doped in a sulfide-based solid electrolyte, and the lower drawing is a graph showing the mean square displacement of each sulfur (S) atom. This is a graph showing the mean square displacement of each lithium (Li) atom when chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I) are doped in a sulfide-based solid electrolyte.

구체적으로, 도 12를 살펴보면 황 원자의 평균제곱의 변위(MSD)와 리튬 원자의 평균제곱의 변위(MSD)는 브롬이 가장 크게 증가하였고, 이어서, 요오드, 염소의 순으로 나타났다. Specifically, looking at Figure 12, the mean square displacement (MSD) of sulfur atoms and the mean square displacement (MSD) of lithium atoms increased the most for bromine, followed by iodine and chlorine.

황의 MSD를 참조하면, 할로겐 원소의 도핑에 의하여 고체전해질의 구조안정성은 상대적으로 감소함을 확인할 수 있었는데, 브롬(Br)이 가장 낮은 구조안정성을 나타내었고, 염소(Cl)가 가장 높은 구조안정성을 나타내었다. 리튬의 MSD를 참조하면, 양이온의 확산은 고체전해질 내에서 사면체의 진동과 동시에 발생함을 확인할 수 있었다. 즉, 사면체의 진동이 쉬울수록(구조안정성이 낮을수록) 양이온의 확산이 빠르게 진행됨을 확인할 수 있었다.Referring to the MSD of sulfur, it was confirmed that the structural stability of the solid electrolyte was relatively reduced due to doping of halogen elements, with bromine (Br) showing the lowest structural stability and chlorine (Cl) showing the highest structural stability. indicated. Referring to the MSD of lithium, it was confirmed that diffusion of cations occurs simultaneously with the vibration of the tetrahedron within the solid electrolyte. In other words, it was confirmed that the easier the tetrahedron vibrates (lower the structural stability), the faster the diffusion of cations proceeds.

이를 통해, 브롬(Br)이 도핑된 고체전해질에서, 황(S) 원자가 가장 많이 진동하는 것을 알 수 있으며(상부도면), 황(S) 원자가 많이 떨리는 고체전해질 일수록 리튬의 확산성(Li diffusivity)이 증가됨을 확인할 수 있었다(하부도면).Through this, it can be seen that in the solid electrolyte doped with bromine (Br), sulfur (S) atoms vibrate the most (top drawing), and the more sulfur (S) atoms vibrate in the solid electrolyte, the higher the diffusivity of lithium. It was confirmed that this increased (lower drawing).

상기 이온전도도 예측 단계(S400)는 계산된 원자의 변위를 이용하여 이온전도도를 계산하여 이온전도도를 예측하는 단계이다.The ionic conductivity prediction step (S400) is a step of predicting ionic conductivity by calculating ionic conductivity using the calculated atomic displacement.

상기 이온전도도 예측 단계(S400)는 하기 식 2를 이용하여 리튬 이온의 확산계수(D)을 계산할 수 있다:In the ion conductivity prediction step (S400), the diffusion coefficient (D) of lithium ions can be calculated using the following equation 2:

[식 2][Equation 2]

상기 식 2에서, △r(t)은 측정시간(t) 동안의 평균변위(MSD)이고, D는 리튬 이온의 확산계수이다. 상기 측정시간(t)는 CP-MD 계산을 통한 원자의 운동에 대한 시간을 의미하는 것으로, 예를 들면, t = 120ps 일 경우 120ps 동안 원자를 운동(진동)시키는 것을 의미한다.In Equation 2, Δr(t) is the average displacement (MSD) during the measurement time (t), and D is the diffusion coefficient of lithium ions. The measurement time (t) refers to the time for the movement of atoms through CP-MD calculations. For example, when t = 120ps, it means moving (vibrating) the atoms for 120ps.

또한, 상기 이온전도도 예측 단계(S400)는 식 2에 의하여 얻어진 리튬 이온의 확산계수(D)를 하기 식 3을 이용하여, 화학식 1 또는 화학식 2의 황화물계 고체전해질의 이온전도도(σ)를 계산할 수 있다:In addition, in the ionic conductivity prediction step (S400), the ionic conductivity (σ) of the sulfide-based solid electrolyte of Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 is calculated using the diffusion coefficient (D) of lithium ions obtained by Equation 2 using Equation 3 below. You can:

[식 3][Equation 3]

상기 식 3에서, ρ는 단위 셀에서 확산되는 리튬 이온의 몰 밀도이고,In Equation 3 above, ρ is the molar density of lithium ions diffusing in the unit cell,

z는 리튬 이온의 전하(+1)이고, D는 상기 식 2에서 계산된 리튬 이온의 확산계수이고, F는 패러데이 상수이고, R은 기체 상수이고, T는 절대온도로 나타낸 실험된 환경의 온도를 나타낸다.z is the charge of lithium ion (+1), D is the diffusion coefficient of lithium ion calculated in Equation 2 above, F is Faraday's constant, R is the gas constant, and T is the temperature of the tested environment expressed in absolute temperature. represents.

상기 단위 셀은 하나의 전고체 리튬이차전지를 의미하고, T는 실험된 환경의 온도로 223~363K일 수 있다.The unit cell refers to one all-solid lithium secondary battery, and T is the temperature of the tested environment and may be 223 to 363 K.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전사모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 분석방법의 이온전도도 예측 단계에서 황화물계 고체전해질의 확산계수를 나타낸 그래프이다.Figure 13 is a graph showing the diffusion coefficient of the sulfide-based solid electrolyte in the ionic conductivity prediction step of the analysis method of the sulfide-based solid electrolyte using transfer simulation according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, 리튬 이온의 확산계수(D)는 브롬(Br)이 가장 크고, 이어서 염소(Cl), 요오드(I) 순으로 나타남을 확인할 수 있었고, 이온전도도는 리튬 이온의 확산계수(D)와 정비례하므로, 동일한 순서로 나타남을 확인할 수 있었다.Referring to Figure 13, it was confirmed that the diffusion coefficient (D) of lithium ions was the largest for bromine (Br), followed by chlorine (Cl) and iodine (I), and the ionic conductivity was determined by the diffusion coefficient of lithium ions ( Since it is directly proportional to D), it was confirmed that it appears in the same order.

상기 이온전도도 예측 단계(S400) 이후에, 예측된 이온전도도를 기준으로 황화물계 고체전해질에서 상대적으로 높은 이온전도성을 갖는 황화물계 고체전해질을 선정하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the ionic conductivity prediction step (S400), a step of selecting a sulfide-based solid electrolyte with relatively high ionic conductivity from the sulfide-based solid electrolyte based on the predicted ionic conductivity may be further included.

상기 황화물계 고체전해질을 선정하는 단계는 본 발명의 전산모사를 이용하여 화학식 1 또는 화학식 2의 황화물계 고체전해질의 예측된 이온전도도를 비교하여 상대적으로 높은 이온전도도를 갖는 황화물계 고체전해질을 선택할 수 있다.In the step of selecting the sulfide-based solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte with relatively high ionic conductivity can be selected by comparing the predicted ionic conductivity of the sulfide-based solid electrolyte of Formula 1 or Formula 2 using the computer simulation of the present invention. there is.

또한, 본 발명은 상기 서술한 황화물계 고체전해질의 설계방법에 의하여 설계된 황화물계 고체전해질을 포함하는 전고체전지를 제공한다.In addition, the present invention provides an all-solid-state battery containing a sulfide-based solid electrolyte designed by the above-described sulfide-based solid electrolyte design method.

본 발명에 따른 전고체전지는 양극활물질을 포함하는 양극; 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질 층; 및 음극활물질을 포함하는 음극을 포함할 수 있다.The all-solid-state battery according to the present invention includes a positive electrode containing a positive electrode active material; A solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte; And it may include a negative electrode containing a negative electrode active material.

구체적으로, 상기 전고체전지는 양극활물질을 포함하는 양극; 상기 양극 상에 형성되고, 황화물계 고체전해질을 포함하는 고체전해질 층; 및 상기 고체전해질 층 상에 형성되고, 음극활물질을 포함하는 음극을 포함할 수 있다.Specifically, the all-solid-state battery includes a positive electrode containing a positive electrode active material; A solid electrolyte layer formed on the anode and containing a sulfide-based solid electrolyte; and a negative electrode formed on the solid electrolyte layer and including a negative electrode active material.

상기 고체전해질 층에 포함된 황화물계 고체전해질은 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 황화물계 고체전해질일 수 있다:The sulfide-based solid electrolyte included in the solid electrolyte layer may be a sulfide-based solid electrolyte of the following Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2:

[화학식 1][Formula 1]

LiaPcSdXe Li a P c S d X e

[화학식 2][Formula 2]

LiaMbPcSdXe Li a M b P c S d X e

상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,In Formula 1 or Formula 2,

X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 셀레늄(Se) 및 텔레륨(Te) 중 적어도 하나 이상이고,X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I), selenium (Se), and tellurium (Te),

M은 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 또는 납(Pb)이고,M is silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or lead (Pb),

7≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤3, 10≤d≤12, 0<e≤2이다.7≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤3, 10≤d≤12, 0<e≤2.

구체적으로, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서, X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 셀레늄(Se) 또는 텔레륨(Te)이고, M은 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 또는 납(Pb)이고, 9≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤2, 10≤d≤12, 0<e≤2이다. 보다 구체적으로, 상기 화학식 1에서 a는 7, c는 3, d는 10, e는 1이고, 화학식 2에서 a는 10, b는 1.5, c는 1.5, d는 11.5 및 e는 0.5일 수 있다.Specifically, in Formula 1 or Formula 2, ), germanium (Ge), tin (Sn), or lead (Pb), and 9≤a≤12, 1≤b≤2, 1≤c≤2, 10≤d≤12, 0<e≤2. More specifically, in Formula 1, a is 7, c is 3, d is 10, and e is 1, and in Formula 2, a may be 10, b may be 1.5, c may be 1.5, d may be 11.5, and e may be 0.5. .

또한, 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 황화물계 고체전해질에서 X는 브롬(Br)일 수 있다. 상기와 같이 X가 브롬인 경우 황화물계 고체전해질의 리튬 이온의 확산통로의 폭(width)은 0.1~0.8Å 또는 0.1~0.5Å를 가지므로 리튬 이온이 활발하게 이동하여 높은 이온전도도를 나타낼 수 있다.Additionally, in the sulfide-based solid electrolyte of Formula 1 or Formula 2, X may be bromine (Br). As described above, when .

상기 양극은 양극 활물질, 황화물계 고체전해질 입자, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 형성되는 양극 슬러리를 알루미늄 호일과 같은 금속 기재 상에 코팅 및 건조하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 양극 슬러리는 이온성액체를 더 포함할 수 있다.The positive electrode can be manufactured by coating and drying a positive electrode slurry formed by mixing a positive electrode active material, sulfide-based solid electrolyte particles, a conductive material, a binder, and a solvent on a metal substrate such as aluminum foil. Additionally, the positive electrode slurry may further include an ionic liquid.

상기 양극 활물질은 산화환원반응에 의해 전기화학적으로 리튬을 삽입 또는 탈리 가능한 리튬을 포함하는 금속 산화물일 수 있으며, 예컨데 양극 활물질은 LiCoO2 등의 리튬코발트계, LiNiO2 등의 리튬니켈계, LiMn2O4 등의 리튬망간계, LiV2O5 등의 리튬바나듐계, LiFeO2 등의 리튬철계를 포함할 수 있다. 또한 양극 활물질은 NCM 소재가 사용될 수 있다. 즉 양극 활물질은 LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1), LiNixCoyMnzMaO2 (x+y+z+a=1)이 될 수 있으며, 여기서 M은 B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, 또는 W 등이 될 수 있다.The positive electrode active material may be a metal oxide containing lithium that can electrochemically insert or desorb lithium through a redox reaction. For example, the positive electrode active material is lithium cobalt-based such as LiCoO2, lithium nickel-based such as LiNiO2, and lithium such as LiMn2O4. It may include manganese-based, lithium vanadium-based such as LiV2O5, and lithium iron-based such as LiFeO2. Additionally, NCM material may be used as the positive electrode active material. That is, the positive electrode active material can be LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1), LiNixCoyMnzMaO2 (x+y+z+a=1), where M is B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb. , As, Sb, Bi, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, or W, etc. You can.

상기 황화물계 고체전해질 입자는 전술한 화학식 1 또는 화학식 2에 의한 고체전해질과 동일한 물질을 포함할 수 있다.The sulfide-based solid electrolyte particles may include the same material as the solid electrolyte according to Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 described above.

상기 도전재는 전지에 사용되는 도전재라면 특별히 제한되지 않으나, 그래핀, 카본 나노 튜브, 케첸 블랙, 활성탄, 분말 형태의 Super p carbon, 로드 형태의 Denka 또는 기상 성장 탄소 섬유(VGCF: vapor grown carbon fiber)를 포함할 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it is a conductive material used in batteries, but includes graphene, carbon nanotubes, Ketjen black, activated carbon, Super p carbon in powder form, Denka in rod form, or vapor grown carbon fiber (VGCF). ) may include.

바인더로는 일반적으로 불소계, 디엔계, 아크릴계, 실리콘계 중합체의 고분자 화합물을 사용할 수 있으며, 예컨데 상기 바인더는 니트릴부타디엔고무(NBR), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 스티렌부타디엔고무(SBR), 폴리이미드 등일 수 있다.As a binder, polymer compounds of fluorine-based, diene-based, acrylic-based, and silicone-based polymers can be used. For example, the binder includes nitrile butadiene rubber (NBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), It may be carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), polyimide, etc.

이온성 액체는 황화물계 고체전해질 입자와 반응성이 거의 없고, 열적 안정성이 우수한 물질이며, 황화물계 고체 전해질 입자 사이의 기공에 분포되어 추가적인 이온 전달 경로를 제공할 수 있다. 상기 이온성 액체는 적어도 하나의 양이온 및 적어도 하나의 음이온을 포함하여 구성될 수 있다.Ionic liquids have little reactivity with sulfide-based solid electrolyte particles and are materials with excellent thermal stability, and can provide an additional ion transfer path by being distributed in the pores between sulfide-based solid electrolyte particles. The ionic liquid may include at least one cation and at least one anion.

상기 음극은 음극 활물질, 황화물계 고체 전해질 입자, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 형성되는 음극 슬러리를 구리 호일 등에 코팅 및 건조하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 음극 슬러리는 이온성 액체를 더 포함할 수 있다.The negative electrode can be manufactured by coating and drying a negative electrode slurry formed by mixing a negative electrode active material, sulfide-based solid electrolyte particles, a conductive material, a binder, and a solvent on copper foil, etc. Additionally, the cathode slurry may further include an ionic liquid.

상기 음극 활물질은 음극 활물질은 산화환원반응에 의해 전기화학적으로 리튬을 삽입 또는 탈리 가능한 물질이 될 수 있다. 예컨데, 음극 활물질은 금속 리튬이나, 리튬과 합금화하는 LiAl계, LiAg계, LiPb계, LiSi계, LiIn계 합금을 포함할 수 있다.The negative electrode active material may be a material capable of electrochemically inserting or desorbing lithium through a redox reaction. For example, the negative electrode active material may include metallic lithium or a LiAl-based, LiAg-based, LiPb-based, LiSi-based, or LiIn-based alloy alloyed with lithium.

또한, 음극 활물질은 흑연이나 수지를 소성 탄소화한 난흑연화 탄소, 코크스를 열처리한 이흑연화 탄소, 풀러렌등의 일반 탄소 재료를 이용할 수도 있고, 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2 등과 같은 금속 산화물을 이용할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 음극 활물질은 흑연, 탄소섬유, 활성화 탄소 등을 이용할 수 있다.In addition, the negative electrode active material can be made of general carbon materials such as non-graphitized carbon obtained by carbonizing graphite or resin, graphitized carbon obtained by heat-treating coke, and fullerene, and TiO 2 and SnO 2 with a potential relative to lithium of less than 2 V. The same metal oxide may be used, but it is not limited thereto. In particular, graphite, carbon fiber, activated carbon, etc. can be used as the negative electrode active material.

상기 음극에서, 음극활물질을 제외하고는 상기 양극과 동일한 재료 및 방법에 의하여 제조될 수 있다.The negative electrode may be manufactured using the same materials and methods as the positive electrode except for the negative electrode active material.

상기 양극의 일면에 양극 집전체를 포함하고, 상기 음극의 일면에 음극 집전체를 포함할 수 있고, 상기 음극 집전체는 구리, 니켈, 은 및 스테인리스 강(SUS) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 양극 집전체는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄 및 스테인리스 강(SUS) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The anode may include a positive electrode current collector on one side of the positive electrode, and may include a negative electrode current collector on one side of the negative electrode, and the negative electrode current collector may include one or more selected from copper, nickel, silver, and stainless steel (SUS), , the positive electrode current collector may include one or more types selected from aluminum, aluminum alloy, titanium, and stainless steel (SUS).

Claims (10)

전사모사를 이용하여 전고체 리튬이차전지용 황화물계 고체전해질을 설계하는 방법으로,
상기 황화물계 고체전해질의 분자 구조를 모델링하는 구조 모델링 단계;
상기 황화물계 고체전해질의 분자 구조의 전하밀도분포를 계산하여 모델링하는 전하분포변화 모델링 단계;
상기 전하분포변화 모델링 단계를 거친 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함되는 원자 중 적어도 어느 하나 이상의 원자의 변위를 계산하는 변위 계산 단계; 및
계산된 원자의 변위를 이용하여 이온전도도를 계산하는 이온전도도 예측 단계;를 포함하고,
상기 구조 모델링 단계에서, 상기 황화물계 고체전해질은 하기 화학식 1을 포함하고,
상기 구조 모델링 단계는 제1 원리 계산을 기반으로 퀀텀 에스프레소 (Quantum Espresso) 프로그램을 이용하고,
상기 전하분포변화 모델링 단계는 상기 황화물계 고체전해질에 포함된 각 원자의 전하분포와 상기 황화물계 고체전해질의 전하분포의 차이를 캘리브레이션 하는 단계를 포함하고, 상기 황화물계 고체전해질에 전기장을 인가하여 전하분포의 변화를 측정하는 것을 포함하고,
상기 이온전도도 예측 단계는 하기 식 2를 이용하여 리튬 이온의 확산계수 (D)를 계산하는 것인 전산모사를 이용하고,
상기 이온전도도 예측 단계는 하기 식 3을 이용하여 상기 계산된 리튬 이온의 확산계수(D)로부터 화학식 1의 황화물계 고체전해질의 이온전도도(σ)를 계산하는 것인 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법:
[화학식 1]
LiaPcSdXe
상기 화학식 1에서,
X는 염소(Cl), 브롬(Br), 및 요오드(I) 중 적어도 하나 이상이고,
7≤a≤12, 1≤c≤3, 10≤d≤12, 0<e≤2이다.
[식 2]

상기 식 2에서, △r(t)은 측정시간(t) 동안의 평균변위(MSD)이고, D는 리튬 이온의 확산계수이다.
[식 3]

상기 식 3에서, ρ는 단위 셀에서 확산되는 리튬 이온의 몰 밀도이고,
z는 리튬 이온의 전하(+1)이고, D는 상기 식 2에서 계산된 리튬 이온의 확산계수이고, F는 패러데이 상수이고, R은 기체 상수이고, T는 절대온도로 나타낸 실험된 환경의 온도를 나타낸다.
A method of designing a sulfide-based solid electrolyte for an all-solid lithium secondary battery using transfer simulation,
A structural modeling step of modeling the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte;
A charge distribution change modeling step of calculating and modeling the charge density distribution of the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte;
A displacement calculation step of calculating the displacement of at least one atom included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte that has undergone the charge distribution change modeling step; and
It includes an ionic conductivity prediction step of calculating ionic conductivity using the calculated atomic displacement,
In the structural modeling step, the sulfide-based solid electrolyte includes the following Chemical Formula 1,
The structural modeling step uses the Quantum Espresso program based on first principles calculations,
The charge distribution change modeling step includes calibrating the difference between the charge distribution of each atom included in the sulfide-based solid electrolyte and the charge distribution of the sulfide-based solid electrolyte, and applying an electric field to the sulfide-based solid electrolyte to generate the charge. Including measuring changes in distribution,
The ionic conductivity prediction step uses computer simulation to calculate the diffusion coefficient (D) of lithium ions using Equation 2 below,
The ionic conductivity prediction step is to calculate the ionic conductivity (σ) of the sulfide-based solid electrolyte of Formula 1 from the calculated diffusion coefficient (D) of lithium ions using Equation 3 below. Sulfide-based solid electrolyte using computer simulation Design method:
[Formula 1]
LiaPcSdXe
In Formula 1,
X is at least one of chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I),
7≤a≤12, 1≤c≤3, 10≤d≤12, 0<e≤2.
[Equation 2]

In Equation 2, Δr(t) is the average displacement (MSD) during the measurement time (t), and D is the diffusion coefficient of lithium ions.
[Equation 3]

In Equation 3 above, ρ is the molar density of lithium ions diffusing in the unit cell,
z is the charge of lithium ion (+1), D is the diffusion coefficient of lithium ion calculated in Equation 2 above, F is Faraday's constant, R is the gas constant, and T is the temperature of the tested environment expressed in absolute temperature. represents.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 전하분포변화 모델링 단계 및 변위 계산 단계 사이에 확산통로 계산 단계를 더 포함하는 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법.
According to paragraph 1,
A method for designing a sulfide-based solid electrolyte using computational simulation further comprising a diffusion path calculation step between the charge distribution change modeling step and the displacement calculation step.
제1항에 있어서,
상기 변위 계산 단계는 카-파리넬로 분자동역학(Car-Parrinello molecular dynamics)를 통해 하기 식 1을 이용하여 황화물계 고체전해질의 분자 구조에 포함되는 원자 중 적어도 어느 하나 이상의 원자의 평균제곱의 변위(mean square displacement)를 계산하는 것인 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법:
[식 1]

상기 식 1에서, to는 기준시간(time origin), nt는 to의 총 개수, N은 총 원자의 개수, t는 측정시간. Ri(t)은 t에서의 ith원자의 위치이다.
According to paragraph 1,
The displacement calculation step is the mean square displacement (mean) of at least one of the atoms included in the molecular structure of the sulfide-based solid electrolyte using Equation 1 below through Car-Parrinello molecular dynamics. Design method of sulfide-based solid electrolyte using computer simulation to calculate square displacement:
[Equation 1]

In Equation 1, t o is the reference time (time origin), n t is the total number of t o , N is the total number of atoms, and t is the measurement time. R i (t) is the position of the i th atom at t .
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서, X는 브롬(Br)인 전산모사를 이용한 황화물계 고체전해질의 설계방법.
According to paragraph 1,
In Formula 1, X is bromine (Br). Design method of a sulfide-based solid electrolyte using computer simulation.
제1항, 제5항, 제6항 및 제9항 중 어느 한 항에 의하여 설계된 황화물계 고체전해질;을 포함하는 전고체전지.
An all-solid-state battery comprising a sulfide-based solid electrolyte designed according to any one of claims 1, 5, 6, and 9.
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