WO2020036290A1 - 이온 전도성 고체 전해질 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학 장치 - Google Patents

이온 전도성 고체 전해질 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학 장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a novel solid electrolyte compound having excellent ion conductivity, a preparation method thereof, and an electrochemical device including the same.
  • Rechargeable and rechargeable secondary lithium-ion batteries are used in a variety of applications, from portable electronic devices to batteries for electric vehicles.
  • commercial lithium ion batteries use a flammable organic liquid electrolyte with low thermal stability, which is an important safety issue.
  • lithium dendrite grows in the organic electrolyte, a lithium ion battery may be shorted.
  • Solid lithium ion electrolytes with high ion conductivity and excellent mechanical strength include lithium-air batteries, lithium-based red-ox flow batteries, Li-H 2 O 2 semi-fuel cells, and chemical sensors. And the like.
  • crystalline oxides and sulfide compounds containing lithium have been extensively studied as solid electrolytes.
  • Common sulfide-based solid electrolytes include argyrodite Li 6 PS 5 I, thio-LISICON Li 4-x Ge 1-x P x S 4 , and Li 10 GeP 2 S 12 .
  • These sulfide based solid electrolytes have a lithium ion conductivity similar or higher than that of conventional liquid electrolytes.
  • sulfide-based solid electrolyte compounds have a problem of being sensitive to moisture.
  • oxide-based solid electrolyte compounds are relatively excellent in ease of handling, mechanical properties, chemical properties and thermal stability.
  • Li 3x La 2 / 3-x TiO 3 having a perovskite structure is described by Liquan et al. "" High ionic conductivity in lithium lanthanum titanate. " Solid State Commun.
  • Li-ion conductor Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 with NASICON structure is described by Adachi et al. ["High Li + conducting ceramics.” Acc. Chem. Res. 27, 265-270, 2003. Lithium ion conductors having a garnet structure have been reported in patents WO 2005/085138 and WO 2009/003695. However, the conventional oxide-based solid electrolyte compound has a relatively low ion conductivity, and there is a need for improvement thereof.
  • One object of the present invention is to provide an ion conductive solid electrolyte compound having excellent thermal and chemical stability, very good cationic conductivity and very low electronic conductivity.
  • Another object of the present invention is to provide a method for preparing the ion conductive solid electrolyte compound.
  • Still another object of the present invention is to provide an electrochemical device having an electrolyte layer made of the ion conductive solid electrolyte compound.
  • the ion conductive solid electrolyte compound according to the embodiment of the present invention is a crystalline oxide, and has a stoichiometry of the following Chemical Formula 1.
  • A is a cation having an oxidation state of +1
  • M is a cation having an oxidation state of +4, +5 or +6, and T is +4, +5 or +6 It is a cation having an oxidation state
  • x and y are real numbers greater than 0 independent of each other
  • x is a real number greater than 0 and less than 3y.
  • A includes at least one selected from the group consisting of lithium ions (Li + ), sodium ions (Na + ), hydrogen ions (H + ) and hydronium ions (H 3 O + ),
  • the M is a titanium ion (Ti 4 + ), zirconium ion (Zr 4 + ), hafnium ion (Hf 4 + ), niobium ion (Nb 5 + ), tantalum ion (Ta 5+ ) and antimony ion (Sb 5 And at least one selected from the group consisting of + , wherein T is silicon ions (Si 4+ ), germanium ions (Ge 4+ ), phosphorus ions (P 5+ ), arsenic ions (As 5+ ), vanadium ions (V 5+ ), sulfur ions (S 6+ ), molybdenum ions (Mo 6+ ), and tungsten ions (W 6+ ).
  • the T may include one or more selected from the group consisting of germanium ions (Ge 4+ ), phosphorus ions (P 5+ ), arsenic ions (As 5+ ) and vanadium ions (V 5+ ). have.
  • M may be coordinated with an oxygen anion to form an MO 6 octahedral unit
  • T may be coordinated with an oxygen anion to form a TO 4 tetrahedral unit.
  • the ion conductive solid electrolyte compound may include a first lattice layer formed by connecting the MO 6 octahedral units in a rectangular lattice shape along a first plane; A second lattice layer in which the MO 6 octahedral units are connected in a rectangular lattice shape along a second plane parallel to the first plane; And two TO 4 tetrahedral units coupled to share one MO 6 octahedral unit and two vertices thereof, disposed between the first lattice layer and the second lattice layer, a connecting layer comprising a terpolymer link unit coupled with the MO 6 octahedron unit and the MO 6 octahedron unit of the second grid layer, said a is in the MO 6 octahedral units and the tO 4 tetrahedra unit It can be placed in the space between.
  • each of the first and second lattice layers eight MO 6 octahedral units are disposed at positions corresponding to four vertices and four sides of a quadrangle, and among the MO 6 octahedral units.
  • the MO 6 octahedral units respectively disposed at positions corresponding to the four vertices are connected to share vertices with four adjacent MO 6 octahedral units, respectively, to form first octahedral units, wherein the MO 6 octahedral units are
  • the MO 6 octahedral units respectively disposed at positions corresponding to the four sides may be connected to share vertices with two adjacent MO 6 octahedral units, respectively, to form second octahedral units.
  • the second grating layer is shifted by a first spacing and a second spacing in a first axis and a second axis defining the first plane and the second plane, respectively, relative to the first grating layer.
  • a first spacing and a second spacing in a first axis and a second axis defining the first plane and the second plane, respectively, relative to the first grating layer.
  • the MO 6 octahedral units of the trimer link unit are two second octahedrons each disposed at positions corresponding to two sides connected to first vertices of a first rectangle of the first lattice layer.
  • Two second octahedral units each disposed at a position corresponding to two sides connected to a second vertex opposite to the first vertex of the second quadrangle of the second lattice layer corresponding to the first quadrangle
  • the second octahedral units and one first octahedral unit disposed at a position corresponding to the second vertex of the second quadrangle are connected to share a vertex, and the two of the trimeric link unit
  • One of the four TO 4 tetrahedral units corresponds to one side of the first octahedral unit disposed at a position corresponding to the first vertex of the first rectangle and two sides connected to the first vertex of the second rectangle It can be connected to share a vertex with the two second octahedral units disposed in each of the positions.
  • each of the first and second lattice layers has a composition that stoichiometrically corresponds to [M 3 O 18/2 ] 3-
  • the connecting layer is stoichiometrically [MT 2 O 14 / 2 ] + may have a composition corresponding to.
  • a method of manufacturing an ion conductive solid electrolyte compound may include mixing and grinding raw materials of A, M, and T to form a first raw material; Primary heat treatment of the first raw material; Grinding and mixing the first heat-treated first raw material through a wet ball mill process to form a second raw material; Compression molding the second raw material; And sintering the compression molded second raw material.
  • the raw material of A is used a carbonate or nitrate compound of A
  • the raw material of M is used an oxide or halide of M
  • the raw material of T is used an oxide salt compound of T Can be.
  • the first heat treatment for the first raw material is carried out for 6 to 12 hours at a temperature of 500 to 1000 °C
  • the sintering for the second raw material is 12 in a temperature range of 900 to 1200 °C To 48 hours.
  • Li 2 CO 3 or LiNO 3 is a raw material of lithium (Li) and (NH 4 as a raw material of phosphorus (P) ) 2 HPO 4 , (NH 4 ) H 2 PO 4 or (NH 4 ) 3 PO 4 is used, or LiPO 3 or LiH 2 PO 4 is used as a raw material of the lithium and phosphorus, as a raw material of tantalum (Ta) Ta 2 O 5 can be used.
  • An electrochemical device includes a first electrode; A second electrode spaced apart from the first electrode; And a solid electrolyte layer disposed between the first electrode and the second electrode, wherein the solid electrolyte layer may be formed of an ion conductive solid electrolyte compound according to the present invention.
  • the solid electrolyte layer is at least one ion selected from the group consisting of lithium ions (Li + ), sodium ions (Na + ), hydrogen ions (H + ) and hydronium ions (H 3 O + ). It may have conductivity.
  • the electrochemical device is a sodium ion battery, lithium ion battery, lithium-air battery (Li-Air battery), hydrogen fuel cell, proton exchange membrane fuel cell, lithium-based redox flow battery (Li-redox flow battery), Li-H 2 O 2 It may be one selected from the group consisting of a semi-fuel cell and a chemical sensor.
  • the ion-conducting solid electrolyte compound according to the present invention has a novel three-dimensional skeleton structure, which has not been disclosed in the prior art, and enables three-dimensional conduction of cations such as lithium ions, sodium ions, hydrogen ions, and hydronium ions without prior orientation. Excellent thermal and chemical stability.
  • the ion conductive solid electrolyte compound according to the present invention can solve the stability problem of the liquid electrolyte, and has very good cation conductivity and very low electronic conductivity.
  • the ion conductive solid electrolyte compound is a lithium-air battery (Li-Air battery), a lithium-based redox flow battery (Li-redox flow battery), Li-H 2 O 2 semi-fuel cell, a chemical sensor, etc. Can be applied as In addition, the ion conductive solid electrolyte compound according to the present invention is very advantageous for commercial applications such as mass production due to the simple manufacturing method and low price of raw materials.
  • FIG. 1A and 1B are views for explaining a crystal structure of an ion conductive solid electrolyte compound according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of preparing an ion conductive solid electrolyte compound according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating an electrochemical device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A and 4B are graphs showing ion conductivity with temperature measured for pellets in LiTa 2 PO 8 prepared according to Example 1.
  • FIG. 4A and 4B are graphs showing ion conductivity with temperature measured for pellets in LiTa 2 PO 8 prepared according to Example 1.
  • FIG. 6 is a graph showing the alternating current impedance measured for LiTa 2 PO 8 pellets prepared according to Example 1.
  • FIG. 1A and 1B are views for explaining a crystal structure of an ion conductive solid electrolyte compound according to an embodiment of the present invention.
  • the ion conductive solid electrolyte compound according to the embodiment of the present invention may have a stoichiometry of Chemical Formula 1 as a crystalline oxide, and may have high ionic conductivity.
  • 'A' may be a cation having an oxidation state of +1
  • 'M' may be a cation having an oxidation state of +4, +5 or +6, and 'T' is + It may be a cation having an oxidation state of tetravalent, +5 or +6.
  • x and y are real numbers greater than zero independent of each other and x may be a real number greater than 0 and less than or equal to 3y. For example, both x and y may be 1.
  • A may include one or more selected from lithium ions (Li + ), sodium ions (Na + ), hydrogen ions (H + ), hydronium ions (H 3 O + ), and the like, and M Silver Titanium Ion (Ti 4+ ), Zirconium Ion (Zr 4+ ), Hafnium Ion (Hf 4+ ), Niobium Ion (Nb 5+ ), Tantalum Ion (Ta 5+ ), Antimony Ion (Sb 5+ ) It may include one or more selected from, etc., T is silicon ions (Si 4 + ), germanium ions (Ge 4 + ), phosphorus ions (P 5 + ), arsenic ions (As 5 + ), vanadium ions (V 5 + ), Sulfur ions (S 6+ ), molybdenum ions (Mo 6+ ), tungsten ions (W 6+ ) and the like may be included.
  • T may include one or more selected from germanium
  • the M is six times coordinated by the oxygen anion to form an MO 6 octahedral unit
  • the T is four times coordinated by the oxygen anion to form a TO 4 tetrahedral unit Can be formed.
  • some of the MO 6 octahedral units may be combined to share a vertex with two TO 4 tetrahedral units to form a trimeric link unit.
  • the two TO 4 tetrahedral units each include oxygen ions positioned at a first vertex and a second vertex opposite to the first vertex of the MO 6 octahedral unit. Can be combined to share.
  • the ion conductive solid electrolyte compound is a first lattice layer formed by connecting the MO 6 octahedral units in a rectangular lattice shape along the ab plane, disposed above the first lattice layer and the MO 6 octahedral units and a second lattice layer formed by being connected in a rectangular lattice shape along an ab plane, and a connecting layer including the trimer link units connecting the first lattice layer and the second lattice layer.
  • the MO 6 octahedral units in the first lattice layer and the second lattice layer may be connected in a quadrangular shape, for example, a rhombus lattice.
  • each of the first and second lattice layers eight MO 6 octahedral units may be disposed at positions corresponding to vertices and sides of the rhombus, in which case the MO 6 octahedrons are disposed at positions corresponding to four vertices.
  • the units may be connected to each other to share a vertex with four adjacent MO 6 octahedral units to form a first octahedral unit, and the MO 6 octahedral units disposed at positions corresponding to the four sides may each have two adjacent MO 6 octahedrons.
  • the vertices can be connected to share the vertices with the units to form a second octahedral unit.
  • each of the first octahedral unit and the second octahedral unit may have a composition of MO 6/2 .
  • Each of the first and second lattice layers formed as described above may have a composition corresponding to [M 3 O 18/2 ] 3- in stoichiometry.
  • the second grating layer is shifted by the first interval 'a' in the a-axis and the second interval 'b' in the b-axis compared to the first grating layer to be disposed on the first grating layer. Can be.
  • the MO 6 octahedral units of the trimer link unit are two second octahedral units and two second octahedral units respectively positioned at two sides connected to a first vertex of a rhombus of the first lattice layer. It may be connected to share a vertex with the two second octahedral units respectively located on two sides connected to a second vertex opposite to the first vertex of the rhombus of the lattice layer. That is, the MO 6 octahedral units of the trimer link unit may be connected to share vertices with the four second octahedral units and the two TO 4 tetrahedral units.
  • One of the two TO 4 tetrahedral units of the trimeric link unit is two second octahedral units each positioned at two sides connected to a second vertex of a rhombus of the first lattice layer and the second One first octahedral unit located at the second vertex of the rhombus of the lattice layer may be connected to share a vertex, and one of two TO 4 tetrahedral units of the trimer link unit is the first lattice layer Share a vertex with one of the first octahedral units located at a first vertex of the rhombus and two second octahedral units each located at two sides connected to a first vertex of the rhombus of the second lattice layer of Can be connected.
  • each of the two TO 4 tetrahedral units of the trimeric link unit includes one MO 6 octahedral unit, two second octahedral units, and one first octahedral unit that form the trimeric link unit; Can be connected to share the vertices.
  • each of the first and second lattice layers may have a composition that stoichiometrically corresponds to [M 3 O 18/2 ] 3- , and the connection layer is stoichiometrically [MT 2 O 14/2. ] + May have a composition corresponding to.
  • the A ion may be disposed in a space between the MO 6 octahedral units and the TO 4 tetrahedral units.
  • the ion-conducting solid electrolyte compound according to the present invention has a novel three-dimensional skeleton structure, which has not been disclosed in the prior art, and enables three-dimensional conduction of cations such as lithium ions, sodium ions, hydrogen ions, and hydronium ions without prior orientation. Excellent thermal and chemical stability.
  • the ion conductive solid electrolyte compound according to the present invention can solve the stability problem of the liquid electrolyte, and has very good cation conductivity and very low electronic conductivity.
  • Such ion conductive solid electrolyte compounds include sodium ion batteries, sodium metal batteries, lithium ion batteries, lithium metal batteries, Lithium-air battery, hydrogen fuel cell, proton exchange membrane fuel cell, Li-redox flow battery, Li-H 2 O 2 semi fuel cell, chemical sensor It can be applied as an electrolyte material.
  • the ion-conducting solid electrolyte compound according to the present invention is very advantageous for commercial applications such as mass production due to the simple manufacturing method and low price of raw materials.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of preparing an ion conductive solid electrolyte compound according to an embodiment of the present invention.
  • the method for preparing an ion conductive solid electrolyte compound relates to a method for preparing an ion conductive solid electrolyte compound having a stoichiometric formula of Chemical Formula 1, wherein raw materials are mixed and pulverized. 1 forming a raw material (S110); Primary heat treatment of the first raw material (S120); Forming a second raw material by pulverizing and mixing the first raw material subjected to the first heat treatment through a wet ball mill process (S130); Compression molding the second raw material (S140); And sintering the compression-molded second raw material (S150).
  • a raw material of A may be a compound such as carbonate, nitrate, etc. of A, and a raw material of M may be a compound of M oxide, halide or the like.
  • an oxide salt compound of T may be used as the raw material of T.
  • LiTa 2 PO 8 as the ion conductive solid electrolyte compound
  • a raw material of lithium (Li) Li 2 CO 3 , LiNO 3 and the like may be used
  • tantalum ( Ta 2 O 5 may be used as a raw material of Ta)
  • (NH 4 ) 2 HPO 4 , (NH 4 ) H 2 PO 4 , (NH 4 ) 3 PO 4, etc. may be used as a raw material of phosphorus (P).
  • LiPO 3 , LiH 2 PO 4, or the like may be used as raw materials of lithium (Li) and phosphorus (P).
  • the raw materials of A, M, and T may be mechanically rubbed and uniformly pulverized while mixing the raw materials.
  • the uniformly ground and mixed raw materials may be heated at a temperature of about 500 to 1000 ° C. for about 6 to 12 hours.
  • the impurity component and the like contained in the raw materials may be volatilized and removed.
  • the first raw materials are further ground through a ball mill process using an oxide ball, for example, zirconium oxide ball, which is stable in a toluene solvent. Can be.
  • an oxide ball for example, zirconium oxide ball, which is stable in a toluene solvent. Can be.
  • the first raw material may be compression molded in the form of pellets.
  • the second raw material compression-molded in the form of pellets may be sintered for about 12 to 48 hours at a temperature range of about 900 to 1200 ° C.
  • the second raw material in the form of pellets may be sintered in a state covered with powder having the same composition. Through this sintering process, the second raw material may be crystallized.
  • the method for preparing an ion conductive solid electrolyte compound according to an embodiment of the present invention A A ion in the first ion conductive solid electrolyte compound comprising a first ion of A ions
  • the method may further include preparing a second ion conductive solid electrolyte compound by exchanging with another second ion.
  • the lithium ion (Li + ) in the first ion-conducting solid electrolyte compound containing lithium ions (Li + ) through the ion exchange reaction hydrogen ions (H + ), hydronium ions (H 3 O + ) Or sodium ions (Na + ) to prepare the second ion conductive solid electrolyte compound.
  • LiTa 2 PO hydrogen ions (H +) or hydronium ions for the lithium ion (Li +) in 8 (H 3 O +) in the exchange LiTa 2 PO 8 from HTa 2 PO 8 ⁇ 2 O ( x is a real number from 0 to 1).
  • LiTa 2 PO 8 by mixing LiTa 2 PO 8 in an acidic aqueous solution containing hydrogen ions (H + ) or hydronium ions (H 3 O + ), and heating it to a constant temperature, lithium ions in the LiTa 2 PO 8 lattice (Li + ) may be exchanged to hydrogen ions (H + ) or hydronium ions (H 3 O + ) through an ion exchange reaction.
  • the acidic aqueous solution is not particularly limited as long as it contains hydrogen ions (H + ) or hydronium ions (H 3 O + ).
  • hydrogen ions (H + ) or hydronium ions (H 3 O + ) for example, nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, acetic acid, or the like may be used.
  • the LiTa 2 PO 8 and The mixed solution of the acidic aqueous solution may be heated at a temperature of about 40 to 100 ° C. for about 6 to 72 hours. At this time, for a uniform reaction, the mixed solution can be continuously stirred with a stirrer, it is possible to prevent the loss of the acidic aqueous solution by using a reflux device during heating.
  • the second ion conductive solid electrolyte compound may be washed with water and ethanol, and then dried at a temperature of 100 ° C. or higher.
  • LiTa 2 PO 8 in another embodiment, to exchange the lithium-ion (Li +), sodium ion (Na +) in LiTa 2 PO 8, it is possible to manufacture a NaTa 2 PO 8 from LiTa 2 PO 8. For example, a mixture by the addition of LiTa 2 PO 8 in a molten state by heating the sodium salt of the above melting point, or after mixing with an ionic solvent, such as water, addition of sodium salt and LiTa 2 PO 8 heated to a certain temperature As a result, lithium ions (Li + ) in the LiTa 2 PO 8 lattice may be exchanged with sodium ions (Na + ) through an ion exchange reaction.
  • the sodium salt is not particularly limited as long as it is a substance capable of providing sodium ions in a molten or dissolved state.
  • sodium nitrate may be used.
  • the solution may be heated at a temperature of about 40 to 380 ° C. for about 1 to 48 hours.
  • the mixed solution can be continuously stirred with a stirrer, and the loss of the solvent can be prevented by using a reflux apparatus during heating.
  • the second ion conductive solid electrolyte compound may be washed with water and ethanol, and then dried at a temperature of 100 ° C. or higher.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating an electrochemical device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • an electrochemical device 100 may include a first electrode 110, a second electrode 120, and a solid electrolyte layer 130.
  • the first and second electrodes 110 and 120 may be formed of an electrically conductive material.
  • the solid electrolyte layer 130 may be disposed between the first and second electrodes and formed of an ion conductive solid electrolyte compound according to an embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • the solid electrolyte layer 130 may have conductivity to at least one A ion selected from lithium ions (Li + ), sodium ions (Na + ), hydrogen ions (H + ), hydronium ions (H 3 O + ), and the like. Can be.
  • the electrochemical device 100 includes an electrolyte layer having conductivity for lithium ions (Li + ), sodium ions (Na + ), hydrogen ions (H + ), hydronium ions (H 3 O + ), and the like. If it is a necessary element, it will not specifically limit.
  • the electrochemical device 100 may include a sodium ion battery, a sodium metal battery, a lithium ion battery, a lithium metal battery, a lithium-air battery, a hydrogen fuel cell, a proton exchange membrane fuel cell, and a lithium-based battery. It may be one selected from a redox flow battery (Li-redox flow battery), Li-H 2 O 2 semi-fuel cell, a chemical sensor, and the like.
  • the electrolyte layer 130 may be formed of an ion conductive solid electrolyte compound in which A is sodium ion in Formula 1 above.
  • the electrochemical device 100 is a lithium ion battery, a lithium-air battery (Li-Air battery), a lithium-based redox flow battery (Li-redox flow battery), Li-H 2 O 2
  • the electrolyte layer 130 may be formed of an ion conductive solid electrolyte compound in which A is lithium ion.
  • the electrolyte layer 130 may be formed of an ion conductive solid electrolyte compound in which A is hydrogen ion in Formula 1 above. Can be.
  • the electrolyte layer 130 may be formed of an ion conductive solid electrolyte compound in which A is sodium ion in Formula 1 above.
  • LiH 2 PO 4 and Ta 2 O 5 were mixed in a stoichiometric ratio and then ground using a mortar and then heated in air at 600 ° C. for 8 hours, and then the resulting mixture was mixed again for 8 hours at 1000 ° C. Heated, and the resulting mixture was triturated in toluene using zirconium balls for 1 hour.
  • the pulverized powder was then compression molded into pellets having a diameter of 1.05 cm and a thickness of 0.21 cm, which was sintered at 1050 ° C. for 12 hours. At this time, the pellet was sintered while being covered with powders of the same composition to prevent loss of lithium.
  • Ion conductivity was measured at various temperatures for pellets in LiTa 2 PO 8 prepared according to Example 1, and the results are shown in Table 1 and FIG. 4A as well as the conventional ion conductive solid electrolyte materials in FIG. 4B. The comparison is shown.
  • the LiTa 2 PO 8 compound prepared according to Example 1 has a very good ion conductivity throughout the measured temperature range.
  • the bulk conductivity at room temperature (25 ° C.) is 1.6 ⁇ 10 ⁇ 3 Scm ⁇ 1
  • the total conductivity including bulk and grain boundaries is 2.9 ⁇ 10 4 Scm ⁇ 1 It was determined to be, which exceeds the highest level of conductivity reported in other oxide-based solid electrolytes studied so far.
  • FIG. 6 is a graph showing the alternating current impedance measured for LiTa 2 PO 8 pellets prepared according to Example 1.
  • the graph of FIG. 6 was measured at a temperature of 4 ° C. in air for LiTa 2 PO 8 pellets prepared to have a thickness of 0.21 cm and a diameter of 1.05 cm according to Example 1, with each point at a frequency between 5 Hz and 13 MHz.
  • the measured experimental values and the continuous line represent simulation data for an equivalent circuit corresponding to (R b CPE b ) (R gb CPE gb ) (CPE el ) using a ZView program.
  • R is a resistance
  • CPE is a constant phase element
  • the exponents b, gb and el represent bulk, grain boundaries and electrodes.
  • the small semicircles appearing at high frequencies above 1.6 MHz, the large semicircles between 1.6 MHz and 2.5 kHz, and the linear graphs coming out of the low range below 2.5 kHz contribute to the bulk, grain boundaries, and electrodes, respectively.
  • the bulk resistance can be obtained from the diameter of the small semicircle and the resistance of the grain boundaries can be determined from the diameter of the large semicircle. Substituting this resistance value into Equation 1, the bulk conductivity is calculated as 5.38 ⁇ 10 -4 Scm -1 , the grain boundary conductivity is 6.58 ⁇ 10 -5 Scm -1 , and the overall conductivity is 5.86 ⁇ 10 -5 Scm -1 .
  • electrochemical device 110 first electrode

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Abstract

결정질 산화물로서, "Ax(M2TO8)y"의 화학양론식을 가지는 이온 전도성 고체 전해질 화합물이 개시된다. 상기 화학량론식에서, A는 +1가 산화상태를 갖는 양이온이고, M은 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온이고, T는 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온이며, x 및 y는 0 초과의 서로 독립적인 실수(real number)로서 x는 3y 이하이다. 이러한 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 높은 이온 전도도 및 낮은 전자 전도도를 갖는다.

Description

이온 전도성 고체 전해질 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학 장치
본 발명은 이온 전도성이 우수한 신규한 고체 전해질 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학 장치에 관한 것이다.
충·방전이 가능한 2차 리튬이온 배터리는 휴대용 전자 기기에서부터 전기 자동차용 배터리에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용된다. 그러나 상업용 리튬 이온 배터리는 열 안정성이 낮은 가연성 유기 액체 전해질을 사용하기 때문에 중요한 안전 문제가 있다. 또한, 유기 전해질 안에서 리튬의 수지상 결정(dendrite)이 성장하면 리튬 이온 배터리가 단락되는 문제를 가지고 있다.
이러한 유기 액체 전해질의 문제점을 해결하기 위해 고체 전해질 소재에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 휘발성이 없고 열적으로 안정한 고체 전해질로 유기 액체 전해질을 대체하면 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 이온전도도가 높고 기계적 강도가 우수한 고체 리튬 이온 전해질은 리튬 공기전지(Li-Air battery), 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery), Li-H2O2 세미 연료전지, 화학적 센서 등에 적용될 수 있다.
특히, 리튬을 함유한 결정질 산화물 및 황화물 화합물은 고체 전해질로서 광범위하게 연구되어왔다. 일반적인 황화물계 고체 전해질로는 아기로다이트(argyrodite)계 Li6PS5I, thio-LISICON계 Li4-xGe1-xPxS4, Li10GeP2S12 등이 있다. 이들 황화물계 고체 전해질은 종래의 액체 전해질과 유사 또는 더 높은 리튬이온 전도도를 갖는다. 그러나 황화물계 고체 전해질 화합물은 수분에 민감한 문제점이 있다. 반면에, 산화물계 고체 전해질 화합물은 취급 용이성, 기계적 특성, 화학적 특성 및 열적 안정성이 상대적으로 우수하다. 산화물계 리튬이온 고체 전해질로 페로브스카이트(perovskite)계 Li3xLa2/3-xTiO3, NASICON계 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3, 석류석(garnet)계 Li7La3Zr2O12 등이 주목할 만한 리튬이온 전도도를 나타낸다. 이들 산화물계 고체 전해질은 상온에서 1×10-4 Scm-1의 리튬 이온 전도도를 보이며, 공기 및 수분에 안정하다. 페로브스카이트 구조를 갖는 리튬이온 전도체 Li3xLa2/3-xTiO3은 Liquan 등에 의한 연구논문 ["High ionic conductivity in lithium lanthanum titanate." Solid State Commun. 86, 689-693, 1993]에 기술되었고, NASICON 구조를 갖는 리튬이온 전도체 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3은 Adachi 등에 의한 연구논문 ["High Li+ conducting ceramics." Acc. Chem. Res. 27, 265-270, 2003]에서 기술되었다. 석류석 구조를 갖는 리튬이온 전도체는 특허 WO 2005/085138과 WO 2009/003695를 통해 보고되었다. 하지만, 종래의 산화물계 고체 전해질 화합물은 이온 전도성이 상대적으로 낮아서, 이의 개선이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 열적 및 화학적 안정성이 우수하고, 매우 우수한 양이온 전도도 및 매우 낮은 전자 전도도를 갖는 이온 전도성 고체 전해질 화합물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 이루어진 전해질층을 구비하는 전기화학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 결정질 산화물로서, 하기 화학식 1의 화학양론식을 갖는다.
[화학식 1]
Ax(M2TO8)y
상기 화학식 1에서, A는 +1가 산화상태를 갖는 양이온이고, M은 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온이고, T는 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온이며, x 및 y는 서로 독립적인 0 초과의 실수(real number)로서 x는 0 초과 3y 이하의 실수이다.
일 실시예에 있어서, 상기 A는 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 수소 이온(H+) 및 하이드로늄 이온(H3O+)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 M은 타이타늄 이온(Ti4+), 지르코늄 이온(Zr4+), 하프늄 이온(Hf4+), 니오븀 이온(Nb5+), 탄탈럼 이온(Ta5+) 및 안티모니 이온(Sb5+)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 상기 T는 실리콘 이온(Si4+), 게르마늄 이온(Ge4+), 인 이온(P5+), 비소 이온(As5+), 바나듐 이온(V5+), 황 이온(S6+), 몰리브덴 이온(Mo6+) 및 텅스텐 이온(W6+)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 T는 게르마늄 이온(Ge4+), 인 이온(P5+), 비소 이온(As5+) 및 바나듐 이온(V5+)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 결정 내에서, 상기 M은 산소 음이온에 의해 6배위되어 MO6 팔면체 단위를 형성하고, 상기 T는 산소 음이온에 의해 4배위되어 TO4 사면체 단위를 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 상기 MO6 팔면체 단위들이 제1 평면을 따라 사각형 격자 형태로 연결되어 형성된 제1 격자층; 상기 MO6 팔면체 단위들이 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면을 따라 사각형 격자 형태로 연결되어 형성된 제2 격자층; 및 1개의 상기 MO6 팔면체 단위 및 이의 2개의 꼭지점을 공유하도록 결합된 2개의 상기 TO4 사면체 단위를 구비하고, 상기 제1 격자층과 상기 제2 격자층 사이에 배치되어 상기 제1 격자층의 MO6 팔면체 단위들 및 상기 제2 격자층의 상기 MO6 팔면체 단위들과 결합하는 삼량체 링크 단위를 구비하는 연결층을 포함하고, 상기 A는 상기 MO6 팔면체 단위들 및 상기 TO4 사면체 단위들 사이의 공간에 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 격자층 각각에 있어서, 8개의 상기 MO6 팔면체 단위들이 사각형의 4개의 꼭지점 및 4개의 변에 대응되는 위치에 배치되고, 상기 MO6 팔면체 단위들 중 상기 4개의 꼭지점에 대응하는 위치에 각각 배치된 MO6 팔면체 단위들은 각각 인접한 4개의 MO6 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되어 제1 팔면체 단위들을 각각 형성하며, 상기 MO6 팔면체 단위들 중 상기 4개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 MO6 팔면체 단위들은 각각 인접한 2개의 MO6 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되어 제2 팔면체 단위들을 각각 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 격자층은 상기 제1 격자층에 비해 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면을 정의하는 제1 축 및 제2 축으로 각각 제1 간격 및 제2 간격만큼 쉬프트될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 삼량체 링크 단위의 상기 MO6 팔면체 단위는 상기 제1 격자층의 제1 사각형의 제1 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 상기 제1 사각형에 대응되는 상기 제2 격자층의 제2 사각형의 상기 제1 꼭지점과 반대되는 제2 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되고, 상기 삼량체 링크 단위의 상기 2개의 TO4 사면체 단위들 중 하나는 상기 제1 사각형의 제2 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 상기 제2 사각형의 상기 제2 꼭지점에 대응되는 위치에 배치된 1개의 상기 제1 팔면체 단위와 꼭지점을 공유하도록 연결되며, 상기 삼량체 링크 단위의 상기 2개의 TO4 사면체 단위들 중 나머지 하나는 상기 제1 사각형의 상기 제1 꼭지점에 대응되는 위치에 배치된 1개의 상기 제1 팔면체 단위 및 상기 제2 사각형의 상기 제1 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 격자층 각각은 화학양론적으로 [M3O18/2]3-에 해당하는 조성을 갖고, 상기 연결층은 화학양론적으로 [MT2O14/2]+에 해당하는 조성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물을 제조하는 제조방법은 A, M 및 T의 원료물질들을 혼합하고 분쇄하여 제1 원료물질을 형성하는 단계; 상기 제1 원료물질을 1차 열처리하는 단계; 상기 1차 열처리된 제1 원료물질을 습식 볼밀 공정을 통해 분쇄 및 혼합하여 제2 원료물질을 형성하는 단계; 상기 제2 원료물질을 압축 성형하는 단계; 및 상기 압축 성형된 제2 원료물질을 소결하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 A의 원료물질은 A의 탄산염 또는 질산염 화합물이 사용되고, 상기 M의 원료물질은 M의 산화물 또는 할로겐화물이 사용되며, 상기 T의 원료물질은 T의 산화물 염 화합물이 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 원료물질에 대한 1차 열처리는 500 내지 1000℃의 온도에서 6 내지 12 시간 동안 수행되고, 상기 제2 원료물질에 대한 소결은 900 내지 1200℃의 온도 범위에서 12 내지 48 시간동안 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 LiTa2PO8인 경우, 리튬(Li)의 원료물질로는 Li2CO3 또는 LiNO3이 그리고 인(P)의 원료물질로는 (NH4)2HPO4, (NH4)H2PO4 또는 (NH4)3PO4이 사용되거나 상기 리튬 및 인의 원료물질로 LiPO3 또는 LiH2PO4이 사용되고, 탄탈럼(Ta)의 원료물질로는 Ta2O5가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학 장치는 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격되게 배치된 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 고체 전해질층을 포함하고, 상기 고체 전해질층은 본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고체 전해질층은 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 수소 이온(H+) 및 하이드로늄 이온(H3O+)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 이온에 대해 전도성을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기화학 장치는 나트륨 이온 전지, 리튬 이온 전지, 리튬-공기 전지(Li-Air battery), 수소 연료전지, 양성자 교환막 연료전지, 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery), Li-H2O2 세미 연료전지 및 화학적 센서로 이루어진 그룹에서 선택된 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 종래에 공개된 바가 없는 새로운 3 차원 골격구조를 가지고 있어서 우선적인 방향 없이 리튬이온, 나트륨 이온, 수소 이온 및 하이드로늄 이온 등과 같은 양이온의 3차원 전도가 가능하고, 열적 및 화학적 안정성이 우수하다. 그 결과 본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 액체 전해질이 갖는 안정성 문제를 해결할 수 있으며, 매우 우수한 양이온 전도도 및 매우 낮은 전자 전도도를 갖는다. 이러한 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 리튬-공기 전지(Li-Air battery), 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery), Li-H2O2 세미 연료전지, 화학적 센서 등에 이온 전도성 전해질 물질로 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 제조방법이 단순하고 원료물질의 가격이 낮아서 대량생산 등과 같은 상업적 적용에 매우 유리하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 결정 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8에 펠렛에 대해 측정된 온도에 따른 이온 전도성을 나타내는 그래프들이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8 펠렛에 대한 X-선 회절 그래프(λ=1.5418Å)이다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8 펠렛에 대해 측정된 교류 임피던스를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 결정 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 결정질 산화물로서, 하기 화학식 1의 화학양론식을 가질 수 있고, 높은 이온 전도도를 가질 수 있다.
[화학식 1]
Ax(M2TO8)y
상기 화학식 1에서, ‘A’는 +1가 산화상태를 갖는 양이온일 수 있고, ‘M’은 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온일 수 있으며, ‘T’는 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온일 수 있다. 그리고, x 및 y는 서로 독립적인 0 초과의 실수(real number)로서 x는 0 초과 3y 이하의 실수일 수 있다. 예를 들면, 상기 x 및 y는 모두 1일 수 있다.
일 실시예에 있어서, A는 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 수소 이온(H+) 및 하이드로늄 이온(H3O+) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, M은 타이타늄 이온(Ti4+), 지르코늄 이온(Zr4+), 하프늄 이온(Hf4+), 니오븀 이온(Nb5+), 탄탈럼 이온(Ta5+), 안티모니 이온(Sb5+) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, T는 실리콘 이온(Si4+), 게르마늄 이온(Ge4+), 인 이온(P5+), 비소 이온(As5+), 바나듐 이온(V5+), 황 이온(S6+), 몰리브덴 이온(Mo6+), 텅스텐 이온(W6+) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 예로, T는 게르마늄 이온(Ge4+), 인 이온(P5+), 비소 이온(As5+), 바나듐 이온(V5+) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물에 있어서, 상기 M은 산소 음이온에 의해 6배위되어 MO6 팔면체 단위를 형성할 수 있고, 상기 T는 산소 음이온에 의해 4배위되어 TO4 사면체 단위를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 MO6 팔면체 단위들 중 일부는 2개의 상기 TO4 사면체 단위와 꼭지점을 공유하도록 결합되어 삼량체 링크 단위를 형성할 수 있다. 이 때, 각각의 삼량체 링크 단위에 있어서, 상기 2개의 TO4 사면체 단위는 상기 MO6 팔면체 단위의 꼭지점들 중 제1 꼭지점과 상기 제1 꼭지점에 대향하는 제2 꼭지점에 위치하는 산소 이온들을 각각 공유하도록 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 상기 MO6 팔면체 단위들이 ab 평면을 따라 사각형 격자 형태로 연결되어 형성된 제1 격자층, 상기 제1 격자층 상부에 배치되고 상기 MO6 팔면체 단위들이 ab 평면을 따라 사각형 격자 형태로 연결되어 형성된 제2 격자층 및 상기 제1 격자층과 상기 제2 격자층을 연결하는 상기 삼량체 링크 단위들을 포함하는 연결층을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 격자층 및 제2 격자층에서 상기 MO6 팔면체 단위들은 사각형, 예를 들면, 마름모 격자 형태로 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 격자층 각각에 있어서, 8개의 MO6 팔면체 단위들이 마름모의 꼭지점 및 변에 대응되는 위치에 배치될 수 있고, 이 경우, 4개의 꼭지점에 대응하는 위치에 배치된 MO6 팔면체 단위들은 각각 인접한 4개의 MO6 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되어 제1 팔면체 단위를 형성할 수 있고, 4개의 변에 대응되는 위치에 배치된 MO6 팔면체 단위들은 각각 인접한 2개의 MO6 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되어 제2 팔면체 단위를 형성할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 팔면체 단위 및 상기 제2 팔면체 단위 각각은 화학양론적으로 MO6/2의 조성을 가질 수 있다.
상기와 같이 형성된 상기 제1 및 제2 격자층 각각은 화학양론적으로 [M3O18/2]3-에 해당하는 조성을 가질 수 있다. 한편, 상기 제2 격자층은 상기 제1 격자층에 비해 a축으로 제1 간격(‘a’), b축으로 제2 간격('b')만큼 쉬프트되어 상기 제1 격자층 상부에 배치될 수 있다.
상기 연결층에 있어서, 상기 삼량체 링크 단위 중 상기 MO6 팔면체 단위는 상기 제1 격자층의 마름모의 제1 꼭지점에 연결된 2개의 변에 각각 위치하는 2개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 상기 제2 격자층의 마름모의 상기 제1 꼭지점과 반대되는 제2 꼭지점에 연결된 2개의 변에 각각 위치하는 2개의 상기 제2 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결될 수 있다. 즉, 상기 삼량체 링크 단위의 상기 MO6 팔면체 단위는 4개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 2개의 상기 TO4 사면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결될 수 있다. 그리고, 상기 삼량체 링크 단위의 2개의 TO4 사면체 단위들 중 하나는 상기 제1 격자층의 마름모의 제2 꼭지점에 연결된 2개의 변에 각각 위치하는 2개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 상기 제2 격자층의 마름모의 상기 제2 꼭지점에 위치하는 1개의 상기 제1 팔면체 단위와 꼭지점을 공유하도록 연결될 수 있고, 상기 삼량체 링크 단위의 2개의 TO4 사면체 단위들 중 나머지 하나는 상기 제1 격자층의 마름모의 제1 꼭지점에 위치하는 1개의 상기 제1 팔면체 단위 및 상기 제2 격자층의 마름모의 제1 꼭지점에 연결된 2개의 변에 각각 위치하는 2개의 상기 제2 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결될 수 있다. 즉, 상기 삼량체 링크 단위의 상기 2개의 TO4 사면체 단위들 각각은 상기 삼량체 링크 단위를 형성하는 1개의 MO6 팔면체 단위, 2개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 1개의 상기 제1 팔면체 단위와 꼭지점을 공유하도록 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 격자층 각각은 화학양론적으로 [M3O18/2]3-에 해당하는 조성을 가질 수 있고, 상기 연결층은 화학양론적으로 [MT2O14/2]+에 해당하는 조성을 가질 수 있다.
상기 A 이온은 상기 MO6 팔면체 단위들 및 상기 TO4 사면체 단위들 사이의 공간에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 종래에 공개된 바가 없는 새로운 3 차원 골격구조를 가지고 있어서 우선적인 방향 없이 리튬이온, 나트륨 이온, 수소 이온 및 하이드로늄 이온 등과 같은 양이온의 3차원 전도가 가능하고, 열적 및 화학적 안정성이 우수하다. 그 결과 본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 액체 전해질이 갖는 안정성 문제를 해결할 수 있으며, 매우 우수한 양이온 전도도 및 매우 낮은 전자 전도도를 갖는다. 이러한 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 나트륨 이온 전지, 나트륨 금속 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 금속 전지, 리튬-공기 전지(Li-Air battery), 수소 연료전지, 양성자 교환막 연료전지, 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery), Li-H2O2 세미 연료전지, 화학적 센서 등에 이온 전도성 전해질 물질로 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 제조방법이 단순하고 원료물질의 가격이 낮아서 대량생산 등과 같은 상업적 적용에 매우 유리하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법은 상기 화학식 1의 화학량론식을 갖는 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법에 관한 것으로서, 원료물질들을 혼합하고 분쇄하여 제1 원료물질을 형성하는 단계(S110); 상기 제1 원료물질을 1차 열처리하는 단계(S120); 상기 1차 열처리된 제1 원료물질을 습식 볼밀 공정을 통해 분쇄 및 혼합하여 제2 원료물질을 형성하는 단계(S130); 상기 제2 원료물질을 압축 성형하는 단계(S140); 및 상기 압축 성형된 제2 원료물질을 소결하는 단계(S150)를 포함한다.
상기 제1 원료물질을 형성하는 단계(S110)에 있어서, A의 원료물질은 A의 탄산염, 질산염 등의 화합물이 사용될 수 있고, M의 원료물질은 M의 산화물, 할로겐화물 등의 화합물이 사용될 수 있으며, T의 원료물질은 T의 산화물 염 화합물이 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물로서 LiTa2PO8을 제조하는 경우, 일 예로, 리튬(Li)의 원료물질로는 Li2CO3, LiNO3 등이 사용될 수 있고, 탄탈럼(Ta)의 원료물질로는 Ta2O5가 사용될 수 있으며, 인(P)의 원료물질로는 (NH4)2HPO4, (NH4)H2PO4, (NH4)3PO4 등이 사용될 수 있다. 한편, 이와 다른 예로, 리튬(Li)과 인(P)의 원료물질로는 LiPO3, LiH2PO4 등이 사용될 수도 있다.
상기 제1 원료물질을 형성하기 위해, 상기 A, M, T의 원료물질들을 기계적으로 마찰하여 상기 원료물질들을 혼합하면서 균일하게 분쇄할 수 있다.
상기 제1 원료물질을 1차 열처리하는 단계(S120)에 있어서, 상기 균일하게 분쇄되어 혼합된 원료물질들은 약 500 내지 1000℃의 온도에서 약 6 내지 12 시간 동안 가열될 수 있다. 이와 같은 1차 열처리에 의해, 상기 원료물질들에 함유된 불순물 성분 등이 휘발되어 제거될 수 있다.
상기 제2 원료물질을 형성하는 단계(S130)에 있어서, 상기 제1 원료물질들은 톨루엔 용매 내에서 안정한 산화물 볼, 예를 들면, 산화지르코늄 볼을 사용하는 볼밀(ball mill) 공정을 통해 추가로 분쇄될 수 있다.
상기 제2 원료물질을 압축 성형하는 단계(S140)에 있어서, 상기 제1 원료물질은 펠렛(pellet) 형태로 압축성형될 수 있다.
상기 압축 성형된 제2 원료물질을 소결하는 단계(S150)에 있어서, 상기 펠렛 형태로 압축성형된 제2 원료물질은 약 900 내지 1200℃의 온도 범위에서 약 12 내지 48 시간동안 소결될 수 있다. 이 때, 상기 소결 과정에서, 알칼리 금속과 같은 +1가 양이온 금속(A)의 손실을 방지하기 위해, 상기 펠릿 형태의 제2 원료물질은 동일한 조성을 갖는 분말로 덮인 상태에서 소결될 수 있다. 이와 같은 소결 공정을 통해, 상기 제2 원료물질은 결정화 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법은 A 이온들 중 제1 이온을 포함하는 제1 이온 전도성 고체 전해질 화합물에서 상기 제1 이온을 A 이온들 중 다른 제2 이온으로 교환하여 제2 이온 전도성 고체 전해질 화합물을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 리튬 이온(Li+)을 포함하는 제1 이온 전도성 고체 전해질 화합물에서 상기 리튬 이온(Li+)을 이온 교환 반응을 통해 수소 이온(H+), 하이드로늄 이온(H3O+) 또는 나트륨 이온(Na+)으로 교환하여 상기 제2 이온 전도성 고체 전해질 화합물을 제조할 수 있다.
일 실시예로, LiTa2PO8에서 리튬 이온(Li+)을 수소 이온(H+) 또는 하이드로늄 이온(H3O+)으로 교환하여, LiTa2PO8로부터 HTa2PO8·2O(x는 0 내지 1의 실수임)을 제조할 수 있다. 예를 들면, 수소 이온(H+) 또는 하이드로늄 이온(H3O+)을 함유하는 산성 수용액에 LiTa2PO8을 혼합한 후 이를 일정한 온도까지 가열함으로써, 상기 LiTa2PO8 격자 내의 리튬 이온(Li+)을 이온 교환 반응을 통해 수소 이온(H+) 또는 하이드로늄 이온(H3O+)으로 교환할 수 있다.
이 경우, 상기 산성 수용액은 수소 이온(H+) 또는 하이드로늄 이온(H3O+)을 함유한다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 질산, 염산, 황산, 아세트산 등이 사용될 수 있다. 상기 LiTa2PO8 격자 내의 리튬 이온(Li+)과 상기 산성 수용액에 함유된 수소 이온(H+) 또는 하이드로늄 이온(H3O+) 사이의 이온 교환 반응을 위해, 상기 LiTa2PO8와 상기 산성 수용액의 혼합 용액은 약 40 내지 100℃의 온도에서 약 6 내지 72 시간 가열될 수 있다. 이 때, 균일한 반응을 위해, 상기 혼합 용액을 교반기로 지속적으로 교반할 수 있고, 가열시에 환류장치를 이용함으로써 산성 수용액의 손실을 방지할 수 있다.
한편, 상기 이온 교환 반응 후, 상기 제2 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 물과 에탄올로 세척될 수 있고, 이어서 100℃ 이상의 온도에서 건조될 수 있다.
다른 실시예로, LiTa2PO8에서 리튬 이온(Li+)을 나트륨 이온(Na+)으로 교환하여, LiTa2PO8로부터 NaTa2PO8를 제조할 수 있다. 예를 들면, 나트륨염을 용융점 이상으로 가열한 용융상태에서 LiTa2PO8을 첨가하여 혼합하거나, 물과 같은 이온성 용매에 나트륨염과 LiTa2PO8을 첨가하여 혼합한 후 이를 일정한 온도까지 가열함으로써, 상기 LiTa2PO8 격자 내의 리튬 이온(Li+)을 이온 교환 반응을 통해 나트륨 이온(Na+)으로 교환할 수 있다.
이 경우, 상기 나트륨 염으로는 용융 또는 용해된 상태에서 나트륨 이온을 제공할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 질산나트륨이 사용될 수 있다. 상기 LiTa2PO8 격자 내의 리튬 이온(Li+)과 상기 나트륨 이온(Na+) 사이의 이온 교환 반응을 위해, 상기 용액은 약 40 내지 380℃의 온도에서 약 1 내지 48 시간 가열될 수 있다. 용매에서 나트륨염과 반응할 경우, 균일한 반응을 위해, 상기 혼합 용액을 교반기로 지속적으로 교반할 수 있고, 가열시에 환류장치를 이용함으로써 용매의 손실을 방지할 수 있다.
한편, 상기 이온 교환 반응 후, 상기 제2 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 물과 에탄올로 세척될 수 있고, 이어서 100℃ 이상의 온도에서 건조될 수 있다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 장치(100)는 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 고체 전해질층(130)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 전극(110, 120)은 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 고체 전해질층(130)은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되고, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성될 수 있다. 이러한 고체 전해질층(130)은 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 수소 이온(H+), 하이드로늄 이온(H3O+) 등으로부터 선택된 하나 이상의 A 이온에 대한 전도성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전기화학 장치(100)는 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 수소 이온(H+), 하이드로늄 이온(H3O+) 등에 대한 전도성을 갖는 전해질층이 필요한 소자라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 전기화학 장치(100)는 나트륨 이온 전지, 나트륨 금속 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 금속 전지, 리튬-공기 전지(Li-Air battery), 수소 연료전지, 양성자 교환막 연료전지, 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery), Li-H2O2 세미 연료전지, 화학적 센서 등으로부터 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기화학 장치(100)가 나트륨 이온 전지인 경우, 상기 전해질층(130)은 상기 화학식 1에서 A가 나트륨 이온인 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 전기화학 장치(100)가 리튬 이온 전지, 리튬-공기 전지(Li-Air battery), 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery), Li-H2O2 세미 연료전지 등인 경우, 상기 전해질층(130)은 상기 화학식 1에서 A가 리튬 이온인 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 전기화학 장치(100)가 수소 연료전지, 양성자 교환막 연료전지 등인 경우, 상기 전해질층(130)은 상기 화학식 1에서 A가 수소 이온인 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 전기화학 장치(100)가 나트륨 이온 전지 등인 경우, 상기 전해질층(130)은 상기 화학식 1에서 A가 나트륨 이온인 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 일 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
[실시예 1]
LiH2PO4와 Ta2O5를 화학양론적 비로 혼합한 후 막자사발을 이용하여 분쇄히고, 이를 공기 중에서 600℃에서 8 시간 동안 가열하였고, 이어서 얻어진 혼합물을 다시 혼합한 후 1000℃에서 8 시간 가열하였으며, 여기서 얻어진 혼합물을 지르코늄 볼을 사용하여 톨루엔에서 1시간 동안 분쇄하였다.
이어서, 분쇄한 분말을 1.05 cm의 직경 및 0.21 cm의 두께를 갖는 펠렛 형태로 압축 성형하고, 이를 1050℃에서 12시간 소결하였다. 이때 리튬의 손실을 방지하기 위해 상기 펠렛을 동일한 조성의 분말들로 덮은 상태에서 소결하였다.
[실험예]
실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8에 펠렛에 대해 다양한 온도에서 이온 전도도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 4a에 나타내었을 뿐만 아니라, 도 4b에서 종래의 이온 전도성 고체 전해질 물질과 비교하여 나타내었다.
Figure PCTKR2019005406-appb-T000001
표 1 및 도 4a, 도 4b를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8 화합물은 측정된 온도 영역 전체에서 매우 우수한 이온 전도도를 가짐을 확인할 수 있다. 특히, 상온(25℃)에서의 벌크(bulk) 전도도는 1.6×10-3 Scm-1이고, 벌크와 결정입계(grain boundary)를 포함하는 전체 전도도(total conductivity)는 2.9×104 Scm-1인 것으로 측정되었는데, 이는 지금까지 연구된 다른 산화물계 고체 전해질에서 보고된 가장 높은 수준의 전도도를 능가하는 것이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8 펠렛에 대한 X-선 회절 그래프(λ=1.5418Å)이다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8은 결정성 구조를 가짐을 확인할 수 있다. 구체적으로, 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8은 단사정계 공간군을 가지고, a
Figure PCTKR2019005406-appb-I000001
9.716 Å, b
Figure PCTKR2019005406-appb-I000002
11.536 Å, c
Figure PCTKR2019005406-appb-I000003
10.697 Å 및 β = 90.04°의 격자상수를 갖는 결정 구조를 가지는 것으로 나타났다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 LiTa2PO8 펠렛에 대해 측정된 교류 임피던스를 나타내는 그래프이다.
도 6의 그래프는 실시예 1에 따라 두께 0.21 ㎝ 및 직경 1.05 ㎝를 갖도록 제조된 LiTa2PO8 펠렛에 대해 공기 중 4℃의 온도에서 측정되었고, 각각의 점은 주파수 5 Hz에서 13 MHz 사이에서 측정된 실험 값이며, 연속선은 ZView program을 이용하여 (RbCPEb)(RgbCPEgb)(CPEel)에 해당하는 등가회로 (equivalent circuit)에 대한 시뮬레이션 데이터를 나타낸다. 여기서 R은 저항이고 CPE는 일정 일정위상요소(constant phase element)이며, 지수 b, gb, el은 벌크, 결정입계, 전극을 의미한다. 이때, 1.6 MHz 이상의 고주파에서 나타나는 작은 반원과 1.6 MHz에서 2.5 kHz 범위 사이에서의 큰 반원, 2.5 kHz 이하의 낮은 영역에서 나오는 선형 그래프가 각각 벌크과 결정입계, 전극에서 기여하는 것임을 계산된 CPE 값으로부터 확인할 수 있다. 작은 반원의 직경으로부터 벌크의 저항값을 얻을 수 있고 큰 반원의 직경으로부터 결정입계의 저항값을 결정할 수 있다. 이 저항값을 하기 수식 1에 대입하면 벌크 전도도는 5.38 ×10-4 Scm-1, 결정입계 전도도는 6.58 ×10-5 Scm-1, 전체 전도도는 5.86 ×10-5 Scm-1로 계산된다.
[수식 1]
Figure PCTKR2019005406-appb-I000004
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
100: 전기화학 장치 110: 제1 전극
120: 제2 전극 130: 고체 전해질층

Claims (21)

  1. 결정질 산화물로서, 하기 화학식 1의 화학양론식을 가지는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물:
    [화학식 1]
    Ax(M2TO8)y
    상기 화학식 1에서, A는 +1가 산화상태를 갖는 양이온이고, M은 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온이고, T는 +4가, +5가 또는 +6가의 산화상태를 갖는 양이온이며, x 및 y는 0 초과의 서로 독립적인 실수(real number)로서 x는 3y 이하이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 A는 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 수소 이온(H+) 및 하이드로늄 이온(H3O+)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 M은 타이타늄 이온(Ti4+), 지르코늄 이온(Zr4+), 하프늄 이온(Hf4+), 니오븀 이온(Nb5+), 탄탈럼 이온(Ta5+) 및 안티모니 이온(Sb5+)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하며,
    상기 T는 실리콘 이온(Si4+), 게르마늄 이온(Ge4+), 인 이온(P5+), 비소 이온(As5+), 바나듐 이온(V5+), 황 이온(S6+), 몰리브덴 이온(Mo6+) 및 텅스텐 이온(W6+)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물.
  3. 제1항에 있어서,
    결정 내에서, 상기 M은 산소 음이온에 의해 6배위되어 MO6 팔면체 단위를 형성하고, 상기 T는 산소 음이온에 의해 4배위되어 TO4 사면체 단위를 형성하는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 MO6 팔면체 단위들이 제1 평면을 따라 사각형 격자 형태로 연결되어 형성된 제1 격자층;
    상기 MO6 팔면체 단위들이 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면을 따라 사각형 격자 형태로 연결되어 형성된 제2 격자층; 및
    1개의 상기 MO6 팔면체 단위 및 이의 2개의 꼭지점을 공유하도록 결합된 2개의 상기 TO4 사면체 단위를 구비하고, 상기 제1 격자층과 상기 제2 격자층 사이에 배치되어 상기 제1 격자층의 MO6 팔면체 단위들 및 상기 제2 격자층의 상기 MO6 팔면체 단위들과 결합하는 삼량체 링크 단위를 구비하는 연결층을 포함하고,
    상기 A는 상기 MO6 팔면체 단위들 및 상기 TO4 사면체 단위들 사이의 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 격자층 각각에 있어서, 8개의 상기 MO6 팔면체 단위들이 사각형의 4개의 꼭지점 및 4개의 변에 대응되는 위치에 배치되고,
    상기 MO6 팔면체 단위들 중 상기 4개의 꼭지점에 대응하는 위치에 각각 배치된 MO6 팔면체 단위들은 각각 인접한 4개의 MO6 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되어 제1 팔면체 단위들을 각각 형성하고,
    상기 MO6 팔면체 단위들 중 상기 4개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 MO6 팔면체 단위들은 각각 인접한 2개의 MO6 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되어 제2 팔면체 단위들을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 격자층은 상기 제1 격자층에 비해 상기 제1 평면 및 상기 제2 평면을 정의하는 제1 축 및 제2 축으로 각각 제1 간격 및 제2 간격만큼 쉬프트된 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 삼량체 링크 단위의 상기 MO6 팔면체 단위는 상기 제1 격자층의 제1 사각형의 제1 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 상기 제1 사각형에 대응되는 상기 제2 격자층의 제2 사각형의 상기 제1 꼭지점과 반대되는 제2 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결되고,
    상기 삼량체 링크 단위의 상기 2개의 TO4 사면체 단위들 중 하나는 상기 제1 사각형의 제2 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들 및 상기 제2 사각형의 상기 제2 꼭지점에 대응되는 위치에 배치된 1개의 상기 제1 팔면체 단위와 꼭지점을 공유하도록 연결되며,
    상기 삼량체 링크 단위의 상기 2개의 TO4 사면체 단위들 중 나머지 하나는 상기 제1 사각형의 상기 제1 꼭지점에 대응되는 위치에 배치된 1개의 상기 제1 팔면체 단위 및 상기 제2 사각형의 상기 제1 꼭지점에 연결된 2개의 변에 대응되는 위치에 각각 배치된 2개의 상기 제2 팔면체 단위들과 꼭지점을 공유하도록 연결된 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 격자층 각각은 화학양론적으로 [M3O18/2]3-에 해당하는 조성을 갖고,
    상기 연결층은 화학양론적으로 [MT2O14/2]+에 해당하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물.
  9. 제1항의 이온 전도성 고체 전해질 화합물을 제조하는 제조방법에 있어서,
    A, M 및 T의 원료물질들을 혼합하고 분쇄하여 제1 원료물질을 형성하는 단계;
    상기 제1 원료물질을 1차 열처리하는 단계;
    상기 1차 열처리된 제1 원료물질을 습식 볼밀 공정을 통해 분쇄 및 혼합하여 제2 원료물질을 형성하는 단계;
    상기 제2 원료물질을 압축 성형하는 단계; 및
    상기 압축 성형된 제2 원료물질을 소결하는 단계를 포함하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 A의 원료물질은 A의 탄산염 또는 질산염 화합물이 사용되고,
    상기 M의 원료물질은 M의 산화물 또는 할로겐화물이 사용되며,
    상기 T의 원료물질은 T의 산화물 염 화합물이 사용되는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 원료물질에 대한 1차 열처리는 500 내지 1000℃의 온도에서 6 내지 12 시간 동안 수행되고,
    상기 제2 원료물질에 대한 소결은 900 내지 1200℃의 온도 범위에서 12 내지 48 시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물은 LiTa2PO8이고,
    리튬(Li)의 원료물질로는 Li2CO3 또는 LiNO3이 그리고 인(P)의 원료물질로는 (NH4)2HPO4, (NH4)H2PO4 또는 (NH4)3PO4이 사용되거나 상기 리튬 및 인의 원료물질로 LiPO3 또는 LiH2PO4이 사용되고,
    탄탈럼(Ta)의 원료물질로는 Ta2O5가 사용되는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 이온 전도성 고체 전해질 화합물 중 A 이온으로 제1 이온을 포함하는 제1 이온 전도성 고체 전해질 화합물에서 상기 제1 이온을 A 이온들 중 다른 제2 이온으로 교환하여 제2 이온 전도성 고체 전해질 화합물을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 이온 전도성 고체 전해질 화합물인 LiTa2PO8 화합물을 수소 이온(H+) 또는 하이드로늄 이온(H3O+)을 함유하는 산성 수용액에 혼합한 후 가열함으로써 상기 LiTa2PO8 화합물에 포함된 리튬 이온(Li+)을 수소 이온(H+) 또는 하이드로늄 이온(H3O+)으로 교환하여 상기 제2 이온 전도성 고체 전해질 화합물인 HTa2PO8·2O(x는 0 초과 1 이하의 실수임) 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 이온 전도성 고체 전해질 화합물인 LiTa2PO8 화합물을 용융된 나트륨염 또는 나트륨염이 용해된 용매에 혼합한 후 가열함으로써 상기 LiTa2PO8 화합물에 포함된 리튬 이온(Li+)을 나트륨 이온(Na+)으로 교환하여 상기 제2 이온 전도성 고체 전해질 화합물인 NaTa2PO8 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는, 이온 전도성 고체 전해질 화합물의 제조방법.
  16. 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격되게 배치된 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 고체 전해질층을 포함하는 전기화학 장치에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 제1항 내지 제9항 중 선택된 어느 한 항의 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는, 전기화학 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 수소 이온(H+) 및 하이드로늄 이온(H3O+)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 이온에 대해 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기화학 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전기화학 장치는 나트륨 이온 전지, 나트륨 금속 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 금속 전지, 리튬-공기 전지(Li-Air battery), 수소 연료전지, 양성자 교환막 연료전지, 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery), Li-H2O2 세미 연료전지 및 화학적 센서로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는, 전기화학 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 전기화학 장치는 리튬 이온 전지, 리튬 금속 전지, 리튬-공기 전지(Li-Air battery), 리튬계 레독스-흐름전지(Li-redox flow battery) 또는 Li-H2O2 세미 연료전지이고,
    상기 전해질층은 상기 화학식 1에서 A가 리튬 이온인 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는, 전기화학 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 전기화학 장치는 수소 연료전지 또는 양성자 교환막 연료전지이고,
    상기 전해질층은 상기 화학식 1에서 A가 수소 이온인 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는, 전기화학 장치.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 전기화학 장치는 나트륨 이온 전지, 나트륨 금속 전지 또는 나트륨-공기 전지(Na-Air battery)이고,
    상기 전해질층은 상기 화학식 1에서 A가 나트륨 이온인 이온 전도성 고체 전해질 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는, 전기화학 장치.
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