전고체 배터리

2024.06.18 - [배터리/지식] - 배터리의 작동 원리 및 소재-3(전해질)

배터리의 작동 원리 및 소재-3(전해질)

 

우리가 아는 흔한 2차전지는 전해질이 액체 형태이다.

 

하지만 액체 전해질은 누수, 화학적 분해, 온도에 따른 점도 변이로 인해 배터리의 안전성 및 성능에서 저해요인이 된다

.

 

그래서 미래의 배터리는 전해질이 고체인 형태로의 기술 개발이 이루어지고 있다.

 

전고체는 전해질이 고체라는 뜻이다.

 

전고체 배터리는 무엇이고 왜 전고체 배터리에 대한 기술 개발이 이루어지고 있는지에 대해 알아보고자 한다.

 

 

1. 전고체 배터리

 

왼쪽은 기존 리튬이온배터리이다.

 

그림과 같이 가운데 Polymer Seperator로 Anode와 Cathode가 물리적으로 분리되어 있다.

 

Liquid Electrolyte는 Jelly roll 사이사이에 주입되어 Li+ 이동수단으로서 활용이 된다.

 

오른쪽이 전고체 배터리이며, 육안으로 봤을 때는 큰 차이가 없어보인다.

 

하지만 Seperator의 역할을 보면 큰 차이를 보인다.

 

기존 배터리에서는 Seperator가 Anode와 Cathode의 물리적 차단 및 Li+ 만이 이동할 수 있는 통로 제공을 한다.

 

전고체 배터리의 Ceramic Seperator는 그 자체가 Electrolyte의 역할과 동시에 Seperator 역할을 하는 것이다.

 

요약하자면, 다음과 같다.

 

기존 Seperator: 물리적 차단, Li+ 통로 제공

전고체 Seperator: 기존 Sperator 기능 + Electrolyte 기능.

 

 

2. 왜 전고체 개발이 중요한가?

 

1) 이온 전도성

 

Electrolyte가 되기 위한 조건 중 Ionic Conductivity가 높아야 한다는 조건이 있다.

 

Liquid Electrolyte의 경우 Ionic Conductivity가 10 mS/cm 이하의 값으로 나타난다.

 

하지만 Solid Electrolyte의 경우, K_2.99Ba_0.005OCI가 최대 155 mS/cm 이상의 값이 나타난 결과가 있다.

 

즉 이온 전도성에 있어 Liquid << Solid 인 장점이 있다.

 

 

2) Chemical Potential Energy

 

 

 

그래프의 청록색 μ(Li) 점선 기준으로 왼쪽이 Anode의 Chemical Potential / 오른쪽이 Cathode의 Chemical Potential 이다.

 

일반적으로 μ_Anode​ ≤ μ ≤ μ_Cathode 으로 설정되며 이는 화학적 안정성에 대한 지표가 된다.

 

또한 DOS(Density of State)가 너무 높으면 전자 환원이 쉬워 반응으로 이어질 가능성이 높기에 안전성이 떨어진다.

 

그래프 상에서 Li3lnCl6이 Chemcial Potential의 차이가 작기에 전고체 물질 중 안정성이 높은 것으로 나타났다.

 

하지만 액체 전해질과 비교를 했을 때, 전고체 물질 대부분이 이러한 안정성 및 Energy Density가 높다.

 

 

 

3) Energy Density & Temp. Stability

 

 

전고체는 액체 전해질 대비 온도 안정성, 에너지 밀도, Dendrite 형성 억제 등의 장점 또한 갖고 있다.

 

기존 액체 전해질에서는 젤리롤 내부에 무조건 Seperator가 들어가 부피 활용면에서 단점을 갖고 있다.

 

하지만 전고체는 그 자체가 Seperator 역할을 하기에 부피 활용 면에서 우수하여 에너지 밀도가 높을 수 밖에 없다.

 

또한 충방전시 발생되는 전해질 분해가 적기에 Dendrite 형성이 적다.

 

 

3. 전 세계 개발 현황

 

 

현재 배터리 업계는 전세계적으로 전고체 개발 및 상용화에 심혈을 기울이고 있다.

 

Bollore는 Li-metal과 PEO기반 Polymer Electrolyte 상용화를 성공하였고 현재는 Bus에만 적용중이라고 한다.

 

전고체 개발 게임체인저 선두주자격인 Toyata가 2027년 양산 가동을 본격화할 계획을 갖고 있다.

 

국내는 SDI에서 2000년에 Nature energy에 발표한 Ag-c 복합 기반 Anodeless Battery 개발을 통해

 

전고체 배터리의 기술 혁신을 도모하고 있다.

 

 

이번 글에서는 전고체 배터리가 무엇인지, 액체 전해질 대비 장점이 무엇인지에 대해 알아보았다.

 

또한 세계적으로 게임체인저 주제인 전고체 배터리 개발을 어떤 기업에서 상용화할지 주목할 필요가 있다.

 

아직은 기술적인 한계가 많고 해결해야 할 과제들도 많다고 알고 있다.

 

이러한 전고체 배터리 상용화를 통한 EV 시장 확장을 기대해본다.