전고체전지 소재 동향 (연구 동향, 전망 포함)

소개글

"전고체전지 소재 동향 (연구 동향, 전망 포함)"에 대한 내용입니다.

목차

1. 서론

2. 전고체전지의 필요성 및 기술적 과제

3. 전고체전지 기술 현황: 고체전해질 소재를 중심으로
3.1. 무기계 전해질
3.1.1. 황화물계 전해질
3.1.2. 산화물계 전해질
3.2. 고분자 전해질
3.3. 복합 전해질
3.4. 겔 전해질

4. 전고체전지 관련 기업 개발현황
4.1. 외국기업 개발현황
4.2. 국내기업 개발현황

5. 전고체전지 미래 도전 과제

6. 전고체전지 시장 전망

7. 결론

8. 참고문헌

본문내용

스마트기기, 전기차, 드론, 가전, 로봇 등 모든 사물이 배터리로 움직이는 사물배터리(Battery of Things, BoT) 시대가 도래함에 따라 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 폭발적으로 증대되고 있 다(그림 1). 특히, 전기차 시장의 급성장과 세계 각국의 신재생에너지 확대정책에 따른 에너지저장 시스템(energy storage system, ESS) 보급 증가가 이차전지 시장 확대를 주도적으로 견인하고 있다.

현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 이차전지는 리튬이온전지(Li-ion battery)이다. 그러나, 리튬이온전지(~ 250 Wh kg-1)는 배터리 구동 시간을 결정하는 에너지밀도 향상 측면에서 매우 심각한 기술적 한계가 있다. 또한, 최근 빈번히 발생하고 있는 전기차 및 ESS 화재로 인해, 리튬이온전지의 안전성 문제가 대두되면서 인화성 액 체전해질이 아닌 고체전해질을 적용한 전고체전지(All-solid-state batteries)가 차세대 전지로서 큰 관심을 받고 있다.

이상 언급한 바와 같이, 이차전지의 급증하는 수요를 충족하기 위해서는 고에너지밀도(≥ 500 Wh kg-1)∙고안전성을 중심으로 한 기술 혁신이 지속적으로 이루어져야 한다(그림 2). 본 고에서는, 차세대 전지 기술로 주목받고 있는 전고체전지 핵심소재 중심으로, 기술 현황 및 주요 이슈들에 대해 논의한 뒤 전고체전지의 향후 전망에 대한 고찰로 마무리하고자 한다.
2. 전고체전지의 필요성 및 기술적 과제
리튬이온전지의 4대 핵심 소재는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질이다(그림 3). 구조적으로 살펴 보면 양극과 음극 사이에 직접적인 접촉을 방지하는 분리막이 위치하고 액체 전해질이 양극, 음 극, 분리막에 존재한다. 반면 전고체전지의 고체전해질은 리튬이온전지의 액체전해질과는 다르게 말그대로 고체 상태로 존재하면서 분리막의 기능까지 대신하고 있다.

참고 자료

D. Zhou et al. Polymer Electrolytes for Lithium-Based Batteries: Advances and Prospects Chem 5, 2326–2352 (2019).
Y. Gambe et al. Development of Bipolar All-solid-state Lithium Battery Based on Quasi- solid-state Electrolyte Containing Tetraglyme-LiTFSA Equimolar Complex. Sci. Rep. 5, 8869 (2015).
R. Kanno et al. A lithium superionic conductor. Nat. Mater. 10, 682 (2011).
C. Masquelier et al. Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries. Nat Mater. 12, 1278–1291 (2019).
T. Rojo et al. High temperature sodium batteries: status, challenges and future trends. Energy Environ. Sci. 6, 734 (2013).
W. Zeier et al. Influence of Lattice Polarizability on the Ionic Conductivity in the Lithium Superionic Argyrodites Li6PS5X (X = Cl, Br, I). J. Am. Chem. Soc. 139, 10909 (2017).
X. Xie et al. Poly(ethylene oxide)-based electrolytes for lithiumion batteries, J. Mater. Chem. A, 3, 19218 (2015).
X. Judex et al. Review—Solid Electrolytes for Safe and High Energy Density Lithium Sulfur Batteries: Promises and Challenges, J. Electrochem. Soc. 165, A6008 (2018).
Y. S. Jung et al. Bendable and Thin Sulfide Solid Electrolyte Film: A New Electrolyte Opportunity for Free-Standing and Stackable High-Energy All-SolidState Lithium-Ion Batteries. Nano Lett. 15, 3317−3323 (2015).
S. Y. Lee et al. Flexible/shape-versatile, bipolar all-solid-state lithium-ion batteries prepared by multistage printing. Energy Environ. Sci. 11, 321–330 (2018).
I. T. Han et al. High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes. Nat. Energy 5, 299–308 (2020).
Y. S. Meng et al. Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes. Science 373, 1494–1499 (2021).
Y. Cui et al. Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries. Nat. Nanotech. 12, 194–206 (2017).
M. Winter et al. Performance and cost of materials for lithium-based rechargeable automotive batteries. Nat. Energy 3, 267 (2018).
L. Hu et al. Adv. Energy Mater. Thick Electrode Batteries: Principles, Opportunities, and Challenges. 9, 1901457 (2019).