전고체 배터리 기초와 개발 방향 탐구

본 내용은 " 전고체 배터리 기초와 개발 방향 탐구 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.05.11

문서 내 토픽

• 1. 리튬 이온 전지의 기초

  리튬 이온 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하여 에너지를 저장하는 2차 전지입니다. 음극(흑연), 양극(금속 산화물), 분리막, 전해질로 구성되며, 충전 시 양극에서 음극으로 리튬 이온이 저장되고 방전 시 역방향으로 이동합니다. 용량은 저장된 전하의 양(Ah 단위)이고, 에너지는 일을 할 수 있는 능력(Wh 단위)입니다. 전해질은 넓은 에너지 갭을 가져야 하며, 주로 유기 액체 전해질이 사용됩니다.

• 2. 전고체 배터리의 등장 배경 및 리튬 메탈 배터리

  초기 리튬 이온 배터리는 리튬 메탈을 사용했으나 덴드라이트 발생으로 인한 안정성 문제가 발생했습니다. 흑연 음극 도입으로 안정성을 확보했지만, 리튬 메탈의 높은 저장 용량(흑연의 10배)을 활용하기 위해 전고체 배터리가 개발되었습니다. 리튬 메탈 배터리는 높은 용량(3800 mAh/g)과 빠른 반응 속도를 가지지만 덴드라이트 생성이 주요 단점입니다. 고체 전해질의 높은 기계적 물성이 덴드라이트 형성을 억제하는 핵심 기술입니다.

• 3. 전고체 전해질의 종류

  전고체 전해질은 세 가지 주요 유형으로 분류됩니다. 산화물 전해질은 이온 전도도 10-3~10-4 S/cm, 황화물 전해질은 10-2~10-4 S/cm로 높은 이온 전도도를 가지지만 가수분해 위험성이 있습니다. 고분자 전해질은 이온 전도도 10-5~10-7 S/cm로 낮지만 가공성이 우수합니다. 각 전해질은 장단점이 있어 응용 분야에 따라 선택됩니다.

• 4. 고상형 고분자 전해질의 설계 및 개선 방향

  고분자 전해질은 유기 액체 전해질의 인화성 문제를 해결하지만 낮은 이온 전도도가 단점입니다. PEO(폴리에틸렌옥사이드)는 산소 원자의 고립 전자쌍으로 양이온을 용매화하여 이온 전도도를 가집니다. 높은 이온 전도도 달성을 위해 결정성 억제, 낮은 Tg, 높은 리튬 이온 이동도가 필요합니다. 리튬 이온 이동수를 1에 가깝게 높이고, 덴드라이트 억제를 위해 6 GPa 이상의 모듈러스 또는 교차결합을 통한 강화가 필요하며, 전해질-양극 계면에서 넓은 전기화학 안정성 윈도우가 요구됩니다.

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• 1. 리튬 이온 전지의 기초

  리튬 이온 전지는 현대 에너지 저장 기술의 핵심으로, 높은 에너지 밀도와 우수한 충방전 특성으로 인해 모바일 기기부터 전기자동차까지 광범위하게 활용되고 있습니다. 리튬 이온의 인터칼레이션 메커니즘을 기반으로 한 이 기술은 지난 30년간 지속적인 개선을 통해 안정성과 성능을 크게 향상시켰습니다. 다만 에너지 밀도의 한계와 안전성 문제, 그리고 환경 문제 등으로 인해 차세대 배터리 기술 개발의 필요성이 대두되고 있으며, 기초 연구의 심화가 미래 배터리 혁신을 위해 매우 중요합니다.

• 2. 전고체 배터리의 등장 배경 및 리튬 메탈 배터리

  전고체 배터리는 액체 전해질의 한계를 극복하기 위한 필연적인 기술 진화입니다. 리튬 메탈 음극을 활용한 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 전지 대비 에너지 밀도를 획기적으로 증가시킬 수 있어 전기자동차의 주행거리 확대에 크게 기여할 것으로 예상됩니다. 다만 리튬 메탈의 덴드라이트 형성, 전해질과의 계면 반응, 그리고 제조 공정의 복잡성 등 해결해야 할 기술적 과제가 여전히 많습니다. 이러한 도전 과제들을 극복하는 것이 전고체 배터리의 상용화를 위한 핵심 과제입니다.

• 3. 전고체 전해질의 종류

  전고체 전해질은 산화물, 황화물, 할로겐화물, 고분자 등 다양한 종류로 분류되며, 각각 고유한 장단점을 가지고 있습니다. 산화물 전해질은 높은 안정성을, 황화물 전해질은 우수한 이온 전도도를 제공하지만, 공기 중 불안정성이나 계면 반응 등의 문제가 있습니다. 고분자 전해질은 유연성과 가공성이 우수하지만 이온 전도도가 상대적으로 낮습니다. 각 전해질의 특성을 이해하고 용도에 맞게 선택하거나 복합 구조로 설계하는 것이 전고체 배터리 성능 최적화의 중요한 전략입니다.

• 4. 고상형 고분자 전해질의 설계 및 개선 방향

  고상형 고분자 전해질은 유연성, 가공성, 안전성 측면에서 우수한 장점을 가지고 있어 전고체 배터리의 유망한 후보입니다. 이온 전도도 향상을 위해 세라믹 필러 첨가, 고분자 구조 최적화, 가소제 도입 등 다양한 전략이 시도되고 있습니다. 특히 나노 구조 설계와 계면 엔지니어링을 통해 리튬 이온 전도도를 크게 개선할 수 있는 가능성이 있습니다. 향후 고분자 전해질의 상용화를 위해서는 이온 전도도와 기계적 강도의 균형, 장기 안정성 확보, 그리고 대규모 제조 공정 개발이 필수적입니다.