고체 상태 전지는 전통적인 리튬이온 및 리튬폴리머 전지와는 다른 전지 기술로, 고체 전극과 고체 전해질을 사용하여, 액체 전해질 대신 사용합니다.
고체 상태 전지는 산업에서 다음 세대 전원 배터리 솔루션 중 하나로 간주됩니다. 이 기술은 리튬이나 나트륨 기반의 유리 화합물을 전도 재료로 사용하여 전통적인 리튬 전지의 전해질을 대체함으로써 전지의 에너지 밀도와 안전성을 크게 향상시킵니다. 고체 이온공학에서 고체 상태 전지는 고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 전지입니다. 고체 상태 전지는 일반적으로 낮은 전력 밀도를 가지지만 더 높은 에너지 밀도를 가집니다. 고체 상태 전지는 높은 내구성을 제공하여 전기 자동차의 이상적인 전원 원천으로 작용할 수 있습니다.
과학계는 리튬이온 전지의 성능이 거의 한계에 도달했다고 여기며 추가 개선 여지가 거의 없다고 믿습니다. 소비자 시장의 장거리 주행 및 높은 안전성 요구를 충족하기 위해, 고체 상태 전지 기술 경로는 최근 몇 년간 가장 우수한 전원 배터리 솔루션 중 하나로 평가되고 있습니다.
전통적인 액체 리튬 전지는 과학자들에 의해 "그네 의자 전지"로 묘사되며, 그네 의자의 양 끝은 전지의 양극과 음극을 나타내고, 그 중간에는 전해질(액체)이 존재합니다. 리튬 이온은 뛰어난 운동 선수처럼 그네 의자의 양 끝 사이를 왕복하며 전지의 충전 및 방전 과정이 완료됩니다.
고체 상태 전지의 원리는 이와 동일하지만, 전해질이 고체임을 제외하고는 동일합니다. 고체 전해질의 밀도와 구조는 한쪽에서 더 많은 충전된 이온들이 모이도록 하여 더 큰 전류를 이끌어내게 하므로, 전지의 용량을 증가시킵니다. 결과적으로, 같은 전기량을 위해 더 작은 고체 상태 전지를 만들 수 있습니다. 게다가, 고체 상태 전지에서는 액체 전해질이 없기 때문에 밀폐가 더 쉽습니다. 대형 장비(차량 등)에서 사용할 때 추가 냉각관이나 전자 제어 장치를 추가할 필요가 없어 비용을 절감할 뿐만 아니라, 무게도 효과적으로 감소시킬 수 있습니다.
고체 상태 전해질을 사용한 후, 리튬 이온 전지의 적용 가능한 물질 체계도 바뀝니다. 핵심은 그래핏 안에 리튬이 포함되어 있지 않아도 되며, 대신 금속 리튬을 직접 사용할 수 있어, 양극 물질 사용량을 현저히 줄일 수 있어, 전지의 에너지 밀도가 크게 증가합니다.
전통적인 리튬 이온 전지에서는 막과 전해질이 필요하며, 이들은 전지의 부피의 거의 40%와 질량의 25%를 차지합니다. 고체 상태 전해질(기본적으로 유기 및 무기 세라믹 물질 체계)로 교체하면 양극과 음극 사이의 거리(기존의 막과 전해질로 채워진 것)를 몇 마이크로미터에서 몇 십 마이크로미터로 줄일 수 있습니다. 이로 인해 전지의 두께가 현저히 감소하여, 고체 상태 전지 기술이 전지의 미니어처화 및 얇아짐에 중요한 방법이 됩니다.
심지어 불연성 세라믹 재료도 두께가 1mm 이하로 줄어들면 유연할 수 있습니다. 고체 상태 전지의 유연성은 얇고 가벼워짐으로 인해 상당히 향상될 것입니다. 적절한 포장 재료(경질 껍질이 될 수 없습니다)를 사용함으로써, 전지는 중요한 성능 저하 없이 수백 번에서 수천 번의 접힘 주기를 견딜 수 있습니다.
전통적인 리튬 전지는 다음과 같은 위험에 직면할 수 있습니다:
(1) 고전류 운전 중 리튬 덴드라이트가 형성될 수 있으며, 막을 꿰뚫고 단락을 유발하고 손상시킬 수 있습니다;
(2) 전해질은 유기 액체이며, 고온에서 측면 반응, 산화 분해, 가스 생성 및 연소 경향이 악화될 수 있습니다. 고체 상태 전지 기술을 채택함으로써 이 두 가지 문제를 직접 해결할 수 있습니다.
고체 상태 전지의 생산 효율성은 낮고, 대량 생산 수준에 도달하지 못했습니다. 이로 인해 높은 전지 생산 비용과 효과적인 전해질 물질 체계의 부족이 발생합니다. 현재 고체 상태 전지 재료 개발은 급속히 진행되고 있지만, 종합적인 응용 프로그램에는 상대적으로 부족한 상태입니다. 고체 상태 전지의 핵심 재료로서, 고체 리튬 이온 전도체는 단일 지표에서 큰 발전을 이루었지만, 전반적인 성능은 아직 대규모 에너지 저장 요구를 충족시키기에는 부족합니다.
현재 산업은 단기간 내에 모든 고체 상태 전지의 상업적 적용을 이룰 가능성이 낮다고 여깁니다. 현재의 연구 개발 투자 및 기술 발전 수준에 따르면, 대량 생산 단계에 도달하기까지 적어도 3-5년이 걸릴 것으로 보입니다. 전지 재료, 생산 장비 및 제조 공정은 종합적으로 발전하여 고체 상태 전지의 상업화를 이룰 수 있어야 합니다.
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