전통적인 리튬 이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막의 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 고체 전해질 배터리는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것이다. 전통적인 리튬 이온 배터리와 비교할 때, 고체 전해질 배터리의 주요 차이점은 전해질이 액체에서 고체로 바뀌면서 안전성과 높은 에너지 밀도를 제공한다는 점이다. 고체 전해질 배터리는 리튬 및 나트륨 배터리의 최종 형태로 간주되며, 안전 문제를 완전히 해결할 수 있어 미래의 새로운 에너지의 주류가 될 가능성이 크다. 고체 전해질 배터리의 작동 원리는 전통적인 액체 리튬 배터리와 유사하다. 전통적인 액체 리튬 배터리의 양 끝은 양극과 음극이며, 그 사이에 액체 전해질이 있다. 충전 및 방전 과정은 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동한 후 다시 양극으로 이동하면서 완료된다. 고체 전해질 배터리의 작동 원리도 동일하다. 충전 중에 양극의 리튬 이온은 활성 물질의 결정 격자로부터 분리되어 고체 전해질을 통해 음극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 이동하여 리튬 원자로 재결합하거나 음극 물질에 삽입된다. 방전 과정은 충전 과정의 반대이다. 고체 전해질을 사용함으로써 더 높은 비용량을 가진 양극 및 음극 재료를 사용할 수 있으며, 배터리의 안전 문제를 완전히 해결할 수 있다. 이는 고에너지 밀도, 안전성, 긴 수명 주기를 달성하는 근본적인 방법이다. 따라서 고체 전해질 배터리는 리튬 이온 배터리의 진화 방향이 될 것이다.
고체 전해질은 고체 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소로, 배터리의 분리막 및 전해질 역할을 동시에 수행한다. 전해질의 핵심 기능은 양극과 음극 사이에서 Li+ 이온의 이동을 촉진하는 것이다. 이상적인 고체 전해질은 높은 이온 전도도, 낮은 계면 저항, 구조적 안정성, 높은 안전성, 높은 기계적 강도, 낮은 비용과 같은 특성을 갖추어야 한다. 현재 전해질의 유형에 따라 주로 고분자 고체 전해질과 무기 고체 전해질로 나뉜다. 전자의 대표적인 시스템은 PEO(폴리에틸렌 옥사이드)이며, 후자에는 산화물, 황화물, 할로겐화물 시스템이 포함된다.
고분자 고체 전해질은 고분자와 리튬 염(예: LiClO4, LiAsF6, LiPF6 등)으로 구성된 시스템으로, 이온 전도성을 가진 고분자 전해질이다. 알칼리 금속 염과 조합될 때 이온 전도도를 나타낸다. 일반적인 고분자 매트릭스에는 에터계 고분자, 나이트릴계 고분자, 실록산계 고분자, 탄산계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 고분자가 포함된다. 현재 상업적으로 사용되는 주요 재료 시스템은 PEO(폴리에틸렌 옥사이드)이다. 전기장의 영향 하에 PEO의 사슬 세그먼트 내 산소 원자는 리튬 이온과 지속적으로 조정 및 분리되어 리튬 이온의 이동을 촉진한다. 또한, PEO는 리튬 염에 대한 높은 용해도를 가지며, 가벼운 무게, 우수한 점탄성, 간단한 제조 공정 및 금속 리튬 전극과의 우수한 계면 안정성으로 인해 가장 일찍 연구되고 적용된 시스템 중 하나이다. 그러나 PEO는 실온에서 결정화되는 경향이 있어 실온에서의 이온 전도도는 10^-6에서 10^-8 S/cm에 불과하며(실용적인 응용에는 일반적으로 10^-3 S/cm 이상의 전도도가 필요), 60°C에서 85°C의 고온에서만 작동이 가능하다. 또한, PEO가 견딜 수 있는 전압 한계는 3.8V에 불과하여, 철 리튬 양극 물질과만 조합이 가능하며, 에너지 밀도를 제한하는 요인이 된다.
산화물 고체 전해질: 넓은 전기화학적 창과 우수한 안정성을 가지며, 경도가 높지만 취성에 취약하다.
산화물 고체 전해질은 산화물 무기염으로 구성되며, 결정질과 비정질 전해질로 나눌 수 있다. 얇은 필름 배터리에 사용되는 비정질 리튬 인산 옥소질화물(LiPON) 타입 전해질 외에도, 현재 상업화는 주로 결정질 전해질 재료의 연구에 초점을 맞추고 있다. 주류 결정질 전해질 재료 시스템에는 석류석(LLZO) 구조의 고체 전해질, 페로브스카이트(LLTO) 구조의 고체 전해질, NASICON형 나트륨 초이온 전도체 고체 전해질, LISICON형 고체 전해질 등이 포함된다.
석류석형 전해질의 일반적인 화학식은 Li3+xA3B2O12이며, 현재 널리 사용되는 주요 재료 시스템은 Li7La3Zr2O12이다. 페로브스카이트형 전해질의 일반적인 화학식은 Li3x La2/3-x TiO3로, 구조 안정성, 간단한 제조 공정, 그리고 폭넓은 조성 변화 범위 등의 장점이 있지만 이온 전도도가 다소 낮다. NASICON형 전해질은 리튬-나트륨 치환을 통해 NASICON 프레임워크를 사용하여 고성능 Li+ 고체 전해질을 준비할 수 있으며, 현재 주류 재료는 Li1+x Alx Ti2-x(PO4)3(리튬 알루미늄 티타늄 인산염, LATP) 시스템이다. 앞서 언급한 재료들 중, LLZO는 리튬 음극과 높은 호환성을 가지고 있으며, NASICON형 및 페로브스카이트형 전해질은 금속 리튬과의 전기화학적 안정성이 낮다. 전반적으로 산화물 고체 전해질의 실온 이온 전도도는 10^-5에서 10^-3 S/cm 사이로 상대적으로 높으며, 넓은 전기화학적 창, 높은 화학적 안정성, 상당한 기계적 강도를 갖추어 이상적인 고체 전해질 재료 시스템으로 여겨진다. 그러나 높은 소결 온도와 기계적 가공 시 취성으로 인한 파손 위험이 있다.
할로겐화물 전해질의 일반적인 화학식은 Lia-M-Xb로, 이는 리튬 할로겐화물 LiX(X=Br, Cl, F)에 고가 전이 금속 양이온 M을 도입하여 Li+와 공극 농도를 조절하여 Lia-M-Xb와 유사한 화합물을 형성하는 방식이다. 산화물 및 황화물과 비교할 때, 단가의 할로겐 음이온과 Li+ 사이의 상호 작용은 더 약하고, S2− 또는 O2−보다 반지름이 더 크므로, 전해질의 실온 이온 전도도를 크게 향상시킬 수 있다. 전해질의 이론적 이온 전도도는 10−2 S/cm 수준에 도달할 수 있다. 또한, 할로겐화물은 일반적으로 높은 산화 환원 전위를 가지며, 고전압 양극 물질과의 호환성이 높아, 고전압 창에서 안정적인 사이클링을 달성할 수 있어, 전고체 리튬 이온 배터리의 매우 유망한 재료로 간주된다.
현재 일반적으로 사용되는 할로겐화물 전해질에는 Lia-M-Cl6, Lia-M-Cl4, Lia-M-Cl8 타입의 할로겐화물이 있으며, 이 중 처음 두 가지 타입의 이온 전도도는 10^-3 S/cm에 도달할 수 있다. 그러나 할로겐화물 전해질은 온도 변화에 따라 상전이가 일어나 전도성에 영향을 미칠 수 있으며, 공기 중에서 쉽게 가수분해되어 높은 합성 비용이 발생한다. 또한, 전이 금속과 리튬 금속 사이의 반응으로 인해 리튬 음극과의 호환성이 낮다.
고체 전해질 배터리의 양극 재료는 주로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 철 인산염(LiFePO4), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 알루미늄 산화물(LiAlO2)을 포함한다.
리튬 코발트 산화물(LiCoO2): 리튬 이온 배터리에서 흔히 사용되는 양극 재료로, 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 제공할 수 있지만 안전성 문제를 안고 있다.
리튬 철 인산염(LiFePO4): 리튬 코발트 산화물과 비교하여 안전성이 우수하고 수명이 길지만 에너지 밀도가 낮다.
리튬 니켈 산화물(LiNiO2): 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가지고 있지만, 재료가 비싸고 안전성 문제가 있다.
리튬 알루미늄 산화물(LiAlO2): 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 주기 수명은 리튬 니켈 산화물보다 다소 낮다.
고체 전해질에서의 다양한 재료 조합: 예를 들어, 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)과 리튬 티타늄 산화물(Li4Ti5O12)은 더 높은 안전성과 긴 수명을 제공할 수 있지만, 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가진다.
고체 전해질 배터리의 음극 재료는 주로 금속 리튬, 탄소 재료, 실리콘 재료의 세 가지 유형으로 나뉜다.
금속 리튬은 주로 고체 리튬 이온 배터리와 고체 리튬-황 배터리에 사용된다. 고체 리튬 이온 배터리는 전기차 및 드론과 같은 분야에 적용될 수 있는 고에너지 밀도 배터리이며, 고체 리튬-황 배터리는 항공 우주 및 군사 분야에 적용될 수 있는 고에너지 밀도 및 고안전성 배터리이다.
탄소 재료는 주로 고체 리튬 이온 배터리에 사용된다. 일반적인 탄소 재료의 하나인 탄소 나노튜브는 높은 비표면적과 우수한 전기화학적 성능을 가지고 있어, 고성능 고체 리튬 이온 배터리에 적합하다.
실리콘 재료는 높은 비용량과 낮은 비용을 가진 신흥 음극 재료이다. 고체 배터리에서, 실리콘 재료는 고체 전해질과 반응하여 리튬 이온을 형성함으로써 배터리의 충전 및 방전을 가능하게 한다. 금속 리튬 및 탄소 재료와 비교할 때, 실리콘 재료는 더 높은 비용량을 가지지만, 주기 안정성이 낮고 부피 팽창과 구조적 손상을 겪기 쉽다. 실리콘 재료는 주로 고체 리튬 이온 배터리에 사용된다. 일반적인 실리콘 재료의 하나인 실리콘 나노와이어는 높은 비표면적과 우수한 전기화학적 성능을 가지고 있어, 고성능 고체 리튬 이온 배터리에 적합하다.
분리막 재료는 고체 전지의 중요한 구성 요소로, 주로 양극과 음극을 분리하여 전자 전도를 방지하는 데 사용된다. 분리막 재료의 구성에는 주로 폴리머와 나노 입자 등이 포함된다. 연구에 따르면, 이중층 코팅이 분리막을 대체할 수 있으며, 무기 고체 전해질층이 음극의 양면에 코팅되고 유기 폴리머층이 무기 고체 전해질층의 표면에 코팅될 수 있다. 현재, 황화물 및 산화물 기반의 전고체 전지에서는 분리막이 필요하지 않다는 견해가 있다. 또한, 공개된 여러 고체 전지 특허에서는 무기-유기 복합 분리막과 같은 복합 분리막 개념도 제안되고 있다.
고체 전지는 높은 에너지 밀도와 높은 안전성의 장점을 갖추고 있어 차세대 고성능 리튬 전지로 주목받고 있다. 성능 비교 측면에서, 이론적으로 고체 전지는 이온 전도도, 에너지 밀도, 고전압 저항성, 고온 내구성, 수명 등 여러 지표에서 액체 전지보다 우수하다. 이러한 장점은 기존 액체 리튬 전지가 제공할 수 없는 높은 에너지 밀도와 안전성을 결합하여 전기차용으로 이상적인 전지로 평가된다.
액체 리튬 전지는 열 폭주에 취약하다. 과충전, 충격, 단락, 물 침수 등 요인은 열 폭주 위험을 증가시킬 수 있다. 온도가 90°C에 도달하면 음극 표면의 SEI 필름이 분해되어 리튬이 함유된 탄소가 전해질과 직접 반응하여 열을 방출하고 다량의 가연성 가스를 발생시킨다. 그 결과 분리막이 녹아 내부 단락을 일으킬 수 있다. 온도가 200°C에 도달하면 전해질의 기화와 분해를 촉진하여 격렬한 연소와 폭발을 유발할 수 있다.
액체 리튬 전지와 비교하여 고체 전지는 다섯 가지 주요 안전 기능을 갖추고 있다. 1) 고체 전해질은 높은 기계적 강도를 가지고 있어 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하고 단락을 방지할 수 있다. 2) 고체 전해질은 쉽게 발화하거나 폭발하지 않는다. 3) 인터페이스에서 지속적인 부반응이 발생하지 않는다. 4) 전해질 누출이나 건조 문제도 없다. 5) 고온에서도 수명이 영향을 받지 않거나 더 길어진다.
에너지 밀도 = 작동 전압 × 특정 용량. 기존 액체 전지의 에너지 밀도는 이미 이론적 한계치인 350Wh/kg에 접근했지만, 고체 전지는 500Wh/kg 이상을 달성할 수 있어 에너지 밀도 측면에서 큰 차이가 있다. 고체 전지는 넓은 전기화학적 창을 가지고 있으며, 더 높은 전압(5V 이상)을 견딜 수 있어 선택할 수 있는 소재의 범위가 더 넓다. 전지의 에너지 밀도는 작동 전압과 특정 용량의 곱에 의해 결정되며, 전지의 전체 특정 용량은 바닥 효과를 따라 양극과 음극의 낮은 쪽에 의해 제한된다.
현재, 고체 전지에서 흑연 음극의 특정 용량은 372mA•h/g이며, 실리콘 기반 음극의 이론적 특정 용량은 4200mA•h/g, 리튬 금속 음극의 이론적 특정 용량은 3860mA•h/g로, 모두 양극보다 훨씬 높다. 따라서 양극 물질은 리튬 이온 전지의 추가적인 성능 개선을 위한 주요 병목점이 되었다. 전고체 전해질은 위의 고용량 음극 재료와 기존 양극 물질 시스템을 모두 호환할 수 있을 뿐만 아니라, 고용량 양극 물질과도 호환할 수 있어 에너지 밀도가 500Wh/kg 이상에 이를 수 있다.
기존 액체 전지는 상대적으로 좁은 작동 온도 범위를 갖는다. 저온에서 액체 전지의 성능은 전해질의 점도 증가, 이온 전도도 감소, 전해질과 전극 사이의 계면 저항 및 전하 이동 저항 증가, 리튬 이온 이동 속도 감소 등의 이유로 감소한다. 또한, 전해질의 낮은 발화점과 분리막의 낮은 융점으로 인해 고온에서는 연소 위험이 있다. 고체 전해질 전지는 저온에서 전해질의 고체화 문제가 없으며, 고온에서의 영향을 덜 받기 때문에 더 넓은 작동 온도 범위를 가지며, -40°C에서 150°C까지의 범위에 도달하여 액체 전지보다 훨씬 우수하다.
기존 액체 전지는 분리막과 전해질을 사용해야 하며, 이는 배터리 부피의 거의 40%와 무게의 25%를 차지한다. 고체 전지는 액체 전지의 분리막과 전해질을 고체 전해질로 대체하여, 음극과 양극 사이의 거리를 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터까지 줄일 수 있어 배터리의 두께를 크게 줄일 수 있다. 그 결과, 동일한 전하량을 유지하면서 고체 전지의 부피는 작아진다.
액체 전해질의 함량이 점차 감소함에 따라, 고체 전지의 발전 경로는 일반적으로 반고체(5-10wt%), 준고체(0-5wt%), 전고체(0wt%) 단계로 나뉠 수 있다. 반고체와 준고체 전지는 혼합 고체-액체 전해질을 사용한다. 현재 전 세계적으로 전고체 전지는 주로 연구 및 개발 단계에 있으며, 프로토타입 상태에 있다. 전고체 전지의 산업화를 저해하는 주요 요인은 재료 및 제조 기술이 아직 성숙하지 않았으며, 생산 비용이 너무 높다는 점이다. 업계에서는 전고체 전지가 대규모 산업화를 이루기까지 최소 5년이 더 걸릴 것이라고 보고 있다. 전고체 전지가 상용화 단계에 공식적으로 진입하기 전에 반고체 전지는 좋은 과도기적 기술 솔루션이 될 수 있다. 반고체 전지는 혼합 고체-액체 전해질을 사용하며, 전지 내 전해질의 함량은 5-10% 사이이다. 고체 전해질 코팅을 추가함으로써, 그 전기화학적 원리는 액체 리튬 전지와 동일하며, 기존의 성숙한 전지 제조 공정을 계속 사용할 수 있어 고체 전지보다 생산 난이도가 낮다. 기존 액체 리튬 전지와 비교하여, 반고체 전지는 안전성 향상, 에너지 밀도 증가, 유연성 향상, 수명 연장, 넓은 작동 온도 범위, 압축 및 진동 저항 등의 성능 개선이 이루어졌으며, 따라서 반고체 전지는 액체 전지에서 전고체 전지로의 전환 기술로 주목받고 있다.
고체 전지에는 세 가지 주요 기술 경로가 있다: 고분자 고체 전지, 산화물 고체 전지, 황화물 고체 전지. 고체 전지의 다양한 기술 경로는 주로 서로 다른 고체 전해질에 따라 구분된다. 고체 전해질의 분류에 따르면, 고분자 전해질, 산화물 전해질, 황화물 전해질의 세 가지 주요 기술 경로가 있다. 고분자 전해질은 유기 전해질에 속하고, 산화물 및 황화물 전해질은 무기 전해질에 속한다.
이상적인 고체 전해질 재료는 높은 이온 전도성, 리튬 금속에 대한 화학적 및 전기화학적 안정성, 리튬 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제할 수 있는 능력, 낮은 제조 비용, 희귀 금속을 사용하지 않아야 한다. 그러나 세 가지 주요 기술 경로는 각각 장단점이 있으며, 위의 요구 사항을 동시에 충족할 수 있는 단일 재료는 없으며, 기술적 돌파구에는 여전히 어려움이 있다. 전체적으로, 황화물 전해질은 전고체 전지에서 가장 발전 가능성이 큰 것으로 평가받고 있다.
고분자 전해질: 고분자의 장점은 가공이 용이하고, 기존의 전해질 생산 장비 및 공정과 호환성이 뛰어나며, 기계적 특성이 우수하다는 점이다. 단점으로는 (1) 이온 전도성이 낮아 정상적인 충전 및 방전을 위해 60°C로 가열해야 한다는 점, (2) 화학적 안정성이 낮아 고전압 양극 물질에 적합하지 않으며, 고온에서 연소하기 쉽다는 점, (3) 전기화학적 창이 좁아 전위 차가 너무 크면 (>4V), 전해질이 전기분해되기 쉬워 고분자의 성능을 제한한다는 점이 있다.
산화물 전해질: 산화물 전해질의 장점은 전도성과 안정성이 우수하며, 고분자보다 이온 전도성이 높고, 1000°C까지 열 안정성이 있으며, 기계적 및 전기화학적 안정성이 뛰어나다는 점이다. 단점으로는 (1) 황화물과 비교할 때 이온 전도성이 상대적으로 낮아 산화물 고체 전지의 성능 개선 과정에서 용량 제한 및 속도 성능 제한 등 여러 문제가 발생할 수 있다는 점, (2) 산화물이 매우 단단하여 고체 전지에서 경직된 계면 접촉 문제를 일으킬 수 있으며, 단순한 실온 냉압하에서는 전지의 공극률이 매우 높아 전지가 제대로 작동하지 않을 수 있다는 점이 있다.
황화물 전해질: 황화물 전해질은 가장 높은 이온 전도성, 우수한 기계적 특성, 넓은 전기화학적 안정성 창(5V 이상)을 가지고 있어 우수한 성능을 보여주며, 전고체 전지에서 가장 발전 가능성이 크다. 단점으로는 (1) 불안정한 인터페이스로 인해 양극 및 음극 물질과 부반응을 일으키기 쉬워, 인터페이스 저항이 높고 내부 저항이 증가한다는 점, (2) 제조 공정 측면에서 황화물 고체 전지의 제조가 더 복잡하며, 황화물은 공기 중의 물과 산소와 반응하여 고독성 황화수소 가스를 생성하기 쉽다는 점이 있다.
고분자 전해질은 기술적으로 가장 빠르게 발전하였으며, 비교적 성숙한 기술로 상업적 응용이 가장 먼저 추진되어 소규모 대량 생산에 성공하였다. 그러나 전도성이 낮고 성능 한계가 낮아 아직 널리 채택되지 않았다. 산화물 전해질은 모든 측면에서 균형 잡힌 성능을 보여주며, 현재 빠르게 발전하고 있다. 황화물 전해질은 높은 전도성 및 우수한 성능으로 인해 전기차에 가장 적합하며, 큰 상업적 잠재력을 가지고 있지만, 연구 난이도가 높으며 높은 안정성을 유지하는 방법은 여전히 해결해야 할 과제다. 고체 전해질의 핵심 문제에서 기술적 돌파구를 이루는 것은 산업화 고체 전지 기술의 기술적 도전과 해결책
고체 전해질의 개발은 세 가지 주요 과학적 문제에 직면해 있습니다. 고체 전해질에서 이온 수송 메커니즘, 리튬 금속 양극에서 리튬 덴드라이트 성장 메커니즘, 다중 필드 결합 시스템의 실패 메커니즘은 고체 전지 개발이 직면한 핵심 과학적 문제들입니다. 이러한 문제를 해결하는 것은 새로운 고체 전해질 재료를 개발하고, 고체 전지의 물리화학적 성능을 최적화하며, 고체 전지의 발전을 촉진하는 데 필수적입니다.
고체 전지 전해질의 종합 성능은 균형을 맞추기 어렵습니다. 재료 특성 측면에서, 고분자, 산화물 또는 황화물 등 고체 전해질로서 이들의 전체 성능은 만족스럽지 않습니다. 예를 들어, 고분자 전해질은 가공이 용이하고 생산 난이도가 낮지만, 이온 전도성이 낮아 충전 및 방전 성능에 영향을 미칩니다. 산화물 및 황화물 전해질은 높은 전도도, 안전성, 기계적 강도를 가지고 있지만, 제조 난이도가 크고 비용이 높습니다.
해결 방법: 복합 전해질은 여러 재료의 장점을 통합합니다. 따라서 복합 재료의 아이디어는 서로 다른 재료를 결합하여 양측의 장점을 취하려는 것입니다. 고분자/고분자 복합 전해질 재료는 더 강한 가공성과 기계적 강도 및 이온 전도성이 개선됩니다. 고분자/무기물(산화물/황화물) 복합 전해질 재료는 고분자와 산화물/황화물의 특성을 결합하여 높은 강도와 더 나은 유연성, 전도성 및 쉬운 준비성을 포괄적으로 통합합니다.
모든 고체 전지의 병목은 충전 및 방전 속도가 느리고 용량 감소가 빠르다는 점에 있습니다. 이온 전도도는 고체 전지의 충전 및 방전 속도를 개선하는 데 핵심입니다. 고체 전해질에서 이온 수송 성능은 벌크와 인터페이스에서 이온의 수송 과정에 의해 공동으로 결정됩니다. 액체 전해질에 비해 고체 전해질에서 이온 간 상호작용력은 강하고, 이온 이동 에너지 장벽은 액체보다 10배 이상 높아 이온 전도성이 낮습니다.
고기계적 강도를 가진 고체 전해질은 여전히 리튬 덴드라이트의 성장을 완전히 억제하고 리튬 금속의 균일한 침착을 달성하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 연구에 따르면 높은 전단 계수를 가진 무기 고체 전해질은 리튬 덴드라이트가 고체 전해질을 관통하는 것을 완전히 막을 수 없습니다. 리튬 덴드라이트는 여전히 고체 전지의 실용화에 중요한 장애 요소입니다. 예를 들어, 산화물 고체 전해질의 전단 계수는 리튬 금속의 10배 이상(50GPa 이상)이며, 리튬 덴드라이트의 성장은 여전히 고체 전지에서 단락을 일으킬 수 있습니다.
고체-고체 인터페이스 접촉으로 인한 안정성 저하는 전지 실패의 주요 원인입니다. 고체 전지의 인터페이스는 고체-고체 접촉이며, 전극과 전해질 간의 접촉 저항이 높아지면 전도성이 방해받을 수 있습니다. 높은 임피던스는 과전압을 증가시켜 용량 감소와 에너지 밀도 저하를 초래합니다. 고임피던스의 주요 원천은 다음과 같습니다: (1) 고체 전해질과 양극 간의 인터페이스 문제, (2) 고체 전해질과 복합 음극 간의 인터페이스 문제, (3) 복합 음극 내에서 음극 활성 물질과 고체 전해질 간의 미세 인터페이스 문제.
해결 방법: 인터페이스 공학 및 수정은 재료와 공정이라는 두 차원을 통해 개선을 이룹니다. 재료 차원: 리튬 금속 양극 및 코팅된 복합 음극을 선택합니다. 양극 측에서는 부피 변화가 적은 리튬 합금을 양극으로 사용하여 양극 팽창 문제와 거시적 인터페이스 문제를 완화하고, 더 안정적인 고체 전해질을 선택하여 인터페이스에서의 부반응 발생을 줄입니다. 복합 음극의 미세 인터페이스에서는 표면 코팅을 사용하여 인터페이스 응력을 줄이고 이온 및 전자 수송 효율을 개선합니다.
공정 차원: 거시적 인터페이스 문제는 제조 과정에서 압력을 증가시켜 기공을 제거하고 인터페이스 접촉을 강화하거나, 고체 전지에 액체를 주입하고 밀봉 후 가열 등의 방법으로 액체를 고화시켜 고체 전해질과 전극 간의 인터페이스 접촉을 강화하는 방식으로 해결할 수 있습니다.
고체 전지의 원자재 공급망과 제조 장비는 아직 완성되지 않았습니다. 현재 고체 전지의 일부 원자재는 대량 생산되지 않았으며, 전체 산업 체인이 완전하지 않아 배터리 제조 비용이 높습니다. 또한 고체 전지는 새로운 유형의 배터리로, 고체 전지 제조 공정에 특정 장비가 부족합니다. 예를 들어, 소결, 진공, 건조실 및 특정 대기 등이 모두 고체 전지 제조 비용을 증가시킵니다. 고체 전지의 전극 재료는 비용이 높습니다. 산화물 양극 재료는 주로 알루미늄 산화물 및 타이타늄 산화물과 같은 무기물로 만들어지며; 황화물 양극 재료는 황, 황화물 및 고분자로 구성되고; 고분자 양극은 폴리카보네이트와 셀룰로오스와 같은 다양한 고분자 화합물로 구성됩니다. 예를 들어, 독일 게르마늄의 높은 비용은 성능이 상당한 LGPS형 황화물 전해질의 대량 생산을 방해합니다.
해결 방법: 반고체가 먼저, 규모의 경제를 통해 원재료 비용을 절감합니다. 반고체 전지는 기술적으로 상대적으로 성숙하며 액체 리튬 이온 배터리와 더 가까운 형태입니다. 반고체 전지의 산업화가 이루어지면, 해당 고체 전해질의 생산 능력이 증가하고 원재료 비용이 절감되며, 공정 최적화가 이루어짐에 따라 원재료 및 생산 비용이 감소할 것으로 예상됩니다.
도요타 + 파나소닉(일본)
주요 기술 경로: 황화물
진행 상황: 2004년부터 도요타는 전고체 배터리 개발을 시작하였으며, 풍부한 기술과 특허를 축적하였습니다. 2019년 1월, 2020년까지 전고체 배터리를 개발하기 위해 파나소닉과 함께 새로운 회사를 설립한다고 발표하고, 5월에는 전고체 배터리 샘플을 전시하였습니다. 2020년에는 전고체 배터리가 장착된 새로운 에너지 차량을 출시하였으며, 2025년까지 대량 생산을 계획하고 있습니다.
히타치 조선(일본)
주요 기술 경로: 황화물
진행 상황: 전고체 배터리(AS-LiB)를 출시하였으며, 처음에는 항공우주 분야에 적용되었고, 2025년 이후 자동차 시장에 적용할 계획입니다.
삼성 SDI + SKI + LG 화학(한국)
주요 기술 경로: 황화물
진행 상황: 2017년 삼성 SDI는 전고체 배터리를 전시하였으며, 2018년에는 세 기업이 협력하여 100억 원 규모의 기금을 설립하고 전고체 리튬 배터리 및 차세대 배터리 기술에 공동 투자하였습니다. 2020년에는 삼성 SDI가 전고체 배터리의 최신 연구 결과를 발표하였고, 은-탄소 기반 전고체 배터리는 900Wh/L의 높은 에너지 밀도와 1000회 이상의 긴 사이클 수명을 달성할 수 있으며, 99.8%의 쿨롱 효율로 한 번 충전으로 800킬로미터를 주행할 수 있습니다.
볼로레(프랑스)
주요 기술 경로: 고분자
진행 상황: 전고체 배터리가 장착된 전기차를 최초로 사용하였으며, 2011년에 30kWh 고분자(LMP) 배터리가 장착된 Bluecar를 출시하였습니다.
솔리드 파워(미국)
주요 기술 경로: 고분자
진행 상황: 콜로라도 대학교의 과학 연구 성과에서 유래되었으며, BMW, 현대자동차, 삼성 등의 투자를 받았습니다. 2019년에는 포드와 협력하여 차세대 전기차 전고체 배터리를 개발하였으며, 2020년 10월 첫 번째 2Ah 전고체 배터리(ASSB)의 생산과 배송을 발표하였고, 이 제품은 2021년에 시장에 출시될 예정이며, 2026년에는 자동차 분야에 적용될 계획입니다.
솔리드 에너지 시스템(미국)
주요 기술 경로: 고분자
진행 상황: MIT 연구원들이 창립하였으며, 제너럴 모터스 등 기업들로부터 3000만 달러를 투자받았습니다. 2020년에는 폭스콘과 CATL과 협력하여 파워 배터리 분야에서 고체 전지를 2024년에 출시할 계획이며, 2021년에는 제너럴 모터스와 협력하여 매사추세츠 주 워번에 프로토타입 공장을 건설할 계획을 세웠습니다.
아이오닉 머티리얼(미국)
주요 기술 경로: 고분자
진행 상황: 2018년 르노-닛산-미쓰비시 얼라이언스로부터 투자를 받았으며, 2025년까지 르노의 전기차에 코발트 없는 고체 전지 장착을 계획하고 있습니다.
퀀텀 스케이프(미국)
주요 기술 경로: 산화물
진행 상황: 폭스바겐으로부터 투자를 받았으며, 폭스바겐은 2014년 5%의 지분을 보유하였고, 2018년 6월에는 1억 달러의 추가 투자를 받았습니다. 2020년 6월에는 2억 달러의 추가 투자가 이루어졌으며, 협력 목표는 2025년 이전에 전고체 배터리의 대량 생산을 달성하는 것입니다.
Seoul: NEWARE
1314 ,Gasan Digital 2-ro 70, Geumcheon-gu, Seoul 19th Taerung Techno Town, Gasan-dong, Geumcheon-gu, Seoul , Korea 08589
