이차전지 전고체 배터리의 핵심 소재인 고체 전해질

Question

안녕하세요!

이차전지 전고체 배터리의 핵심 소재인 고체 전해질(황화물계,산화물계,폴리머계)의 특징과 기술적 난제는 무엇인가요!

Answer 1

안녕하세요.

전고체 배터리의 고체 전해질은 리튬 이온을 이동시키는 역할을 하고, 종류마다 장담점이 뚜렷합니다.

황화물계는 이온전도도가 높지만 습기에 민감하고 유해한 황화수소가 발생되는 문제가 있고, 산화물계는 열적, 화학적 안정성은 좋지만 단단하고 깨지기 쉽기 때문에 제조와 전극의 접촉에 어려움이 있어요. 폴리머계는 유연하고 가공하기 편하지만 상온에서 이온전도도가 낮아 가열이 필요한 경우가 있죠.

핵심적인 난제는 이온이 빠르게 이동하면서도 전극과 안정적으로 접촉하고, 충방전을 반복해도 성능이 유지되도록 만드는 것이에요.

감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

황화물계는 리튬 이온이 지나가는 속도, 즉 이온 전도도가 액체 전해질과 맞먹을 만큼 높아서 가장 앞서 있어요. 재질이 비교적 무른 편이라 눌러서 굳히기만 해도 전극과 잘 맞붙어요. 그런데 공기 중 수분과 만나면 독성 가스인 황화수소가 생겨서 아주 건조한 공간에서만 생산해야 하고, 양극과 닿는 면에서 부반응이 일어나 별도 코팅이 필요해요.

산화물계는 공기와 열에 안정하고 불이 붙을 걱정이 거의 없어요. 그런데 이온 전도도가 황화물보다 낮고, 세라믹처럼 단단하고 잘 깨져서 전극과 빈틈없이 붙이기 어려워요. 만들 때 1,000도 넘게 구워야 해서 얇고 넓게 만들기도 까다로워요.

폴리머계는 플라스틱처럼 유연하고 가공이 쉬워서 기존 공정을 활용하기 좋아요. 그런데 상온에서는 이온 전도도가 크게 떨어져서 60~80도로 데워야 제 성능이 나오고, 고전압 양극과 함께 쓰면 쉽게 분해돼요.

세 종류 모두 고체끼리 맞닿는 면의 저항이 커서 이를 낮춰야 해요. 충전과 방전을 반복하면 전극 부피가 변하면서 접촉면이 벌어지고, 리튬이 바늘처럼 자라 전해질을 뚫는 현상도 막아야 해요. 요즘은 두 종류를 섞어 단점을 보완하는 복합 전해질 연구도 활발해요 :)

Answer 3

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리입니다. 안전성과 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 배터리로 주목 받고 있습니다.

황화물계는 리튬이온이 잘 이동해 성능이 좋고 가공도 쉬운 편이긴 한데, 수분과 만나면 황화수소가 생기게 됩니다. 그래서 제조 환경 관리가 상당히 까다로운 점이 있고, 산화물계는 화학적으로 안정하고 열에도 강하지만 재료가 단단해 전극과 밀착시키기 어렵고 제조 온도가 높다는 단점을 가지고 있습니다. 폴리머계의 경우는 얇고 유연해서 만들기는 쉬운데, 상온에서는 이온이 잘 움직이지 않아 전도도가 낮은 것이 가장 큰 문제입니다.

세종류 모두 전극과 전해질이 맞닿는 경계면의 저항를 줄이고, 충방전을 반복해도 균열이나 접촉 불량이 생기지 않게 만드는 것이 중요한 과제입니다.

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

이차전지 전고체 배터리의 핵심 소재인 고체 전해질은 크게 황화물계 산화물계 폴리머계로 나뉘며 각각 독특한 장단점을 지닙니다. 황화물계 고체 전해질은 액체 전해질에 버금가는 높은 이온 전도도와 우수한 유연성을 지녀 대면적화와 고출력 구현에 유리하다는 특징이 있습니다 다만 수분과 접촉 시 유독성 황화수소 가스를 발생시키고 공기 중 다루기 까다롭다는 치명적인 기술적 난제를 안고 있습니다 산화물계 고체 전해질은 높은 열적 화학적 안정성을 제공하여 화재 및 폭발 위험을 원천 차단하는 뛰어난 안전성을 자랑합니다. 그러나 딱딱한 세라믹 성질로 인해 고체 간 계면 접촉 저항이 크고 제조 시 고온 소결 공정이 필요하며 두께를 줄이기 어렵습니다. 폴리머계 고체 전해질은 기존 공정을 일부 활용할 수 있어 가공성이 우수하고 얇은 필름 형태로 양산하기 용이합니다. 하지만 상온에서의 이온 전도도가 낮아 성능을 발휘하려면 고온 구동 환경이 필수적이거나 전지 설계가 복잡해지는 단점이 있습니다