고분자 전해질이나 고체 전해질 배터리는 기존 액체 전해질 리튬이온과의 어떤 차이점을 가지나요?

Question

배터리 내부의 전해질을 고분자 전해질이나 고체 전해질로 바꾸면 누액이나 발화 위험이 줄어든다고 하는데, 반대로 이온 전도도나 온도 특성 등과 같은 현재 이슈화 되고 있는 점에 대해서는 어떤 수준과 한계점이 있는가요?

Answer 1

안녕하세요.

기존 리튬이온전지는 말씀해주신 것처럼 에틸렌카보네이트와 같은 유기용매에 리튬염을 녹인 액체 전해질을 사용하는데요, 이 액체는 이온 전도도가 높고 전극과의 접촉이 좋아 출력 특성이 우수합니다. 다만 인화성이 있고 누액이나 열폭주 위험이 존재한다는 단점이 있습니다. 이에 비해 고분자 전해질이나 무기 고체 전해질은 전해질을 고체화하여 구조적 안정성을 높이는 방식입니다.

먼저 고분자 전해질 배터리는 대표적으로 폴리에틸렌옥사이드 같은 고분자 사슬 내부를 따라 리튬 이온이 이동하는데요 이 경우 액체가 없기 때문에 누액 위험이 거의 없고, 가연성도 상대적으로 낮습니다. 또한 필름 형태로 만들 수 있어 유연한 전지 설계가 가능합니다. 하지만 고분자 사슬의 분자 운동이 활발해야 이온이 잘 이동하는데, 상온에서는 사슬 운동성이 충분하지 않아 이온 전도도가 낮기 때문에 저온에서는 출력이 급격히 저하될 수 있습니다.

다음으로 무기 고체 전해질은 결정 격자 내의 빈자리나 통로를 따라 리튬 이온이 이동하는데요 최근 황화물계 전해질은 높은 이온 전도도를 보여 액체 전해질과 비슷한 수준에 도달하기도 했습니다. 하지만 문제가 되는 것은 계면인데요, 고체와 고체가 맞닿으면 미세한 틈이나 접촉 저항이 생기기 쉽고, 충전과 방전 중 전극의 부피 변화로 접촉이 깨질 수 있습니다. 이로 인해 내부 저항이 증가하고 수명이 단축될 수 있으며 황화물계는 수분과 반응해 황화수소를 발생시킬 수 있어 제조 환경 관리가 까다롭고, 산화물계는 단단하지만 취성이 커서 가공이 어렵습니다. 하지만 확실히 안전성 측면에서는 장점이 있는데요 고체 전해질은 비휘발성이고 불연성이므로 열폭주 가능성이 낮고, 물리적 충격에 대한 내성이 상대적으로 높습니다. 또한 이론적으로는 리튬 금속 음극을 사용할 수 있어 에너지 밀도를 크게 향상시킬 잠재력이 있습니다. 감사합니다.