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기술동향 <기술동향: 리튬이차전지> 차세대 리튬이차전지용 고체 전해질 기술

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작성자 댓글 0건 조회 2,965회 작성일 21-08-09 11:12

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그림 1. 여러 가지 고체 전해질의 이온전도도의 온도 의존성 (Arrhenius plot)

출처: Y. Zhao et al., “A chemistry and material perspective on lithium redox flow batteries towards high-density electrical energy storage,” Chem. Soc. Rev., vol. 44, 2015, pp. 7968-7996, Reprinted with permission from RSC.


서론

현재 상용화되어 있는 리튬이온전지는 리튬 전이금속 산화물 양전극, 흑연계 음전극, 유기 전해액으로 구성되어 리튬이온이 전해액을 매질로 하여 두 전극을 오가면서 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 저장 및 방출하면서 전자소자를 구동하는 에너지 소자이다. 기존의 소형 휴대용 전자기기는 물론 전기자동차(EV) 및 에너지저장 시스템(ESS) 등의 중대형 전력원으로서의 응용처 확대에 따라 고용량, 고출력, 장수명 등의 전기화학적 성능은 물론 고온/저온 특성, 안전성, 내구성, 성능 신뢰성 등의 외부적 효과도 그 중요성이 강화되고 있다. 이러한 요구조건을 만족하기 위해 다양한 측면의 신소재 개발 및 적용을 통해 고성능의 차세대 리튬이차전지 개발이 계속 진행되고 있다. 그 중에서도 기존의 리튬이온전지에서 사용하는 유기 전해액의 가연성, 부식성, 열적 불안정성, 고전압 취약성 등에 의한 안전성 결여 문제를 해결하기 위해 고체 전해질을 적용하는 연구가 현재 가장 중요한 관심을 받고 있다. 고체 전해질을 사용하는 전고체 리튬이차전지(ASSLB: All-Solid-State Lithium Battery)는 기본적으로 안전성 염려를 해소할 수 있으며, 전기화학적 안정성 창도 5V(리튬전극 대비)까지 확장할 수 있어서 고전압용 양전극 소재의 활용이 가능해지고, 따라서 전지의 에너지밀도 향상도 가능하다. 또한 리튬금속 음전극과 유황 혹은 산소 양전극 등 대용량 전극소재를 사용할 수 있어 리튬-유황(Li-S) 전지, 리튬-공기(Li-O2) 전지 등의 차세대 리튬이차전지 시스템으로 확장이 가능하다. 특히 리튬금속 음전극, 고체 전해질 및 변환성 양전극(S, O2 )으로 구성되는 차세대 리튬이차전지 시스템은 최대 에너지밀도(450Wh/kg 700Wh/L)와 최대 출력밀도(500W/kg 1000W/L)의 실현을 목표로 연구개발 중이다(유럽연합의 SET-Plan Action 72030년 목표 기준)(1)(2).


이 동향분석에서는 현재 개발 중인 리튬이차전지용 고체 전해질을 소재별로 분류하고, 소재의 고유 성질에 따르는 각 고체 전해질의 물성, 특히 전기화학적 특성과 각 고체 전해질을 적용한 ASSLB의 성능에 관한 연구동향을 알아본다. 전극 내부에 고체 전해질이 참여하는 복합전극을 사용하는 ASSLB의 전기화학적 성능 개선을 위해 전극-전해질 계면 및 입자 간 계면의 안정성 및 최적화 조건에 관한 논의도 추가한다. 또한 리튬금속 음전극과 고체 전해질이 적용되는 차세대 리튬이차전지로 유망한 Li-S Li-O2 전지의 현재 연구동향과 추후 전망도 개관하며, 추가적으로 ETRI의 고체 전해질 관련 연구동향도 소개한다.

 

고체 전해질 분류 및 성능

리튬이차전지용 고체 전해질은 현재 소재에 따라 유기 고분자 고체 전해질, 무기 고체 전해질, 유기-무기 하이브리드 고체 전해질, 전극과 복합화된 복합 고체 전해질(전극) 등으로 나눌 수 있으며, 특히 복합 고체 전해질은 그 형상에 따라 원형(0D), 섬유형(1D), 평판형(2D), 입체형(3D) 등의 형식으로 전기화학적 및 표면(계면 포함) 특성의 관점에서 집중적으로 연구되고 있다(3).

 

또한 고체 전해질의 가장 중요한 전기화학적 특성 중 하나인 이온전도도는 실제 ASSLB의 특성을 좌우할 수 있는 요소로서 고체 전해질의 종류에 따라 매우 다양한 값을 보이고 있으며(그림 1)(4), 실제 응용에 필요한 이온전도도(~10-4S/cm 이상)의 향상을 위한 연구가 활발히 진행 중이다.



..후략 


김광만, 오지민, 신동옥, 김주영, 이영기 / ETRI 지능형센서연구실

본 기사는 2021년 8월호에 게재되었습니다. 


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