전고체배터리(ASSB) : 산화물계 고체전해질 장점과 단점

장점은 대기안정성과 높은 전위창

단점은 낮은 이온전도도

안녕하세요! WAB입니다.
오늘은 산화물계 고체전해질에 관해서 살펴보겠습니다.
이전 시간에는 황화물계 고체전해질의 종류와 장단점에 대해 알아봤는데요,

전고체배터리(ASSB) : 황화물계 고체전해질 종류

전고체배터리(ASSB) : 황화물계 고체전해질 장점과 단점

 
이번 시간에는 고체전해질의 한 축인 산화물계 고체전해질의 장단점에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다. 

---

산화물계 고체전해질 전반적 속성

산화물계 고체전해질의 이온전도도는 분리막용으로 적용하기에 충분히 높습니다.
그러나 고용량 전지에 사용되는 두꺼운 양극 내에서 사용하기에는 너무 낮죠.
그래서 치환체를 사용하여 이온전도도를 높일 수 있지만 실온에서 1 mS/cm 이상의 전도도는 아직 도달하지 못했습니다.
산화물계 고체전해질을 사용하면 다음과 같이 다양한 전략을 취할 수 있습니다.
Gel과 고체전해질의 혼합물을 catholyte로 사용하는 하이브리드 방식으로도 사용할 수 있습니다. 
더욱이 산화물 분리막을 더 높은 이온 전도도를 갖는 황화물 catholyte와 같이 복합화하는 방식도 가능합니다.
더욱이 Catholyte의 성능을 향상하기 위해 고분자 성분을 첨가하여 낮은 전도도에도 불구하고 catholyte의 습윤 특성을 향상할 수 있습니다.
또한 산화물은 황화물 및 고분자에 비해 비중이 높기 때문에 산화물 분리막의 얇은 층을 제조하는 것이 필수적이지만,
균질하고 얇은 산화막의 제조는 매우 복잡하고 지금까지 습식화학 공정만 가능했습니다.
그러나! 최근 건식 공정 개발로 인해 얇은 산화막을 제조할 수 있게 되어 가능성이 높아졌습니다. 물론 대체할 수 있는 프로세스는 에어로졸 증착법과 압출법이 있긴 합니다.

---

산화물계 고체전해질 특성

• LATP 등 일부를 제외하고 리튬과 전기화학적으로 안정
• 고전위(≧ 4.2 V) 호환성이 좋아 고전압 양극적용이 가능
• Li금속에 대한 전기화학적, 기계적 특성으로 분리막으로 적합

산화물계 고체전해질 특성

관련 특성	특성 내용
이온전도도	산화물의 이온 전도도는 보통이며 황화물과 고분자의 이온전도도 사이
리튬금속 호환성	리튬금속과의 구체적인 호환성은 산화물에 따라 다르나, 일반적으로 황화물 및 고분자에 비해 더 높은 전기화학적 및 기계적 안정성을 나타냄
장기 작동 안정성	산화물은 brittle. 사이클 중 체적변화로 인해 계면접촉이 감소하고 균열이 형성될 수 있음. 전기화학적 안정성이 높아 aging 및 degradation 반응을 제한함
고전위 호환성	넓은 전기화학적 전위창: 고전압의 양극적용이 가능
고체전해질로의 적합성	리튬금속에 대한 기계적 및 전기화학적 안정성이 높아 산화물이 분리막으로 적합
Catholyte로서의 적합성	고용량 전지 및 두꺼운 catholyte를 사용할 경우 산화물의 전도도가 너무 낮아 적합치 않음

---

산화물계 고체전해질 단점

1. 낮은 이온전도도

단점으로는 낮은 이온전도도가 대표적입니다. 

2. 깨지기 쉬움 (Brittleness)

산화물 전해질 및 산화물은 hard 하고 부서지기 쉽습니다. LIB는 포일 기반의 Roll to Roll 공정으로, 이는 재료가 bending 및 rolling 공정을 거쳐야 하는데, 재료가 hard 하고 부서지기 쉬운 경우 이러한 모든 단계는 문제가 되는 것이죠. 또한 산화물과 폴리머 혼합물과 같은 복합재료는 취성과 rigidness를 감소시킬 수 있습니다. 

3. 높은 고체-고체 계면저항

활물질과 산화물 사이의 고체-고체 계면은 또 다른 과제. 재료 사이에 우수한 이온전도성을 설정하는 것은 어려움. 계면저항을 낮추고 전체 성능을 높게 유지하려면 양호한 계면 접촉이 필요
재료의 강성 때문에 서로 다른 층을 영구적으로 접촉시키는 것이 어려움. 재료의 유연성이 부족하기 때문에 충전 및 방전으로 인한 부피 변화를 보상할 수 없음.

4. 리튬메탈과의 나쁜 호환성

LATP 등 일부 산화물 전해질은 Li 금속과 화학적으로 반응. 따라서 Li 금속 음극과 산화물 분리막 사이에 보호층을 적용해야 함. 이 코팅은 음극 또는 고체전해질 분리막 위에 증착될 수 있음.

---

황화물계 고체전해질 이슈 및 해결방안

1. 낮은 이온전도도

• 서로 다른 구성 요소를 혼합하면 하이브리드 및 복합재료 시스템이 가능

2. 깨지기 쉬움 (Brittleness)

• Composite 물질 적용(예 : 고분자 전해질)
• 첨가제 적용

3. 소결 온도

• Alternative processing
• Ultrafast high-temperature sintering (UHS)
• 다공성 고체전해질에 양극활물질 충진
• 첨가제 사용으로 소결 온도 감소
• 양극 활물질을 코팅하여 온도안정성 증가

4. Catholyte로서 성능

• 첨가제 적용으로 이온전도도 향상
• Composite 물질적용(황화합물 또는 고분자)
• 하이브리드 셀 개념(Gel과 고체전해질 혼합물 적용)

5. 리튬 금속 안전성

• 인공 SEI (surface electrolyte interface) 생성
• 보호층 코팅
• 대체 음극활물질 적용(예 : Si)

6. 박막 processing

• 건식 프로세스
• 첨가제 적용

 

---

다음 시간에는..

산화물계 고체전해질의 종류에 대해 자세하게 설명드리겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다.
여러분의 구독과 하트는 지속적인 글 쓰는 데 큰 힘이 됩니다 :)
자세한 사항을 원하시면 아래의 메일로 연락 주세요.
wearethebattery@gmail.com