전고체배터리(ASSB) : 전고체배터리란? - 장점

미래의 배터리, 전고체배터리 (All-Solid-State Battery)

아직 꿈의 배터리

안녕하세요! WAB입니다.
오늘은 전고체배터리에 관한 기본적인 내용들을 살펴보겠습니다.
현재 우리가 사용하는 것은 약간의 액체가 담긴 배터리(이차전지, 리튬이온배터리(LIB)) 를 사용하고 있습니다.
하지만 전고체배터리는 배터리의 모든 구성이 고체형태이기 때문에 액체가 새어 나오는 문제가 없게 되는 것이죠.
그렇다면 왜 전고체배터리를 미래의 배터리라고 하는 걸까요?

---

리튬이온배터리 (Li-ion battery; LIB)의 문제점

1. 안전성

가연성인 유기 전해액을 사용하여 발화 가능성이 있으며,
전기차와 같은 중대형 application에서 화재와 같은 심각한 문제를 초래할 수 있습니다.
물론 발화의 원인은 다양하지만, 과충전 및 반복적 충방전으로 인한 단락이 일반적인 원인으로 알려져 있죠.
아래의 그림과 같이 분리막에 구멍이 뚫린다던가, 외부의 무언가가 배터리를 뚫어버리면 양극과 음극이 만나 단락이 일어나게 되는데 그다음부터는 분리막이 붕괴되고 전해질이 기화되면서 더욱더 심각하게 됩니다.
이러한 일련의 과정을 열폭주라고 하는데 추후에 자세하게 다루겠습니다.

리튬이온배터리 (LIB) 열폭주 (화재 및 폭발)

 

2. 에너지 밀도

현재 사용되고 있는 전해액은 가용 전압 범위를 벗어나면 분해되어 입자 표면에 불균일한 막을 형성하기 때문에
high-Ni 및 OLO 등의 고전압 양극재를 적용하여 에너지밀도를 개선시키기에는 무리가 있습니다.
이 내용은 양극과 전해질을 설명하는 파트에서 자세하게 다뤄야 할 정도로 복잡한 거라
여기서는 간단하게 말씀드리면
양극에 따라 배터리가 구동하는 전압 범위가 다 다른데, 이 전압 범위가 전해질의 분해에도 영향을 줍니다.
이렇게 분해된 전해질이 양극과 음극 표면에 새로운 막을 형성하게 되는데 이게 잘 형성되어야 배터리가 구동이 됩니다.
따라서 굉장히 중요한 부분인 것이죠.

양극재 별 전위창 (voltage window)

---

전고체배터리 (All-solid-state battery; ASSB)의 장점

리튬이차전지의 문제점을 개선하기 위해 연구 중인 다양한 차세대 전지 중 상용화 가능성이 가장 높다고 볼 수 있는데,
유기용매 전해질을 고체전해질로 대체함으로써 안전성 문제 및 전해액 분해 문제를 원천적으로 차단할 수 있다는 게 가장 큰 장점입니다. 이에 따라 분리막이 불필요하므로 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있으며, 전해액 분해가 없으므로 Li 금속 음극 적용 가능성이 생기게 되는 것이죠.

1. 에너지밀도 향상

셀 패키징(packaging) 시 기존의 LIB 시스템은 각각의 셀을 파우치 등으로 밀봉한 후 모듈과 팩으로 조립해야 합니다.
반면, 전고체전지의 경우 적층이 가능한 바이폴라(bipolar) 구조의 전극을 제조할 수 있으며, 이는 전지의 에너지밀도를 획기적으로 높일 수 있다는 큰 장점이 있죠.
또한 고체전해질은 온도 증가에 따른 팽창(swelling)이 발생하지 않으며, 외부 충격에 따른 누액 위험이 없기 때문에 기존의 전지에 사용되던 냉각 및 안전과 관련된 자재를 줄일 수 있어 팩의 에너지밀도가 향상될 수가 있는 것이죠.

리튬이온배터리와 전고체배터리의 셀 구성 비교

 

2. 새로운 활물질 적용 가능

유기용매 전해질 사용 시 전해질이 분해되어 적용하지 못했던, 새로운 활물질을 통해 고에너지밀도를 구현할 수 있습니다. 특히, 산화물계 전해질의 전위창(electrochemical window)은 5V 이상으로 유기용매 전해질 (< 4.5 V)에 비해 넓기 때문에 고전압계 양극활물질을 적용할 수 있게 되죠.

여기서 electrochemical window란?
전위창으로 voltage window라고도 부르는데, 쉽게 생각해서 전해질이 안정한 전압 범위라고 생각하시면 됩니다.

또한, 고체전해질의 높은 탄성계수(Young’s modulus) 및 이온수(transference number)로 인해 리튬 수지상(dendrite)이 이론적으로 억제될 수 있기 때문에 흑연 음극을 Li metal로 대체할 수 있게 됩니다.

---

3. 낮은 활성화 에너지

기존의 액체전해질과 비교했을 때 활성화에너지가 낮기 때문에 전하이동저항이 낮다는 장점도 있습니다.

전고체배터리 (파란색 선)의 낮은 활성화 에너지 (E2)

전해질 파트에서 자세히 설명하겠지만,
전극과 전해질 사이에서는 다음과 같은 복잡한 반응들이 있습니다.

1. Li-ion diffusion in the electrolyte
2. Adsorption on the electrode surface
3. De-solvation
4. Charge transfer
5. Intercalation into the electrode
6. Li-ion diffusion inside the electrode
7. Surface reaction

많은 단계가 있죠? 그래서 배터리가 어렵다는...
이런 모든 단계들이 다 좋아야 잘 구동이 되는 거라 단순히 그럴싸하게 만들었다고 다 되는 게 아닌 것이죠

---

다음 시간에는..

이러한 전고체배터리의 시장 전망과 기술 개발 현황에 대해서 알아보겠습니다 :)

전고체배터리(ASSB) : 전고체배터리의 글로벌 시장 전망

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