솔리드 스테이트 배터리 소개
배터리에서 양이온은 이온 전도체를 통해 음극과 양극 사이를 이동하고 전자를 전달하여 전류를 생성합니다. 종래의 배터리 예시 리튬 이온 배터리 에서, 이온 전도체는 심각한 단점인 고가연성 액체 유기 화합물이다. 다양한 연구 개발 과정을 통해 액체 전도체를 대체할 고성능 고체 전도체를 찾기 위해 다양한 화합물을 합성했습니다. 연구원들은 기존 리튬 이온 전도체의 성능을 능가하는 고체 이온 전도체를 발견했습니다. 예: LGPS 황화물 고체 전해질(LGPS: 리튬, 게르마늄, 인, 황)
솔리드 스테이트 배터리란 무엇입니까? 더 높은 안전성, 더 높은 에너지 밀도 및 비용 효율성에 대한 더 높은 잠재력을 가진 기술 접근 방식입니다. 솔리드 스테이트 배터리는 소비자 가전 및 전기 자동차 배터리 기술의 미래입니다. 리튬 이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질 로 구성됩니다. 전해액은 스마트폰, 전동공구, 전기차 등에 적용되는 액상전지(리튬이온전지)에 사용된다. 이에 반해 전고체 전지는 기존 전지와 같이 액체 전해질이 아닌 고체 전해질을 사용한다.
배터리의 전해질은 양극과 음극 사이에 전류가 흐르도록 하는 전도성 화학 혼합물입니다. 분리기는 단락을 방지합니다. 전고체 배터리는 다른 배터리와 마찬가지로 양극, 음극 및 전해질이 있는 전기화학 전지입니다. 전극과 전해질은 납축전지와 달리 고체입니다.
상업적으로 이용 가능한 리튬 이온 배터리에는 액체 전해질 용액으로 분리된 양극과 음극을 고정하는 분리막이 있습니다. 반면, 전고체 전지는 액체 전해질 용액이 아닌 고체 전해질을 사용하며, 고체 전해질은 분리막 역할도 한다. 이 배터리는 솔리드 스테이트 EV 배터리의 용량을 늘리는 데 필수적이며 강력하게 필요합니다. 그들은 가연성이며 폭발 가능성은 무시할 수 있습니다. 고체 배터리의 예는 인산 리튬 유리입니다. 이러한 배터리는 에너지 밀도가 높습니다.
고체 배터리 의 에너지 용량은 액체 전해질 용액을 사용하는 리튬 이온 배터리보다 큽니다. 폭발이나 화재의 위험이 없으므로 안전 부품이 필요하지 않아 공간이 절약됩니다. 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 2배 많은 에너지를 저장할 수 있어 전력이 증가합니다. 몇 개의 배터리만 필요하기 때문에 전고체 배터리는 단위 면적당 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리 기술
SSB는 주로 다음 특성에 중점을 둡니다.
더 높은 에너지 밀도:
- 더 낮은 비용: 더 저렴한 재료와 비용 효율적인 프로세스의 사용 및 높은 에너지 밀도로 인한 것입니다.
- 더 높은 안전성: 과충전에 대한 내성, 과충전에 대한 내성
- 희소한 재료의 낮은 의존성: 지질학적 의존도가 낮고 리튬, 코발트와 같은 재료로 대체됩니다.
- 낮은 환경 영향: 독성 물질 없음, 중금속 없음, 위험한 화학 물질 없음, 환경 친화적인 생산, 폐기 또는 재활용하기 쉬운 물질.
- 기타: 완전 방전 기능, 고속 충전 또는 방전 기능.
전고체 전해질은 전고체 전지의 핵심 부품입니다. 고체 전해질 물질에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.
무기 재료: 무기 결정질 재료, 무기 비정질 재료. 무기 전해질은 높은 탄성 계수, 강한 열/화학적 안정성, 큰 전기화학적 창, 높은 이온 전도도 및 낮은 전자 전도도를 갖기 때문에 이러한 전해질은 열악한 환경에서 작동할 수 있는 견고한 배터리 설계에 더 적합합니다.
고체 폴리머: 예: 폴리에틸렌 옥사이드. 고분자 전해질은 무기 고체 전해질보다 이온 전도성이 낮지만 다양한 기하학적 구조와 높은 유연성을 제공할 수 있으며 저비용 및 단순화된 생산 공정이 필요합니다. 배터리 셀을 통합할 때 고체 고분자 전해질은 효과적인 전극-전해질 연결을 쉽게 생성하여 배터리의 전기화학적 안정성과 사이클 수명을 증가시킬 수 있습니다. 액체 전해질은 전통적인 리튬 이온 배터리에 사용되며 일반적으로 전극과 잘 접촉합니다.
전극은 질감이 있는 표면 덕분에 스펀지처럼 액체를 흡수하여 접촉 면적이 넓어집니다. 이론적으로 두 개의 솔리드는 매끄럽게 연결될 수 없습니다. 그 결과, 전극과 전해질 사이의 저항이 높습니다. 고체 전해질은 양면에 스크린 인쇄된 인산염 전극의 안정적인 운반 매체 역할을 합니다. 새로운 솔리드 스테이트 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리와 달리 유독하거나 위험한 물질이 전혀 없습니다.
무기 및 고분자 재료를 결합하여 두 가지 유형의 재료의 장점을 모두 활용합니다. 이러한 전해질은 높은 이온 전도성을 나타내며 비교적 유연합니다.
고체 전해질의 기계적, 전기적 및 화학적 특성과 양극 및 음극 전극과의 계면/계면은 고체 전지의 효율에 큰 영향을 미칩니다.
세 가지 필수 현상에 중점을 둔 전고체 배터리의 기본 문제:
(i) 고급 이온 전도체 생성 원리,
(ii) 화학적으로 불안정한 전해질-전극 계면에서의 구조적 진행, 및
(iii) 전극 및 전해질 구조를 포함한 고체 배터리 처리의 의미. 고체 전해질(SSE)은 안전 문제를 해결할 뿐만 아니라 금속 양극 사용 및 고전압 작동을 허용합니다.
솔리드 스테이트 배터리(SSB)는 고체 전해질이 열 안정성이 훨씬 높기 때문에 차세대 배터리를 위한 최상의 솔루션 중 하나입니다. 또한, 무기 고체 전해질은 50 내지 200°C 또는 그 이상의 온도 범위와 같은 극한 온도에서 기능할 수 있으며, 여기서 유기 전해질은 동결, 비등 또는 분해로 인해 실패한다.
전고체 전해질을 사용할 때 예상되는 전기화학적 출력을 달성하기 위해 4가지 고유한 기능이 고려됩니다. 이러한 특성은 다음과 같습니다.
( i ) 높은 이온 전도도(+Li> 104S/cm);
(ii) 리튬 덴드라이트 침투를 방지하기 위한 적절한 기계적 강도 및 구조적 결함이 거의 없음;
(iii) 저렴한 원료 및 쉬운 준비 과정; 그리고
(iv) 리튬 이온 확산을 위한 낮은 활성화 에너지.
솔리드 스테이트 배터리의 장점
- 간단한 구조: 고체 전해질은 양극과 음극의 접촉을 방지하는 분리막 역할을 하여 에너지 밀도를 높이고 분리막 비용을 방지합니다.
- 고전압: 고체 전해질의 분해가 높아 에너지 밀도가 높아집니다.
- 불연성 고체 전해질.
- 전해질은 난연성입니다.
- 액체 전해질 누출의 위험이 없습니다.
- 더 큰 작동 온도 범위로 이어지는 더 높은 작동 온도에서 사용할 수 있습니다.
- 하나의 패키지에 셀 스택 가능성.
- 간단한 셀 구조와 간단한 제조 비용으로 솔리드 스테이트 배터리를 비용 효율적으로 사용할 수 있습니다.
- 고체 배터리는 액체 배터리보다 6배 빠르게 충전됩니다.
- 전고체 배터리의 수명은 최대 10년입니다.
솔리드 스테이트 배터리의 단점
- 덴드라이트는 비용을 제외하고 솔리드 스테이트 배터리에서 가장 심각한 문제입니다. 덴드라이트는 양극에서 시작하여 배터리 전체에 퍼질 수 있는 리튬 금속 결정화입니다. 이것은 고전류 충전 및 방전으로 인해 고체 전해질의 이온이 전자와 결합하여 고체 리튬 금속 시트를 생성할 때 발생합니다.
- 이 배터리는 매우 고가이기 때문에 소비자 가전 및 전기 자동차에 널리 사용되지 않습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 다음과 같은 이유로 더 느린 속도를 나타냅니다.
- 낮은 이온 전도도
- 높은 계면 저항
- 불량한 계면 접촉
솔리드 스테이트 배터리는 어떻게 작동합니까?
앞서 언급한 바와 같이, 전고체 배터리는 고체 양극 및 음극 재료와 함께 고체 전해질 막을 사용합니다. 충전 또는 방전 중에 이온은 용액에 용해된 이온 염이 아닌 이온 전도성 고체 매트릭스로 이동하여 충전 또는 방전 반응이 발생합니다. 산화 환원 반응은 고체 배터리에서 에너지를 저장하고 분배하는 데 사용됩니다. 양극은 산화되고 음극은 환원되는데 이 현상을 이용하여 배터리는 필요에 따라 에너지를 저장(충전) 및 방출(방전)할 수 있습니다.
에너지를 방전시키면서 이온은 배터리의 재료인 ‘Redox’라는 화학반응을 일으켜 양극에서 산화가 일어나 전기에너지를 공급하는 자유전자를 가진 화합물을 생성하고 음극에서 환원이 일어나 전자를 얻는 화합물을 생성한다. 따라서 권력을 보존하십시오. 배터리가 충전되면 메커니즘이 반대로 됩니다. 양전하를 띤 이온은 전고체 전지(음극)를 방전할 때 전해질을 통해 음극(음극)에서 양극(음극)으로 이동합니다. 이로 인해 음극에서 양전하가 발생하고 양극에서 전자를 흡수합니다.
그러나 전자는 전해질 을 통과할 수 없기 때문에 회로를 통해 이동하여 전기 모터와 같이 연결된 모든 것에 전력을 공급해야 합니다. 충전 과정에서 이온은 양극으로 이동하여 회로를 통해 음극에서 전자를 흡수하는 전하를 축적합니다. 더 이상 이온이 음극으로 흐를 수 없을 때 배터리가 완전히 충전된 것으로 가정합니다. 솔리드 스테이트 배터리는 사이클링 동안 높은 전도성을 유지하기 위해 레이어 내에 다양한 첨가제와 바인더가 필요합니다. 재료는 또한 충전 및 방전 기간 동안 접촉을 유지하기 위해 압력을 가해야 합니다. 충전 및 방전 사이클 동안 재료의 정상적인 팽창 및 수축은 단단한 터치를 유지하기 어렵게 만듭니다.
팽창과 수축으로 인해 시간이 지남에 따라 결합이 약해지면 사이클 수명과 셀의 출력이 손상될 수 있습니다. 또한 전고체 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 개별 셀이 부착되는 팩 레벨을 단순화합니다. 전고체 배터리는 온도가 상승함에 따라 효율이 향상되기 때문에 열 제어 방식이 많이 필요하지 않습니다.
고체 전해질의 이온 전도도뿐만 아니라 전반적인 충전 및 방전 속도는 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 결과적으로, 고체 상태 전지의 최종 작동 온도는 180°C인 리튬의 융점에 의해서만 제한됩니다. 또한 가연성 리튬 이온 액체 전해질이 없기 때문에 치명적인 전지 또는 팩 고장에 대한 설계 문제가 없습니다. 일반적인 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 양극은 리튬(0.20V)에 비해 전위가 낮고 동등한 전압 및 성능으로 더 큰 체적 에너지 밀도를 제공하기 때문에 리튬 금속 기반 고체 배터리를 리튬 이온 배터리 대안으로 사용해야 합니다. .
솔리드 스테이트 배터리를 사용할 수 있습니까?
심박 조율기, RFID 및 휴대용 장치는 고체 배터리를 사용합니다. 이러한 배터리 중 일부는 우주 응용 분야에서 활용되고 있습니다. EV/HEV 자동차 시장에서 전고체 배터리의 상용화 접근법. 고체 배터리를 가져오는 것은 적절한 고체 전해질을 개발하는 것이 아니라 다음과 같은 기능을 고려하는 것입니다.
- 자재 수급 및 판매를 확보합니다.
- 셀 및 팩 제조 장비 및 개발.
수년간의 개발에도 불구하고 많은 플레이어가 솔리드 스테이트 배터리를 시장에 출시하는 데 성공하지 못했습니다. 실온에서 이온 전해질은 일반적으로 액체 전해질보다 수십 배 더 낮습니다. 이것은 전고체 전지의 상용화를 위한 주요 장애물 중 하나입니다. 전고체 배터리의 개념은 수십 년 동안 존재해 왔지만 전자 회사, 자동차 제조업체 및 일반 산업 공급자의 투자 덕분에 이제야 진전이 이루어지고 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리가 더 나은 이유는 무엇입니까?
솔리드 스테이트 배터리는 더 긴 배터리 수명, 더 빠른 충전 시간, 더 부드러운 경험을 포함하여 액체 충전 배터리보다 몇 가지 이점을 제공합니다. 고체 상태 배터리는 전극을 액체 전해질에 매달지 않고 양극, 음극 및 전해질을 3개의 평평한 층으로 압축합니다. 결과적으로 더 작게 만들 수 있거나 더 큰 솔벤트 배터리와 동일한 양의 에너지를 여전히 전달하는 것을 강조할 수 있습니다.
따라서 휴대폰이나 노트북에 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리와 같은 용량의 고체 배터리가 있으면 훨씬 더 오래 사용할 수 있습니다. 동일한 양의 전하를 전달하지만 훨씬 더 작고 얇은 시스템이 생성됩니다. 고체 상태 배터리는 현재 장치 또는 전기 자동차에 전력을 공급하는 데 사용되는 경우 이온이 음극에서 양극으로 훨씬 빠르게 이동할 수 있기 때문에 배터리를 훨씬 빠르게 재충전할 수 있습니다. 전고체 전지는 용량 면에서 다양한 이차 전지를 500% 이상 나타낼 수 있고, 10분의 1로 충전할 수 있다. 전고체 배터리는 환경에 덜 해롭습니다.
고체 박막 배터리는 기존 배터리보다 환경적으로 덜 위험합니다. 솔리드 스테이트 배터리는 성능과 에너지 밀도가 더 높기 때문에 리튬 이온 배터리와 같은 냉각 및 제어 구성 요소가 필요하지 않으므로 전체 크기가 작아지고 장치가 더 자유롭고 무게가 더 가벼워집니다.
고체 배터리는 액체 전해질의 화학 물질로 인한 전극 부식 또는 배터리 수명을 단축시키는 전해질의 고체 층이 축적되기 때문에 고체 배터리는 리튬 이온 배터리보다 더 많은 방전 및 충전 주기를 처리할 수 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 리튬 이온 배터리보다 최대 7배 더 충전할 수 있으므로 리튬 이온 배터리의 수명이 몇 년이 아닌 10년이 됩니다. 교육 기관, 배터리 제조업체 및 재료 전문가는 모두 전고체 배터리가 널리 사용되는 차세대 전원으로 변환될 수 있는지 조사하고 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리가 더 빨리 충전됩니까?
일부 고체 전해질은 5 mS/cm 이상의 이온 전도도를 가지며 단일 이온 전도체입니다. 고전류에서 이것은 고체 전해질에 분극 저항이 축적되는 것을 방지합니다. 결과적으로 고속 충전 이 잠재적으로 가능합니다. 고체 배터리는 일반적으로 폴리머 또는 세라믹 화합물과 같은 고체 재료를 사용하여 리튬 이온 배터리의 가연성 액체 전해질을 대체합니다. 리튬 금속 양극은 전통적인 흑연 또는 실리콘 양극의 대체품으로 도입되었습니다. 고체 리튬 금속 배터리를 개발하려는 이러한 노력은 충전 시간을 크게 줄이는 동시에 에너지 밀도를 두 배로 늘릴 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리는 어떻게 만들어집니까?
솔리드 스테이트 배터리에는 두 개의 주요 층이 있습니다. 음극은 양극과 고체 세라믹 분리기와 전기적으로 접촉하여 폴리머 분리기를 대체하며, 이는 기존의 리튬 이온 배터리에서 볼 수 있는 다공성 폴리머 분리기를 대체합니다. 전고체 전해질은 초이온 전도체와 최적화된 인터페이스에 의존합니다.
우수한 고체 전해질을 개발하기 위한 과제는 양극, 이온 및 전자가 동시에 수송되어야 하는 경계면, 삼상 경계를 극복하는 것이며, 이는 매우 간헐적인 상을 필요로 합니다. 인터페이스에서 전자와 이온을 동시에 전달하고 인터페이스를 제어하는 것은 어려운 일입니다.
탄소 존재하에서 양극 전해질의 화학적 안정성 및 전해질의 산화적 안정성 문제 및 금속 이온 덴드라이트 문제는 보호된 계면의 통합을 필요로 합니다. 고체 전해질은 액체 전해질보다 이온 전도도가 몇 배 더 낮습니다. 또한 전해질-전극 계면에서 저항을 최적화하는 것이 필수적입니다.
배터리용 고체 전해질의 과제:
활성 질량이 높은 두꺼운 복합 양극: 고체 전해질의 높은 이온 전도도. 전자 전도성 첨가제를 사용하여 산화물과 낮은 산화 환원 활성과의 안정적인 인터페이스.
얇은 저질량 고체 전해질 막은 우수한 기계적 특성, 연성 및 동적 압력 제어를 가져야 합니다.
모든 SSB 전해질은 높은 이온 전도성과 양극과 음극 사이의 탁월한 안정성의 전례 없는 조합을 제공합니다. 양극의 호환성은 다른 기존 리튬 이온 배터리에 비해 전지 수준에서 주요 이점을 제공하기 때문에 여기서 핵심입니다.
세 가지 주요 고체 전해질이 있습니다.
고분자전해질 : 고분자전해질의 장점은 전지가공성이다. 단점은 금속에 대한 상대적으로 낮은 안정성과 특히 낮은 온도에서 상대적으로 낮은 전도성입니다.
더 낮은 이온 전도도 = 더 낮은 이온 수송 = 더 적은 전력.
산화물 전해질: 이상적인 기계적 특성을 가지며 매우 단단하며 금속 양극에 대해 화학적으로 안정합니다. 주요 단점은 산화물 전해질을 사용하여 얼마나 빨리 부식될 수 있고 매우 높은 온도가 필요하기 때문에 처리하기 어렵다는 점에서 낮은 등급 기능을 포함합니다. 그들은 더 높은 열 안정성, 무시할 수 있는 전지 가공성, 습기에 민감하고 전도성 측면에서 온건합니다. 산화물 기반 전해질은 일반적으로 화학적으로 안정하며 고에너지 양극 재료와 함께 사용할 수 있습니다.
그러나 이온 전도도는 황화물 기반 전해질보다 낮습니다.
페로브스카이트(LLTO: Lithium Lanthanum Titanium Oxide)가 포함된 재료
가넷 구조(LLZO, 리튬 란탄 지르코늄 산화물)와 NASICON(LAGP: 리튬 알루미늄 게르마늄 인산염)은 산화물계 전해질 중에서 인상적이다.
황화물 전해질: 고분자와 산화물 사이에 기계적 성질을 가지고 있습니다. 그들은 어떤 전해질 등급보다 더 전도성이 있습니다. 모든 기록을 깨는 전해질은 황화물 등급 재료에서 나옵니다. 그들은 더 높은 전도성, 더 높은 전지 가공성 및 더 높은 열 능력을 갖지만 습기에 민감합니다. 이온 전도도는 일반적으로 황화물 기반 전해질에서 더 높지만 화학적으로 더 불안정합니다.
상온에서 비정질 리튬 주석 황화인(LSPS)은 매우 높은 이온 전도도를 갖는다. 반면에 리튬 금속과의 비호환성은 우려 사항입니다.
전해질을 결정하는 물질을 첨가제라고 합니다. 첨가제는 음극 및 양극 표면에 보호 코팅을 형성하는 소량의 물질입니다. 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 원활하게 통과하도록 하여 배터리 열화를 방지합니다.
음극 및 양극 첨가제는 두 가지 유형의 첨가제입니다. 양극 첨가제는 양극 구조를 안정화하고 표면을 보호하여 과열 및 과충전을 방지하여 배터리 노화를 방지합니다. 양극 첨가제는 용매보다 빨리 용해되어 양극에 강한 막을 형성하여 수명을 연장하고 과열을 방지하며 배터리를 충전 상태로 유지합니다. 첨가제는 수명을 연장하고 고온 문제를 개선하며 저항을 낮추어 전체 시스템에서 중요한 역할을 합니다.
분리막은 음극과 양극을 분리하는 약 4개의 기능을 가진 얇은 절연막입니다. 둘째, 이름에서 알 수 있듯이 분리막은 양극과 음극이 배터리 내부에서 접촉하지 않도록 보호합니다.
둘째, 세퍼레이터는 육안으로 볼 수 없는 서브마이크론 크기의 기공을 갖고 있으며, 기공은 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 통과하는 통로 역할을 한다. 세퍼레이터는 기계적 안정성이 좋기 때문에 인장 특성이 부산물 및 이물질을 차단하여 안전성을 확보합니다. 전기화학적으로 안정하고 절연성이 높은 재료를 분리막으로 사용할 수 있습니다. 분리막은 양극과 음극의 상호작용을 피해야 하는데, 리튬 이온이나 배터리 내부의 다른 이온과 간섭을 일으키면 큰 문제가 된다. 분리막은 배터리의 온도가 일정 한도를 초과할 경우 기공을 차단하고 이온의 이동을 방지하여 보호를 보장할 수 있어야 합니다.
마지막으로, SSB 분리막은 더 많은 활성 물질을 배터리에 통합하여 에너지 밀도를 높일 수 있을 만큼 충분히 작아야 합니다. 손상을 피하고 보호를 보장하려면 기계적 힘도 높아야 합니다.
고체 전해질 요구 사항
고체 배터리의 상업화를 위해서는 특정 특성 조합을 가진 고체 전해질이 필요합니다. 적합한 액체 전해질 대체물이 되려면 고체 전해질의 리튬 이온 전도도가 0.1mS/cm 이상이어야 합니다. 전해질은 리튬 환원에 화학적으로 안정하거나 부동태화 반응층이 형성되어야 합니다. 내부 셀 저항을 낮추기 위해 전해질은 저저항 인터페이스를 형성해야 합니다.
대기에 반응하는 기질 층, 환원된 산화물 및 불균일한 습윤이 모두 상당한 계면 저항으로 이어질 수 있는 알칼리 금속 계면에서 저저항 계면을 생성하면 복잡성이 추가됩니다. 전해질은 분산을 피하기 위해 충분한 강도와 파괴 인성을 가져야 합니다. 전해질을 통해 리튬 필라멘트. 양극 및 음극 전위에서 전해질은 안정적이어야 합니다.
고체 전해질 형태
고분자 고체 전해질은 이온 전도도가 낮기 때문에 일반적으로 더 높은 이온 수송의 이점을 얻기 위해 더 높은 온도(60°C–80°C)에서 사용됩니다. 폴리머는 작업이 간단하지만 기계적 특성이 리튬 금속 양극을 안정적으로 유지하기에는 부적절합니다.
그 결과 무기고체전해질이 가장 많은 인정을 받았다. 고체 황화물 전해질의 전도도는 모든 고체 전해질 중에서 가장 강합니다.
많은 화학 물질이 있지만 Li2 S-P2 S5 시스템이 가장 많이 사용됩니다. Li2 S-P2 S5 프레임워크에서 전해질은 유리질, 결정질 또는 부분적으로 결정질일 수 있습니다. 도핑되지 않은 Li2 S-P2 S5 전해질은 리튬과의 전기화학적 안정성이 낮지만 도핑된 버전은 안정성이 향상되었습니다. 실온 또는 400°C 미만에서 황화물 전해질의 연성 특성으로 인해 입자 사이의 우수한 전기화학적 브리징으로 압축할 수 있습니다. 결과적으로 황화물 전해질은 처리하기 가장 쉬운 무기 고체 전해질입니다.
그러나 공기 중 수증기와의 반응성은 특정 황화물 전해질 조성에서 문제가 될 수 있으며, H2S를 방출하고 전해질을 저하시킵니다. 결과적으로 일반적으로 아르곤 또는 습도가 낮은 건조실 환경에서 처리됩니다.
산화물계 고체 전해질은 무기 고체 전해질의 두 번째 형태이다. 몇 가지 다른 형태가 있지만 석류석 Li7 La3 Zr2 O12가 가장 일반적입니다. 실온에서 고체 산화물 전해질은 이온 전도성이 강하고 전기 화학적 범위가 가장 넓으며 리튬에 대한 화학적 안정성이 최대입니다. 또한, 산화물 재료는 모든 고체 전해질 중 가장 높은 탄성 계수와 파괴 인성을 가지므로 리튬 금속 양극의 물리적 안정성과 장기적인 전지 수명에 이상적입니다. 전기화학적 특성이 가장 잘 혼합되어 있음에도 불구하고 이온 전도성이 높은 고밀도 전해질은 1,000°C – 1,300°C의 소결 온도가 필요합니다.
고체 전해질에서 수지상 돌기 또는 리튬 필라멘트 발달에 대한 저항은 전류 밀도 또는 전해질 단면적으로 나눈 총 전지 전류와 관련되는 경향이 있습니다. 그 결과, 리튬 금속이 전지를 관통할 때 전지가 임계 전류 밀도(CCD)에서 고장날 수 있습니다. 이 임계값 이하의 전류밀도에서 안정적인 충전이 가능하다. 고체 전해질의 양쪽에 리튬 전극이 있는 비대칭 전지에서 리튬의 정전류 도금은 표준 CCD 검사입니다.
LGPS 황화물 고체 전해질 제조시 중성자선을 이용하여 물질의 구조를 분석하였다. 연구원들은 고체 전도체의 분자 구조 내부에서 이온의 선형 운동을 관찰할 수 있었습니다. 터널은 3D 구조 내에서 관찰됩니다. 이 터널 내에서 리튬 이온의 움직임이 관찰되었습니다. 이 힌트를 통해 연구진은 LGPS에 소량의 염소를 첨가하여 두 가지 새로운 재료를 개발하여 재료의 이온 전도도와 안정성을 향상시킬 수 있었습니다. 이 재료는 세계 최고의 이온 전도체 성능을 보였습니다.
이러한 재료는 재료 설계 회절계로 분석되었습니다. 결과는 이온이 1차원이 아닌 3차원으로 이동할 수 있는 혁신적인 구조를 보여주었습니다. 이것이 재료의 최고 성능을 가능하게 한 것입니다. 개발된 다양한 차세대 전지 중에서 이러한 물질은 모든 SSB에 사용되는 강력한 전해질이 되었습니다.
이 SSB는 리튬 이온 배터리와 비교할 때 약간 더 높은 에너지 밀도와 더 높은 전력 출력을 제공합니다. 따라서 모든 SSB의 장점은 짧은 시간에 충전할 수 있는 소형, 고용량 배터리를 갖도록 설계되었습니다. 전해질 물질에 대한 전용 연구 및 원자 분석 수준의 산물로서, 이 새로운 모든 SSB는 차세대 배터리로 이어질 수 있습니다.
리튬 이온 고체 배터리에서 배터리가 충전됨에 따라 리튬은 비다공성 고체 상태 세라믹 분리기의 원자 격자를 통해 이동합니다. 리튬이 진정으로 분리되면 분리기와 전기 접점 사이에 침전되어 순수한 금속 리튬의 양극을 형성합니다. 리튬 금속 양극의 경우 고체 배터리의 에너지를 더 작은 에너지 부피에 저장할 수 있으므로 기존 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 높아집니다. 고체 리튬 금속 배터리는 15분 고속 충전의 더 높은 에너지 밀도에서 더 넓은 범위를 허용하고 유기 폴리머 분리막을 제거하여 더 안전한 작동을 허용합니다.
고에너지 리튬 이온 배터리:
- 고에너지 재료 사용
- 니켈이 풍부한 NMC 또는 NCA 음극은 실리콘 복합 양극과 결합할 때 더 높은 중량 및 체적 에너지 밀도를 제공합니다.
- 제조 목적으로 비용 절감이 예상됩니다.
- 생산 공정에 대한 약간의 변경만 필요합니다.
솔리드 스테이트 리튬 배터리
리튬-황 배터리:
- 방전 시 리튬은 음극에서 황과 반응하여 황화리튬을 형성합니다.
- 유황은 광범위하고 비용 효율적인 재료로서 저렴한 배터리 셀을 제공합니다.
- 주기 및 수명에 관한 불확실성과 고온 민감도는 시장 부문 성장을 계속 방해하고 있습니다.
- 현재, 체적 에너지 밀도는 자동차 사용에 너무 빈약한 경향이 있습니다.
리튬 공기 배터리:
- 리튬은 방전 시 음극 측에서 산소와 함께 산화되어 과산화리튬과 산화리튬이 생성됩니다.
- 높은 에너지 밀도와 주변 공기의 사용은 기술적으로 가능합니다.
- 사이클 안정성의 거대한 장애물로 인해 향후 10년 동안 자동차 적용이 불가능해 보입니다.
모든 SSB의 기능 및 디자인
- 이온 투과성 고체 전해질은 분리막 역할을 하며 모든 SSB의 음극과 양극 사이에 공간적, 전기적 분리를 제공합니다.
- 선택할 수 있는 다양한 셀 디자인이 있습니다. 박막 셀은 위의 다이어그램에 묘사되어 있습니다. 복합 음극을 사용하여 더 두꺼운 층을 생성할 수 있습니다.
- 리튬 이온은 모든 SSB가 방전될 때 고체 전해질을 통해 양극에서 음극으로 전달됩니다. 동시에 외부 부하에 전원이 흐릅니다.
- 양극-전해질 계면의 저항은 배터리 셀의 효율에 중요한 요소입니다. 이를 완화하기 위해 고무 또는 알루미늄 합금과 같은 외부 시트를 사용할 수 있습니다.
- 강한 전해액으로 바이폴라 적층이 가능합니다. 결과적으로 기본 셀은 직렬로 연결됩니다.
솔리드 스테이트 배터리는 무엇으로 만들어졌나요?
전고체 배터리 재료:
양극:
최대 에너지 밀도를 달성할 수 있는 이론적 잠재력 때문에 리튬 금속 양극이 이상적인 것으로 간주됩니다. 반면에 강한 전해질은 금속 리튬이 수상 돌기를 형성하는 것을 방지해야 합니다. 또한, 리튬은 대기 중의 산소와 부동태층을 형성하기 때문에 불활성 분위기에서의 취급이 필요하다.
양극 재료인 실리콘은 매우 높은 에너지 밀도를 제공하지만 리튬과 혼합될 때 많은 부피 이동을 겪습니다.
음극:
금속 산화물은 음극으로 사용됩니다. All SSB를 위해 특별히 설계된 재료가 훨씬 적기 때문에 대부분의 경우 기존 양극 재료를 사용합니다.
원칙적으로는 리튬인산철(LFP)과 같은 저렴하고 안전한 물질부터 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)에 이르기까지 전해질을 기반으로 입증된 다양한 양극 물질을 사용할 수 있습니다. 양극재인 리튬코발트산화물(LCO)과 전해질인 LLZO만이 실제로 충분한 안정성과 효율성을 보인다.
전고체전지의 제조공정
- 전극 및 전해질 처리, 전지 조립 및 전지 마감은 모든 SSB 생산의 세 가지 주요 단계입니다.
- 보편적으로 진정한 프로세스 체인은 없습니다. 대안적으로, 다양한 가능한 프로세스 체인이 사용될 수 있습니다. 이들은 여러 면에서 리튬 이온 배터리 생산 공정과 다릅니다.
- 이 방법은 주로 전극 및 전해질 출력 측면에서 두 가지 다른 공정 선택을 비교하고 대조합니다.
전극 및 전해질
생산 —- 셀 조립 —— 셀 마무리
프로세스 A
프로세스 B
무기 고체 전해질을 사용한 트렌치 전지의 합성은 두 공정 옵션의 주제입니다. 전고체 배터리의 경우 파우치 셀 형식이 가장 적합한 경향이 있습니다.
각형 또는 원형 셀:
전고체 배터리의 견고한 구성 요소로 인해 권선은 큰 문제에 직면합니다. 부서지기 쉬운 세라믹 층은 균열을 일으킬 수 있습니다. 또한, 적절한 층 접착의 문제는 아직 해결되지 않았습니다.
파우치 셀:
전고체 배터리는 평평한 층이 변형되지 않기 때문에 적층의 이점이 있습니다. 또한, 전극 및 전해질 처리 과정에서 층상 화합물이 생성되어 나중에 기본 셀만 남게 됩니다.
재료의 대기 반응성으로 인해 제조 공정에 건조실이 필요합니다. 금속 리튬으로 작업할 때는 아르곤과 같은 불활성 가스를 사용하는 것이 좋습니다.
리튬이온전지 셀의 개발에서 습득한 기술의 적용 가능성에 대한 종합적인 평가를 공정 단계별로 수행합니다.
공정 A를 통한 전극 및 전해질 생산:
- 양극, 전해질, 양극의 화합물은 전극 및 전해질 공정에서 형성됩니다.
- 기본 전지는 전극과 전해질 발달 후에 존재합니다.
- 첫 번째 공정 체인인 공정 체인 A의 주요 특징은 층을 형성한 다음 적층하는 연속 압출 공정입니다.
- 이 공정 체인은 특히 황화물 기반의 전고체 물질에 매우 적합합니다.
양극 및 전해질 생산(복합):
- 생산 방법
- 두 가지 다른 컴파운딩 산업에서 음극 및 전해질 용융물을 사용합니다.
- 재료 구성 요소는 이축 압출기의 가열된 배럴에 공급되며 과립 또는 분말로 제공될 수 있습니다.
- 압출기의 회전 운동은 에너지를 재료 구성 요소로 전달합니다. 결과적으로 용융물은 균질합니다.
- 양극과 전해질 사이의 저항을 낮추는 전해질 입자, 결합제 및 첨가제가 양극 활성 성분과 혼합됩니다.
- 전해질 분자와 고분자 바인더는 전해질의 두 가지 재료 요소입니다.
공정을 위한 매개변수 및 조건:
- 개별 자재 공급량
- 실린더의 온도와 압력
- 압출기의 속도 및 압력
- 전단력
품질 기능:
- 용융물의 균질성
- 용융물의 점도
- 합병 규모 및 수량
기술 대안:
- 고성능 혼합 플랜트
음극 및 전해질 생산(공동압출):
- 생산 방법
- 적절한 다이에서 음극과 전해질 용융물이 공압출됩니다. 그 결과 캐소드 및 전해질 층 조합이 생성됩니다.
- 별도의 채널이 음극에 공급되고 전해질은 압출 다이를 통해 녹습니다.
- 용융물은 채널을 통해 압출 다이의 출구로 이동합니다. 용융물은 슬롯 다이를 사용하여 전류 도체로 압출됩니다.
공정 매개변수 및 요구사항:
- 레이어 두께 조정
- 용융 공급 속도
- 온도
- 압력
- 롤 속도
- 캘린더 롤의 가압력
품질 기능:
- 코팅 두께
- 레이어 너비
- 층간 접착
기술 대안:
- 스크린 인쇄
포일 주조
양극 생산(압출 및 캘린더링):
- 모든 SSB 양극은 금속 리튬 호일로 만들 수 있습니다. 이 리튬 필름을 만들기 위해 후속 캘린더링이 있는 압출을 사용할 수 있습니다.
- 이를 위해 액체 리튬을 피스톤 압출기의 실린더에 붓습니다. 그런 다음 리튬은 피스톤에 의해 노즐로 압착됩니다.
- 압출 후 캘린더링은 균질성과 광학 필름 두께를 보장합니다. 이러한 이유로 필름은 윤활제를 사용하여 두 개의 롤러에 의해 장력으로 롤링됩니다.
- 롤러는 리튬의 접착력으로 작동할 수 있어야 합니다. 폴리아세탈로 만들어진 롤러와 같은 폴리머 코팅 롤러가 이 작업을 수행합니다.
공정 매개변수 및 요구사항:
- 압출 속도
- 온도
- 노즐 형상
- 캘린더 롤의 가압력
- 윤활유 공급 속도
- 롤 속도
품질 기능:
- 필름 두께
- 포일 폭
- 리튬박의 균질성
기술 대안:
- 원자층 증착
PVD 공정
레이어 컴파운드 생산(라미네이팅):
- 리튬 포일은 양극-전해질 복합체가 처리된 후 적층됩니다. 이 작업을 위해 두 개의 레이어가 롤러를 사용하여 함께 배치됩니다.
- 두 개의 롤러는 다음 단계에서 두 개의 레이어를 함께 사용하는 데 사용됩니다. 더 큰 접착력을 얻기 위해 가열됩니다. 폴리머는 가열 및 압착 중에 한 층에서 다음 층으로 침투하여 양극과 전해질 사이의 연결을 생성합니다.
- “건식”과 “습식” 적층이라는 단어는 구별할 수 있습니다. 적층까지 습식 적층은 접촉면을 용매로 적십니다. 이것은 저온 및 저압 적층을 용이하게 한다.
프로세스의 매개변수 및 요구사항:
- 레이어의 공급 속도
- 롤 속도
- 압력
- 층의 선택적 가열
품질 기능:
- 층간 접착
- 원하는 합성 두께
- 합성물의 기하학
기술 대안:
- 프레싱 및 후속 소결
전극 및 전해질 제조공정 B
- 개별 레이어가 차례로 추가되는 물리적 기상 증착(PVD) 프로세스는 아래에 표시된 절차 체인 B의 핵심 기능입니다.
- 박막 배터리의 제조 단계를 보여주는 이 현재 프로세스는 산화물 기반 전고체 배터리에 특히 적합합니다 .
재료 준비(분쇄 및 혼합):
- 제조 방법론
- 볼 밀은 전해질 분말에서 음극 분말을 분리하는 데 사용됩니다.
- 이 작업을 위해 원료를 원통형 그라인딩 드럼에 넣습니다. 볼은 이 연삭 드럼의 연삭 매체로 사용됩니다.
- 실린더의 회전 운동은 출발 물질을 결합합니다. 또한, 회전 운동은 연삭 매체와 출발 물질이 연삭될 때 서로에 대해 이동하는 것을 보장합니다.
- 그 후, 분말은 원하는 분말 특성을 달성하기 위해 하소됩니다.
프로세스의 요구 사항 및 매개 변수:
- 볼 소재
- 속도
- 연삭 시간
- 실린더 재질
- 출발 물질의 양
품질 기능:
- 평균 분말 입자 크기
- 분말의 균질성(혼합도)
기술 대안:
- 졸-겔 공정
층 화합물 생산(고주파 스퍼터링):
제조 공정:
- 고주파 스퍼터링은 음극 및 전해질 분말에서 음극 및 전해질 층을 생성하는 데 사용됩니다. 스퍼터링 공정의 목표는 먼저 다이 또는 핫 프레싱 시스템을 사용하여 분말로 만들어집니다.
- 현재 컬렉터는 또한 프로세스의 기판 역할을 합니다. 음극층은 첫 번째 단계에서 증착됩니다. 그런 다음 전해질 층이 음극층 위에 놓입니다.
- 이온은 스퍼터링 작업의 대상을 겨냥합니다. 이 단계에서 원자는 타겟에서 떨어져 나와 기체 상태에 도달하고 기판으로 진행됩니다. 따라서 층은 기판 표면에서 원자 단위로 전개됩니다.
- 고주파 스퍼터링에는 진공 챔버가 사용됩니다.
프로세스의 요구 사항 및 매개 변수:
- 온도
- 증착 시간
- 공정 압력
- 주변 분위기
- 프로세스 전력/전력 밀도
- 목표 직경 및 목표 거리
품질 기능:
- 집전체의 층 두께
- 음극과 전해질의 층 두께
기술 대안:
- 화학 기상 증착
층 복합 증착(소결)
제조 공정:
- 음극 및 전해질 층은 소결 중에 압축됩니다. 두 층 사이의 결합을 강화함으로써 계면 전해질-전극의 저항을 줄일 수 있습니다.
- 소결로는 음극-전해질 화합물을 소결하는 데 사용됩니다. 물질은 융점 바로 아래로 가열됩니다.
- 재료의 결과 다공성은 선택한 공정 매개변수에 따라 수정될 수 있습니다.
- 환경과의 반응을 피하기 위해 소결 과정은 불활성 분위기 또는 진공에서 발생합니다.
- 소결은 산화물 기반 고체 전해질이 충분히 낮은 계면 내성을 달성하는 데 특히 중요합니다.
층 화합물 생산(열 증발):
생산 과정:
- 양극은 열 증발을 사용하여 음극-전해질 화합물에 적용할 수 있습니다. 양극 콘텐츠는 금속 리튬으로 만들어집니다.
- 열 증발은 금속 리튬을 전자빔 증발기와 같은 끓는점 이상의 온도로 가열하여 증기상에 도달할 수 있도록 해야 합니다. 진공 챔버에서 증기가 균일하게 퍼집니다.
- 응축은 전해질의 저온 표면에 코팅을 형성합니다.
- 열 증발은 스퍼터링에 필적하는 진공 챔버에서 발생합니다.
