전고체 전지의 원리와 종류

'전고체 전지'는 건전지'나 '무기물계 태양 전지'와 같이 단순히 전지 전체가 고체 상태인 전지를 하는 것이 아니라, 기존의 '리튬 이온 이차 전지'를 구성하는 액체 부분인 '전해질 용액'을 고체 다시 말해 '고체 전해질'로 바꾼 전지를 말한다.

1. 전고체 전지는 무엇인가?

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전고체 전지는 새로운 형태의 리튬 이온 이차 전지를 말한다. 

여기서 새로운 형태란 

전해질이 액체가 아니고 고체라는 의미인데, 

즉 전지 내부에 액체가 없고 양극과 음극 사이에 고체 형태의 '전해질 세퍼레이터층(기존 세퍼레이터와는 다른 고체 전해질이 세퍼레이터 역할을 한다)만이 존재하는 이차 전지를 말한다.

 

다시 말해 '전고체 전지'는 건전지'나 '무기물계 태양 전지'와 같이 단순히 전지 전체가 고체 상태인 전지를 하는 것이 아니라, 기존의 '리튬 이온 이차 전지'를 구성하는 액체 부분인 '전해질 용액'을 고체 다시 말해 '고체 전해질'로 바꾼 전지를 말한다.

 

 

2. 전고체 전지의 종류

2-1)벌크형 전고체 전지 

전통적인 리튬이온 배터리의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리입니다.

이 배터리는 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공하며, 전기차, 에너지 저장 시스템 등 다양한 응용 분야에서 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있습니다.

벌크형 전고체 전지

 

2-1-1) 벌크형 전고체 전지의 장점

안전성: 고체 전해질은 화재 위험이 낮아 안전성이 높습니다.
고출력: 고체 전해질의 높은 이온 전도도로 인해 빠른 충전 및 방전이 가능합니다.
에너지 밀도: 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있습니다.
수명: 긴 사이클 수명으로 경제적 효율성이 높습니다.

2-1-2) 벌크형 전고체 전지의 단점

제조 비용: 고체 전해질의 생산 및 제조 비용이 높습니다.
충전 속도: 초기 기술 단계에서는 충전 속도가 다소 느립니다.
온도 민감도: 특정 온도 범위에서만 안정적으로 작동하는 경우가 많습니다.
기술적 도전: 고체 전해질과 전극 사이의 접촉 저항을 최소화하는 기술적 도전이 있습니다.

 

2-1-3) 응용 분야

전기차(Electric Vehicles): 긴 주행거리와 높은 안전성이 요구되는 전기차 배터리에 적합합니다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage Systems): 대규모 에너지 저장이 필요한 분야에서 사용됩니다.
휴대용 전자기기(Portable Electronics): 높은 에너지 밀도와 안전성을 요구하는 스마트폰, 노트북 등에서 사용됩니다.

 

 

2-2) 박막형 전고체 전지

고체 전해질을 사용하지만, 전극과 전해질이 얇은 막 형태로 제조된 전지를 말합니다. 이 전지는 매우 얇고 가볍기 때문에 다양한 소형 전자기기 및 웨어러블 디바이스에 적합합니다.

 

박막형 전고체 전지

 

2-2-1) 박막형 전고체 전지의 장점

안전성: 고체 전해질 사용으로 인해 누액이나 가스 발생이 없어 안전성이 높음.
초박형 설계: 매우 얇은 두께로 다양한 소형 기기에 적합.
유연성: 웨어러블 디바이스 등 유연한 전자기기에 활용 가능.
높은 에너지 밀도: 작은 크기에도 불구하고 높은 에너지 밀도 제공.

2-2-2) 박막형 전고체 전지의 단점

제조 비용: 박막형 전지의 제조 공정이 복잡하고 비용이 높음.
충전 속도: 일부 초기 기술 단계에서는 충전 속도가 느림.
출력 밀도: 높은 출력이 필요한 대형 기기에는 적합하지 않을 수 있음.
기술적 도전: 초박형 설계로 인해 기계적 강도와 안정성을 유지하기 어려움.

 

2-2-3) 응용 분야

웨어러블 디바이스(Wearable Devices): 스마트워치, 피트니스 트래커 등 얇고 가벼운 배터리가 필요한 기기에 적합.
소형 전자기기(Small Electronics): 스마트폰, 태블릿 등 공간 제약이 있는 기기에 사용.
의료 기기(Medical Devices): 이식형 의료 기기 등에 활용 가능.
센서(Sensors): IoT 기기 및 다양한 센서 시스템에 적합.

 

 

3. 고체 전해질

고체형의 전해질은 고체형의 종류에 따라 유기물계(고분자) 고체 전해질과 무기계 고체 전해질로 분류할 수 있다.

그리고 금소 이온의 이동을 가능하게 하는 물질이 개발 중이다. 이러한 물질을 일반적으로 이온 전도성고체 전해질이라고 한다.

 

3-1) 유기물계(고분자:플라스틱) 고체 전해질

- 겔 고분자 전해질이나 진성 고분자 전해질은 가교 구조를 가지기 때문에 열경화성수지처럼 액체처럼 흐르지는 않지만 열역학적으로 유리전이 온도 이상에서 액체상태가 된다.

-유기물이기 때문에 가연성이라는 단점이 있다.

 

3-2) 무기계 고체 전해질

- 결정(세라믹)이나, 비정질(글라스) 둘 다 열역학적으로 고체 상태이며 리튬이온만 이동하는 단일 이온 전도가 쉽게 일어난다.

- 무기질이기때문에 불연성이 매우 높다.

- 결정 (세라믹) 재료 중심으로 한 산화물 베이스 계열과 , 비정질 (글라스) 재료를 중심으로 한 황화물 베이스 계열이 주로 검토되어 왔다.

 

3-2-1) 결정 (세라믹) 재료 중심으로 한 산화물 베이스 계열

안정성이 높고 기체 발생 반응이 없다.
 소결 공정으로 제작한다.
전극이 단단하여 결합이 어렵다.
충방전 시 가열과 가압이 필요하다.

3-2-2) 비정질 (글라스)  재료를 중심으로 한 황화물 베이스 계열

이온 전도율이 높고 가소성(high plasticity)이 높다.
실온에서 충방전이 가능하며 가압이 필수적이다.
 물과 반응하여 유독한 황화수소 기체를 발생시킨다.

3-3) 알칼리 금속 이온 전도성 고체 전해질

알칼리 금속 이온 전도성 고체 전해질

주기율표의 1족에 속하는 금속 원소, 즉 리튬, 나트륨, 칼륨 등을 일반적으로 알칼리 금속 원소라고 한다.

알칼리 금속 원소는 +1가의 양이온 상태를 갖는다.
최근 대용량 축전지 개발이 이루어짐에 따라 알칼리 금속 양이온 이 주목받고 있다.

특히 리튬 이온과 나트륨 이온이 빠르게 이동이 가능한 고체 전해질 알칼리 금속 이온 전도성 고체 전해질로 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 무기 고체 전해질은 액체 전해질과 같은 유동성은 없고 난연성(flame-resistant) 이기 때문에 이들을 이용해서 전지를 고체화함으로써 전지의 안전성을 근본적으로 개선할 수 있다.

 

 

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