Special 차세대 전고체 배터리 최신 기술 개발 동향(1)

전고체전지용 황화물 기반 하이브리드 고체 전해질의 기술 개발 동향 

김동원_한양대학교 화학공학과/배터리공학과 교수

1. 서론

리튬이온전지는 이온의 삽입, 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고, 이들 사이에 분리막을 설치한 후 액체 전해질을 주입시켜 제조된다. 여기서 액체 전해질은 이온 전도의 기능을 담당하며, 충전시 양극에서 음극으로 방전시 음극에서 양극으로 리튬 이온을 운반하는 역할을 한다. 높은 에너지 밀도를 가져 여러 분야에 이용되는 리튬이온전지는 아직 안전성 문제를 완벽하게 해결하지 못하여 현재까지도 제품 및 사용자의 안전을 위협할 수 있는 잠재 요소로서 남아있다. 특히, 액체 전해질의 가연성 유기 용매로 인한 화재 및 폭발 등의 안전성 문제는 자칫 큰 인명 피해로 이어질 수 있고, 제품 제조사 및 전지 생산 업체의 브랜드 가치를 크게 훼손할 수 있어 반드시 해결되어야 할 문제 중 하나로 인식되고 있다. 

  최근에는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 이유는 고체 전해질이 액체 전해질에 비해 열적 안정성, 기계적 특성이 우수하고, 누액이 없어 폭발 위험이 낮다는 장점이 있어 전지 안전성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 특히, 리튬이온전지가 채용된 산업의 범위가 넓어지고, 제품에 적용되는 전지 용량 및 갯수가 증가하는 산업 흐름 속에서, 리튬이온전지의 화재 및 폭발 가능성에 기인한 안전성 문제는 반드시 해결되어야 할 문제 중 하나로 인식되고 있다. 액체 전해질을 사용하는 경우에는 전극간 접촉을 차단하기 위해 분리막 사용이 필수이지만, 고체 전해질은 셀 내에서 이온 전달 뿐만 아니라 분리막의 역할도 동시에 수행하기 때문에 별도의 분리막이 필요하지 않다. 

  고체 전해질은 표1에 주어진 것처럼 크게 유기계인 고분자 전해질과 무기계인 산화물계 전해질, 황화물계 전해질, 할라이드계 전해질 및 고분자와 무기 전해질을 혼합한 하이브리드 전해질로 분류할 수 있다. 고분자 전해질은 poly(ethylene oxide)와 같이 염의 해리 및 리튬 이온과 coordination이 가능한 그룹이 존재하는 고분자 물질들이 이용되며, 고분자의 높은 결정화도를 낮추기 위하여 공중합, 무기 필러 첨가 등의 연구가 진행되어 왔다. 무기계 전해질은 산화물계, 황화물계, 할라이드계로 분류할 수 있는데, 고분자 전해질 대비 많은 장점에도 불구하고 전해질 내부의 grain boundary에 의한 높은 저항, 전해질과 전극 간의 열악한 계면 특성, 박막 성형 및 대면적화가 어려운 문제 등이 있다. 산화물계 전해질은 상온에서 이온 전도특성과 대면적화를 위한 공정성이 떨어지며, 황화물 및 할라이드계 전해질은 공기 중의 수분과 반응성이 크고 가격이 비싸며, 대규모 생산 공정을 적용하기 위하여 여전히 해결해야 할 많은 과제들이 남아있다. 

  이러한 문제를 극복하고 전해질의 성능을 향상시키기 위하여 고분자 전해질과 무기 전해질의 장점을 결합한 하이브리드 전해질에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 본고에서는 얇은 박막으로 제조가 가능하고, 전극과의 계면 특성이 우수하며, 높은 이온 전도도 특성을 보이는 황화물 기반 하이브리드 고체 전해질에 대해 서술하고자 한다. 

표 1.  고체 전해질의 종류와 특성

그림 9. 하이브리드 고체 전해질과 복합 양극의 제작 과정과 이들을 이용한 전고체전지의 모식도. (ACS Applied Materials Interfaces, 15, 28064-28072, 2023)

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