전고체 배터리에 대하여 알아야 할 것

리튬 배터리 부문은 더 넓은 범위, 전력 및 더 짧은 충전 시간을 보장할 수 있는 점점 더 고성능의 혁신적인 기술을 개발하기 위해 매일 실제 연구를 통해 끊임없이 발전하고 있습니다.

전고체 배터리 기술은 이러한 의미에서 기술의 최종 개척지처럼 보일 수 있으며, 전기 이동성의 미래가 될 모든 잠재력을 가진 솔루션이 완성되고 있습니다.

Battery Weekly 청취자들은 매주 월요일 오후 6 시 에 Flash Battery LinkedIn 및 YouTube 채널의 라이브 주간 프로그램인 Marco Righi, Alan Pastorelli 및 Daniele Invernizzi가 전 세계의 최신 뉴스를 검토하는 이 모든 것을 잘 알고 있습니다 . 전고체 배터리의 주제가 가장 뜨거운 주제 중 하나가 된 곳.

그러나 우리가 솔리드 스테이트에 대해 이야기할 때 일련의 큰 이점과 함께 여전히 연구되고 있으며 현재까지 시장 진입을 지연시키고 있는 많은 한계와 함께 다양한 요인이 작용합니다. 정리합시다.

고체 배터리란 무엇이며 어떻게 작동합니까? 리튬 배터리와의 차이점

고체 배터리는 본질적으로 리튬 이온 기술 뒤에 있는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술입니다.

따라서 고체 배터리에 대해 명확하게 이야기하려면 한 걸음 물러서서 리튬 이온 배터리가 어떻게 작동하는지 자세히 이해하고 이 새로운 기술과 비교하여 주요 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.

 

 

리튬 이온 배터리의 구조

다음 그림은 현재 유통 중인 대부분의 전기 자동차에 사용되는 기술인 실제 리튬 이온 전지의 구조를 보여줍니다. 우리는 무엇을 보고 있습니까?

[그림1]

모든 리튬 이온 셀에는 다음이 있습니다.

• 2개의 전극 , 즉 구조 내부에 리튬 이온을 삽입할 수 있는 화합물. 보다 구체적으로, 우리는 다음에 대해 이야기하고 있습니다.
  • 음극 , 즉 음극 물질(예: LFP, NMC, LMO 등) 로 만들어진 전지의 양극과 집전체
  • 양극 , 즉 양극 물질(예: 탄소 또는 흑연)로 만들어진 배터리의 음극과 집전체
• 중앙 분리기 , 즉 양극과 음극 사이의 기계적 분리기 역할을 하고 절연체 역할을 하는 플라스틱 중합체(폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌)로 만든 얇은 층.
• 전해질 : 즉 이온이 이동하는 매체 ; 리튬 염을 포함하는 유기 액체. 전해질은 셀 내부의 전체 부피를 채우고 전극을 적시며 음극과 양극 사이의 연결 고리 역할을 하여 리튬 이온이 이동할 수 있도록 합니다.

현재 리튬 이온 배터리에서 분리막은 절연 외에 다른 기능이 없으며 셀 내부의 모든 것을 흡수하는 액체 전해질에 완전히 잠겨 리튬 이온이 양극과 양극 사이를 이동하는 실제 매체가 됩니다. 양극은 흑연 구조로 만들어집니다. 따라서 리튬 이온은 전해질을 통해 이동하고 두 개의 양극 및 음극 전극(내부에 빈 공간이 있고 리튬 이온이 매우 작은 입자이기 때문에 적합한 구조)의 결정 구조에 삽입됩니다.

고체 배터리의 구조

그러나 고체 전지의 내부 구조는 모든 부분이 고체이기 때문에 매우 다릅니다. 기존의 리튬 배터리에서는 전해질이 액체인 반면, 고체 전지는 다음과 같이 구성됩니다.

• 리튬 이온 배터리와 동일한 화합물로 만들 수 있는 음극 (또는 양극)(예: LFP, NMC, LMO 등 )
• 분리막 , 일반적으로 세라믹 또는 고체 폴리머 로 전해질로도 작동합니다 .
• 리튬 금속( 순수 리튬)으로 만든 양극

[그림2]

회색 중앙 층은 그 자체로 양극과 음극 사이의 분리막 역할과 전해질 역할을 하는 고체 분리막 입니다. 따라서 이온이 이동하는 매체가 되고 전기 절연 특성을 가지며 양극과 음극 사이의 기계적 분리기 역할을 합니다 . 이 견고하고 저항력 있는 지지대가 있다는 사실은 양극 부분의 흑연 구조를 제거하고 리튬 금속이 양극에 직접 축적되도록 합니다(전해질이 겔인 반고체 용액도 있음).

고체 배터리는 어떻게 작동합니까?

전지가 충전될 때 리튬 입자는 분리막을 형성하는 원자 구조를 통해 음극에서 이동한 다음 분리막 자체와 양극의 전기 접점 사이로 이동하여 순수한 리튬의 고체 층을 형성합니다. 이러한 방식으로 양극은 리튬 입자로만 형성되며 흑연 구조를 포함하는 리튬 이온 기술 양극보다 부피가 작습니다 .

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고체 배터리 기술의 현재 강점은 무엇입니까

이론적으로 전고체 배터리는 현재 판매 중인 배터리에 비해 많은 개선을 약속합니다. 실제로 고체 전해질은 더 작은 크기 로 더 큰 에너지 밀도 , 더 긴 수명 및 더 큰 안전성을 제공하는 것으로 보입니다 .

그러나이 기술은 아직 개발 단계에 있으며 현재까지 리튬 이온 배터리는 다양한 화학 물질을 사용하여 다양한 용도로 쉽게 사용할 수 있고 대량 생산되는 현재까지 판매되는 최고의 성능 기술로 남아 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.

그러나 고체 배터리가 제공하는 이점을 살펴보겠습니다.

안전의 핵심 요소

전고체 배터리 에는 액체 전해질이 없습니다 . 리튬 이온 배터리는 휘발성이 있어 가연성이 높기 때문에 안전 측면에서 가장 까다로운 구성 요소 중 하나입니다. 또한, 이것은 기계적으로 고온에 더 강한 재료로 형성된 더 두꺼운 분리막 층 으로 대체됩니다 (다양한 첨가제가 포함된 세라믹 조성을 가지고 있기 때문). 이는 양극과 음극 사이의 분리를 보다 안정적으로 만들어 오용 또는 열화의 경우에도 단락을 방지 하므로 셀의 본질적인 안전성이 증가합니다.

물론 모든 리튬 이온 배터리가 동일한 수준의 안전성을 갖는 것은 아닙니다. 우리는 " 리튬과 관련된 위험: 리튬 배터리를 정말로 신뢰할 수 있습니까?"라는 기사에서 이 주제에 대해 이야기했습니다. ”

안전 측면에서 또 다른 이점은 수상 돌기 또는 음극에서 양극으로 이동하는 동안 형성되는 날카롭고 고르지 않은 리튬 축적에 대한 더 큰 저항입니다. 사실, 리튬은 고르게 이동하지 않고 함께 그룹화되어 점을 형성하는 경향이 있으며, 이는 실제 핀처럼 성장하고 일부 극단적인 경우 분리막을 뚫을 수 있습니다. 그러나 두께 덕분에 고체 분리막은 덴드라이트로부터의 관통에 대한 내성이 더 강하므로 가능한 단락 및 셀의 점진적인 열화를 방지합니다.

[그림3]

에너지 밀도 기록

본질적인 안전성이 향상되면 또 다른 주요 개선이 이루어집니다. 순수한 금속 양극을 사용하면 에너지 밀도가 크게 증가 합니다 . 이것은 본질적으로 흑연 양극(리튬 이온 배터리에서 이온이 이동할 때 포함됨)을 제거하는 것입니다. 전고체 배터리에서는 이동 중에 이온만 남고 부피가 크고 무거운 화합물 부분이 제거되어 에너지 생성에 적극적으로 도움이 되지 않습니다.

최신 연구에 따르면 고체 배터리는 현재 리튬 이온 기술보다 에너지 밀도가 2~2.5배 높으며 이러한 큰 이점으로 인해 배터리가 더 가볍고 작아 집니다 . 이것은 확실히 더 넓은 범위와 더 가벼운 무게의 이점을 얻을 수 있는 전기 이동성의 돌파구이지만 이 기술이 공식적으로 준비되었을 때만 이 수치를 확신할 수 있다는 점을 기억해야 합니다.

초고속 충전 시간

최신 연구에 따르면 전고체 배터리는 현재 판매 중인 기술보다 최대 6배 더 빠르게 충전할 수 있습니다 . 그러나 이 수치도 여전히 불확실하며 이 새로운 기술이 어떻게 개발되는지에 따라 달라질 것입니다. 이미 매우 빠르게 충전되는 솔리드 스테이트 배터리 프로토타입이 있지만 좋은 성능을 달성하기 위한 다른 결정적인 요소에 해를 끼칩니다. 우리는 이러한 이점을 이러한 배터리가 가져야 하는 다른 필수 특성과 함께 평가해야 하며 , 그래야만 비용 측면을 포함하여 최상의 대안을 평가할 수 있습니다.

현재까지 확실한 것은 액체 전해질이 고온에서 어려움을 겪는 경향이 있는 반면, 고체 전해질은 고온에서 더 높은 성능을 발휘하며 일반적으로 많은 양을 생산하는 작동 단계인 고속 충전 동안 성능을 지원한다는 것입니다. 더 높은 온도.

더 빠른 생산

어떤 사람들은 고체 전해질이 액체가 아니기 때문에 재료와 에너지를 덜 사용하는 더 빠르고 쉬운 생산 공정을 가능하게 할 수 있다고 주장합니다 . 그러나이 이론은 이해할 수 있지만 아직 증명할 수는 없으며 이 기술이 진정으로 대량 생산될 때만 가능할 것입니다.

그러나 현재 셀에 전해질을 채우는 작업은 많은 시간이 소요되는 과정이라고 확실히 말할 수 있습니다. 그런 다음 전해질이 완전히 흡수될 때까지 기다려야 하며, 그 후에 다시 채워서 올바른 수준으로 가져와 밀봉해야 합니다. 따라서 생산 공정에서 확실히 영향력 있는 단계이며 고체 기술을 사용하면 잠재적으로 실질적인 개선이 있을 수 있지만 건전한 결론을 내리기 위해서는 이러한 유형의 셀이 실제 생산될 때까지 기다려야 합니다.

 

그러나 전고체 전지의 주요 응용 분야는 어디입니까?

우리가 본 것처럼 가까운 미래의 전고체 배터리는 잠재적으로 차량의 성능과 효율성을 높이고 자동차 산업의 전기화 부문에 혁명을 일으킬 엄청난 이점을 제공할 수 있을 것입니다. 그러나 솔리드 스테이트 기술의 시장 진입은 몇 년 전에 이미 임박한 것처럼 보였고 대신 획기적인 발전은 아직 일어나지 않았습니다. 어때?

많은 장점이 있는 것처럼 이 기술이 아직 준비되지 않고 끊임없이 진화하기 때문에 이 기술이 얼마나 젊은 지에 따라 일정한 한계 도 있습니다. 이것이 우리가 이러한 한계를 해결해야 할 실제 과제 및 달성해야 할 주요 새로운 목표라고 부를 수 있는 이유입니다. 함께 알아봅시다.

안정성 문제

충전 및 방전 중에는 고체 셀이 숨을 쉬고 있는 것입니다. 리튬-금속 음극의 두께는 충전 시 증가하고 방전 시 감소하며 모든 불안정한 요소와 마찬가지로 결국 열화됩니다.
주요 문제는 솔리드 스테이트 셀을 동시에 고정하고 압축하는 것이 어렵다는 데 있습니다 .

내부 층이 분리되지 않도록 셀을 압축해야 하지만, 이를 포함하는 구조에 고정하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 이는 지속적으로 "호흡"해야 하기 때문입니다 . 따라서 복잡한 기계 구조를 만들어야 합니다. "탁상형" 고체 배터리 프로토타입에서 판은 모든 것을 압축 상태로 유지하는 스프링과 함께 설치되지만 대량 생산할 수 없는 복잡하고 비용이 많이 드는 시스템입니다.

그 구성으로 인해 고체 상태 셀이 부풀어 오르는 것을 막을 수 없습니다. 그러나 연구는 압력 측면에서 덜 까다롭게 만드는 방법 (셀이 이 모든 압력을 필요로 하지 않고 필러를 사용하는 경우에만 자체적으로 안정적으로 유지되도록) 또는 고급 재료에 대한 연구를 수행할 수 있습니다. 세포가 단단히 고정되고 압축된 상태를 유지하면서 세포가 팽창할 수 있도록 합니다.

분리기는 고온에서만 작동합니다.

이온은 물질, 즉 원자이므로 액체에서 더 쉽게 이동하는 반면 고체(세라믹 분리기)는 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 특수한 구성을 가져야 합니다.

이러한 의미에서 이미 고성능 분리막이 있지만 고온에서만 가능합니다. 고체 전극은 50도 이상의 온도에서만 우수한 전도체가 되기 때문입니다 . 이 한계는 배터리가 항상 뜨겁다고 가정할 수 없기 때문에 솔리드 스테이트 기술이 실제 차량에서는 여전히 거의 사용되지 않는다는 것을 의미합니다. 고체 배터리가 뜨겁지 않으면 현재 성능이 상당히 떨어집니다 . 점점 더 낮아지는 온도에서 고체 전해질이 제대로 작동하도록 하려면 작업을 수행해야 합니다.

수명주기는 여전히 짧습니다.

현재 테스트 중인 전고체 배터리의 수명 주기는 4,000회 충전 주기를 쉽게 초과하는 LFP 화학과 같은 다른 리튬 이온 기술보다 여전히 짧습니다.

주요 문제는 모든 세포 층 사이에 좋은 접촉을 얻는 것이 매우 어렵다는 사실입니다 . 레이어 간의 접촉이 끊어지기 시작하면 셀의 용량과 성능이 저하됩니다.

고비용

솔리드 스테이트 배터리의 비용 은 매우 혁신적인 기술 에 대해 이야기하고 있기 때문에 현재 매우 높습니다 . 따라서 재료와 생산 공정 비용이 양산 배터리보다 높아야 합니다. 이 기술의 최종 비용이 얼마인지는 아직 명확하지 않지만 주요 자동차 제조업체가 이 방향에 투자하고 있다면 비용이 대량 생산에도 적용될 수 있다고 믿을 수 있는 충분한 증거가 있다고 가정할 수 있습니다.

 

그러나 전고체 전지의 주요 응용 분야는 어디입니까?

비록 전고체 배터리가 여전히 해결해야 할 몇 가지 문제가 있지만, 시장에 대한 그들의 도착은 이제 확실하며 우리는 에너지 밀도가 현재까지 제한 요인인 모든 분야에서 널리 사용될 것으로 예상할 수 있습니다. 필요한 모든 에너지를 저장하기에 충분하지 않습니다. 사실 고체 배터리는 에너지 밀도가 2배 이므로 범위가 2배가 되며 이제 자동차 시장, 더 일반적으로 말해서 모든 운송 수단의 미래 로 간주됩니다 .

산업용 기계 부문 과 전기 자동차 부문 에서도 이 새로운 기술에 관심을 갖고 있습니다. 이것은 에너지 집약적인 기계 또는 대형 차량의 경우 로, 종종 광범위한 범위가 필요하고 현재까지 볼륨이 다른 차량에 비해 적습니다. 사용할 수 있는 에너지의 양.

고체 배터리 기술 의 도입은 전기 자동차의 범주를 더욱 확장하는 데 분명히 유용 할 수 있습니다 . 따라서 높은 에너지 밀도 와 함께 고체 전지가 모든 전선에서 경쟁력을 갖추게 된다면 의심할 여지 없이 산업용 전기화의 미래를 위한 유효한 경로가 될 수 있습니다.

“고체 배터리의 개발에 대한 많은 가능성과 높은 기대가 있습니다. 일단 완성되면 에너지 밀도 한계로 인해 현재 화석 연료를 포기할 수 없는 더 어려운 분야에도 전기를 공급하는 열쇠가 될 수 있습니다. 우리의 연구 개발 부서는 확실히 이 신기술을 흥미롭게 바라보고 있지만 혁신은 끊임없이 진화하는 개념이며 따라가는 것이 아니라 예상해야 한다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 여기 플래시 배터리에서 우리는 고효율과 지속 가능성에 점점 더 중점을 두고 매일 새로운 재료와 방법론을 테스트하고 연구하며 , 산업 전기화를 점점 더 광범위하게 만들고 가장 다양한 부문에 개방한다는 목표를 가지고 있습니다.”

앨런 파스토렐리Flash Battery의 CTO 겸 공동 창립자– 링크드인

 

전고체 배터리는 언제 전기 시장에 출시됩니까?

반대로 고체 배터리는 공상 과학 소설이 아닙니다! 특정 소비자 배터리 또는 버스 와 같은 일부 차량과 같이 집중적인 사용에 적합하고 배터리가 하루 종일 쉬지 않고 사용되며 뜨겁게 유지되더라도 너무 많은 문제 없이 작동하는 소형 애플리케이션에서는 이미 현실입니다 . 

따라서 솔리드 스테이트 기술은 이미 다음 분야에서 소량으로 사용되고 있습니다.

• 제어된 기후 조건에서 작동하는 배터리
• 항공 우주 응용 분야용 배터리
• 반고체 또는 고체 하이브리드 배터리

실제 사례 중 하나는 최근 중국 Dongfeng Motor Corporation 에서 시장에 출시한 반고체 배터리가 장착된 50대의 E70 차량 입니다 . 일련의 시뮬레이션 테스트를 통한 전기화학적 특성 .

그들은 장기적으로 어떻게 행동할까요? 전체 자동차 세계의 눈은 분명히 이 중국 자동차 제조업체에 쏠려 있으므로 어떻게 될지 지켜볼 것입니다 . 다른 브랜드보다 먼저 브랜드를 홍보하고 이 신기술과 연관시키는 것도 좋은 마케팅 기회일 수 있지만 대량 생산에 도달할 것이라는 보장은 없습니다.

확실한 것은 자동차용 실제 전고체 배터리가 여전히 실험 단계에 있으며 , 여전히 진행 중인 주요 과제와 현재까지 대량 생산을 제한하고 있다는 것입니다. 그러나 메르세데스, 폭스바겐, 토요타 등 많은 자동차 제조업체들이 이 유망한 기술에 관심을 갖고 연구 및 개발에 막대한 자원을 투자하고 있습니다. 그들은 한계가 해결된다면 2024년에서 2026년 사이에 이미 발표된 최초의 결정적인 기술을 갖게 될 것입니다.