[2차전지]LG에너지 솔루션 전고체 배터리 코어 기술

전고체 전지는 전지의 모든 구성요소가 고체인 전지로 고체 전해질은 기존 리튬 이온 전지의 전해액과 분리막의 역할을 대신하게 된다.

고체 전해질은 형태만 고체일 뿐 전해액과 같이 리튬 이온을 이동시켜주는 역할을 하고 유기 용매로 구성된 전해액이나 고분자로 구성된 분리막이 아닌 무기계 고체 전해질이 들어가기 때문에 발화가능성이 낮고 열 안정성이 높은 기술적인 개선이 나타나게 된다.  

전해액은 활물질 사이로 스며들어 리튬이온을 쉽게 전달할 수 있지만 고체 전해질은 그렇지 못하기 때문에 활물질과 고체 전해질 간의 접촉을 향상시키는 것이 중요하다. 또한 액체 전해질 방식보다 화재 가능성을 낮출 수 있는 기술이다.

 

<<LG에너지 솔루션 전고체 기술 요약>>

마이크로 실리콘 음극재를 적용하여 성능에서 획기적 개선이 있고 충방전 사이클 500회 이후에도 잔존 용량 80%이상 유지한다.

사이언스지에서 이 연구결과를 인정받았다.

LG에너지솔루션 전고체 전지 구조는 상하 알루미늄 구리 집전체, 중간 Cathode와 카본으로 이루어진 양극 복합층, 황화물 고체 전해질층, 무탄소 마이크로 실리콘 음극으로 구성된다.

그림 a는 마이크로실리콘 전극 단면도이다. 충전이 되면 그림 b와 같이 실리콘 부피가 증가하여 실리콘 활물질 사이의 접촉 및 실리콘과 고체 전해질 사이의 접촉이 향상된다. 이로 인해 리튬 이온 전달이 용이하게 된다.

에너지 밀도 향상을 위해 리튬 메탈을 음극으로 적용한 전고체 배터리의 경우 온도에 민감해 60도 이상의 고온 환경에서만 충전할 수 있고 느린 충전속도가 한계로 지적되어 왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 전고체 배터리의 음극에서 도전재와 바인더를 제거하고 5마이크로 내외 입자 크기를 가진 마이크로 실리콘 음극재를 적용했다. 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재에 비해 10배 높은 용량을 가져 배터리의 에너지 밀도 향상을 위한 필수 소재로 손꼽히지만 충, 방전 중 큰 부피 변화 때문에 실제 적용이 까다로운 소재로 알려져 있다.

기존 연구에서는 실리콘 음극재의 부피변화를 억제하기 위해 100나노미터의 입자 크기를 가진 나노실리콘을 적용했지만 이번 연구에 사용된 마이크로실리콘은 나노실리콘보다 저렴하고 사용이 더 용이하다는 이점이 있다.

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동작 방식은 충전하기 전, 개별 마이크로 크기의 실리콘 입자가 에너지 밀도가 높은 음극을 구성한다. 배터리 충전이 시작되면 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동하여 안정적인 2차면 계면이 형성된다.

리튬 이온이 삽입되어 저장되는 리튬화 과정에서 마이크로실리콘 전극과 고체 전해질 사이에 Passivating Interface, SEI가 형성되고 계면 근처에 마이크로실리콘 입자가 리튬화된다.

반응성이 높은 리튬화된 실리콘은 주변에 실리콘 입자와 반응을 하고 이런 반응이 전극 전체에 전파되어 밀도가 높은 리튬실리콘층을 형성하게 된다.

 

특히 500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80%이상의 잔존 용량을 유지하고 현재 상용화된 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도도 약 40% 높이는 것이 가능해 전고체 배터리의 상용화를 위한 기술적 진일보를 이루어냈다.

 

전고체 기술은 각 구성요소의 소재 기술이기 때문에 소재를 개발한 안정적인 공급처를 확보하여 적당한 가격에 대량 생산이 가능해야 한다. 아직 많은 요소들이 달성되어야 진정한 전고체 배터리가 나올 것이지만 앞으로 이런 변화들이 계속적으로 소개될 것이고 LG에너지 솔루션이 개발한 리튬황 양극재와 결합한다면 전기차를 넘어 항공 및 모빌리티 배터리에도 크게 기여할 것이다.

 

 

https://youtu.be/VHYO7YagP_4