전고체전지용 고체전해질 4종

전고체전지가 업계 대세인 이유는 무엇인가요?

높은 보안:

액체 배터리의 안전성 문제는 늘 비판을 받아왔습니다. 전해질은 고온이나 심한 충격에 쉽게 가연성이 있습니다. 고전류 하에서는 리튬 수지상 결정이 분리막을 관통하여 단락을 일으키는 것처럼 보입니다. 때로는 전해질이 부반응을 일으키거나 고온에서 분해될 수 있습니다. 액체 전해질의 열 안정성은 최대 100°C까지만 유지될 수 있는 반면, 산화물 고체 전해질은 800°C에 도달할 수 있으며, 황화물 및 할로겐화물도 400°C에 도달할 수 있습니다. 고체 산화물은 액체보다 안정적이며, 고체 형태로 인해 액체보다 내충격성이 훨씬 높습니다. 따라서 전고체 배터리는 사람들의 안전 요구를 충족시킬 수 있습니다.

높은 에너지 밀도ï¼

현재 전고체 배터리는 액체 배터리를 초과하는 에너지 밀도를 달성하지 못했지만 이론적으로 전고체 배터리는 매우 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다. 전고체 배터리는 액체 배터리처럼 누출을 방지하기 위해 액체로 포장할 필요가 없습니다. 따라서 중복되는 외피, 포장필름, 방열재 등을 제거할 수 있으며, 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다.

고출력:

액체전지의 리튬이온은 전도에 의해 운반되는 반면, 전고체전지의 리튬이온은 점프전도에 의해 운반되는데, 이는 더 빠르고 충방전율이 더 높다. 급속 충전은 액체전지 기술에서는 충전 속도가 너무 빠르면 리튬이 석출되기 때문에 늘 난제였지만, 전고체전지에서는 이런 문제가 발생하지 않는다.

저온 성능:

액체 배터리는 일반적으로 -10°C ~ 45°C에서 안정적으로 작동하지만 겨울에는 순항 범위가 심각하게 떨어집니다. 고체 전해질의 작동 온도는 -30°C ~ 100°C이므로 매우 추운 지역을 제외하고는 배터리 수명의 감소가 없으며 복잡한 열 관리 시스템이 필요하지 않습니다.

긴 수명:

액체전지 중 삼원전지의 평균 수명은 500~1000사이클이고, 인산철리튬의 수명은 2000사이클에 달한다. 박막 전고체 상태는 미래에 45,000주기에 도달할 수 있으며 실험실에서의 5C 수명은 10,000배에 도달할 수 있습니다. 동일한 에너지밀도의 생산비용을 수렴할 수 있을 때 전고체전지의 경제성은 타의 추종을 불허한다.

4가지 고체무기전해질의 비교

고체 전해질의 재료 유형은 산화물, 황화물, 중합체 및 할로겐화물의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 이 4가지 유형의 전해질은 각각 서로 다른 물리적, 화학적 특성을 갖고 있으며, 이는 R&D, 생산 및 산업화의 난이도와 향후 시장 위치를 ​​결정합니다.

산화물 전해질:

장점: 이온 전도도는 중간 수준으로 전기화학적 안정성, 기계적 안정성, 열적 안정성이 가장 좋습니다. 고전압 양극재 및 금속 리튬 양극에 적용할 수 있습니다. 전자 전도성과 이온 선택성이 뛰어납니다. 동시에 장비 연속성 수준과 제조 비용에도 큰 이점이 있습니다. 종합능력이 가장 종합적이다.

단점 : 환원안정성이 다소 낮고 부서지기 쉬우며 균열이 발생할 수 있다.

황화물 전해질:

장점: 이온 전도성이 가장 높고, 결정립계 저항이 작으며, 연성이 좋고, 이온 선택성이 좋습니다.

단점: 화학적 안정성이 낮고 리튬 금속과 반응하며 습한 공기와 쉽게 반응합니다. 가격이 비싸고 기계적 성질이 좋지 않습니다. 현재로서는 아직 글러브박스 내에서 생산을 해야 하기 때문에 대규모 대량생산이 어렵다.

황화물 전해질은 상온 전도성이 높고 연성이 양호하며 도핑 및 코팅을 통해 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 황화물 전해질은 현재 유리, 유리-세라믹 및 결정의 세 가지 주요 형태로 제공됩니다. 황화물 전해질은 액체 전해질(10-4-10-2 S/cm)에 가까울 수 있는 높은 실온 전도성, 적당한 경도, 우수한 계면 물리적 접촉 및 우수한 기계적 특성을 갖습니다. 전고체전지의 중요한 후보물질이다. 그러나 황화물 전해질은 전기화학적 창이 좁고, 양극 및 음극과의 계면 안정성이 좋지 않으며, 습기에 매우 민감합니다. 이는 공기 중의 미량의 물과 반응하여 독성 황화수소 가스를 방출할 수 있습니다. 생산, 운송 및 가공에는 환경 요구사항이 매우 높습니다. 도핑 및 코팅과 같은 개질 방법은 황화물과 양극 및 음극 사이의 계면을 안정화시켜 다양한 유형의 양극 및 음극 재료에 적합하게 만들고 리튬-황 배터리에도 사용됩니다.

황화물 전해질 배터리의 제조에는 환경 요구 사항이 높습니다. 황화물 전해질은 전도성이 높고 상대적으로 부드러우며 코팅 방법으로 생산할 수 있습니다. 생산 공정은 기존 액상 배터리 생산 공정과 크게 다르지 않으나, 배터리의 계면 접촉성을 향상시키기 위해서는 일반적으로 코팅 후 여러 차례 핫 프레싱을 실시하고, 계면 접촉성을 향상시키기 위해 완충층을 추가하는 과정이 필요하다. 황화물 전해질은 수분에 매우 민감하고 공기 중의 미량의 물과 반응하여 유독가스 황화수소를 생성할 수 있으므로 배터리 제조에 대한 환경 요구사항이 매우 높습니다.

고분자 전해질:

장점: 우수한 안전성, 우수한 유연성 및 인터페이스 접촉, 필름 형성 용이.

할로겐화물 전해질:

장점: 낮은 전자 저항, 높은 이온 선택성, 높은 환원 안정성, 깨지기 쉽지 않음.

단점: 아직 실험실 단계로 화학적 안정성과 산화안정성이 낮고 이온저항성이 높다.

할로겐화물과 폴리머의 두드러진 장점과 단점으로 인해 향후 전고체 배터리에 대한 글로벌 경쟁은 주로 산화물과 황화물에 집중될 것입니다. 실제로 화학적 안정성이 좋지 않기 때문에 황화물 전해질로 선택할 수 있는 재료 유형은 매우 좁지만 적합한 재료와 공정 혁신이 발견되는 한 이러한 단점은 보완될 수 있습니다.

그러나 산업화 관점에서 볼 때 공정이 복잡해지면 비용이 증가하고 규모 상한선이 발생하기 때문에 현재 전고체 배터리 개발에서는 산화물 고체 전해질이 주류를 이루고 있다. 액체전지부터 전고체전지까지 반고체전지 단계가 있는데, 이 단계에서 가장 적합한 것은 산화물 경로이다. 이는 포괄적인 성능과 비용 이점 때문입니다. 반고체전지는 전고체전지의 장점과 경제성을 점차 활용하면서 기존 액체전지를 보다 빠르게 대체할 수 있다.

그러나 기술이 발전함에 따라 앞으로도 세상이 산화물이 지배할 것인지, 황화물이 지배할 것인지는 여전히 불분명하다. 전고체전지 기술의 핵심은 전고체 전해질의 연구개발이다. 현재의 고체전해질 재료는 많은 발전을 이루었지만 여전히 열악한 전도성, 큰 계면 저항, 높은 제조 비용 등의 문제를 안고 있다. 고체전해질의 전도성과 안정성을 향상시키기 위해서는 지속적인 기초연구와 기술혁신이 필요하다.