전고체전지 및 주요 소재

전고체 배터리란 무엇인가요? 전통적인 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막이라는 네 가지 주요 구성요소로 구성됩니다. 전고체 배터리는 전해질을 고체 전해질로 대체한다. 기존 리튬이온 배터리와 비교했을 때, 전고체 배터리의 주요 차이점은 전해질이 액체에서 고체로 변경되어 안전성과 높은 에너지 밀도를 모두 갖췄다는 점입니다. 전고체 전해질 배터리는 리튬·나트륨 배터리의 궁극체로 안전성 문제를 완벽히 해결할 수 있어 하반기 신에너지 시장의 주역임에는 틀림없다. 전고체 배터리 산업 체인은 액체 리튬 배터리 산업 체인과 거의 유사합니다. 업스트림에는 원자재, 광업, 기계 및 장비, 기본 자재가 포함됩니다. 이 둘의 주요 차이점은 음극 재료와 전해질의 유형에 있습니다. 양극 재료는 거의 동일합니다. 완전전고체 배터리로 완전히 발전하면 분리막도 전면 교체된다. 산업 체인의 중간 흐름은 배터리 팩의 가공 및 준비 공정이며, 산업 체인의 다운스트림 응용 분야에는 신에너지 차량, 에너지 저장 시스템, 가전제품 등이 포함됩니다.

전고체 배터리의 장점은 다음과 같습니다.

(1) 고체 전해질은 액체 전해질 및 분리막을 대체하는 데 사용됩니다. 고체 전해질은 발화점이 매우 높아 배터리의 열 안정성을 향상시킵니다.

(2) 전고체 배터리의 전압 플랫폼은 5V로 액체 배터리의 4.3V보다 높으며, 이는 고전압 전극 재료와 일치할 수 있으며 배터리 에너지 밀도 및 비용량은 액체 배터리보다 우수합니다.

(3) 전고체 전해질은 유동성이 없어 누수가 없고, 배터리 팩 설계가 단순화되어 배터리의 무게와 부피가 줄어들고, 에너지 밀도가 300Wh/kg을 넘을 것으로 예상된다.

고체전해질

전고체 전해질은 리튬이온 전고체 배터리의 핵심 부품으로, 배터리의 분리막과 전해질 역할을 동시에 할 수 있다. 전해질의 핵심 역할은 양극과 음극 사이에서 Li+를 전달하는 것입니다. 이상적인 고체 전해질은 높은 이온 전도성, 낮은 인터페이스 임피던스, 안정적인 구조, 높은 안전성, 높은 기계적 강도 및 저렴한 가격을 가져야 합니다. 현재 다양한 전해질을 기반으로 고분자 고체 전해질과 무기 고체 전해질로 나눌 수 있습니다. 전자의 대표적인 시스템은 PEO 폴리에틸렌 옥사이드입니다. 후자는 산화물, 황화물, 할로겐화물 시스템이다.

음극재

전고체 배터리의 주요 양극재로는 리튬코발트산화물, 리튬인산철, 리튬니켈코발트산화물, 리튬코발트알루미늄산화물 등이 있다.

(1) 리튬 코발트 산화물: 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 양극 재료로 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 제공할 수 있지만 안전 문제가 있습니다.

(2) 인산철리튬: 인산철리튬은 산화리튬에 비해 안전성이 우수하고 수명이 길지만 에너지 밀도는 낮습니다.

(3) 리튬 니켈 코발트 산화물: 에너지 밀도가 높고 수명이 길지만 재료비가 비싸고 안전 문제가 있습니다.

(4) 리튬 코발트 알루미늄 산화물: 에너지 밀도는 높지만 사이클 수명은 리튬 니켈 코발트 산화물보다 약간 낮습니다.

(5) 고체 전해질에서 여러 재료의 조합: 예를 들어 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)과 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12)는 더 높은 안전성과 긴 수명을 제공할 수 있지만 에너지 밀도는 상대적으로 낮습니다.

양극재

전고체전지 음극재는 크게 리튬금속, 탄소재, 실리콘재 3가지로 나뉜다.

(1) 리튬 금속은 주로 고체 리튬 이온 배터리와 고체 리튬 황 배터리에 사용됩니다. 그 중 전고체 리튬이온전지는 전기자동차, 드론 등 분야에 적용할 수 있는 일종의 고에너지밀도 배터리다. 한편, 전고체 리튬황 배터리는 에너지 밀도가 높고 안전성이 높은 배터리로 항공우주, 군사 등 다양한 분야에 적용이 적합하다.

(2) 탄소 재료는 주로 전고체 리튬 이온 배터리에 사용됩니다. 일반적인 탄소소재인 탄소나노튜브는 비표면적이 크고 전기화학적 성능이 뛰어나 고성능 전고체 리튬이온전지에 사용하기에 적합하다.

(3) 실리콘은 높은 비용량과 저렴한 비용을 제공하는 새로운 음극 재료입니다. 전고체 배터리에서 실리콘은 고체 전해질과 반응하여 리튬 이온을 형성하여 배터리의 충전 및 방전을 가능하게 합니다. 실리콘은 리튬 금속 및 탄소 소재에 비해 비용량이 높지만 사이클 안정성이 상대적으로 좋지 않아 부피 팽창과 구조적 손상이 발생하기 쉽습니다. 실리콘 소재는 주로 전고체 리튬이온 배터리에 사용된다. 그 중 일반적인 실리콘 소재인 실리콘 나노와이어는 높은 비표면적과 우수한 전기화학적 성능을 갖고 있어 고성능 전고체 리튬이온전지에 사용하기에 적합하다.

분리 기호

분리막 소재는 전고체전지의 필수 부품으로 주로 양극과 음극을 분리해 전기 전도를 방지하는 데 사용된다. 분리막 재료의 구성에는 주로 폴리머, 나노 크기 분말 등이 포함됩니다. 음극시트 양면에 무기고체 전해질층을 코팅하고, 무기고체 표면에 유기고분자층을 코팅한 이중층 코팅이 분리막 대용으로 활용될 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 상태 전해질 층. 현재 황화물·산화물 전고체전지에는 분리막이 필요 없다는 견해가 있다. 또한, 전고체전지에 대해 공개된 다양한 특허에서는 무기-유기 복합 분리막과 같은 복합 분리막의 개념을 제시하고 있다.

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