Special 차세대 전고체 배터리 최신 기술 개발 동향(2)

산화물계 전고체전지 向 한계 극복 기술 연구

김화정_한국표준과학연구원 화학소재측정본부 박사후 연구원

백승욱_한국표준과학연구원 화학소재측정본부 책임연구원

1.    서론

최근 전기자동차, 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS), 휴대용 전자기기의 발전과 함께 더 안전하고 높은 성능을 가진 이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 공급하는 장치로 크게 일차전지(Primary Battery)와 이차전지(Secondary Battery)로 구분된다. 일차전지의 경우 건전지와 같이 한번 방전이 이루어진 후 더 이상 충전이 불가능한 전지를 의미하며, 이차전지는 방전 후에도 다시 충전하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지이다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 이차전지는 리튬이온전지(Lithium-ion Battery, LIB)로 우수한 성능을 제공하지만, 액체전해질의 사용으로 인한 안전성 문제와 한정된 이론적 용량이 주요 한계로 지적되고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 액체 대신 고체전해질을 사용하는 전고체전지(All-Solid-State Battery, ASSB)가 차세대 전지 기술로 주목받고 있으며, 더 높은 에너지 밀도, 뛰어난 열적·전기화학적 안정성, 더 긴 수명을 가질 것으로 기대되고 있다[1-2]. 

전고체전지는 사용되는 고체전해질의 종류에 따라 크게 산화물계(Oxide-based), 황화물계(Sulfide-based)로 구분된다. 그 중 산화물계 전고체전지는 뛰어난 화학적 안정성, 넓은 전압 안정성 창, 높은 장기 신뢰성으로 인해 주목받고 있다[3]. 하지만 전해질 막과 양극전극 제조 시 장시간의 고온 소결 공정이 필수적이며, 이 과정에서 양극과 고체전해질 간의 계면 부반응이 발생하여 성능 저하를 초래하는 문제가 있다[4-5]. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 최근에는 급속 소결 기술이 산화물계 전고체전지의 계면 저항을 낮추고, 단시간에 치밀한 구조를 형성할 수 있는 제조 공정으로 주목받고 있다.

본 기고문에서는 차세대 전지 기술인 전고체전지를 다루며, 특히 산화물계 전고체전지의 주요 문제점과 기술적 한계를 분석하였다. 또한, 이러한 한계를 극복할 수 있는 제조 기술을 소개하고, 이를 통한 전고체전지의 상용화 가능성을 탐색하였다. 나아가, 전고체전지의 상용화를 앞당길 수 있는 혁신적인 접근법을 소개하고, 향후 연구 방향을 논의하고자 한다.

2. 본론

이차전지는 양극(Cathode), 음극(Anode), 전해질(Electrolyte), 그리고 전자의 흐름을 조절하는 분리막(Separator)으로 이루어진다. 전해질이란 전지 내에서 리튬 이온이 이동하는 통로 역할을 하는 물질로 리튬 이온의 이동으로 충전과 방전 반응이 일어난다. 방전이 가능한 리튬 이차전지의 양극재로는 대표적으로 리튬을 포함한 리튬전이금속 산화물 소재인 LiCoO₂(LCO), LiMn₂O₄(LMO), LiFePO₄(LFP), LiNixCoyMnzO₂(NCM) 그리고 LiNixCoyAlzO₂(NCA) 등이 있다. 음극 물질은 리튬 덴드라이트(Lithium dendrite)로 인한 안전성의 문제로 흑연(Graphite) 음극 활물질을 사용한다. 기존의 리튬이온전지는 액체전해질을 사용하여 이온을 전달하는 방식이며, 상용화된 기술로 오랜 기간 발전해 왔다. 그림 1은 기존의 리튬이온전지와 전고체전지의 구조와 주요특징을 나타내었다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 리튬이온전지는 양극재(주황색), 도전재(하늘색), 액체전해질(파란색), 분리막(노란색) 그리고 흑연(검은색)으로 구성되어 있으며, 액체전해질로 채워진 양극과 음극 사이에 분리막을 포함된 구조로 이루어져 있다. 그러나 액체전해질의 가연성과 낮은 열 안정성으로 인해 안전성 문제가 꾸준히 제기되어 왔다. 특히, 높은 충전 속도나 물리적 충격에 의해 전지 내부에서 리튬 덴드라이트가 형성될 경우, 내부 단락(Short circuit)으로 이어져 화재 및 폭발 위험을 초래할 수 있다. 이는 전기자동차나 항공우주 산업과 같은 고신뢰성이 요구되는 분야에서 많은 제한이 따른다. 또한 흑연 음극(이론용량: 372 mAh/g)을 사용하기 때문에 이론용량이 상대적으로 낮고, 액체전해질로 인한 전체적인 부피 확장으로 에너지 밀도가 제한되는 한계점이 있다[6]. 

그림 1. 리튬이온전지와 전고체전지의 구조 및 특성

그림 2. 전고체전지의 유형별 구조 및 제조 공정

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