유기 고체 전해질 (Organic solid-state electrolyte)

유기 고체 전해질의 종류

유기 고체 전해질의 소재로는 고분자가 사용된다. 고분자 고체 전해질은 아래 그림과 같이 리튬염(LiClO₄, LiBrF₄, LiPF₆, LiNSO₃CF₃, LiN(SO₂CF₃)₂이 PEO, PCL, PEC, PPC, PEEC 등과 같은 고분자 매트릭스 내에서 해리되어 리튬이온 전도가 이루어진다

아래 그림은 다양한 고분자 전해질에 사용되는 고분자 매트릭스의 물성을 나타낸 것이다.

고분자 고체 전해질에 사용되는 고분자 매트릭스

PEO 고체 전해질의 경우 아래 그림 왼쪽과 같이 Li이온과 PEO의 배위 결합 (coordination)에 의해 고분자 전해질이 형성되고 이렇게 형성된 고분자 전해질내에서 분절 (segement) 운동에 의해 Li+이 이동하는 것으로  밝혀졌다. 상온에서의 이온전도도는 10^-7~10^-5S/cm 수준으로 낮은 편인데 이는 60℃ 이하에서 PEO가 부분적으로 결정화되어 Li+을 이동시키는 분절 운동이 감소하기 때문이다.

이를 해결하기위해 고분자의 결정화도를 감소시키거나 계면 전도를 신속하게 진행시켜 이온전도도를 향상하는 방법이 연구되고 있다. 이를 위해 세라믹 충진재, 가소제, 고분자 혼합체, 공중합체 등을 혼합하거나 금속-유기 구조체 나노입자의 첨가, 유기 강직성 울타리를 도입하는 방안 등이 연구되고 있다. 또한 고분자 고체 전해질은 리튬 덴드라이트 성장을 억제하기 위해 기계적 강도의 강화가 필요하며, 고전압 시 고체 전해질의 산화분해에 견디도록 전기화학적 안정성 창의 확장도 필요하며, 이에 대해 앞의 방법과 같이 다양한 강화 연구가 진행되고 있다.

상용화 현황

대부분의 전고체전지들이 아직 상용화하기 멀었다고 생각하지만 프랑스 기업인 볼로레는 자회사인 블루솔루션(Blue solution)이 개발한 LMP (Lithium Metal Polymer) 배터리를 카쉐어링 프로그램과 버스에 이미 상용화하여 시장을 넓혀가고 있다.

LMP배터리는 양극에 리튬인산철 (LFP)과 음극으로는 리튬메탈을 사용하며 전해질로는  PEO기반의 고분자 전해질을 사용하고 있다.

볼로레(Bolloré) 블루카 (Blue car): 2011년

LMP배터리를 사용하는 볼로레의 블루카

볼로레는 소형 4인승 3도어 전기 자동차인 블루카 (Bluecar)에 블루솔루션이 제작한 LMP배터리를 채용하였다. 

배터리 팩의 용량은 30kWh로 시내에서 최대 250km, 고속도로에서 최대 150km를 운행할 수 있다. 최대 속도는 130km/h이고 배터리 무게는 300kg이다

2011년부터 프랑스에서 Autolib라는 차량 공유프로그램에 공급되었고 이후 미국과 영국, 싱가포르에서도 카쉐어링 프로그램에 공급하였다. 

블루솔루션의 LMP배터리 구성

위에서 언급한대로 PEO 고체 전해질의 경우 60도 이하에서 이온 전도도가 떨어지기 때문에 블루카의 LMP 배터리 작동 온도는 60~80도이다.

 

메르세데스 벤츠 eCitaro bus: 2018년

2018년에 블루솔루션은 메르세데스벤츠의 전기버스 브랜드인 eCitaro에 자사의 LMP배터리를 탑재하였다.

eCtrao는 LMP배터리 버젼과 NCM양극, 액체 전해질을 사용하는 NCM버전 두가지를 출시하였다.

Mercedes-Benz eCitaro 전기버스

배터리 타입	LIB (Lithium Ion Battery)	LMP (Lithium Metal Polymer)
배터리 팩 용량	396kWh (12module)	441kWh (7module)
운행거리	170km	190km
배터리 타입	리튬이온 배터리 (양극으로 NCM,음극은 흑연, 전해질로는 액체전해질 사용)	리튬메탈전고체전지 (양극으로는 LFP, 음극은 리튬메탈, 전해질은 PEO고체전해질,)
쿨링시스템	Liquid cooling	배터리는 cooling하지 않음. (전자 장비는 air cooling함.)
고속충전	고속 충전 지원	고속 충전 지원하지 않음 (C/5 12.6kW)

2020년에는 18m 굴절식 eCitaro G 모델에도 LMP배터리를 적용하여 운행중이다.

Mercedes-Benz eCitaro G모델