전고체 배터리 전망_구성요소간 호환성

구성요소 간 호환성

셀의 각각의 구성요소들은 서로 영향을 미치기 때문에 SSB를 설계할 때 각각의 구성요소들이 서로 결합할 때 발생할 수 있는 문제점들을 검토해야 합니다.

SSB의 구성요소들 간의 문제점들에 대한 연구들은 한창 진행 중이기 때문에 가능한 모든 조합에 대해 이러한 정보를 제공할 수는 없지만, 아래에 제시된 표에서 서로 다른 종류의 전해질들을 서로 다른 활성 물질과 결합할 때 발생하는 영향들을 설명하고자 합니다.  각각의 전해질들의 하위 클래스들들은 일반적으로 발생하는 문제들이 비슷하기 때문에 구체적으로 다루지는 않았습니다만 각각의 고체전해질들의 하위 클래스 역시 특정 재료에 따라 문제점들이 다를 수 있습니다.

양극활물질로 쓰이는 전이 금속 산화물인 NMC, NCA, LMO, LCO들도 유사한 특징을 가지므로 각각의 물질마다 세부적으로 다루지 않았습니다.

양극 활물질은 고체전해질과 계면에서 문제가 발생할 수 있기 때문에 일반적으로 코팅을 하는 경우가 많습니다. 아래 표에서는 이런 점을 고려해 양극 활물질을 코팅한 경우와 코팅하지 않은 경우로 나누어 설명하였습니다.

 

양극 코팅을 한 경우와 하지 않은 경우 양극복합전극의 인터페이스

그리고 각 활물질-전해질 조합의 전기화학적 호환성, 가공성 및 수명에 중점을 두어 비교를 했습니다.

 

(전기) 화학적 호환성 (Electro) chemical compatibility

전고체 배터리 셀을 설계할 때 다양한 구성 요소 간의 인터페이스는 매우 중요합니다. 전해질의 전기화학적 안정성 범위는 전해질이 어떤 전위에서 환원(음극) 또는 산화(양극)되는지를 나타냅니다. 황화물은 전기화학적 안정성 창이 다소 좁기 때문에 쉽게 결합할 수 있는 전극 활성 물질이 제한됩니다. 폴리머 전해질의 경우, 전위가 높은 양극과의 조합이 어려운 반면, 음극과의 전기화학적 안정성은 나쁘지 않습니다.

전기화학적 호환성 외에도 전해질 재료의 화학적 안정성도 해결해야 할 과제입니다. 양극활물질을 코팅하면 각 계면에서 황화물이 분해되는 것을 방지할 수 있습니다. 산화물 전해질은 전기화학적 및 화학적 안정성이 뛰어납니다.

 

가공성 (Processability)

산화물 전해질이 양극에 Catholyte로 사용되는 경우 산화물 전해질을 소결 (Sintering) 하기 위해서는 양극과 함께 소결해야 하는데, 고온이기 때문에 양극 활물질에 해로울 수 있습니다.

황화물은 물과 같은 극성 용매에 대한 불안정성 때문에 비극성 용매를 사용하여 처리해야 합니다. 그렇기 때문에 PVDF (Polyvinylidene fluoride)및 CMC(Carboxymethyl cellulose)와 같은 기존 바인더는 비극성 용매에 대한 용해도가 낮아서 사용할 수 없습니다. 따라서 SBR (Styrene-butadiene rubber) 및 Silicone rubber와 같은 다른 바인더를 사용해야 합니다.

황화물을 양극의 catholyte로 사용하는 경우 일반적으로 충분한 기계적 안정성을 확보하기 위해 바인더가 필요합니다. 그러나 바인더를 첨가하면 전해질의 이온 전도도가 감소하므로 바인더의 사용을 최소화해야 하는 문제도 있습니다.

 

수명 (Lifetime)

배터리 셀을 사용할 때 전극의 부피가 크게 변하는 문제도 있습니다. 전극의 부피 변화는 전해질과 양, 음극 인터페이스에 상당한 스트레스를 가할 수 있습니다. 액체 전해질과 폴리머 전해질은 일반적으로 이러한 부피 변화를 상당히 잘 보상할 수 있지만, 산화물 및 황화물 전해질은 그렇지 않습니다. 사이클링 중에 인터페이스에서의 접촉을 양호하게 하기 위해서 일반적으로 사용하는 방법은 셀에 외부 압력을 가하는 것입니다.

또한 리튬 금속 음극을 사용하는 경우, 수명진행 중 리튬 덴드라이트의 형성에 의한 내부 단락을 발생하는 문제가 있기 때문에 리튬 덴드라이트 형성을 억제하는 것은 매우 중요합니다.

일반적으로 각각의 고체전해질을 사용한 SSB의 수명을 개선하기 위해서는 산화물은 가공성을 개선해야 하고 황화물은 전기화학적 호환성을 개선해야 합니다.

폴리머는 다소 다재다능해 보이지만 전위가 높은 음극과 결합할 때 발생하는 문제를 해결해야 하므로 양극활물질에 코팅을 하거나 다양한 방법의 최적화 기술을 개발하고 있습니다.

 

활성 물질과 고체 전해질 종류별 호환성 . 문제의 심각성은 색상으로 표시 . ( 녹색 : 특별한 호환성 문제 없음 , 노란색 : 중간 정도의 호환성 문제 , 빨간색 : 심각한 호환성 문제 )

 

 

출처: Solid-State Battery Roadmap 2035+ (Fraunhofer ISI report)