전고체 배터리 전망_전고체 배터리의 구조

액체 전해질을 사용하는 LIB의 구조(좌), 고체전해질을 사용하는 SSB의 구조 (우)

SSB (Solid-State Battery)의 전기화학적 구성은 LIB (Lithium Ion Battery)와 동일합니다. LIB와의 차이점은 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한다는 것입니다. 전해질과 양음극 활물질 사이의 이온 접촉은 긴밀해야 하는데 고체전해질의 특성상 액체 전해질보다 이온 접촉이 긴밀하지 못합니다. 이런 문제를 해결하기 위해 SSB는 활물질과 고체전해질 입자를 혼합한 후 압축하여 접촉 저항을 최대한 줄이고 있습니다.

그러나 이렇게 압축을 해서 제조한다 해도 충전/방전을 반복하게 되면 활물질의 부피 변화로 인해 고체 전해질과 활물질 사이의 계면 접촉이 나빠지는 문제가 발생합니다. 이런 문제들을 해결하기 인해 일반적으로 SSB는 외부에서 압력을 가해야 합니다.

기본적으로 SSB는 액체 전해질을 완전히 고체전해질로 대체하는 것이지만  현재의 기술로는 실제 양산하는 셀에 압력을 가해서 제품을 출시하기에는 기술적인 한계가 있습니다. 고체 전해질의 이러한 현실적인 한계를 극복하고 상용화시키기 위해  고체전해질과 Catholyte, Anolyte에 액체 전해질을 추가하여 고체 전해질과 활물질 사이의 계면 접촉을 개선하는 시도를 하고 있습니다. 

이렇게 전해질로 고체와 액체를 같이 사용하는 하이브리드 셀은 전고체 배터리의 중간 단계이며 준고체 배터리 (Quasi Solid-state battery) 또는 반고체 배터리 (Semi Solid-state battery)라고 부릅니다.

SSB 의 일반적인 구성 요소

 

SSB는 위 그림과 같이 셀의 각 주요 구성 요소인 양극 및 음극 활성 물질, Catholyte, Anolyte, 고체 전해질 등을 다양한 방식으로 결합하여 다양하게 만들 수 있습니다. 이렇게 다양한 조합이 가능하다는 것은 수많은 가능한 셀 옵션을 구성할 수 있다는 것을 의미합니다.

많은 연구소나 회사들은 아래와 같이 다양한 방법으로 SSB를 설계하고 있습니다.

연구소와 회사들의 다양한 SSB 구성

 

 

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