- 리튬 이온 배터리의 발전을 위해서는 에너지 밀도, 지속 시간, 안전성을 개선하는 것이 중요하며, 이는 기존의 그래파이트 음극과 액체 전해질의 한계 때문이다 .
- 고체 전해질은 리튬 배터리의 핵심 소재로, 비가연성 및 넓은 전기화학적 창을 제공하여 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하고 안전성을 향상시킨다 .
- 이상적인 고체 전해질은 전도도, 전자 절연성, 전기화학적 창, 고체 전극과의 호환성, 열 안정성, 저비용 원재료, 및 간단한 합성 방법 등의 요구사항을 충족해야 한다 .
- 고체 전해질연구의 진보로 인해 고온 전도율이 뛰어난 다양한 고체 전해질이 개발되었지만, 여전히 대규모 산업 적용에는 상당한 도전 과제가 있다 .
- 고체 전해질의 종류로는 고체 고분자 전해질, 무기 고체 전해질, 그리고 유기-무기 복합 전해질이 있으며, 각각의 장단점을 비교하여 최적의 소재를 찾고 있다 .
1. Solid-State Electrolytes in Lithium Batteries
- Solid-state lithium batteries는 리튬 금속을 음극 재료로 사용하고, 고체 전해질(SSEs)을 이온 전도 매질로 사용하여 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다.
- SSEs는 비발화성, 비폭발성, 넓은 전기화학적 창을 가지며, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하여 리튬 배터리의 안전 성능을 향상시킬 수 있다.
- 고체 전해질은 실온 전도도 ≥10−4mS cm−1, 전자 절연성, 넓은 전기화학 창, 전극 물질과의 좋은 호환성, 우수한 열 안정성, 저렴한 제조 비용 등을 충족해야 한다.
2. Progress and Composition of Solid-State Electrolytes
- 고체 전해질(SSEs)는 고체 리튬 배터리의 핵심 구성 요소로, 높은 이온 전도도를 가진 재료를 얻는 것이 중요하다.
- SSE는 고체 폴리머 전해질(SPE), 무기 고체 전해질(ISE), 유기-무기 복합 고체 전해질(CSE)로 구분할 수 있으며, 각각의 전도 메커니즘에 큰 발전이 있었다.
- SPEs는 1973년 Wright가 처음 보고한 것으로, 이온 전도성을 높이기 위한 고온 전성형 복합체 등 다양한 구조적 개선이 제안되었다.
- ISE는 금속 및 비금속 성분을 포함하며, 특히 NASICON, 가넷, LISICON, 페로브스카이트, 안티-페로브스카이트 구조가 포함된다.
3. Challenges in Solid-State Batteries
- 고체 전해질과 리튬 금속 음극 및 고전압 양극 물질을 조합하여 높은 에너지 밀도를 갖는 고체 배터리를 제조하는 것이 중요하다.
- 인터페이스의 높은 저항, 전극과 전해질 간의 반응성 등으로 인한 성능 저하가 특징적 문제로 남아 있다.
- 고체 배터리의 인터페이스와 관련된 문제를 해결하기 위한 여러 접근이 제시되었으며, 나노막대와 같은 복합 전극의 사용이 제안되었다.
4. Interfaces Between SSEs and Electrodes
- 전극과 고체 전해질의 인터페이스 불안정성은 분극, 공간 전하 효과로 인한 문제를 유발할 수 있다.
- 양극과의 접촉 문제를 해결하기 위해, 고체 전해질에 내장된 패시베이션 레이어, 코팅 기술 등이 제안되고 있다.
출처: Nanomaterials 2024, 14, 1773.
