VOL. 178 June 2021
리튬이온전지의
최신 연구 동향
리튬 이차전지는 에너지 밀도가 높고, 충분히 방전되지 않은 상태에서 충전해도
전지 용량이 줄어들지 않으며, 사용하지 않을 때도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 휴대용 전자기기에 많이 사용된다.
최근에는 에너지 밀도가 높은 리튬 이차전지의 특성을 이용해 방산업, 자동화시스템, 항공 산업과 자동차 산업에도 이용되고 있다.
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리튬 이차전지는 어떻게 발전하고 있을까? Lithium ion battery
리튬 이차전지는 고용량, 고출력, 긴 수명, 안정성, 내구성, 신뢰성 등 다양한 장점을 지니고 있어 최근 많은 주목을 받고 있다. 이런 기대를 만족시키기 위해 다양한 신소재를 개발 및 적용하면서 고성능 차세대 리튬이차전지 개발이 진행되고 있다.
차세대 리튬 이차전지 개발을 위한 개발 중에서도 액체 전해질의 가연성과 부식성, 고열과 고전압에 취약하다는 안전성 문제를 해결하기 위해 고체 전해질을 적용하는 연구가 활발하다. 특히, ASSLB(All-Solid-State Lithium Battery, 고체 전해질을 사용하는 리튬 이차전지)는 액체가 아닌 고체 전해질을 사용하기 때문에 기본적으로 이런 안전성에 대한 염려를 해소할 수 있다.
고체 전해질을 사용하면 전기화학적 안정성을 확보하여 리튬 이차전지에 고전압용 양전극 소재를 활용할 수 있으며, 전지의 에너지밀도를 향상시키는 것도 가능하다. 또한 리튬금속을 사용한 음전극이나 유황, 산소를 사용한 양전극 등 대용량 전극 소재를 활용할 수 있어 차세대 리튬 이차전지 시스템으로 확장이 가능하다. 최근에는 리튬금속 음전극, 고체 전해질과 변환성 양전극으로 구성되는 차세대 리튬이차전지 시스템으로 최대 에너지밀도(450Wh/kg 및 700Wh/kg)와 최대 출력밀도(500Wh/kg 및 1,000Wh/kg)를 실현하기 위한 연구가 이뤄지고 있다.(EU, SET-Plan Action의 2030년 목표 기준).
불안정성이라는 숙제
Instability
리튬 이차전지용 고체 전해질은 소재에 따라 유기 고분자 고체 전해질, 무기 고체 전해질, 유기-무기 하이브리드 고체 전해질, 전극과 합쳐지는 복합 고체 전해질 등으로 나눌 수 있다. 고체 전해질의 가장 중요한 전기화학적 특성 중 하나인 이온전도도(이온이 물질을 통과하는 정도)는 실제 ASSLB의 특성과 성능을 많이 좌우하기에 전해질의 종류에 따른 결과도 다양하게 나타난다.
고체 전해질이 적용되는 ASSLB의 숙제 중 하나는 전극과 전해질 사이의 계면(경계면)에서 나타나는 불안정성이다. 고체 전해질과 전극 사이의 계면은 보통 친화성, 즉 결합성이 낮아 이를 개선해야 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 ASSLB은 전도 특성과 전기화학적 계면 특성이 다른 다양한 경계면을 포함하고 있기 때문에 결합성이 낮은데, 이를 해결하기 위한 개선책이 필요하다.
특히, 전고체 전지의 계면은 계면의 형성과 접촉 조건, 에너지 상태 및 결함 등의 개념과 충·방전 도중 계면에서 일어나는 물리화학적, 전기화학적 과정 등의 요소를 종합적으로 고려해야 한다.
돌파구를 찾기 위한 다양한 시도
Various Attempts
대부분의 연구는 양전극-고체 전해질 계면에 초점이 맞춰져 있는데, 이는 양전극-고체 전해질 계면을 이온이 안정적으로 통과할 수 있어야 충분한 성능을 확보할 수 있기 때문이다. 양전극-고체 전해질 계면에서는 고체-고체 계면이 물리적으로 충분히 맞닿아있어야 계면에서 저항이 감소되어 성능을 개선할 수 있다. 하지만 실제로는 고체 전해질의 표면이 충분히 매끈하지 못해 이를 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다.
또 나노이온 효과, 즉 서로 다른 이온 화학적 가능성을 갖는 이온전도체 계면에서 생성되는 공간전하층 문제를 해결하기 위한 연구도 진행 중이다. 예를 들어 황화물 고체 전해질과 리튬 전이금속 양전극이 접촉하면, 리튬이온이 전해질 측에서 양전극 측으로 퍼져 결국 전해질 측 계면에 전기의 흐름을 방해하는 ‘리튬고갈층’을 생성할 수 있는데, 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있는 것이다.
ETRI, 리튬이온전지의 문제점을 해결하다
ASSLB
ETRI는 2000년부터 겔(Gel) 형태의 고분자 기반 전해질 연구에 이어서 2015년부터 본격적으로 무기 고체 전해질의 연구개발을 진행하여 차세대 전고체 리튬 이차전지에 대비했다. 최근에는 LLZO(Lithium lanthanum zirconium oxide, 리튬 란탄 지르코늄 산화물)-PVdF(Polyvinylidene fluoride, 폴리비닐리덴 플루오라이드)를 각각 유무기 소재로 활용하여 새로운 계면 구조가 설계, 도입된 유무기 하이브리드 고체 전해질을 제조했다.
ETRI는 LLZO 표면의 이온 저항층이 건식 에칭(etching, 기체반응을 이용한 가공법) 효과에 의해 이동성을 가진 리튬이온의 밀도 분포가 집중되고 저항장벽이 없어 이온의 신속한 수송이 가능해짐을 밝혔으며, 결과적으로 하이브리드 고체 전해질을 적용한 ASSLB는 에칭되지 않은 경우에 비해 월등한 성능을 보여줬다.
주요 국가별로 리튬이차전지의 에너지밀도 향상을 위한 소재 및 공정의 다각적 연구개발 프로젝트가 활성화되고 있다. 리튬금속의 도전과제를 극복하기 위한 다양한 연구가이뤄지는 가운데 국내 연구진도 리튬이차전지 기술 발전에 기여할 수 있기를 바란다.
본 내용은 전자통신동향분석 36권 3호(통권 190)를 참고,
'차세대 리튬이차전지용 고체 전해질 기술'을 재구성한 글입니다.
