전고체 배터리 개발동향 [황화물 고체전해질의 문제점과 전고체 전지의 공정 개발 이슈]

 

 이전글에서 다루었듯 황화물 고체전해질은 전고체 전지의 핵심 요소로 주목받고 있지만, 여러 기술적 문제와 도전 과제를 안고 있다. 이번 글에서는 황화물 고체전해질이 직면한 문제점과 이를 극복하기 위한 연구 방향, 그리고 전고체 전지의 공정 개발 이슈에 대해 자세히 살펴보자

황화물 고체전해질의 주요 문제점

1. 제한된 전압 안정성

황화물 고체전해질의 가장 큰 문제점 중 하나는 전압 안정성 범위가 제한적이라는 점이다. 일반적으로 1.0V에서 2.5V 사이에서는 안정적인 동작을 보이지만, 그 이상의 전압에서는 불안정해지며, 고전압 양극 소재와의 결합이 어려워진다.

 

 이는 특히 고전압 전극을 사용하는 차세대 배터리에서 중요한 문제로 대두되는데, 황화물 고체전해질은 대기 중 수분에 취약하여 장기 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 양극 활물질 표면을 코팅하는 방법이 연구되고 있지만, 완전한 해결책으로 보기에는 한계가 있다.

 

2. 환원 안정성의 문제

황화물 고체전해질은 환원 안정성에서도 문제가 발생한다. 특히 1V 이하의 낮은 전압에서는 분해가 일어나며, 이는 전지의 계면에서 주요한 문제로 작용한다. 현재 이 문제를 극복하기 위해 계면 설계와 리튬 금속 보호층 도입과 같은 연구가 활발히 진행되고 있으며, 리튬 금속은 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 계면 안정성 문제를 해결하기 위해서는 보다 정교한 설계가 필요로 한다.

3. 장기 수명과 계면 안정성

전고체 전지의 장기 수명 특성에서 중요한 요소 중 하나는 계면 안정성이다. 특히, 황화물 고체전해질과 고전압 양극재가 만나는 계면에서 문제가 발생할 수 있다. 초기 사이클에서는 계면이 매우 깨끗하지만, 약 100사이클 이후에는 인과 산소가 포함된 산화물이 형성되어 저항이 증가하는 문제가 발생한다. 이로 인해 전지의 성능이 저하되며, 장기 수명에 악영향을 미치게 된다.

 

 

특히 화물계 고체전해질과 고전압양극제가 만나는 부분에서의 문제를 손에 꼽는다. 저렇게 깨끗해 보이는 표면에도 실제  100사이클 이후에는 인과 산소가 포함된 산화물이 형성되는 문제가 생긴다

황화물 고체전해질의 설계 문제

 

황화물 고체전해질의 설계 과정에서 중요한 요소는 원소 선택이다. 일반적으로 리튬(Li)과 황(S)을 중심으로 구성된 황화물 고체전해질에서는 인(P)을 포함시킬 경우 대기 중 수분에 취약해지는 문제가 발생한다.

 

 이는 Hard-Soft Acid-Base (HSAB) Chemistry로 설명할 수 있는데, 인은 크기가 작아 황보다 산소와의 결합을 선호하며, 이로 인해 원래의 황화물 격자 구조보다 수분과 결합하는 경향이 높아진다.

 

 이러한 문제를 해결하기 위해 주기율표의 아래쪽에 위치한 비소(As)나 안티모니(Sb)를 선택할 수 있지만, 이 경우 높은 대기 안정성을 얻는 대신 밀도와 가격이 상승하고, 이온 전도도가 감소하는 문제를 직면하게 된다.

 

따라서 이러한 트레이드오프 관계 속에서, 현재로서는 인이 가장 선호되는 선택지로 자리 잡고 있다.

전고체 전지의 공정 개발 이슈

전고체 전지를 대량 생산하기 위해서는 공정 설계가 중요한 과제다. 기존의 리튬이온 전지 제조 공정은 주로 습식 공정을 기반으로 하고 있으며, 전고체 전지 또한 습식 공정을 발전시키고 있다. 

 

특히, 전극과 전해질을 결합하기 위한 슬러리 설계가 중요한 역할을 한다. 하지만, 전고체 전지에서 기존의 MNP(metal nanoparticle)나 물과 같은 용매를 사용할 경우 고체전해질이 용해되는 문제가 발생하는데, 이로 인해 용매 선택이 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다.

 

 습식 공정에서 사용되는 용매는 전해질과의 화학적 안정성이 높아야 하고, 동시에 전극의 결착력을 유지할 수 있어야 한다. 하지만, 극성 용매를 사용하면 이온 전도도가 낮아지는 문제가 있으며, 무극성 용매를 사용하면 전극의 결착력이 떨어져 공정의 난이도가 높아진다.

 

 이러한 딜레마를 해결하기 위해서는 전고체 전지의 공정 개발에 있어 새로운 접근법이 필요하며, 이러한 연구가 주된 과제로 꼽히고 있다.

 

 

 

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