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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 이렇듯 고에너지 이차전지의 안전성 향상을 위한 차세대전지로서 전고체전지 개발은 활발히 수행되고 있으며 고체전해질의 연구 개발을 통해 신규 구조의 고이온전도성 고체전해질이 최근들어 보고되고 있다. 관련된 고체전해질 및 전고체전지의 연구 개발 동향에 대하여 알아보고자 한다.
• 고체전해질은 크게 사용되는 재료에 따라 무기계 고체전해질과 고분자계 고체전해질로 분류할 수 있으며, 무기계 고체전해질은 각각 산화물계와 황화물계 고체전해질로 나눌 수 있다. 여기에서는 무기계 고체전해질, 그중에서도 산화물계와 황화물계 고체전해질의 특징과 장단점 및 앞으로의 극복 과제에 대해서 기술해보고자 한다.

제안 방법

• Thio-LISION 및 LGPS 구조 고체전해질은 동경공업대학의 칸노 교수에 의해 오랜 기간동안 연구되었다. LISICON 구조를 기반으로 O를 S로 치환한 것을 thio-LISICON 구조로 부르며, 원소 치환을 통하여 interstitial 리튬을 도입하거나 혹은 리튬 vacancy 를 도입하며 구조와 이온전도도와의 관계를 탐색하였다. 그 결과 2001년 2.

대상 데이터

• 일본의 이데미츠흥산은 정유회사로 원유 정제중의 부산물인 황을 활용하기 위한 방안으로 황화물계 고체전해질 소재를 2000년경부터 개발하였다. 2009년 1월에 개최된 국제 Carelectronics 기술 전시회에 독자 개발한 고체전해질을 적용한 전고체전지를 출품하였다. 고체전해질의 이온전도도는 4.
• 0×10^-3 S/cm 였으며, 이를 이용한 전고체전지는 용량 10 mAh급의 코인 타입과 용량 100 mAh 급의 파우치 타입 두 종류가 발표되었다. 전극재료는 종래 리튬이차전지와 동일하게 양극에는 LiCoO2, 음극에는 흑연을 적용하였으며, 초기 모델의 용량밀도는 종래 액체계 리튬이온전지에 비하여20~30% 낮은 수준이었다.

성능/효과

• 또한 합성한 LGPS를 이용하여 분말 가압식전고체전지를 제작하여 평가를 수행하였으며, LiCoO₂ 양극재를 이용한 하프셀 평가 결과 120mAh/g 이상의 양호한 용량 발현 및 우수한 충방전 용량 유지율을 확인하였다. 이로 인하여 고체전해질 및 전고체전지의 연구는 더욱 활발히 수행되게 되는 계기가 되었다.

후속연구

• 그러나 박막이 아닌 후막형 대면적 전고체전지에의 적용은 아직 어려운 상황으로 고체전해질 소재 자체의 이온전도도만이 아니라 전극 활물질과의 계면에 대한 더욱 깊은 연구가필요하다. 고체전해질을 실제 전지에 적용하기 위한 후막 형태로의 제조 및 이에 대한 물성에 대한 연구가 필요하며, 전지에서 고체전해질의 두께는 이온저항과 에너지밀도에 큰 영향을 미치게 되어, 고체전해질의 두께가 얇을수록 에너지밀도가 높아지고 이온저항이 낮아져 전지 특성에 유리하나 대면적의 고체 전해질을 1 mm 이하의 얇은 두께로 만들기 위해서는 새로운 제조 공정에 대한 연구가 필요하다.
• 그러나 박막이 아닌 후막형 대면적 전고체전지에의 적용은 아직 어려운 상황으로 고체전해질 소재 자체의 이온전도도만이 아니라 전극 활물질과의 계면에 대한 더욱 깊은 연구가필요하다. 고체전해질을 실제 전지에 적용하기 위한 후막 형태로의 제조 및 이에 대한 물성에 대한 연구가 필요하며, 전지에서 고체전해질의 두께는 이온저항과 에너지밀도에 큰 영향을 미치게 되어, 고체전해질의 두께가 얇을수록 에너지밀도가 높아지고 이온저항이 낮아져 전지 특성에 유리하나 대면적의 고체 전해질을 1 mm 이하의 얇은 두께로 만들기 위해서는 새로운 제조 공정에 대한 연구가 필요하다. 또한 산화물계 고체전해질은 딱딱한 입자의 물성으로 인하여 상온에서 입자를 가압 성형하는 것만으로는 입계저항으로 인하여 전도도가 상당히 낮아지며, 활물질과의 접촉 면적도 극히 제한되어 실제 전지의 특성을 구현하기 어려운 문제가 있어 이를 극복하기 위한 연구가 중요하다.
• 그러나 높은 이온전도도의 고체전해질소재 뿐만 아니라, 활물질과 고체전해질 계면에서의 고저항층 억제, 균일한 분산을 통한 활물질 이용률 극대화 및 전극복합체 내의 전해질 함량 최소화 기술 등 핵심 요소 기술들이 함께 개발되어야 실제 전고체전지로서의 성능을 구현할 수 있다. 또한 종래 유기 액체계 리튬이온전지의 제작 공정을 그대로 혹은 유사하게 사용할 수 있는 장점을 살리는 방향도 중요하겠지만, 고체 시스템에 맞는 새로운 제작공정에 대한 고민도 필요할 것으로 여겨지며, 소재에 있어서도 종래 리튬이온전지에서 사용되던 활물질과는 다른 고체/고체 계면 형성 및 고체전해질의 물성에 맞는 활물질 소재 개발이 이루어져야 고성능 고안전성의 전고체전지 개발이 가능할 것으로 전망된다. 이러한 전고체전지의 개발을 통해 고에너지 이차전지의 안전성 및 에너지밀도의 향상을 이룰 수 있으며, 관련된 전기자동차 및 전력 저장 시스템에의 적용을 통한 시장 확대가 기대된다.
• 또한 종래 유기 액체계 리튬이온전지의 제작 공정을 그대로 혹은 유사하게 사용할 수 있는 장점을 살리는 방향도 중요하겠지만, 고체 시스템에 맞는 새로운 제작공정에 대한 고민도 필요할 것으로 여겨지며, 소재에 있어서도 종래 리튬이온전지에서 사용되던 활물질과는 다른 고체/고체 계면 형성 및 고체전해질의 물성에 맞는 활물질 소재 개발이 이루어져야 고성능 고안전성의 전고체전지 개발이 가능할 것으로 전망된다. 이러한 전고체전지의 개발을 통해 고에너지 이차전지의 안전성 및 에너지밀도의 향상을 이룰 수 있으며, 관련된 전기자동차 및 전력 저장 시스템에의 적용을 통한 시장 확대가 기대된다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
고이온전도성	고이온전도성의 신규 고체전해질 개발을 위해 함께 개발되어야 하는 기술은?	또한 고이온전도성의 신규 고체전해질의 개발이 가속화되며 전고체전지의 실용화에 대한 기대도 높아지고 있다. 그러나 높은 이온전도도의 고체전해질소재 뿐만 아니라, 활물질과 고체전해질 계면에서의 고저항층 억제, 균일한 분산을 통한 활물질 이용률 극대화 및 전극복합체 내의 전해질 함량 최소화 기술 등 핵심 요소 기술들이 함께 개발되어야 실제 전고체전지로서의 성능을 구현할 수 있다. 또한 종래 유기 액체계 리튬이온전지의 제작 공정을 그대로 혹은 유사하게 사용할 수 있는 장점을 살리는 방향도 중요하겠지만, 고체 시스템에 맞는 새로운 제작공정에 대한 고민도 필요할 것으로 여겨지며, 소재에 있어서도 종래 리튬이온전지에서 사용되던 활물질과는 다른 고체/고체 계면 형성 및 고체전해질의 물성에 맞는 활물질 소재 개발이 이루어져야 고성능 고안전성의 전고체전지 개발이 가능할 것으로 전망된다.
리튬이온전지	리튬이온전지가 안전 장치가 있음에도 불구하고 화재나 폭발에 이르게 되는 원인은?	안전 문제는 주로 기계적, 전기적, 열적 가혹조건에 의해 발생하게 되는데, 최신식 리튬이온전지는 여러 안전성 향상 기구 및 제어 유닛으로 잠재적인 위험 요소를 억제하고 있으며, 폴리올레핀 기반의 분리막은 135도 부근에서 녹아서 이온의 전달을 막아 더 이상의 큰 전류가 흐르지 않게 셧다운 하는 기능도 갖고 있다[2, 3]. 그러나 이러한 안전 장치에도 불구하고 리튬이온전지는 가연성의 유기 액체 전해질을 사용하고 있어, 과충전이나 단락 등으로 인한 열폭주 발생시 전극과 전해질의 분해 반응이 일어나 화재나 폭발에 이르게 된다.
산화물계 고체전해질	산화물계 고체전해질 중 결정질계의 대표적인 예는?	산화물계 고체전해질은 크게 결정계와 비정질계로 나눌 수 있으며, 비정질계에서는LiPON이, 결정질계에서는 페로브스카이트 구조의 La0.51Li0.34TiO2.94 (LLTO), 나시콘 구조의 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP), 가넷 구조의 Li7La3Zr2O12 (LLZO)가 대표적인 고체전해질 소재이다.

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