고에너지밀도 전고체전지 구현을 위한 계면 저항 억제 기술 동향 및 연구 전망

Abstract

리튬이온전지(Li-ion batteries, LIB)는 소형 휴대용 기기들을 넘어 에너지 저장 시스템(Energy storage systems, ESS)과 전기차(Electric vehicles, EV)에서도 널리 사용되고 있으며, 차세대 에너지 혁명의 핵심 부분인 에너지 저장 시스템으로써 다가올 시대의 중요한 역할을 할 것으로 전망되고 있다.

기존 리튬이온전지(LIB)는 유기계 액체 전해질을 사용하여 활물질에 대해 넓은 비표면적과 높은 이온전도도를 갖는 장점이 있으나, 현재 상용화된 유기계 액체 전해질은 가연성 유기 액체 전해질이 포함되어 있어 열폭주로 인한 화재나 폭발 사고가 주요한 문제점으로 대두되고 있다. 또한, 유기계 액체 전해질은 4V 이상의 고전압에서 전기화학 분해가 일어나 고에너지 밀도의 양극을 적용할 수 없어 높은 에너지밀도의 이차전지를 구현하는데 한계를 가지고 있다.

이에 따라 리튬이온전지는 고에너지밀도, 고용량의 성능을 요구하는 동시에 높은 안전성이 요구되고 있으며, 외부 충격이나 전지 손상으로 인한 사고를 방지하기 위해 안전한 전지를 개발하고자 열 안전성과 충격 안전성이 강화된 고에너지밀도 전고체전지(All-solid-state batteries, ASSB)에 대한 주목이 집중되고 있다.

액체 전해질을 고체 전해질로 대체함으로써 무게가 늘어나는 데에도 고에너지밀도를 나타내는 전고체전지(ASSB)를 개발할 수 있는 이유 중 하나는 가볍고 고용량의 리튬 금속을 음극으로 적용할 수 있기 때문이다.

그러나, 전고체전지는 고체 전해질과 전극이 모두 고체로 두 고체 소재가 닿는 부분에서만 리튬 이온이 이동할 수 있어 고체 전해질이 리튬 금속과 접촉 시 고체 전해질의 화학적 불안정성으로 인한 고체 전해질과 리튬 음극 계면 사이의 저항이 발생하는 문제가 있다. 이러한 전고체전지의 문제점을 개선하기 위해서는 고체 전해질과 전극 사이의 접촉면을 증가시키는 것이 무엇보다 중요하며, 고에너지밀도 전고체전지를 개발하기 위해서는 기존의 고체 전해질 소재 연구와 함께 고체 전해질과 전극 사이의 계면 저항 발생을 억제할 수 있는 연구가 병행되어야 한다.

본 논문에서는 고에너지밀도 전고체전지를 구현하기 위한 주요 기술 동향을 통해, 전고체전지에서 발생하는 고체 전해질과 리튬 음극 계면 사이 문제를 해결하기 위한 주요 기술을 파악하고, 고체 전해질과 리튬 음극 계면 사이의 저항을 억제하는 방안을 도출함으로써 향후 연구 전망을 제시하고자 한다.|Li-ion Batteries(LIB) are widely used in small portable devices, energy storage systems (ESS), and electric vehicles (EV). As an energy storage device that plays a key role in the next-generation energy revolution ‘Smart Grid’, it is expected to play a pivotal role in the upcoming 4th industry. As the scale of energy storage devices increases, the importance of external effects such as electrochemical performance such as high capacity, high output, and long life, safety, durability, and performance reliability of lithium-ion batteries is strengthened and new materials are used to improve performance compared to existing materials. Technology development competition for development and commercialization is accelerating.

Existing Li-ion Batteries(LIB) use an organic liquid electrolyte and have the advantage of having a large specific surface area and high ionic conductivity for the active material. However, currently commercialized organic liquid electrolytes contain flammable organic liquid electrolytes, so there is a major problem with fire or explosion accidents due to thermal runaway. Organic liquid electrolytes undergo electrochemical decomposition at high voltages of 4V or higher. This makes it impossible to apply a high energy density anode. Therefore, there are limitations in implementing secondary batteries with high energy density.

Accordingly, lithium-ion batteries require secondary batteries with high energy density, high capacity, and high output, and at the same time, high safety is being considered. In order to develop safe batteries to prevent accidents due to external shock or battery damage, thermal safety and shock safety are being developed. Attention is focused on these enhanced all-solid-state batteries (ASSB).

In an all-solid-state batteries (ASSB), both the solid electrolyte and the electrode are solid, so lithium ions can only move where the two solid materials come into contact. When the solid electrolyte and lithium metal are in direct contact, the resistance of the solid electrolyte/cathode interface increases due to the chemical/electrochemical instability of the solid electrolyte. In order to improve the performance of these all-solid-state batteries, it is of utmost importance to improve the contact between the solid electrolyte and the electrode. In order to develop the next-generation high-capacity all-solid-state battery, the solid electrolyte/electrode interface issue must be investigated in addition to existing solid electrolyte material research. Research should be carried out in parallel.

In this paper, we aim to identify major technological trends to solve solid electrolyte/electrode interface problems occurring in all-solid-state batteries and describe technologies for controlling solid electrolyte/lithium cathode interface resistance.