(주식) 전고체 배터리 고체전해질 관련 총정리

전고체 배터리 고체 전해질에 대해서 조금 더 알아보겠습니다.

*(필독) 아래 글을 읽기 전에 모든 주식 등의 투자에 대한 판단은 본인의 책임하에 하시기를 권해드립니다. 제가 언급한 기업이나 적은 글은 단순히 재미로 봐주시고 실전 투자에 대한 부분은 저보다 더 뛰어난 전문가와 많은 분들의 조언과 본인의 철저한 판단, 분석하에 해주시고 당연히 본인의 책임하에 모든 투자가 이루어지고 관리되도록 해주셔야 합니다.

 

전고체 배터리 고체 전해질은 무엇인가?

 

전고체 배터리 중에서 가장 현재 많이 기업에서 상용화를 위해서 시도하고 있는 분야가 리튬 - 황 배터리입니다.  이러한 리튬-황 배터리가 전고체 배터리로 사용되기 위해서는 다음과 같은 조건이 요구됩니다.

 

1. 리튬이온의 좋은 이온전도성

2. 리튬 금속과의 반응에 있어서의 화학적인 안정성

3. 전극과 전해질 사이의 높은 접촉 면적

이 세가지 요구조건 중 고체전해질에서의 가장 어려움을 보이고 있는 부분이 낮은 이온 전도도입니다.

 

전고체 전해질의 경우 고체 고분자 전해질(solid polymer eletrolytes)과 고체 무기 화합물 전해질(inorganic solid eletrolytes)로  나눌 수가 있는데, 고체 고분자 전해질의 경우에는 고분자 매트릭스 내부에 리튬 염을 용해시켜 전해질을 형성하는 고체 전해질이며 이때 리튬 이온의 전도는 연속적인 고분자 격자의 운동성에 따라 결정되는 특성을 가지고 있습니다, 일반적으로는 이 경우 상온에서는 이온전도도가 낮은 것으로 보고 되고 있습니다. 무기 화합물 전해질의 경우에는 세라믹기반의 전해질을 일반적으로 이야기하며 상온에서 고체 고분자대비 높은 이온 전도도를 가진 것으로 보고되고 있습니다.

 

고체 무기 화합물 전해질의 경우 ZrO2, LIALO2와 같은 세라믹에 리튬염을 분산시켜 전해질을 사용하여 리튬 -황배터리를 구성한 경우 리튬-황 배터리의 이론용량에 근접하여 높은 효율을 가진 성능과 안정적인 음극과의 반응성을 가진 배터리를 제조할 수 있다고 보고 되고 있다. 이것은 고르게 분사된 세라믹 첨가제로 부터 기인한 것으로 보입니다.  작동온도는 90도로 다소 높아 단점으로 지적되고 있습니다. (H. Hassoun, B Scosati, Adv Mater, 22. 2020, 5198-5201)

 

전고체 배터리 고체 전해질의 종류 및 특성은?

 

전고체 배터리는 액체 전해질에 비해서 리튬이온의 이동속도가 낮아 전지의 출력이 낮으며(이온전도도가 낮음), 전해질과 양극-음극이 맞닿는 계면저항이 높아 기존의 배터리에 비해서 열위인 특성이 있습니다.  결국, 낮은 이온전도도(이온이 전해질내에서 잘흐르는 정도를 나타냄)와 양극-음극과 고체 전해질 사이의 계면저항(경계면사이에서 물질의 이동성이 저하되는 현상)을 개선하기 위해서 황화물, 산화물, 폴리머계 등 다양한 고체전해질에 대한 연구가 진행중에 있으나, 아직까지는 액체 전해질의 성능과는 차이가 존재하고 있습니다.

3가지 타입의 특성을 살펴보면, 황화물계는 H2S 등 가스를 발생시키나 이온 전도도, 온도안정성 등 고른 장점이 있어서 고체전해질 중에서 가장 많은 기업에서 개발 중에 있으며(이수화확, 한농화성 등), 산화물계는 강도가 우수하여 안정성은 높으나, 이온전도도가 낮으며 고온 열처리 공정이 요구되어 생산 용이성이 열위에 있습니다.(미코 등) 폴리머계는 생산이 용이하지만 (Roll to Roll 방식으로 대량 생산이 가능한 장점) 이온전도도가 황화물계에 상대적으로 낮아 전치 출력이 열위인 문제점을 극복해야 하는 어려움이 있습니다.

 

전고체 배터리의  극복해야 할 기술적 난제는 무엇일까요?

 

전고체 배터리는 충방전시에 리튬금속 표면에 덴트라이트가 생성되는 문제가 있습니다.  차세대 리튬이온전지는 에너지 밀도 향상을 위해 기존의 흑연 음극재 대신에 리튬금속 음극재를 사용하는데 덴트라이트는 리튬 금속 표면에 나뭇가지 모양으로 쌓이는 결정체로 리튬이온의 이동을 방해하여 충방전시의 효율 저하와 수명을 단축시킵니다.  이러한 덴트라이트 현상을 극복하기 위한 많은 연구가 필요하고, 많은 기업들이 이 문제에 대하여 극복하기 위한 연구로 코팅, 혹은 소재의 첨가 등을 통한 개선을 진행 중에 있습니다.

 

결론, 소결

 

2차 전지에 대한 주식시장의 뜨거움이 양극제 및 소재 관련 기업에 대한 관심으로 이어져 2023년도에 가장 핫한 이슈가 되고 있습니다. 이러한 리튬이온 배터리가 가진 가장 큰 애로사항 중에 하나인 화재 등으로부터의 안정성 문제가 있는데 이것을 해결할 대안으로 액체 전해질이 아닌 고체전해질을 사용하는 전고체배터리에 대한 관심으로 시장의 쏠림이 이어지고 있습니다. 전고체 배터리의 고체전해액은 전고체배터리의 핵심기술이며, 개발한 회사의 배터리 성능과 직결되는 부분이기도 하고 생산 시에 많은 양의 소재가 사용된다는 측면에서 개발한 기업의 매출과 직결되기도 할 것으로 예상됩니다. 현재는 LG와 삼성, SK로 대변되는 우리나라 굴지의 대기업과 협력사를 중심으로 황화물계, 산화물계 등으로 나누어서 상용화를 하겠다고 하고 있고, 각사의 공급망과 투자계획의 틀이 어느 정도 형성되고 있습니다. 현재의 기술로 보면 앞에서 간단히 언급했지만, 황화물계는 전기차량용과 같이 큰 사이즈에 대해서 상용화가 예상되고, 산화물계는 작은 사이즈의 대상에 적용하기 위한 것으로 개발될 가능성이 높습니다. 건식 황화물계가 제조공정상에 유독성 물질이 발생하여  대규모의 제조설비투자가 이루어지는 점을 고려해야 하고, 산화물계의 유연성 부족으로 인한 대면적 전지에 대한 개발이 쉽지 않다는 점 등을 고려했을 때의 예상입니다. 오늘도 즐거운 하루 되십시요~

 

 

* 이 글을 읽는 여러분은 돈 한 푼 안 들이고 18년간의 주식시장에서 제가 쌓은 노하우를 제공받게 될 것입니다. 저의 목표는 전자책이나 유료강의를 통하는 것보다 더 나은 내용을 무료로 제공하는 것입니다. 그리고, 저의 글은 저작권으로 보호되고 있습니다. 다른 곳으로 퍼 나르는 것은 허용됩니다만, 꼭 이곳의 출처를 밝혀주시기 바랍니다. 제 포스트가 맘에 드셨다면, 공감(♥)과 구독, 답글로 응원을 부탁드립니다~~~

 

끝.