차세대 배터리 (전고체, 소재, 분리막, 금속공기, 나트륨)

- 전고체 전지

- 소재개발

- 분리막

- 니켈

- 재활용

- 금속공기전지

- 나트륨 이차전지

 

최대 문제는 안정성 !! 전고체, 금속-공기, 리튬-황

 

전고체 전지

 

전고체 전지: 안정성, 고용량, 디자인 자유도 등 수요 Needs 충족

 

• 리튬이온 전지의 주도권: 중국, 한국
• 일본은 이를 넘어서기 위해 전고체 실험, 특허 다수 진행 (차세대 연구/특허 앞도적으로 많은데..) à 소재 개발로 제품 혁신 보다, 고체전해질 특성을 극대화할 수 있는 제조 공정(양산을 위한 공정혁신)에 초점을 맞춤
• 공정 혁신,, 분말의 압축 성형/롤투롤(Roll-to-Roll) 코팅, 반도체 박막 등의 다양한 제조 공정
• 액체 전해질보다 낮은 이온 전도도가 문제로 전지의 출력이 낮고 기존 전지 대비 수명도 짧다(양극 및 음극과 고체인 전해질이 맞닿은 계면저항이 높아) ~ 산화물, 폴리머, 황화물 등 다양한 고체 전해질 연구 중 (이온 전도도, 온도 안정성, 생산 용이성, 습도 안정성 따져줌)
• 산화물 (강도 우수, 안정성 높아, 이온 전도도 낮아, 고온 열처리 공정이 요구되어서 생산 용이성 떨어져) // 폴리머 (생산 용이, 이온 전도도 낮아 전지 출력 나빠) // 황화물 (습도에 취약, H2S 등 가스 발생, 이온 전도도 및 온도 안정성이 고른 장점 – 가장 우수한 전해질로 평가되)

단가 ** 안정성 ** 용량 ** 전고체 배터리는 안정성과 용량을 잡아

온도에 따라 기화/팽창하여 폭발하는 리튬이온전지 -> 전해질을 액체에서 고체로 -> 안정성을 강화한 전고체 리튬전지 상용화 추진 중: 1회 충전으로 주행거리 2~3배 늘어나는 장점 + 충격 및 열에 비교적 강해 폭발위험성 없다.

 

소재개발

 

• 양극재: 하이니켈/니켈리치 삼원계인 NCM(NiCoMn), NCA(NiCoAl): 양극재 입자 크기 감소 – 비표면적 증가 – 리튬이온 확산거리 축소 - 2차전지 고출력 구현
• 음극재: 실리콘계인 SiOx(0<x<2), Si-alloy: 흑연은 이론적 저장 능력의 한계, 실리콘계는 이의 10배, 고용량화 요구에 맞아
  • 실리콘: 부피팽창으로 인한 수명 특성 열화 해석에 집중 + 전기 용량이 감소하는 문제, 높은 비용, 번거로운 공정(나노 사이즈, 형상, porous구조의 실리콘), 불안정한 SEI -> 실리콘-탄소 복합체 연구(실리콘과 전해질의 직접적인 컨택 막아) ~ 불산 사용 환경문제, 반응 단계와 복잡한 제조 공정
  • 흑연: 가격, 충방전 시 부풀어오르는 문제 및 전지의 수명 단축 문제 발생, 수용력 부족

 

분리막

 

• 기공을 통해 리튬이온이 활발히 이동, 양극과 음극의 물리적 접촉 방지하여 전기적 단락을 방지
• 소재: 부직포 or 미소공성 중합체 필름. 부직포 << 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등으로 만들어진 미소공성 중합체 필름을 주로 사용
• 추출 공정을 기반으로 한 습식법(고분자 소재와 저분자량 왁스를 혼합하여 고온에서 필름으로 압축 – 용매를 사용해 왁스 추출 – 미세다공 구조 형성 ~ IT용 전지)과 연신 공정을 기반으로 한 건식법(전기차용 전지, 안정성 측면에서 우수)
• 폴리올레핀 계열: 고온에서 열수축 심하고 내구성 약해 = 리튬이온 내부 온도 상승 – 분리막 변형 – 폭발로 연결,, 내열성 확보를 위해 고내열성 세라믹 코팅층 도입
• 기기의 소형화로 얇은 분리막 요구 + 열안정성 + 기공(Pore) 구조 유지 가능한 소재
• 공기 투과성(통기도) ~ 두께, 막 구조, 기공도, 기공 크기
• 절연체, 전해액이 함침된 상태에서의 전기 저항이 적은 것 (전기 저항이 높으면 방전 용량 등 전기 특성에 영향을 미침)
• 빠르고 충분한 젖음성이 요구, 용융 온도 이상에서 가능한 장시간 막의 형태를 유지하는 것이 중요

 

니켈

 

니켈이 많이 들어가면 안정성 떨어져. 이를 구조적으로 개선하고자 코팅/층간 구조

 

재활용

 

• 플라스틱 비닐 종이 등의 재활용처럼, 전자제품 란이 하나 더 필요하지 않을까, 앞으로 전자제품의 사용과 폐기/재활용의 빈도가 늘어날 것이고. 배터리 등의 넘치지 않는 자원의 재사용에 관한 관심이 높아지는 듯 보이는데, 그를 위해 배터리/전자제품의 재활용 항목이 추가됨으로써 그런 한정된 소재의 재활용성을 늘려야 하지 않을까 생각된다.
• 모듈/셀 단위로 선별 및 재조립하는 Module Configuration // BMS 및 냉각 시스템 최적화 가능
• 배터리팩 단위 그대로 재사용 Direct Re-use 로 구분.

 

금속공기전지

 

• 음극(리튬, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 철, 칼슘, 나트륨 등의 활성금속 사용)
• 양극(탄소 담체 존재 하에 활물질로 공기 중의 산소를 사용) ~ 친환경적 비표면적 넓어
• 음극: Li -> Li+ e-
• 양극: O + e- -> O2-
• 5~10배의 용량 & 5배의 밀도 than 리튬이온전지

 

나트륨 이차전지

 

• 표준환원전위가 리튬 대비 0.3 V 정도 높아 음극 집전체로 구리 대신 알루미늄을 사용할 수 있어, 2차전지의 무게를 줄이고 제조비용을 절감시킬 수 있다.
• 사이즈가 커서 상대적으로 탈/삽입이 가능한 전극소재의 종류가 제한적, 새로운 양/음극 소재의 설계 및 합성기술 개발이 필수적

 

마치며

 

Ref

렛유인(기업분석 자료, 2차전지 교육)

인터넷 뉴스

도서

차세대 전지 산업의 국내외 시장동향

수소경제 미래 신기술 개발동향과 연료전지