전고체 배터리의 소재 및 공정 확인

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전해액을 쓰는 기존의 배터리는 양극과 음극이 단락(short) 될 경우, 화재가 발생할 위험이 있으나, 전고체 배터리(all solid battery)는 리튬 이온이 이동하는 전해질이 고체로 이루워져 있어서 항시 고정되어 있고구멍이 뚫려도 폭발하지 않고 정상 작동한다.

고체 전해질은 액체 전해질보다 내열성과 내구성이 뛰어나서 폭발이나 화재가 발생할 위험이 낮고 배터리의 크기도 줄일수 있다. 전고체 배터리는 안전성뿐만 아니라 용량과 두께 측면에서 휘는(flexible)배터리 를 구현할수 있는 최적의 조건을 갖춘 것으로 평가 된다.

전해질에 액체가 없어 박막을 만들수 있고, 양극과 음극을 여러 겹 쌓아 고전압,고밀도 배터리 구현이 가능하다.

1. 양극 소재

LCO	리튬 코발트 산화물(Lithium cobalt oxide)
LMO	리튬 망간 산화물(lithium manganese oxide, LiMn2O4 (LMO))
LMO/LNO	니켈산리튬(LiNiO2, 이하 LNO) / 리튬 망간 산화물(lithium manganese oxide, LiMn2O4 (LMO))
NCA	하이니켈 NCA 양극재는 니켈(N)•코발트(C)•알루미늄(A)을 원료로 제조한 양극재
NMC	우리는 니켈·망간·코발트(NMC) 분야가 주력

2.음극소재

리튬금속음극은 현존하는 음극 소재 중 가장 높은 에너지 밀도를 보유하고 있는 것으로 알려져 있다

하지만 리튬덴드라이트에 기인하는 불안정성으로 인해 실용화되지 못하고 있다

리튬메탈 배터리는 음극재로 흑연 대신 리튬메탈을 써 에너지 밀도와 수명을 개선

3.고체전해질 소재

주요전고체저지용 고체전해질 소재 : Sulfide(황화물), Oxide(산화물), Polymer(고분자)

4. 압착공정 원리

전극과 전해질이 모두 고체 상태로 저항이 높아 이온전도도가 떨어지는 것이 한계로 꼽힌다.
이러한 문제를 극복하기 위해서는 계면저항을 줄이고 이온전도도를 향상시키는 초고압 압착공정이 필수다

밀폐된 압력용기 안에 물, 기름을 채워넣고 압력을 가하면 동일한 방향으로 같은 힘이 전달되는 원리를 이용한 장비
이때 작용하는 압력은 마리아나해구의 6배 수준인 600MPa에 이른다.
이 공정을 거치면 배터리 외형 변화없이 전극 입자 사이 공극이 줄어 고밀도 배터리 제조가 가능하다.

5. 고분자 전해질을 이용한 전고체전지 만드는 공정

PEO (Polyethylene Oxide) 기반 전고체 전지의 제작 과정은 아래와 같이 그 주요 단계를 설명합니다.

1) 준비 단계

~~재료 준비~~

PEO 분말: 적합한 분자량의 PEO 선택 (예: Sigma-Aldrich 372781, 분자량 100,000).
리튬염: 이온 전도성을 높이기 위해 사용 (예: LiTFSI).
양극 소재: LiFePO4, LiCoO2 등.
음극 소재: 리튬 금속, 흑연.
용매: 아세토나이트릴(ACN), 에탄올 등.

~~장비 준비~~

글로브 박스 (습기 및 산소 제거)
전기 혼합기 또는 마그네틱 스터러
캐스팅 장비 (테이프 캐스팅 머신)
열 프레스 (Hot Press)
전기화학 분석기 (Electrochemical Analyzer)

2) 고체 전해질 제조

~~PEO/리튬염 용액 준비~~

PEO 분말과 리튬염 (LiTFSI)를 준비합니다.
아세토나이트릴(ACN) 또는 에탄올과 같은 용매에 PEO와 리튬염을 적절한 비율로 혼합하여 용액을 만듭니다 (일반적으로 PEO
= 10:1 몰 비율).
전기 혼합기 또는 마그네틱 스터러를 사용하여 용액이 균일하게 혼합되도록 합니다.

~~용액 캐스팅~~

준비된 PEO/리튬염 용액을 캐스팅 장비를 사용하여 유리판 또는 테프론 시트 위에 얇은 필름으로 캐스팅합니다.
캐스팅된 필름을 용매가 완전히 증발할 때까지 건조합니다 (실온에서 건조 후, 필요 시 저온 오븐에서 추가 건조).

3) 전극 제조

~~양극 슬러리 제조~~

양극 소재 (예: LiFePO4), 도전재 (카본 블랙), 바인더 (PVDF)를 혼합하여 슬러리를 만듭니다.
슬러리를 유리판 또는 금속 호일 위에 균일하게 코팅하여 양극 필름을 제조합니다.
코팅된 필름을 건조하여 양극을 준비합니다.

~~음극 준비~~

음극 소재 (리튬 금속 또는 흑연)를 준비합니다.
리튬 금속의 경우 얇게 롤링하여 사용하고, 흑연의 경우 슬러리 제조 후 코팅하여 사용합니다.

4)전고체 전지 조립

~~글로브 박스 내 작업~~

모든 조립 과정은 글로브 박스 내에서 수행하여 습기와 산소에 민감한 소재들을 보호합니다.

~~전극 및 전해질 적층~~

음극, 고체 전해질 (PEO/리튬염 필름), 양극을 순서대로 적층합니다.
각 층이 밀착되도록 조심스럽게 배치합니다.

~~열 프레스~~

적층된 전지를 열 프레스를 사용하여 고온 (70-100°C) 및 적당한 압력 하에서 열 프레스합니다.
이를 통해 각 층 간의 접촉 저항을 최소화하고, 전해질과 전극 간의 접착력을 향상시킵니다.

5) 성능 테스트

~~전기화학적 특성 평가~~

조립된 전고체 전지를 전기화학 분석기에 연결하여 충방전 테스트, 임피던스 분석 등을 수행합니다.
초기 테스트를 통해 전지의 전기화학적 성능을 평가하고, 필요 시 공정 조건을 최적화합니다.

~~구체적 테스트 항목~~

순환 수명 (Cycle life) 테스트
전기 용량 (Capacity) 및 전압 프로파일
임피던스 스펙트로스코피 (EIS) 분석