Mizzou의 4D STEM 돌파구: 고체 전지 효율성 향상

고체 전지는 요즘 주목받고 있습니다. 소비자 전자제품과 전기차에서 꾸준히 주목받으며 2022년 전 세계 고체 전지 시장에서 가장 큰 비중을 차지했습니다.

연구자들은 전기차 분야에서 고체 전지 적용이 다음 10년 동안 기하급수적으로 성장하여 2032년까지 시장 규모가 US$4.3 billion by 2032에 이를 것으로 추정합니다. 고체 전지가 기하급수적 성장을 앞두고 있는 이유가 있습니다. 본질적으로 고체 전지는 리튬 이온 기술에서 사용되는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술을 의미합니다. 

고체 전지는 양극, 분리막, 음극으로 구성됩니다. 양극은 리튬 이온 배터지와 동일한 화합물로 만들 수 있습니다. 반면 분리막은 일반적으로 세라믹 또는 고체 폴리머로 만들어지며 전해질 역할도 합니다. 음극은 리튬 금속으로 만들어집니다. 

충전 시, 배터리 내부의 리튬 입자는 양극에서 분리막의 원자 구조를 거쳐 음극의 전기 접점으로 이동하여 순수 리튬의 고체 층을 형성합니다. 이 과정은 음극이 순수 리튬 입자로만 구성되도록 하며, 흑연 구조를 가진 리튬 이온 기술의 음극보다 부피가 작습니다. 

이 배터리들은 아직 개발 단계에 있지만, 현재 배터리보다 에너지 밀도 증가, 수명 연장, 안전성 향상, 크기 감소 등 여러 개선을 약속합니다. 고체 전지가 제공하는 유망한 전망은 과학자들이 더 깊이 탐구하고 이를 통해 무엇을 할 수 있을지 살펴보는 매력적인 분야가 되었습니다.

최근 미네소타 대학 연구에 대한 보도자료는 연구진이 “고체 전지의 비밀을 풀고 있다”고 주장합니다. 앞으로의 섹션에서는 이 대담한 주장을 이끄는 이유를 살펴보겠습니다. 

미네소타 대학 연구진이 달성한 성과

‘Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹이라는 제목의 연구는 SS-LIB 조립이 필요 없는 4D 스캔 전송 전자 현미경(4D-STEM)을 이용해 양극‑전해질 계면(CEI) 형성을 연구하는 간단한 워크플로우를 보여줍니다.

고체 리튬 이온 배터리에서 고체 전해질과 양극 활성 물질이 접촉하는 지점에 계면 층이 형성되어 셀 임피던스가 증가합니다. 연구진은 SS-LIB 조립의 필요성을 없애고 MoCl5:EtOH를 화학적 탈리튬제제로 사용하는 장점을 보여주며, 화학적으로 탈리튬된 양극 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NMC) 분말을 Li10GeP2S12(LGPS) 전해질 분말과 접촉시켜 SS-LIB CEI 대체물로 사용했습니다.

연구진은 4D-STEM, 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS), 전자 쌍 분포 함수 분석(ePDF)을 사용해 CEI 층의 구성과 구조를 매핑했습니다. 그들의 결과는 음이온 이동을 차단하면서 리튬 이온과 전자 이동은 허용하는 코팅이 계면 형성을 방지하고 SS-LIB의 임피던스를 감소시킬 수 있음을 시사합니다. 

코팅의 특성을 설명하면서 Young은 다음과 같이 말했습니다:

“코팅은 반응을 방지할 만큼 얇아야 하지만 리튬 이온 흐름을 차단할 정도로 두꺼워서는 안 됩니다. 우리는 고체 전해질과 양극 재료의 고성능 특성을 유지하고자 합니다. 우리의 목표는 호환성을 위해 성능을 희생하지 않고 이 재료들을 함께 사용하는 것입니다.”

이 모든 내용은 너무 기술적으로 들릴 수 있지만, 연구 성과를 이해하기 위한 더 쉬운 관점이 있습니다.

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액체 전해질 문제 해결

리튬 이온 배터리는 손상되거나 과열될 경우 화재가 발생할 수 있는 액체 전해질에 의존합니다. 미주리 대학 연구진은 액체 또는 겔 전해질을 고체 전해질로 대체하는 효율적인 기술을 개발하여 이 문제를 해결했습니다.

그들의 솔루션 작동 방식을 설명하면서, Mizzou 공대와 인문과학대학에 겸임하고 있는 Matthias Young 조교수는 다음과 같이 말했습니다:

“고체 전해질이 양극에 닿으면 반응하여 약 100나노미터 두께의 계면 층을 형성합니다—이는 인간 머리카락 한 가닥 폭의 1,000배에 해당합니다. 이 층은 리튬 이온과 전자의 이동을 차단하여 저항을 증가시키고 배터리 성능을 저하시킵니다.”

가장 중요한 돌파구

하지만 연구팀의 가장 중요한 성과는 4차원 스캔 전송 전자 현미경(4D STEM)을 사용한 것이었습니다. 이 혁신적인 방법은 배터리를 분해하지 않고도 원자 구조를 관찰할 수 있게 하여 내부 화학 반응에 대한 근본적인 이해를 얻고 계면 층이 초래한 손상의 정도를 파악할 수 있게 했습니다.

이 배터리의 잠재적 사용자 관점에서 볼 때, 이 연구와 그 함의는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 

예상되는 실제 혜택

전 세계 자동차 제조업체들은 고체 전지가 더 높은 안전성 및 열 안정성을 제공할 것이라 기대하며 흥분하고 있습니다. 방금 논의한 연구는 그 방향으로의 돌파구이며, 매우 의미 있는 진전입니다. 또한 이 연구는 배터리의 안전성, 성능, 수명, 비용 및 환경 영향을 개선할 수 있습니다. 

전 세계 배터리 과학자들은 이러한 연구를 통해 등장할 새로운 세대의 고체 전지가 기존 리튬 이온 배터리의 두 가지 주요 단점을 결국 극복할 것이라고 낙관하고 있습니다. 니켈 함량이 높은 양극은 배터리 산업이 양극에서 코발트를 적게 사용할 수 있게 해줄 것이며, 두 번째로 고체 전지 화학은 배터리 제조업체가 음극에 리튬 금속을 사용할 수 있게 할 것입니다.

첫 번째 요인은 코발트가 희소하고 비싸며 채굴이 어려워 이 분야 성장에 결정적입니다. 코발트는 채굴 규제가 약한 국가에서 나오기 때문입니다. 연구자들은 음극에 리튬을 사용하는 범위가 에너지 밀도를 높이고 안전성을 향상시키기 때문에 중요하다고 믿고 있습니다.

리튬 금속 사용에 대해 포르투갈 포르투 대학교의 공학 물리학 부교수이자, 10년 전 고체 전지 연구에 참여한 노벨 화학상 수상자 John Goodenough와 함께 일한 유명 연구자 Helena Braga는 다음과 같이 말했습니다:

“이것이 우리가 처음에 (고체 전지) 여정을 시작한 이유입니다—리튬 금속을 사용할 수 있게 하기 위해서죠.”

전체적으로 이 기술과 연구 기반 기법은 성능과 안전성이 향상된 배터리 설계로 이어질 수 있으며, 3~7년 내에 소비자 전자제품 및 전기차에 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

하지만 이러한 연구의 실제 가치는 고체 전지를 제조하는 기업과 사업체가 이를 얼마나 성공적으로 채택하고 규모화하느냐에 달려 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업 중 하나인 Solid Power, Inc. (SLDP )를 살펴보겠습니다. 이 회사는 전고체 배터리 기술을 전문으로 하며, 보다 안전하고 효율적인 에너지 저장 솔루션에 초점을 맞추고 있습니다.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power는 전고체 배터리 셀 기술을 제공하는 기업으로, 오늘날의 기존 액체 기반 리튬 이온 기술 및 차세대 하이브리드 셀에 비해 높은 에너지, 향상된 안전성, 긴 수명 및 비용 절감 등 주요 개선점을 제공합니다. 

Solid Power의 배터리는 고함량 실리콘 및 리튬 금속과 같은 고용량 전극을 사용하여 고에너지 성능을 달성할 수 있게 합니다. 반응성 및 휘발성 액체와 겔 성분이 필요 없게 되어 더 안전해집니다. 결과적으로 극한 고온에서도 견디고 작동할 수 있습니다. 회사는 자사의 배터리가 팩 수준에서 기존 리튬 이온 대비 15-35% 비용 우위를 제공할 수 있다고 믿고 있습니다. 

다음 섹션에서는 Solid Power의 전고체 배터리 세 가지 종류에 대해 논의합니다. 

실리콘 EV 셀 

이 셀은 고함량 실리콘 음극을 사용하여 높은 충전 속도와 낮은 온도에서도 작동합니다. 이 배터리는 회사 고유의 황화물 기반 고체 전해질로 구동됩니다. 마지막으로 NMC 양극은 업계 표준이며 상업적으로 성숙한 제품입니다. 

리튬 금속

Solid Power 리튬 금속 배터리는 리튬 금속 및 고에너지 음극을 갖추고 있습니다. 이 배터리 종류는 또한 Solid Power의 고유한 황화물 기반 고체 전해질과 업계 표준 및 상업적으로 성숙한 NMC 양극으로 구동됩니다. 

전환 반응 셀 

마지막으로 전환 반응 셀 범주의 배터리를 살펴보겠습니다. 이 배터리는 리튬 금속, 고에너지 음극, 초저비용 황화물 기반 고체 전해질 및 높은 비특정 에너지 전환형 양극을 갖추고 있습니다. 

Solid Power의 배터리 기술은 황화물 기반 고체 전해질을 가장 강력한 기반 중 하나로 가지고 있습니다. 이 기술은 기존 리튬 이온 배터리에서 인화성 액체 전해질 및 폴리머 분리막 층을 완전히 제거하고, 얇지만 배터리 단락을 방지하기 위해 음극과 양극이 서로 접촉하지 않도록 하는 장벽 역할을 하는 고체 층으로 대체합니다. 또한 전도성 전해질 역할을 합니다. Solid Power의 황화물 기반 고체 전해질은 전도성, 제조 용이성 및 셀 수준 성능의 최적 조합을 제공합니다. 

Solid Power의 핵심 황화물 기반 고체 전해질 기술은 지구에 풍부한 소재를 사용합니다. 회사는 2028년까지 연간 80만 대의 전동화 차량에 전고체 배터리 셀을 공급할 수 있도록 전해질 생산을 확대할 계획입니다.

SLDP: 최신 업데이트

2024년 12월, Solid Power는 Ford와의 파트너십을 2025년까지 연장한다는 발표를 했습니다. 공동 개발 계약의 세 번째 수정안은 Solid Power와 Ford 간의 지속적인 약속을 반영하여 전기차 배터리 성능의 한계를 앞당기고자 합니다. 

보도에 따르면 이번 파트너십 연장은 Solid Power가 전고체 배터리 기술을 상용화하려는 작업에 있어 중요한 단계로 평가되었습니다. 세계적인 자동차 제조업체인 Ford와의 확대된 파트너십은 Solid Power 기술이 자동차 산업에 미칠 잠재적 영향을 강조했습니다.

2025년 1월, 회사는 미국 에너지부와 중대한 재정 계약을 체결했습니다. 회사는 차세대 배터리에 필수적인 황화물 기반 고체 전해질 소재 생산 능력을 강화하기 위해 최대 5천만 달러의 자금을 확보했다고 발표했습니다.

이 자금은 2025년 1월 1일 발효되는 지원 계약의 일환으로 제공되었으며, Solid Power가 비용 분담의 일환으로 6천만 달러를 자체 자금으로 투입하도록 규정했습니다. 이 투자는 지속적인 생산에 필요한 장비 설치를 지원하기 위한 것으로, 회사의 제조 규모를 강화할 것으로 예상됩니다.

계약의 일환으로 Solid Power는 특정 보고 요구사항 및 준수 의무를 준수해야 했습니다. DOE의 지원은 에너지 저장 및 전기차 분야에서 배터리 기술을 발전시키는 것이 저탄소 경제 전환에 핵심적임을 강조했습니다.

회사와 DOE 간의 파트너십은 전고체 배터리의 상용화를 가속화하는 전략적 단계였으며, 이는 기존 리튬 이온 배터리 대비 높은 에너지 밀도, 향상된 안전성 및 긴 수명을 약속합니다.

재무 측면에서, Solid Power는 2024년 매출 2,010만 달러를 기록했으며, 이는 2023년 대비 270만 달러 증가한 수치입니다. 영업비용은 2024년 1억 2,550만 달러로, 2023년 1억 800만 달러에서 증가했으며, 이는 전해질 및 셀 설계 성능 개선, 전해질 생산, SK On 계약을 지원하는 장비 구매, 한국 사업부 설립 등 연구개발 비용 증가에 기인합니다. 2024년 영업 손실은 1억 53만 달러, 순손실은 9,650만 달러이며, 주당 0.54달러의 손실을 기록했습니다.

“2025년에도 Solid Power는 셀 개발팀의 피드백을 통해 전해질 성능을 개선하고, 파트너 요구사항 및 고객 요청을 실행하며, 전해질 및 셀 기술 모두에서 지속적인 혁신을 이어가고, 재무 규율을 유지하면서 전략적으로 개발 및 역량에 투자함으로써 ASSB 기술 개발을 지속적으로 추진할 것입니다.”

– John Van Scoter, Solid Power 사장 겸 최고경영자

전고체 배터리: 미래 전망

전고체 배터리의 미래는 혁신 가능성으로 가득 차 있어 흥미롭습니다. 예를 들어 2024년, 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용 과학 대학(SEAS) 연구진은 새로운 리튬 금속 배터리를 개발했으며, 이는 최소 6,000회 충·방전이 가능하고, 몇 분 안에 재충전될 수 있습니다.

SEAS 재료과학 부교수이자 해당 연구 논문의 주요 저자인 Xin Li에 따르면,

“리튬 금속 음극 배터리는 상용 흑연 음극 대비 10배의 용량을 가지고 있어 전기차 주행 거리를 크게 늘릴 수 있기 때문에 배터리의 성배로 여겨집니다.”

그들의 연구에서 Li와 팀은 음극에 미크론 크기의 실리콘 입자를 사용해 리튬화 반응을 제한하고 두꺼운 리튬 금속 층의 균일한 플래팅을 촉진함으로써 수지상 결정을 방지했습니다. 충전 중 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동할 때, 리튬화 반응은 얕은 표면에서 제한되었으며, 이온은 실리콘 입자 표면에 부착되어 더 깊이 침투하지 않았습니다. 

“우리 설계에서는 리튬 금속이 실리콘 입자를 감싸며, 초콜릿 트러플의 헤이즐넛 코어를 둘러싼 단단한 초콜릿 껍질과 같습니다.”

– Li

코팅된 입자는 균일한 표면을 형성하여 전류 밀도의 고른 분포를 보장하고 수지상 성장을 방지했습니다. 또한 균일한 표면에서 플래팅과 스트리핑이 빠르게 이루어져 배터리는 약 10분 만에 재충전될 수 있었습니다.

연구진은 우표 크기의 파우치 셀 버전을 개발했으며, 이는 대부분 대학 실험실에서 제작되는 코인 셀보다 10~20배 크게 만들었습니다. 이 배터리는 6,000 사이클 후에도 용량의 80%를 유지하며, 동일 등급의 다른 파우치 셀 배터리보다 뛰어난 성능을 보였습니다. 연구 과정에서 연구진은 유사한 성능을 낼 수 있는 수십 가지 다른 소재를 밝혀냈으며, Li에 따르면:

“이전 연구에서는 은을 포함한 다른 소재들이 전고체 배터리 음극에 좋은 재료가 될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.”

프로세스를 보편화하기 위해 연구팀은 전고체 배터리 셀 성능 재현성 벤치마킹²에 관한 논문을 발표했습니다. 연구자들은 전고체 배터리 셀 사이클링 성능의 실험실 간 비교 가능성과 재현성이 표준화된 설정 및 조립 파라미터 부족으로 인해 충분히 이해되지 않았다고 관찰했습니다.

연구진은 전고체 배터리 사이클링 결과를 보고할 때 일련의 파라미터를 제시하고 데이터를 삼중으로 보고할 것을 권장했습니다. 예를 들어, 초기 개방 회로 전압이 2.5~2.7 V(Li+/Li 대비)인 경우 해당 전기활성 물질을 사용하는 셀의 성공적인 사이클링을 예측하는 좋은 지표가 됩니다.

전고체 배터리 제조의 표준화는 그 활용도가 다양하기 때문에 중요합니다. 전기차 제조업체가 효율적인 전고체 배터리 개발에 가장 관심이 많지만, NASA 연구원들도 차량 및 대형 전자기기에 일반적으로 사용되는 배터리보다 가볍고, 안전하며, 성능이 뛰어난 혁신적인 배터리 팩 개발에 진전을 보였다고 보고했습니다.

NASA 연구원들은 아직 배터리에서 사용되지 않은 혁신적인 신소재들을 실험했습니다. 팀은 전고체 구조가 배터리 설계와 포장을 변경하여 무게를 줄이면서 에너지 저장 용량을 늘릴 수 있음을 일찍이 깨달았습니다. 그들은 전고체 배터리가 킬로그램당 500와트시라는 거대한 용량으로 물체에 전력을 공급할 수 있음을 입증했으며, 이는 전기차의 두 배에 해당합니다.

“이 설계는 배터리 무게를 30~40% 줄일 뿐만 아니라 저장 가능한 에너지를 두 배, 심지어 세 배까지 늘릴 수 있어, 최첨단으로 여겨지는 리튬 이온 배터리의 능력을 훨씬 초과합니다.”

– Rocco Viggiano, SABERS 주요 연구원

SABERS는 NASA가 지정한 활동인 ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety’의 약어입니다.

이름이 시사하듯, 전고체 배터리의 미래는 빠른 재충전성과 안전성이라는 측면에서 번성할 것입니다. 제조업체들은 안전성을 해치지 않으면서 더 빠르게 재충전되는 배터리 개발에 점점 더 집중할 것입니다.

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