연구자들이 핵심에 집중하면서 고체 전지 연구가 계속됩니다

고체 전지는사용되는 스마트폰, 전동 공구 및 전기차에 사용되며, 전해질 사용 방식에서 리튬 이온 배터리와 다릅니다. 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하지만, 고체 전지는 고체 전해질을 사용합니다. 

리튬 이온 배터리의 경우, 양극과 음극을 분리하기 위해 분리막이 존재합니다. 고체 전지에서는 고체 전해질이 분리막의 역할도 수행합니다. 

이러한 차이점은 단순한 구분 요소에 불과하지만, 과학 및 기술 커뮤니티는 고체 구조와 향상된 안전성으로 안정성이 개선된 고체 전지를 개발했습니다. 전해질이 손상되어도 배터리 형태를 유지하기 때문에 연구를 지속하고 있습니다.

고체 전지는 높은 에너지 밀도를 제공하며 폭발이나 화재 위험이 거의 없습니다. 안전 부품이 필요하지 않기 때문에 활성 물질을 삽입할 공간이 더 확보되어 배터리 용량이 증가합니다. 향상된 에너지 밀도는 배터리 요구량을 낮게 유지하게 하여 모듈 및 팩에 최적의 전기차 배터리 시스템을 구현합니다. 

이러한 이점 때문에, 시장 전문가들은 고체 전지가 전기차가 내연기관 차량과 경쟁하고 궁극적으로 레이스에서 앞서 나가는 데 있어 게임 체인저가 될 것이라고 믿고 있습니다. 그러나 이는 연구자들이 고체 전지를 어떻게 하면 더 유용하게 만들 수 있을지 탐구하는 것을 막지는 못합니다. 그러한 연구 중 하나에서 과학자들은 Li2CO3에 강한 가넷형 고체 전해질을 이용한 고에너지 밀도 초박형 리튬 금속 고체 전지 사례를 제시했습니다. 

이 모든 내용이 너무 기술적으로 들릴 수 있지만, 다음 섹션에서는 연구가 달성하고자 하는 목표를 더 깊이 파헤쳐 보겠습니다!

고안정성과 고에너지 밀도를 갖춘 초박형 리튬 금속 고체 전지 플랫폼 구현

POSTECH 재료공학과의 강병우 교수와 김아빈 박사는고체 전해질을 개발했습니다고안정성과 고에너지 밀도를 갖춘 초박형 리튬 금속 고체 전지 플랫폼을 가능하게 합니다.

이번 돌파구는 고체 전지가 직면한 가장 흔한 문제 중 하나를 해결함으로써 얻어졌습니다. 그 문제는 무엇이며, 어떻게 해결될 수 있었을까요? 아래에서 자세히 살펴보겠습니다!

LLZO 문제

고체 전지에 사용되는 고체 전지, 즉 Li7La3Zr2O12 또는 LLZO로도 알려진 가넷형 고체 전해질은 높은 이온 전도성을 가지고 있습니다. 동시에 매우 반응성이 높아 공기와 접촉하면 표면에 오염층(Li2CO3)이 형성됩니다. 이 층은 셀 구성에서 저항성 장벽 형성, 전해질 및 반응물의 접촉 및 계면 특성 감소 등 여러 단점이나 장애물을 초래합니다. 

이 혁신은 외부적인 해결책을 찾기보다 본질적인 요소에 집중함으로써 이 장애물을 극복했습니다. 연구진은 공기 취급이 가능한 LLZO(AH-LLZO) 기술을 개발했으며, 이는 LLZO의 표면 및 내부 특성을 동시에 향상시키고 오염층 형성을 방지할 수 있습니다.

그들은 재료의 표면과 내부 모두에 새로운 소수성 화합물(Li-Al-O)을 개발함으로써 목표를 달성했습니다. 이 화합물은 층이 공기 습기와만 반응하도록 만들어 오염이 내부로 퍼지는 것을 방지합니다. 

접촉 및 습윤 특성이 향상된 이 층은 인간 머리카락 두께의 약 1/10에 해당하는 초박형 리튬 고체 전지 개발로 이어졌습니다.

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왜 이 연구가 돌파구로 평가되는가?

이 결과는 초박형 리튬 금속 층을 제조할 수 있는 상황을 만들었으며, 고체 전지에서 양극 대비 음극 용량 비율이 약 0.176으로 매우 낮아졌습니다.

이 실험은 사용되는 리튬 금속 양을 크게 줄여 전체 배터리 무게와 부피를 감소시키고 에너지 밀도를 크게 향상시킵니다. 

이 연구와 그 결과가 적용된다면, 특수한 취급이나 시설 없이도 공기 중에서 보관이 가능해집니다. 전체 과정을 단순화하는 것 외에도, 이 혁신은 보다 실용적인 활용성을 갖춘 가넷형 고체 전해질 생산으로 이어집니다. 

미래에 대해 이야기하면서, 강병우 교수는 다음과 같이 언급했습니다:

“우리는 높은 안전성과 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 초박형 리튬 금속 고체 전지 연구를 지속할 것입니다.”

이 연구는 핵심에 집중함으로써 제품의 단점을 강점으로 전환할 수 있음을 보여줍니다. 기업과 상업 기관들은 미래 자동차에 보다 적합하고 유익한 고체 전지를 만들기 위해 연구와 자원을 투자하고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업들과 그들의 혁신을 살펴보겠습니다. 

#1. Solid Power

이 분야에서 뛰어난 작업을 수행하고 있는 기업 중 하나가 Solid Power입니다. 그들의 전고체 배터리는 높은 에너지, 향상된 안전성, 긴 수명 및 상당한 비용 절감 효과를 제공합니다. 

고함량 실리콘 및 리튬 금속과 같은 고용량 전극을 사용할 수 있게 하며, 반응성 및 휘발성 액체·젤 성분을 제거함으로써 안전 기준을 향상시킵니다. 

그 결과, 극한 고온에서도 견디며 효율적으로 작동하는 배터리가 나타났습니다. 회사는 자사 제품이 리튬 이온 팩에 비해 15-35% 비용 우위를 가지고 있다고 주장합니다. 

Solid Power의 전고체 배터리 포트폴리오에는 세 가지 주요 제품이 포함됩니다: 실리콘 EV 셀, 리튬 금속 셀, 그리고 전환 반응 셀. 

실리콘 EV 셀

고함량 실리콘 음극을 가지고 있어 높은 충전 속도와 낮은 온도에서도 작동합니다. Solid Power의 독점적인 황화물 기반 고체 전해질이 이를 구동합니다. 또한 산업 표준의 상업적으로 성숙한 NMC 양극을 사용합니다. 

리튬 금속

이 제품은 고에너지 리튬 금속 음극에서 이름이 유래되었습니다. 실리콘 EV 셀의 사양이 390 Wh/kg인 반면, 리튬 금속 셀은 440 Wh/kg로 용량이 약간 더 높습니다. 

전환 반응 셀

Solid Power (SLDP ) 포트폴리오 전체 중에서 가장 높은 성능 용량인 560 Wh/kg를 가지고 있습니다. 이 제품의 독특함은 초저비용 및 고특정 에너지 전환형 양극에 있습니다. 

미국 콜로라도에 기반을 둔 Solid Power는 자사 배터리의 변혁적 역량을 강하게 믿고 있습니다. 전고체 배터리 셀이 OEM의 생산량 및 비용 요구를 충족할 것이라고 믿습니다.

최신 투자 자료에서, 회사(Nasdaq: SLDP)는 현재까지 7억 달러를 조달한 유일한 상장 순수 고체 전지 개발업체라고 주장합니다. 이 회사는 10년 이상 지속된 연구개발 투자 역사를 바탕으로 전 세계 약 50개의 특허군과 세 개의 업계 선도 개발 파트너(BMW, Ford, SK On)를 확보하고 있습니다.

#2. QuantumScape

이 분야의 또 다른 주요 기업인 QuantumScape는 ‘고체 리튬 금속 배터리 기술로 에너지 저장을 혁신한다’는 사명을 선언했습니다. 또한가능하게‘더 높은 에너지 밀도, 더 빠른 충전, 향상된 안전성’을 제공한다는 세 가지 필수 기본 품질에 POSTECH 연구도 집중하고 있습니다. 

다음 중 하나는 QuantumScape의 가장 눈에 띄는 특징은 업계 최초의 무음극 셀 설계를 개발했으며, 이로 인해 재료 비용이 낮아지고 제조가 간소화된 고에너지 밀도를 달성했습니다.

QuantumScape (QS ) 기술 플랫폼은 다양한 양극 화학을 활용하여 현재의 니켈 망간 코발트(NMC) 및 리튬 인산철(LFP) 기반 배터리 셀의 에너지 밀도를 크게 향상시킵니다. 이들의 노력은 다양한 에너지 저장 응용 분야에 최적화를 보장하고, 향후 양극 화학 발전을 활용할 준비를 갖추게 합니다. 

회사의 또 다른 차별점은 분리막 재료이며, 세라믹으로 만들어져 높은 전도성, 리튬 금속에 대한 안정성, 수지상 성장 억제, 낮은 계면 임피던스를 제공합니다. 세라믹을 사용함으로써 비가연성으로 기존의 탄화수소를 포함하고 연소 위험이 높은 폴리머 분리막보다 안전성이 향상됩니다. 

QuantumScape는 전고체 리튬 금속 셀로 800–1,000 Wh/L를 목표로 하고 있습니다.

재정적으로, QuantumScape (NYSE: QS) 는 20억 달러 이상의 자본 투자 지원을 받고 있습니다. 이 회사는 300개 이상의 특허와 특허 출원을 보유하고 있습니다.

고체 전지의 미래

고체 전지는 더 이상 미래 기술이 아닙니다 왜냐하면 미래가 이미 도래했기 때문입니다. 많은 최첨단 일류 연구기관들의 연구가 매일 그 목적을 진전시키고 있습니다.

예를 들어 2024년 1월, 하버드 공학 및 응용과학 대학(SEAS)의 연구원들은 리튬 금속을 사용한 고체 전지를 발표했으며, 이는 6,000 회 충·방전 사이클을 제공할 수 있는—시중의 다른 모든 파우치 배터리 셀보다 크게 뛰어납니다.

이 연구는 기사 서두에서 언급한 연구와 유사합니다. 하버드 연구진도 양극 표면에 수지상 성장(덴드라이트)이 형성되는 흔한 문제를 다루었습니다. 

Solid Power와 QuantumScape를 포함한 특화된 기업들 외에도, 이 분야에 큰 기업들이 참여하고 있습니다. 예를 들어 2023년 10월, 토요타와 이데미쓰 코산은 전기차용 고체 전지 개발을 발표했습니다.

이 협업을 이끈 비전은 적어도 야심찼다고 할 수 있습니다. 보도 자료에서 다음과 같이 밝혔습니다:

“이 협업을 통해, 전고체 배터리와 관련된 소재 개발을 포함한 분야에서 세계를 선도하는 두 회사는 2027-28년에 전고체 배터리의 성공적인 상용화를 보장하고자 합니다—2023년 6월 Toyota 기술 워크숍에서 발표된 바와 같이—그 뒤에 전면적인 대량 생산이 이어질 것입니다.”

이 분야에서 큰 도약을 시도한 또 다른 기업은 혼다였습니다. 이 회사는 오랫동안 이 분야에 활발히 참여해 왔습니다. 2024년 1월, 혼다 관계자는 무게를 50% 감소시키는 것을 목표로—다시 말해, 무게당 에너지 밀도를 50% 높이는 것입니다. 

혼다 CEO 토시히로 미베는 혼다가 $30,000짜리 차를 만들고 싶다면 배터리 비용이 낮아지고 주행 거리가 늘어나며 냉각 시스템을 단순화할 수 있다고 설명했습니다.

하지만 고체 전지를 더욱 견고하고 안전하게 만들기 위한 전 세계적인 노력은 여전히 몇 가지 과제에 직면해 있습니다. 목표는 안전성, 안정성, 에너지 성능 및 전기화학 저장 효율 등 기본 특성을 최적화하는 것입니다. 반면에 장애물로는 장기 성능 지속성, 경제성, 특정 전력 기준의 정확한 제공 등이 있습니다. 

깊이 파고들면, 현재 고체 전지(SSB)의 사이클 성능이 부족한 이유는 양극, 음극 및 전해질의 재료 열화 때문이라는 것을 알 수 있습니다. 미국 자동차 연구 협의회는 80% 방전 깊이에서 1000 사이클, 10년 수명을 목표로 설정했습니다. 

고체 전지가 이 목표를 자주 달성하지 못하는 이유는 공간 전하 층이 형성되어 계면 반응 속도가 느려지고 임피던스가 높아지며, 수지상 성장(덴드라이트)이 발생해 단락 및 안전 위험을 초래하기 때문입니다. 

하지만 이러한 과제에 대한 해결책이 있습니다. 제조업체는 고에너지 밀도 고체 전지와 그 향상에 집중해야 합니다. 결국 이 제품들은 높은 열 안정성을 가지고 있어 200 °C를 초과하는 온도에서도 안전 문제가 없으며, 반면 액체 전해질은 70 °C를 약간 넘는 수준에서도 위험을 초래할 수 있습니다. 고체 전해질은 누수 없는 작동을 제공하고 액체 전해질보다 더 큰 전기화학적 안정성을 부여합니다. 

고체 전해질은 용량 감소와 내부 단락을 줄일 수 있어 더욱 바람직합니다. 높은 이온 전도도와 낮은 전자 전도도는 차량 충전 속도를 빠르게 합니다.

에 따르면 QuantumScape의 추정에 따르면, 현재 주요 전통 리튬 이온 셀(~700 Wh/L)의 에너지 밀도로 한 번 충전 시 약 350마일(560 km) 주행이 가능한 차량이 QuantumScape의 고체 전지를 사용하면 400~500마일(640~800 km) 주행이 가능할 수 있습니다. 

전반적으로 고체 전지는 미래 모빌리티에 필수적입니다. 효율적이고, 안전하며, 비용 효율적이고, 오래 지속되어야 합니다.

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