[요약]
- 전고체 리튬 배터리는 짧은 충전 시간, 높은 에너지 밀도, 높은 안전성 등의 장점에도 불구하고 고체 전해질과 전극 계면에서 발생하는 이상반응으로 배터리 성능이 저하되는 문제점
- 연구진은 전고체 배터리의 전극-전해질 계면에서 인위적인 보호막 역할이 어려운 LiF 대신 인공적으로 그래핀 멤브레인을 SEI(Solid-Electrolyte Interphase)로 생성하여 전고체 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다는 연구결과를 발표
-
프랑스와 네덜란드 연구진들은 그래핀 기반의 멤브레인(분리막)이 고체 리튬 메탈 배터리(solid-state Li-metal battery)의 전극 보호 소재로 유망하다는 연구결과를 발표
- 프랑스와 네덜란드 연구원들은 고체 리튬 메탈 배터리 전극 표면의 그래핀(graphyne)과 그래피다인(graphd- iyne)이 모두 Li+ 이온만 효과적으로 통과시키고 다른 전해질 분자는 차단한다는 사실을 확인
-
- (전고체 배터리의 문제점) ‘고출력 전고체 리튬 배터리(All-SSLiB)’는 전기 자동차(EV)에 사용할 수 있는 가장 안전한 전기에너지 저장장치로, 짧은 충전 시간, 높은 에너지 밀도 및 높은 안전성 등이 장점
- 그러나 고체 전해질과 전극 사이의 계면에서 발생하는 3가지 문제점이 있으며, 이를 해결해야 상용화가 가능
① 첫 번째는 배터리를 충전할 때 음극 표면에 덴드라이트(Dendrite, 나뭇가지 모양의 결정체)가 생기는 현상으로, 이로 인해 배터리 성능이 저하되고 내부 균열을 만들어 결국 배터리가 단락되는 현상이 발생
② 두 번째는 고체 전해질과 전극 간 계면에서의 전기화학적 안정성 문제로, 고체 전해질과 금속 음전극 사이 계면에서의 상호작용으로 인해 전해질 분자가 해리되고 도전체 이온의 이동을 방해하는 새로운 분자가 형성
③ 세 번째는 양극-전해질, 음극-전해질 계면에서 발생하는 구조적 특징에 따른 문제로, 충·방전에 의한 반복적인 전기화학적 영향으로 응력이 발생하고 그 영향으로 균열이 전파되면서 계면이 박리되는 문제
- 그러나 고체 전해질과 전극 사이의 계면에서 발생하는 3가지 문제점이 있으며, 이를 해결해야 상용화가 가능
- (전고체 배터리의 문제점) ‘고출력 전고체 리튬 배터리(All-SSLiB)’는 전기 자동차(EV)에 사용할 수 있는 가장 안전한 전기에너지 저장장치로, 짧은 충전 시간, 높은 에너지 밀도 및 높은 안전성 등이 장점
-
- (역할) 전고체 배터리 사용 중 음전극 주변에 자연스럽게 형성되는 LiF(불화리튬) 같은 SEI(Solid-Electrolyte Interphase, 음극재 표면에 형성되는 얇은 층)는 음전극을 보호하는 물리적 장벽 역할을 하여 활물질과 전해질이 직접적으로 접촉하는 것을 방지
- 이로 인해 전극과 전해질을 분리시키고 리튬이온만을 통과시켜 전극과 접촉하게 함으로써, 리튬 이외 물질과의 접촉으로 인한 부반응(side reaction)을 억제하고, 전해질이 음극 활물질에 같이 들어가 구조적 변형(ex:박리)을 일으키는 것을 예방함으로써, 배터리의 전기화학적 성능을 유지하고 용량 손실로 이어지는 비가역적인 반응을 방지하는 역할
- 그러나 SEI를 원하는 조건으로 형성할 수 있는 메커니즘이 불분명하여, 원하는 조건으로 조절할 수 없기 때문에 알맞은 피막이 형성되지 않으면 오히려 배터리의 성능과 수명에 악역향으로 작용
- (역할) 전고체 배터리 사용 중 음전극 주변에 자연스럽게 형성되는 LiF(불화리튬) 같은 SEI(Solid-Electrolyte Interphase, 음극재 표면에 형성되는 얇은 층)는 음전극을 보호하는 물리적 장벽 역할을 하여 활물질과 전해질이 직접적으로 접촉하는 것을 방지
-
- (연구내용) 이차전지 연구자들은 전극과 전해질 계면에서 유용하게 작용하는 SEI를 원하는 조건으로 만들기 위해, 인공적인 SEI 피막을 설계하고 형성시키기 위한 다양한 연구를 진행 중
- 본 연구는 제1원리 계산(first-principle calculations), 넛지 탄성 밴드법(nudged elastic band method), 고전 분자 역학 시뮬레이션 등을 통해 새로 합성된 2D 그래핀 기반 멤브레인(=graphyne, graphdiyne, and graphtriyne)의 고체 고분자 전해질 배터리 전극의 보호 효과를 확인하는 것이 목표
- 연구진은 전해질과 전극의 직접적인 접촉을 차단하고 Li+ 이온과 Na+이온 같은 작은 양이온들만 투과할 수 있는 graphyne-n (n = 1, 2, 3) 박막으로 전극을 코팅하는 대체 솔루션을 제안
- DFT(Density Functional Theory) 계산을 통해 그래핀-n 단층(monolayer)에서 전해질 성분의 국소적인 확산거동을 특성화
- 연구결과, 전해질과 전극 사이에 인위적인 중간 단계로 그래핀-n 층을 도입함으로써 충전-방전 주기 동안 Li+ 이온은 음극에서 양극으로 또는 그 반대로 이동이 가능하지만, 전해질과 전극의 접촉은 막아 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단
- (연구내용) 이차전지 연구자들은 전극과 전해질 계면에서 유용하게 작용하는 SEI를 원하는 조건으로 만들기 위해, 인공적인 SEI 피막을 설계하고 형성시키기 위한 다양한 연구를 진행 중
-
- (국내 연구) 국내에서도 전고체 배터리의 전극과 전해질 사이의 인공적인 보호막 형성으로 성능을 개선하려는 다양한 연구가 진행
- 한국전기연구원 연구진이 ‘황화물계 전고체 전지용 음극 제조 기술’ 연구 결과를 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 발표하면서, 음극 소재인 리튬에 ‘은’을 섞어 결합시켜 물리적인 보호막을 형성하는 방법으로 리튬 전극을 보호하는 방법을 개발
- 경상국립대학교 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 주리 교수팀과의 공동 연구를 통해, 실리콘 나노 입자와 리튬의 합금화를 진행하여 두께가 3㎛로 매우 얇으며 100나노미터 이하의 기공을 갖는 규화리튬 합금층을 전극의 보호층으로 개발
- (국내 연구) 국내에서도 전고체 배터리의 전극과 전해질 사이의 인공적인 보호막 형성으로 성능을 개선하려는 다양한 연구가 진행
[시사점]
- 전고체 리튬 배터리는 짧은 충전 시간, 높은 에너지 밀도, 높은 안전성 등의 많은 장점에도 불구하고 고체 전해질과 전극 계면에서 발생하는 이상반응으로 배터리 성능이 저하되는 치명적인 단점 때문에 상용화가 지체
- 세계 여러 나라의 연구팀이 전고체 배터리 내 리튬 음극재와 전해질 사이의 이상현상을 억제하기 위해, 인위적인 보호막을 형성하는 방법을 연구 중
- 프랑스와 네덜란드 연구진은 고체 리튬 배터리의 전극 표면에 그래핀과 그래피다인 멤브레인을 형성하여 Li+ 이온만 효과적으로 통과시키고, 다른 전해질 분자는 차단하여 전극을 보호하는 연구결과를 발표
- 국내에서도 한국전기연구원과 경상대학교 등에서 재질은 다르지만 같은 메커니즘을 이용한 연구결과를 발표
[출처]
- Green Car Congress, Researchers show graphyne-based membranes as promising for Li-metal battery electrode protection, 2023.8.11.
- Journal of Power Sources, Graphyne-based membrane as a promising candidate for Li-Battery electrodes protection, 2023.10.15.
- 경향신문, ‘폭발 위험 해결’ 전고체 전지 시대 성큼…”은·리튬 결합해 개발”, 2022.1.17.
- 세계일보, 전기차 안전성 늘리는 ‘저가형·고안전성’ 전고체 배터리 개발, 2023.3.23.
