[한국세라믹학회] 2020년 춘계 학술발표대회, 배터리, 전고체

황화물계 고체전해질을 사용한 전고체전지 개발이슈 및 현황

Sulfide electrolytes and All-solid-state batteries : Design, Synthesis and Current issues

신동욱 한양대

[Abstract] 친환경, 저소음화를 목표로 하는 E-mobility 시대에 들어서며 운송수단의 전기화가 지속적으로 진행되고 있다. 리튬 이차전지는 높은 에너지밀도, 출력, 수명주기를 장점으로 가지고 있어, 현재 전기차 및 드론은 리튬 이차전지를 주 에너지 원으로 사용하고 있다. 일반적으로 리튬이차전지는 리튬염을 녹인 유기용매를 전해액으로 사용하고 있다. 이로 인해 몇 가지 문제점이 발생하는데, 화재에 취약해지며 고전압 전극을 사용했을 때 전해액이 분해된다는 점이 가장 큰 문제로 꼽히고 있다. 안전성에 대한 문제는 리튬이차전지의 보급에 가장 큰 걸림돌로 꼽히고 있으며, 반드시 해결되어야 할 과제이다. 전고체전지는 리튬이온이 수송되는 전해질을 무기세라믹으로 대체한 차세대 이차전지이다. 무기세라믹스를 사용함으로 인해 고전압안정성과 내화성, 안전성을 동시에 확보할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 누액의 염려가 없어 개별패키징의 필요성이 없으므로 전지팩의 에너지밀도도 현저하게 향상시킬 수 있다. 전고체전지용 고체전해질은 사용되는 소재에 따라 크게 산화물계, 황화물계, 할로겐계로 구분할 수 있으며, 그 중에서도 황화물계 고체전해질은 높은 이온전도도로 인해 대표적인 고체전해질로 꼽히고 있으며, 전고체전지를 제조하였을 때 높은 출력을 달성할 수 있다는 장점을 가지고 있다. LGPS (Li10GeP2S12), Argyrodite (Li6PS5Cl) 와 같은 고체전해질을 대표적으로 들 수 있으며 10-2 S/cm의 높은 이온전도도를 가지는 것이 보고되어 있다. 그러나 황화물계 고체전해질도 전지작동에 있어 몇 가지 단점이 보고되고 있다. 그 중에서도 전극산화물 및 리튬 음극과의 계면 반응이 개선되어야 할 문제점으로 꼽히고 있으며 이에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 또한 고체전해질이 양산되기 어렵다는 점도 실용화에 있어 큰 장벽으로 작용하고 있는 실정이다. 본 발표에서는 황화물계 고체전해질의 연구 현황 및 전고체전지의 개발 상황, 새로운 고체전해질의 제작방법 및 개선방안에 대해 논의하고자 한다.