전고체전지 배터리 어떻게 만들까? 제조공정 및 기술 정리

화재가 나지 않아 꿈의 배터리라 불리는 전고체전지에 대한 관심이 나날이 증가하고 있습니다. 전고체전지는 전해질 소재가 고체로 변화되기 때문에 기존의 리튬이온배터리와 다른 공정이 적용됩니다. 이번 글에서는 전고체전지의 제조공정 중 극판공정에 대해 말씀드리겠습니다.

 

 

 

1. 개요 (Introduction)

전고체전지(All-Solid-State Battery, ASSB)는 리튬이온전지와 유사한 구조를 갖지만 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다는 점에서 제조공정의 차이가 있습니다. 

그림1. 리튬이온전지 전고체전지 그림 비교 (출처 : Comparative sustainability assessment of lithium-ion, lithium-sulfur, and all-solid-state traction batteries)

 

위 그림은 기존의 리튬이온전지(Lithium ion battery-그림 1번째), 전고체전지(All-solid-state battery-그림 3번째)를 비교한 그림입니다. 그림에서 확연한 차이를 보이는 것은 전고체전지는 분리막이 없어지고 그 부분이 고체전해질로 대체되었다는 점과, 양극(Positive active material) 부분에 고체전해질이 혼합되어 있는 구조로 되어 있다는 점입니다. 이러한 전고체전지의 제조공정은 크게 다음과 같습니다. 

 

전극제조(양극, 음극) - 고체전해질 분리막 Layer 형성 - 적층(Cell stacking) - 조립 (Assembly) - 활성화 (Formation)

 

 

 

2. 전극제조 (극판공정)

2.1. 양극 전극제조 

양극 복합 전극 제조 : 전고체전지 양극은 기존의 리튬이온배터리와는 달리 고체전해질 입자를 혼합하여 제작됩니다. 이는 전고체전지는 액체전해질이 없기 때문에 양극에서 나오는 리튬이온의 전도 경로를 형성하기 위함입니다.

- 소재 : 리튬이온배터리와 동일한 삼원계 양극재 (NCM), 리튬인산철(LFP)등을 사용합니다.

그림2. 전고체전지 양극 입자 (출처 : A review of the effect of external pressure on all-solid-state batteries)

- 리튬전도메커니즘 : 기존의 리튬이온배터리는 액체 전해질이 적용되기 때문에 전극 사이사이에 액체가 함침(Wetting)되어 리튬이온의 이동경로를 형성합니다. 하지만 전고체전지의 경우에는 액체를 사용하지 않고 양극활물질과 고체전해질이 붙어 있는 상태로 구성되며 이것을 복합전극이라 부르고 있습니다. 이해를 돕기 위해 위 그림의 양극활물질과 고체전해질의 접촉(Contact)을 통한 리튬이온이 전달되는 메커니즘을 갖고 있습니다. (주황색 : 활물질, 노란색 : 고체전해질)

전고체전지 양극 제조공정 (출처 : Batteries 2023, 9, 347)

 

따라서 전고체전지의 전극제조 과정에서는 양극활물질(NCM, LFP, LCO)+고체전해질입자(Sulfide, Oxide)+도전재를 첨가하여 슬러리를 제조하여 집전체에 코팅하는 방식으로 제조됩니다. 기존의 리튬이온배터리와 비교해 보겠습니다.

 

리튬이온배터리 : 습식 Process // 활물질, 도전재, 바인더, 용매(Nmp) 교반 슬러리 제작→Al 집전체 코팅 → 건조  → 압연

전고체전지 : 습식Process // 활물질, 도전재, 바인더, 고체전해질, 용매 슬러리 제작 → Al 집전체 코팅 →  건조  → 압연

 

 

 

2.2. 음극 전극제조

- 소재 : 흑연, 실리콘, 리튬메탈 (Lithium foil)

음극의 경우에는 크게 2가지 경우로 나뉩니다. 기존의 흑연, 실리콘 등 상용 소재를 복합전극으로 사용하는 경우와 리튬메탈 박막을 사용하는 경우로 나뉘어집니다. 흑연/실리콘 소재의 경우는 양극과 동일하게 고체전해질과 섞인 복합전극으로 제작됩니다.

전고체전지 제조공정 정리 (Li metal foil 음극)

하지만 리튬메탈을 사용할 경우 이야기가 달라집니다. 리튬메탈은 박막의 Foil 형태로 적용되는데, 리튬은 수분에 매우 불안정하고 연성이 강한 금속이어서 Roll-to-Roll 공정에 적용되기 어려운 기술적인 허들이 있습니다. 리튬메탈을 사용할 경우 이론용량이 기존의 음극재에 비해 약 10배가량(3860mAh/g) 되기 때문에 리튬메탈을 적용한 공정들에 대한 연구가 활발하게 진행되어 있습니다.

전고체전지 제조 모식도 (출처 : Batteries 2023, 9, 347)

위 내용들을 종합하여 전고체전지 공정을 나타낸다면 위 그림과 같이 전지가 조립될 수 있습니다. 기존의 분리막을 대신하는 고체전해질 공정의 경우에는 양극 극판 위에 적층 되어 제조됩니다. 해당 내용은 다음 포스팅에서 다루도록 하겠습니다. 이번 포스팅에서는 전고체전지 제조공정 부문에서 극판공정에 대해 알아보았습니다. 이상으로 포스팅을 마치도록 하겠습니다.

 

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