배경

1800년 이탈리아의 물리학자 A. 볼타(A. Volta)가 볼타전지를 건설하여 실용적인 배터리의 시작을 열었고 전기화학적 에너지 저장 장치에서 전해질의 중요성을 처음으로 설명했습니다. 전해질은 음극과 양극 사이에 삽입되는 액체 또는 고체 형태의 전자 절연 및 이온 전도성 층으로 볼 수 있습니다. 현재 가장 발전된 전해질은 고체 리튬염(예: LiPF6)을 비수성 유기 탄산염 용매(예: EC 및 DMC)에 용해하여 만들어집니다. 일반적인 셀 형태와 설계에 따라 전해질은 일반적으로 셀 중량의 8%~15%를 차지합니다. 무엇'게다가 가연성 및 최적 작동 온도 범위는 -10입니다.°C~60°C는 배터리 에너지 밀도 및 안전성의 추가 향상을 크게 방해합니다. 따라서 혁신적인 전해질 제제는 차세대 새 배터리 개발의 핵심 요소로 간주됩니다.

연구자들은 또한 다양한 전해질 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 효율적인 리튬 금속 사이클링을 달성할 수 있는 불화 용매, 자동차 산업 및 "고체 배터리"(SSB)에 도움이 되는 유기 또는 무기 고체 전해질의 사용이 있습니다. 주된 이유는 원래의 액체 전해질과 격막을 고체 전해질로 대체할 경우 배터리의 안전성과 단일 에너지 밀도, 수명이 크게 향상될 수 있기 때문이다. 다음으로, 다양한 소재를 이용한 고체 전해질의 연구 진행 상황을 주로 요약합니다.

무기고체전해질

무기 고체 전해질은 일부 고온 충전용 배터리 Na-S, Na-NiCl2 배터리 및 1차 Li-I2 배터리와 같은 상업용 전기화학 에너지 저장 장치에 사용되었습니다. 지난 2019년 일본 히타치조센(Hitachi Zosen)은 우주에서 사용하고 국제우주정거장(ISS)에서 테스트할 수 있는 140mAh 전고체 파우치 배터리를 시연했습니다. 이 배터리는 황화물 전해질과 기타 비공개 배터리 구성요소로 구성되어 있으며 -40°C에서 작동할 수 있습니다.°C와 100°C. 2021년에는 1,000mAh 고용량 고체배터리를 출시할 예정이다. Hitachi Zosen은 일반적인 환경에서 작동하는 우주 및 산업 장비와 같은 열악한 환경을 위한 고체 배터리의 필요성을 인식하고 있습니다. 회사는 2025년까지 배터리 용량을 두 배로 늘릴 계획이다. 하지만 아직까지 전기차에 사용할 수 있는 전고체 배터리 제품은 아직 상용화되지 않았다.

유기 반고체 및 고체 전해질

유기고체전해질 부문에서는 프랑스 볼로레(Bolloré)가 젤형 PVDF-HFP 전해질과 젤형 PEO 전해질 상용화에 성공했다. 회사는 이 배터리 기술을 전기차에 적용하기 위해 북미, 유럽, 아시아에서도 차량 공유 시범 프로그램을 시작했지만, 이 폴리머 배터리는 승용차에 널리 채택된 적이 없습니다. 상업적으로 채택되기 어려운 한 가지 요인은 상대적으로 높은 온도(50°C)에서만 사용할 수 있다는 것입니다.°C~80°C) 및 저전압 범위. 이 배터리는 현재 일부 시내버스 등 상용차에 사용되고 있습니다. 순수고체고분자전해질전지를 상온(약 25℃)에서 작업하는 경우는 없습니다.°기음).

반고체 범주에는 염-용매 혼합물과 같은 고점도 전해질, 염 농도가 표준 1 mol/L보다 높고 농도 또는 포화점이 최대 4 mol/L인 전해질 용액이 포함됩니다. 농축된 전해질 혼합물에 대한 우려 사항은 불소화 염의 함량이 상대적으로 높다는 것이며, 이는 또한 이러한 전해질의 리튬 함량 및 환경 영향에 대한 의문을 제기합니다. 성숙한 제품의 상용화에는 포괄적인 수명주기 분석이 필요하기 때문입니다. 그리고 제조된 반고체 전해질의 원료 역시 간단하고 쉽게 구할 수 있어야 전기 자동차에 보다 쉽게 ​​통합될 수 있습니다.

하이브리드 전해질

혼합전해질이라고도 불리는 하이브리드 전해질은 고체전해질의 제조성과 확장성, 적층기술 요구사항 등을 고려하여 수성/유기용매 하이브리드 전해질을 기본으로 하거나, 고체전해질에 비수성 액체전해질 용액을 첨가하여 변형할 수 있다. 그러나 이러한 하이브리드 전해질은 아직 연구 단계에 있으며, 상용화된 사례는 없다.

전해질의 상업적 개발을 위한 고려사항

고체 전해질의 가장 큰 장점은 높은 안전성과 긴 수명이지만, 대체 액체 또는 고체 전해질을 평가할 때는 다음 사항을 주의 깊게 고려해야 합니다.

• 고체전해질의 제조공정 및 시스템 설계. 실험실 게이지 배터리는 일반적으로 전극의 한쪽 면에 코팅된 수백 마이크론 두께의 고체 전해질 입자로 구성됩니다. 10~100Ah의 용량이 현재 전력 배터리에 요구되는 최소 사양이기 때문에 이러한 소형 고체 셀은 대형 셀(10~100Ah)에 필요한 성능을 대표하지 않습니다.
• 고체전해질은 격막의 역할도 대신한다. 무게와 두께가 PP/PE 다이어프램보다 훨씬 크기 때문에 무게 밀도를 달성하려면 조정이 필요합니다.≥350Wh/kg에너지 밀도≥900Wh/L의 상용화를 방해하지 않도록.

배터리는 항상 어느 정도 안전 위험이 있습니다. 고체 전해질은 액체보다 안전하지만 반드시 불연성인 것은 아닙니다. 일부 고분자 및 무기 전해질은 산소나 물과 반응하여 화재 및 폭발 위험을 야기하는 열 및 독성 가스를 생성할 수 있습니다. 단일 셀 외에도 ​​플라스틱, 케이스, 포장재 등은 제어할 수 없는 연소를 일으킬 수 있습니다. 따라서 궁극적으로 전체적인 시스템 수준의 안전 테스트가 필요합니다.