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.°씨).

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.