전고체 배터리 - 고체전해질, 리튬메탈 음극재

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전고체 스터디 3: 각형vs파우치형 주도권은 이 공정에 달려있다, LG엔솔과 삼성SDI가 기싸움하는

 

내 사랑 배러린치 블로그에 새 글이 올라왔다!

덕분에 전고체배터리 시리즈를 다시 정독하고 전고체배터리와 어떤 폼팩터가 시장을 주도하게 될 것인가에 대해 생각해보게 되었다.

 

 

 

1. 리튬메탈 음극재

- 음극재에 흑연&실리콘이 아닌 리튬메탈 사용

-  장점

   1) 배터리 용량 증가, 약 10배 (양극재에서 나온 리튬이온을 흑연 음극재보다  더 많이 저장)

   2) 충전속도 향상 (음극재로 이동하는 리튬이온이 곧바로 리튬메탈과 환원반응함, 흑연은 삽입 → 방출과정 필요)

 

 - 단점: 덴트라이트 현상 발생

 

 

2. 고체전해질

- 안정성 향상되어 분리막 같은 안전성 관련 소재/부품 빠짐  → 용량,밀도 향상

- 기존 Lib배터리는 모노폴라 전극구조만 가능했으나 전고체 배터리는 바이폴라(Bipolar) 전극구조 가능

*모노폴라(Monopolar) 전극구조

메리츠증권- EV WAR2

2차전지-메리츠-EV WAR2.pdf

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- 고체전해질과 리튬메탈 음극재 (덴트라이트 현상은 '리튬이온 전달률'이 높을수록 발생 가능성이 낮아짐. → (황화물계) 고체전해질이 액체전해질보다 '리튬이온 전달률'이 높음)

- 추후 고체 전해질이 실제로 도입되기 시작하면, 음극재에는 리튬메탈이 주류가 될 가능성이 높음

- 고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계로 나뉨.

- 황화물계가 이온전도성과 가공성이 뛰어남

- 현재 국내 셀 3사, CATL, 전고체 탑3기업(도요타, 삼성SDI, 솔리드 파워) 모두 황화물계로 연구개발 진행중

  → 현재로서 황화물계 고체 전해질이 주류가 될 가능성이 높음.

 

 

- 황화물계 고체 전해질 = 황화리튬 + 황화인 + 기타소재

- 황화리튬 입자크기를 "마이크론 사이즈 입자"와 이보다 더 작은 "나노미터 사이즈 입자" 2개로 나눠서 황화물계 고체 전해질 입자를 만듬

 →  "마이크론 사이즈 입자"인 황화리튬으로만 황화물계 고체 전해질을 만들면 사이사이 공간 발생  

 →  "나노미터 사이즈 입자"인 황화리튬을 채워넣으면 공간 사이사이가 메꿔지면서 도로면적이 더 넓어짐

 →  도로 면적이 더 넓어지면 고체전해질의 근본적 문제인 이온전도도 또한 높아짐

 

- 투자 포인트!!! = "황화리튬의 입자크기를 마음대로 다룰 수 있는 기술력"

 

 

 

<양극재와 비슷한 느낌>

- 양극재의 핵심은 리튬 수직계열화 정도, 그 후에 수산화리튬 기술력이 중요함

- 리튬광석  →  탄산리튬  → 수산화리튬 순서로 가공되어 양극재가 만들어지는데

- 리튬광석  → 탄산리튬 중국이 글로벌 70 % 점유율 가지고 있음

- 한국은 리튬광석  → 탄산리튬을 가공할 수 있는 기업이 단 1곳도 없음

(리튬광산/염호 확보한 포스코홀딩스조차 리튬광석  →  탄산리튬 가공 과정은 중국에 외주맡김.)

(외주맡긴 탄산리튬을 다시 가져와서 수산화리튬으로 만드는 것)

 

- 양극재 기업이 수산화 리튬을 다루는 기술력이 뛰어난다고 한들 리튬광석  → 탄산리튬 가공 기술이 없음

 

- 황화물계 고체전해질과 황화리튬도 비슷한 느낌. 황화리튬의 입자크기 통제 기술력이 중요할 듯

 →  관련 공급계약을 맺었거나 공동개발을 한 완성차/셀업체가 있다면 해당 기업의 특허현황 살펴볼 것

 →  전고체 선두기업인 삼성 SDI 주시 필요

 

 

 

 

3. 전고체배러티의 폼팩터

- (요약)

1) 고제전해질은 황화물계가 주류가 될 가능성이 높음

2) 중요한 투자포인트는 황화물계 고체 전해질을 구성하는 황화리튬의 입자크기를 마음대로 조절하는 기술력

3) 전고체 배터리의 가장 큰 문제 중 하나는 모든 소재가 고체인 영향으로 인한 "낮은 이온전도도" 임

 → 기존 배터리는 액체상태인 전해액을 통해 리튬이온이 쉽게쉽게 동하는데 전고체는 전해액 대신 고체 전해질을 이용하므로 이온 전도도가 낲음 (물에서 수영 VS 아스팔트에서 수영)

 

- "낮은 이온전도도" 문제를 해결하기 위해선 고체전해질을 구성하는 황화리튬 입자들이 최대한 붙어있어야 함.

 → 황화리튬 입자 크기를 니즈에 맞게 자유자재롤 조절할 수 잇는 기술력

 → 고체전해질을 최대한 뺵뺵하고 밀도 높게 만들기

 

 

<가압 공정>

- 전고체배터리를 파우치/각형/원통형으로 제작하든 반드시 "가압"공정이 필요

- 전고체 배터리는 소재가 대부분 고체형태라 밀도향상을 위해 배터리 자체를 최대한 압축시키는 것이 중요함

 

- 가압공정에서 가장 유리한 폼팩터가 파우치 폼팩터이기 때문에, 지금까지 전고체 기술개발은 파우치 폼팩터 중심으로 이루어짐.  → 성형성이 가장 뛰어나기 때문

 

- 대표적인 전고체배터리의 가압공정은 "초고압 온간 정수압 프레스(WIP) 

→ 액체 상태의 유기체에 배터리 소재를 넣어 모든 방향(360도)에서 균일하게 압력을 가하는 방식

 

 

- 전고체 배터리 폼팩터: LG엔솔 파우치폼팩터/ 삼성SDI 각형 폼팩터 주장

- 전고체 배터리에서 파우치 폼팩터가 유리하긴 하지만, 양산단계로 가면 한계가 명확함(양산단게에서의 공정속도 극복필요)