[논문 리뷰] A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies

Andrew Ulvestad|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 12.

Advanced Battery Materials and Technologies참고 문헌 57인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 현재 리튬이온이온 배터리(LIB) 기술을 검토하고, 고체 전해질을 사용하는 신개념 고체 배터리-SSB(고체 전지) 시스템을 평가한다. 주로 황화물, 고분자, 산화물 고체 전해질을 중심으로 분석한다. 결론적으로 SSB는 리튬 메탈 음극을 가능하게 하여 에너지 밀도를 높일 잠재력을 지니지만, 현재까지는 최신 액체 전해질 기반 LIB의 성능을 따라잡지 못했으며, 산업계의 높은 관심에도 불구하고 상용화는 여전히 도전 과제로 남아 있다.

ABSTRACT

Solid state battery technology has recently garnered considerable interest from companies including Toyota, BMW, Dyson, and others. The primary driver behind the commercialization of solid state batteries (SSBs) is to enable the use of lithium metal as the anode, as opposed to the currently used carbon anode, which would result in ~20% energy density improvement. However, no reported solid state battery to date meets all of the performance metrics of state of the art liquid electrolyte lithium ion batteries (LIBs) and indeed several solid state electrolyte (SSE) technologies may never reach parity with current LIBs. We begin with a review of state of the art LIBs, including their current performance characteristics, commercial trends in cost, and future possibilities. We then discuss current SSB research by focusing on three classes of solid state electrolytes: Sulfides, Polymers, and Oxides. We discuss recent and ongoing commercialization attempts in the SSB field. Finally, we conclude with our perspective and timeline for the future of commercial batteries.

연구 동기 및 목표

• 액체 전해질 기반 리튬이온 배터리(LIB) 기술의 현재 수준을 평가하고, 성능, 비용 추세, 향후 개발 방향을 분석한다.
• 기존 LIB에 대한 대안으로서 고체 전지-SSB의 잠재력을 평가한다.
• 고체 전해질의 주요 세 가지 유형—황화물, 고분자, 산화물—을 중심으로 재료 특성과 기술적 과제를 분석한다.
• 토요타, BMW, 다이슨과 같은 주요 기업들이 SSB 분야에서 진행 중인 상용화 시도를 검토한다.
• 고체 전지의 향후 상용화 가능성에 대해 현실적인 시기와 전망을 제시한다.

제안 방법

• 리튬이온 배터리 기술 및 고체 전해질 재료 분야의 최근 논문 및 개발 동향을 체계적으로 검토한다.
• 이온 전도도, 안정성, 가공성 기준으로 고체 전해질의 주요 세 유형(황화물, 고분자, 산화물)을 분류하고 분석한다.
• 에너지 밀도, 사이클 수명, 고속 충전 능력 등의 성능 지표를 기반으로 액체 전해질 기반 LIB와 보고된 SSB 프로토타입 간의 성능을 비교 평가한다.
• 자동차 및 전자기기 기업들의 산업 연구개발 활동 및 시범 규모의 상용화 시도를 검토한다.
• 기술적 및 재료 과제를 바탕으로 SSB 상용화에 대한 현실적인 시기를 예측하기 위해 연구 결과를 종합한다.
• 각 SSB 기술 길이의 실현 가능성과 한계를 평가하기 위해 동료 심사 논문 및 산업 보고서의 데이터를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 전해질 기반 최신 리튬이온 배터리의 핵심 성능 특성과 제약 사항은 무엇인가?
• RQ2 특히 황화물, 고분자, 산화물 고체 전해질이 액체 전해질 기반 LIB의 성능 및 안정성 문제를 극복할 수 있는가?
• RQ3 강한 산업 관심에도 불구하고 고체 전지의 상용화를 저지하는 주요 기술적 및 재료 과제는 무엇인가?
• RQ4 토요타, BMW, 다이슨과 같은 기업들이 진행 중인 최근 상용화 노력은 기술적 접근과 예상 일정 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 전기자동차 및 기타 응용 분야에 널리 보급되기 위한 고체 전지의 현실적인 상용화 시기는 언제인가?

주요 결과

• 고체 전지-SSB는 리튬 메탈 음극을 사용할 수 있게 함으로써 에너지 밀도를 약 20% 향상시킬 잠재력을 지닌다.
• 현재까지 보고된 고체 전지 중 어느 것도 최신 액체 전해질 기반 리튬이온 배터리의 모든 성능 지표를 충족하지 못하며, 특히 사이클 수명과 고속 충전 능력 측면에서 열등하다.
• 황화물 기반 고체 전해질은 높은 이온 전도도를 보이지만, 화학적 불안정성과 습기와의 반응으로 인한 안전 우려가 있다.
• 고분자 기반 전해질은 양호한 가공성과 유연성을 지니지만, 실온에서의 이온 전도도가 낮아 실용적 사용에 제한을 받는다.
• 산화물 기반 고체 전해질은 양호한 안정성과 중간 수준의 이온 전도도를 보이지만, 부서지기 쉬우며 얇고 조밀한 층으로 제작하기 어려운 점이 과제이다.
• 재료 및 인터페이스 과제가 해결되지 않아 SSB의 상용화는 지속적으로 연기되고 있으며, 2030년 이전에 광범위한 보급을 위한 명확한 길은 아직 확보되지 않았다.