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현재의 리튬이온전지의 큰 약점인 안전성을 획기적으로 향상시킬 차세대전지로서 고체전해질을 적용한 전고체전지가 대안으로 떠오르고 있습니다. 전고체전지의 장점은 「우수한 안전성」, 「높은 에너지밀도」, 「높은 출력」, 「넓은 사용온도」, 「단순 전지구조」 등을 꼽을 수 있으며, 전고체전지의 핵심소재는 단연 고체전해질로서, 전지에서의 특성이나 파급력에서 현재는 황화물계 고체전해질이 가장 앞서 있다고 말할 수 있습니다.

황화물계 고체전해질은 액체 전해질에 근접한 높은 이온전도도(10-3-10-2S/cm)와 저온에서 우수한 성능을 나타내며, 입자간 밀착성이 좋아 공정성이 우수하다는 특징을 가지고 있습니다. 가장 대표적인 화합물로서는 Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS), Li₇P₃S₁₁, Li₆PS₅Cl가 있으며, argyrodite는 비교적 저렴하고 대량합성에 유리하며 안정성이 좋기 때문에 현재 대부분의 업체에서 채용하고 있습니다.

잘 알려진 바와 같이 황화물계 전해질은 수분에 취약하기 때문에 doping기술을 이용해 이온전도도와 안정성을 향상하려는 시도가 이루어지고 있으며, 리튬금속 및 양극 소재와 직접 접촉 시 계면 반응이 발생하기 때문에 전극 인터페이스 안정화를 위해서 계면층 설계(interfacial layer) 또는 버퍼층을 도입하는 방법을 시도되고 있으며, 추가적으로 고체전해질의 코스트 다운을 위해서는 저가 원료 및 대량합성 공정기술 확보가 중요합니다.

국가적인 동향을 보면 그 동안 한국과 일본, 미국에 비해 전고체전지 기술개발에서 뒤쳐져 있었던 중국도 24.2월 CASIP이란 중국 전고체 배터리 산학연 협동 혁신 플랫홈을 출범시켜 전고체 배터리 공급망 구축과 기술개발을 통해 차세대 배터리에서도 글로벌 넘버원이 되겠다는 야심찬 목표를 가지고 있으며, 한국도 민관합동 배터리 얼라이언스 프로그램을 통하여 전고체전지 개발 및 관련 생태계 육성에 중점을 두고 있고, 일본도 경제산업성의 지원을 비롯해 자동차 및 배터리사가 1.2조엔에 달하는 투자를 발표한 바 있습니다.

SNE Research의 전망에 따르면 글로벌 전고체전지 시장규모는 전지용량면에서는 ’30년 -122GWh, ’35년엔 -493GWh의 시장이 전망되며 전체 전지의 약 6.10%를 전고체전지가 차지할 것으로 전망하고 있으며, 이 중에서 황화물계 고체전해질을 적용한 전지는 ’30년 45GWh, ’35년 275GWh를 차지할 것으로 전망하고 있습니다.

현재, 전고체전지용 고체전해질로서 황화물계가 가장 활발하게 적용되고 있지만, 다음의 크게 두가지 문제를 해결하지 않으면 안 됩니다.

첫째는 충방전수명입니다. 전기차에 탑재해 상용화하려면 충방전수명을 수천 사이클 이상으로 끌어 올려야 하는데, 현재는 수십-수백 사이클에 머물러 있습니다. 둘째는 제조비용을 낮추는 것인데 현재의 전고체전지의 제조비용은 kWh당 기존 LiB에 비해 4배 - 25배 정도 비싸기 때문에 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있습니다.

결국, 전고체전지 상용화의 핵심은 장수명과 저가격이 가능한 황화물계 고체전해질의 개발 및 제조기술개발에 있다고 말할 수 있습니다.

본 리포트는 황화물계 고체전해질의 개발에 있어서 지금까지 진행되어온 고체전해질 합성 및 전지에의 적용까지 폭 넓게 기술하고 있으며, 최근에 큰 흐름의 하나인 수분에의 저항력이 향상된 대기안정형 황화물계 고체전해질, 특히 argyrodite계의 합성 및 응용에 이르기까지 deep dive하게 기술하고 있으며, 더 나아가, 황화물계 고체전해질의 출발물질인 황화리튬(Li2S)의 저가격 합성법과 해당 업체의 제품과 현황을 폭 넓게 다루고 있습니다.

목차

1. 고체전해질 개요 및 시장전망

• 서론
  • 고체전해질의 분류 및 역사
  • 고체전해질 및 전고체전지 개발현황
  • 무기계 고체전해질의 주요 이슈
  • 전고체전지를 둘러싼 기술문제 및 해결방안
  • 반고체(하이브리드)전해질 및 이를 적용한 전지
  • 전해질 종류별 시장 전망
  • 고체전해질 관련 특허 및 논문발표 현황

2. 전고체전지용 고체전해질

• 서론
  • 고분자계 고체전해질
    • 이온전도도 향상 방법
  • 무기계 고체전해질
    • 산화물계
    • 인산염계
    • 황화물계
    • 복합 고체전해질
  • 계면
    • 양극-고체 전해질 계면
    • 리튬음극-고체 전해질 계면
    • 입자간 계면
  • 전해질 기술에 대한 요구사항 및 향후 전망

3. 황화리튬 (Li2S)

• 서론
  • 고상 합성법의 종류
  • 액상 합성법의 종류
• Li2S 합성
  • Lab scale 합성
  • 산업적 Li2S생산 및 재처리
    • Li2S의 산업적 생산
    • Li2S 제조 시 원재료 예상가격

4. 황화물계 고체전해질

• 서론
  • LiPSCl (Argyrodite_LiPSX)개요
    • Li argyrodite 합성[1]: 기계적 milling방법
    • Li argyrodite 합성[2]: 기계적 milling+ post annealing방법
    • Li argyrodite 합성[3]: 고상 소결법
    • Li argyrodite 합성[4]: 액상 합성법
    • Li argyrodite의 전지에의 적용
      • Li7-xPS6-xClx 조성 합성
      • AIMD 시뮬레이션
      • 셀 제조
      • 셀 적용 결과
      • 전지 적용 결론
  • LiPS 계 (Li2S-P2S5 외)
    • LiPS계 합성
    • LiPS계 전기화학적 특성
  • LixMPxSx (M: Ge, Sn, Si, and Al)계
    • LixMPxSx계 합성
    • LixMPxSx 전기화학적 특성

5. 대기안정형 황화물계 고체전해질

• 서론
  • [1]Argyrodite-oxysulfides (LiPSOCl)
    • 합성 방법
    • 구조 및 구성 분석
    • 전지에의 적용
  • [2]xLi4SnS4ㆍ(1-x)Li3PS4계 고체전해질
    • 고체전해질 합성
    • 고체전해질 특성 분석
    • 고체전해질 제조 및 공기안정성 평가
    • 고체전해질 평가 결론
  • [3]Sb-Substituted Li4SnS4계 고체전해질
    • 고체전해질 합성
    • 고체전해질 구조 분석
    • 고체전해질의 공기안정성 평가
    • 고체전해질의 특성 분석
    • 고체전해질 평가 결론
• 황화물계 고체전해질의 화학적 안정성
  • 화학적 안정성의 개요
  • 황화물계 고체전해질의 화학적 안정성
    • 습한 분위기에서의 황화물계 고체전해질의 화학적 안정성
    • 용매와 바인더 존재 시 황화물계 고체전해질의 화학적 안정성
    • 용매와의 호환성(compatibility)
    • 바인더와의 호환성
  • 황화물계 고체전해질의 화학적 안정성 향상을 위한 전략
    • 습한 분위기에서 황화물계 고체전해질의 보호
      • 첨가제 사용
      • 루이스 산염기(HSHB) 원리 적용
        • 양이온 도펀트
        • S2-를 O2-로 부분 치환
        • 약산기 치환
        • 다른 원소 치환
      • 신규소재 설계
        • Li/Na-Sn-S(3원계)System
        • Li/Na-Sb-S(3원계) System
      • 신규 4가 이온 전도체
      • 표면 처리
        • Core-shell 설계
        • 황화물-폴리머 복합전해질
          • 공기 안정성 연구 요약
          • 공기 안정성 향상을 위한 전략
    • 합성방법
      • 용매의 선택
        • 극성이 낮은 용매의 적용
        • 용매화(Solvation)이온성 액체 적용
    • 황화물 고체전해질 및 바인더 선택
    • 화학적 안정성 향상을 위한 전략 summary
    • 주요 문제 및 해결 방안

  6. 황화물계 고체전해질 주요 특허분석 및 업체동향

  • 서론
    • LiPSCl 원천특허
    • 황화물계 고체전해질 특허 및 논문동향
    • LPSX 황화물계 선행특허 분석
    • LGPS 황화물계 특허 분석
  • 황화물계 고체전해질 제조업체
    • 이데미츠 코산
    • 미쯔이 금속광업
    • 후쿠카와 기계금속
    • 후지필름 와코
    • Solid Power
    • 포스코 JK 솔리드 솔루션
    • 에코프로비엠
    • 대주전자재료
    • 씨아이에스(CIS)
    • 솔리비스
    • 인캠스(INCHEMS)
    • 동화일렉트로라이트
    • 한솔케미칼
    • 롯데에너지머티리얼즈
    • 이수스페셜티케미컬(Li2S 제조업체)
    • 정석케미칼(Li2S 제조업체)
    • 레이크테크놀로지(Li2S 제조업체)
    • 천보
    • 나노캠프
    • 비이아이랩(BEILab)
    • 솔리드아이오닉스
    • 엔플로우
    • NEI Corporation
    • Albermale(Li2S 제조업체)
    • Lorad Chemical Corp. (Li2S 제조업체)
    • AMG Lithium GmbH (Li2S 제조업체)
    • Stanford Advanced Materials (Li2S 제조업체)
    • Ganfeng Lithium (Li2S 제조업체)
    • Hubei XinRunde Chemical (Li2S 제조업체)
    • Hangzhou Kaiyada (Li2S 제조업체)
    • Chengdu Hipure
    • Ampcera
    • MTI Corp.
    • 중국 황화물계 고체전해질 및 전고체전지 제조업체 현황(CATL, BYD외)
    • KERI
    • KETI
    • 황화물계 고체전해질 및 Li2S 제조업체 현황(요약)

  7. DOE 국가과제 프로그램

  • Scaling-Up & Roll-to-Roll Processing Sulfide Solid-State Electrolytes(PNNL)
    • Approach & Strategy
    • Summary
  • Substituted Argyrodites Solid-Electrolytes(SLAC National Lab., ORNL)
    • Objective
    • Experimental & Results
  • High conductivity thioborate solid state electrolytes(Stanford Univ.)
    • Objective
    • Experimental & Results

  8. 중국 전고체 배터리 산학연 협동 혁신 플랫홈(CASIP)

  • BYD 전고체전지 개발 진행 현황
  • SEMCORP-Central South Univ. 전고체전지 개발 진행 현황

  9. [부록]평가용 전고체전지의 제조 코스트 분석

  • 평가용 전고체전지의 사양 설계
  • 평가용 전고체전지의 각 model 설계
  • 평가용 전고체전지의 제조 프로세스 설계
  • 전고체전지 제조 코스트 계산 결과
  • 전고체전지의 기술 과제