전고체전지(ASSB)는 기존 리튬이온전지(LIB) 대비 높은 안전성과 에너지 밀도 때문에 주목받고 있다. 그러나 양극 활성 물질(CAM)과 고체전해질(SE) 간의 접촉이 불충분하거나, 양극에서 SE의 비율을 높게 사용하는 경우에는 에너지 밀도 향상이 저해된다. 충분한 Li-이온 경로를 보장하면서도 전해질의 비율을 낮게 유지하는 일은 어렵다. 본 연구는 SE 입자 크기 분포와 전극 미세구조 간의 상관관계뿐 아니라 Li-이온 및 전하 전달 동역학을 규명한다. SE의 크기를 제어하기 위해 스프레이-재결정화(spray-recrystallization) 방법을 도입하였다. 정교한 SE 크기 제어는 CAM과 SE 간의 친밀한 계면과 균일한 SE 분포를 가능하게 하여, Li-이온 수송 동역학을 향상시키고 그에 따라 전하 전달 저항(Rct) 및 Li-이온 이동 저항(Rion)을 감소시킨다. NCM/SR-LPSCl 양극을 사용한 전 전지는 실온에서 171.6 mAh g−1의 가역 용량, 100회 사이클 후 74.1%의 용량 유지율, 그리고 113.7 mAh g−1의 용량을 보였다. 황화물계 SE의 입자 분포가 Rion 및 Rct에 미치는 영향을 확인하였으며, 90 wt.% NCM을 포함하고 면용량(areal capacity)이 15 mAh cm−2로 높은 양극이 안정적으로 유지됨이 입증되었다.

롤투롤(roll-to-roll) 건식 공정은 고에너지 밀도 및 저비용 리튬이온전지(LIBs)의 제조를 가능하게 한다. 그러나 건식 공정으로 제작된 전극의 두께가 증가하여(≥10 mAh cm −2) 리튬이온의 이동 저항(Rion)과 전하이동 저항(Rct)이 전극 내부에서 급격히 증가하는데, 이는 리튬이온 및 전자의 장거리 확산 길이 때문이다. 따라서 고에너지 밀도 LIBs를 달성하기 위해 전극 내에서 확산 길이를 감소시키는 것이 중요하다. 면적당 용량이 10 mAh cm −2로 높고 저항이 낮은 건식 전극은 다음의 세 가지 특성을 통해 구현될 수 있다. 첫째, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더의 섬유화(fibrillization) 거동은 섬유화 공정 중 처리 온도를 조절하여 제어함으로써 PTFE 바인더와 카본 블랙(CB)의 균일한 분포를 가능하게 한다. 둘째, 다차원 전도성 첨가제를 통해 기공 크기/분포 및 전도성 네트워크를 설계하여 전극 내에서 리튬이온과 전자의 수송을 향상시킨다. 마지막으로, 리튬니켈 0.80 코발트 0.15 알루미늄 0.05 산화물(LiNi0.80Co0.15Al0.05O2, NCA) 입자의 구조적 무결성을 파괴 없이 향상시키며, 이를 통해 캘랜더링(calendering) 단계의 제어로 전극 내에서 균일한 기공 분포를 구현한다. 준비된 균질한 미세구조의 10 mAh cm −2 건식 전극은 확산 길이가 짧아져 Rion 및 Rct가 감소함을 보이며, 이는 부피 에너지 밀도 ≈710 Wh L −1 를 갖는 고부피 에너지 밀도의 LIBs에서 전기화학적 성능을 향상시킨다.

전고체전지(ASSB)는 높은 안전성과 에너지 밀도 때문에 궁극적인 차세대 충전용 배터리로 여겨진다. 그러나 고체 전해질(SE)의 불균일한 분포와 복잡한 화학-기계적 거동으로 인해 발생하는 열악한 리튬이온(Li-ion) 동역학은 전기화학적 특성이 저하되는 원인이 된다. 본 연구에서는 전기화학적 특성을 향상시키고 전고체전지의 에너지 밀도를 증가시키기 위해, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM)(코어)–Li6PS5Cl(LPSCl) SE(쉘) 입자(NCM@LPSCl)를 손쉬운 메카노-퓨전(mechano-fusion) 방법으로 제조하였다. NCM 표면에 형성된 균일한 박막 SE 층은 전극 전체에서 SE의 균일한 분포를 가능하게 하며, 또한 사이클링 동안 양극 활물질의 부피 변화에도 불구하고 양극 물질과의 치밀한 물리적 접촉을 유지한다. 그 결과, 고체 전해질 함량의 증가 없이도 Li-ion 동역학이 향상된다. 그에 따라, 비특성 면용량이 4 mAh cm−1인 NCM@LPSCl을 이용한 전고체전지는 가역 용량의 향상(163.1 mAh g−1), 100회 사이클 후 90.0%의 사이클 성능, 및 속도 특성(0.1, 0.2 및 0.5 C에서 방전 용량 152.69, 133.80 및 100.97 mAh g−1) 등 강건한 전기화학적 특성을 보인다. 특히, NCM 함량이 높은(87.3 wt%) 양극에서 NCM@LPSCl 복합체를 사용하는 전고체전지는 신뢰할 수 있는 전기화학적 특성을 나타낸다.

전고체전지(ASSB)는 기존 리튬이온전지(LIB) 대비 높은 안전성과 에너지 밀도 때문에 주목받고 있다. 그러나 양극 활성 물질(CAM)과 고체전해질(SE) 간의 접촉이 불충분하거나, 양극에서 SE의 비율을 높게 사용하는 경우에는 에너지 밀도 향상이 저해된다. 충분한 Li-이온 경로를 보장하면서도 전해질의 비율을 낮게 유지하는 일은 어렵다. 본 연구는 SE 입자 크기 분포와 전극 미세구조 간의 상관관계뿐 아니라 Li-이온 및 전하 전달 동역학을 규명한다. SE의 크기를 제어하기 위해 스프레이-재결정화(spray-recrystallization) 방법을 도입하였다. 정교한 SE 크기 제어는 CAM과 SE 간의 친밀한 계면과 균일한 SE 분포를 가능하게 하여, Li-이온 수송 동역학을 향상시키고 그에 따라 전하 전달 저항(Rct) 및 Li-이온 이동 저항(Rion)을 감소시킨다. NCM/SR-LPSCl 양극을 사용한 전 전지는 실온에서 171.6 mAh g−1의 가역 용량, 100회 사이클 후 74.1%의 용량 유지율, 그리고 113.7 mAh g−1의 용량을 보였다. 황화물계 SE의 입자 분포가 Rion 및 Rct에 미치는 영향을 확인하였으며, 90 wt.% NCM을 포함하고 면용량(areal capacity)이 15 mAh cm−2로 높은 양극이 안정적으로 유지됨이 입증되었다.

롤투롤(roll-to-roll) 건식 공정은 고에너지 밀도 및 저비용 리튬이온전지(LIBs)의 제조를 가능하게 한다. 그러나 건식 공정으로 제작된 전극의 두께가 증가하여(≥10 mAh cm −2) 리튬이온의 이동 저항(Rion)과 전하이동 저항(Rct)이 전극 내부에서 급격히 증가하는데, 이는 리튬이온 및 전자의 장거리 확산 길이 때문이다. 따라서 고에너지 밀도 LIBs를 달성하기 위해 전극 내에서 확산 길이를 감소시키는 것이 중요하다. 면적당 용량이 10 mAh cm −2로 높고 저항이 낮은 건식 전극은 다음의 세 가지 특성을 통해 구현될 수 있다. 첫째, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더의 섬유화(fibrillization) 거동은 섬유화 공정 중 처리 온도를 조절하여 제어함으로써 PTFE 바인더와 카본 블랙(CB)의 균일한 분포를 가능하게 한다. 둘째, 다차원 전도성 첨가제를 통해 기공 크기/분포 및 전도성 네트워크를 설계하여 전극 내에서 리튬이온과 전자의 수송을 향상시킨다. 마지막으로, 리튬니켈 0.80 코발트 0.15 알루미늄 0.05 산화물(LiNi0.80Co0.15Al0.05O2, NCA) 입자의 구조적 무결성을 파괴 없이 향상시키며, 이를 통해 캘랜더링(calendering) 단계의 제어로 전극 내에서 균일한 기공 분포를 구현한다. 준비된 균질한 미세구조의 10 mAh cm −2 건식 전극은 확산 길이가 짧아져 Rion 및 Rct가 감소함을 보이며, 이는 부피 에너지 밀도 ≈710 Wh L −1 를 갖는 고부피 에너지 밀도의 LIBs에서 전기화학적 성능을 향상시킨다.

전고체전지(ASSB)는 높은 안전성과 에너지 밀도 때문에 궁극적인 차세대 충전용 배터리로 여겨진다. 그러나 고체 전해질(SE)의 불균일한 분포와 복잡한 화학-기계적 거동으로 인해 발생하는 열악한 리튬이온(Li-ion) 동역학은 전기화학적 특성이 저하되는 원인이 된다. 본 연구에서는 전기화학적 특성을 향상시키고 전고체전지의 에너지 밀도를 증가시키기 위해, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM)(코어)–Li6PS5Cl(LPSCl) SE(쉘) 입자(NCM@LPSCl)를 손쉬운 메카노-퓨전(mechano-fusion) 방법으로 제조하였다. NCM 표면에 형성된 균일한 박막 SE 층은 전극 전체에서 SE의 균일한 분포를 가능하게 하며, 또한 사이클링 동안 양극 활물질의 부피 변화에도 불구하고 양극 물질과의 치밀한 물리적 접촉을 유지한다. 그 결과, 고체 전해질 함량의 증가 없이도 Li-ion 동역학이 향상된다. 그에 따라, 비특성 면용량이 4 mAh cm−1인 NCM@LPSCl을 이용한 전고체전지는 가역 용량의 향상(163.1 mAh g−1), 100회 사이클 후 90.0%의 사이클 성능, 및 속도 특성(0.1, 0.2 및 0.5 C에서 방전 용량 152.69, 133.80 및 100.97 mAh g−1) 등 강건한 전기화학적 특성을 보인다. 특히, NCM 함량이 높은(87.3 wt%) 양극에서 NCM@LPSCl 복합체를 사용하는 전고체전지는 신뢰할 수 있는 전기화학적 특성을 나타낸다.

에너지 밀도가 높은 안전한 리튬이온 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 전고체 배터리(ASSB)의 개발이 추진되고 있다. 최근 수년간 Li 10 GeP 2 S 12 및 Li 6 PS 5 Cl과 같이 이온 전도도가 높은 유망한 고체 전해질(SE)의 개발이 이루어지면서, 고성능 ASSB의 병목은 더 이상 SE가 유발하는 느린 Li + 확산으로 인한 문제가 아니다. 또한 전기화학기계적(electrochemomechanical) 특성을 이해하고, SE와 활성 물질 사이에서 바람직하지 않은 부반응을 방지하며, 고급 포장(packaging) 기술을 적용함으로써 사이클 성능을 유의미하게 향상시킬 수 있었다. 그러나 활성 물질과 SE 사이 계면에서의 느린 Li + 동역학, 입자 간 계면 접촉의 불량, 두꺼운 SE 층, 그리고 리 덴드라이트(Li dendrite) 성장 등 여러 요인으로 인해 발생하는 저조한 출력 특성(rate capability)은 특히 전기자동차에서의 실용화를 제한하고 있다. 현재 배터리 기술의 발전에서 고율 성능(high-rate performance)은 무엇보다 중요하다. 본 총설에서는 ASSB에서 출력 특성을 좌우하는 매개변수에 대한 기본적 이해를 논의하고, 고율 성능을 향한 연구 전략 및 그에 대한 독특한 특징을 강조한다. 동역학적 속도 제한에 대한 논의와 연구 전략에 관한 관점은 빠른 충전을 위한 ASSB의 추가적인 발전을 촉진할 것으로 기대된다.

폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더 기반 롤-투-롤 건식 코팅 공정은 고에너지 밀도 리튬이온전지(LIB)에서 두꺼운 전극을 제조하기 위한 기존 슬러리 기반 방법의 유망한 대안으로 부상하였다. 그러나 이 공정에 나노 크기의 인산철리튬(LiFePO4, LFP)을 적용하는 일은 여전히 어렵다. 이는 나노 크기 LFP의 높은 비표면적이 단기(短期) 및 박막(薄膜) 형태의 PTFE 섬유 네트워크 형성을 유도하여, 낮은 PTFE 바인더 함량에서는 건식 양극의 기계적 건전성을 확보할 수 없기 때문이다. 그 결과, 나노 크기 LFP 건식 양극은 낮은 유연성과 기계적 취성 문제를 겪으며, 이는 롤-투-롤 공정에서의 적용성을 제한한다. 본 연구에서는 나노 크기 LFP의 입자 크기에 따라 달라지는 PTFE 바인더의 섬유화(fibrillization) 거동을 조사하여, 나노 크기 LFP 건식 양극에서 나타나는 기계적 열화의 기원을 규명하고자 하였다. 그 결과, 나노 크기 LFP는 과도한 PTFE 섬유화를 촉진하여 짧은 PTFE 섬유와 긴 PTFE 섬유를 모두 포함하는 연약하고 약한 네트워크를 형성함으로써 나노 크기 LFP 건식 양극의 기계적 열화를 유발하는 것으로 나타났다. 이 문제를 해결하기 위해, 나노 크기 LFP 건식 양극 내에서 두껍고 긴 PTFE 섬유 네트워크의 형성을 촉진하는 2단계 압출(two-step extrusion) 공정을 도입하였다. 이 전략을 통해 PTFE 바인더 2 wt%만으로도 나노 크기 LFP의 유연하고 기계적으로 견고한 양극 필름을 제조할 수 있었다. 개발된 LFP 건식 양극은 두꺼운 전극 설계와의 우수한 호환성을 보였으며, 높은 면적 용량(7 mAh cm-2, 2.7 g/cc)을 달성하여 차세대 LFP 기반 LIB를 위한 확장 가능한 해법을 제공하였다.

0.05 C에서, 500 사이클 동안 0.3 C에서의 사이클 안정성 및 출력(레이트) 성능.