하이브 에너지 기술유한공사 솔리드 스테이트 배터리 R&D 이사 진소걸은 포럼에 참석해' 전 솔리드 리튬 배터리 기술 개발의 도전과 사고' 라는 기조 연설을 발표했다.
다음은 강연실록이다.
전문가 선생님 안녕하세요! 그동안 중과원에서 오랫동안 일하다가 하이브에 가입했기 때문에 이 두 직장의 업무 경력을 결합해 여러분께 보고해 드리게 되어 영광입니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 일명언)
먼저 배경 소개를 하겠습니다.
솔리드 스테이트 배터리의 주요 장점은 다음과 같습니다.
1, 고체 전해질은 가연성 및 폭발성 전해질을 대체하기 때문에 비교적 안전하다.
2. 고체 전해질의 비유동성은 전기심 내부에서 직렬로 상승할 수 있으며, 한편으로는 전기심의 패키지 비용을 낮출 수 있고, 한편으로는 부피에너지 밀도를 높일 수 있다.
3. 상대적으로 안전하기 때문에 패키지 수준에서 냉각 시스템을 생략하거나 적게 사용하여 공간 활용도를 더욱 높일 수 있습니다. 또한 더 높은 전압의 정극 소재와 일치시켜 리튬 금속 음극을 가능하게 할 수 있다고 여겨진다.
이러한 우세로 인해 국내외에서 광범위한 기술 연구를 전개하였다. 전 고체 기술로 볼 때 가장 대표적인 기업은 도요타와 삼성이다.
특허 출원 추세로 볼 때, 사실 1970 년대부터 유럽과 미국은 고분자 전해질을 먼저 신청했다. 2000 년 이래로 무기 고체 전해질 재료는 이미 대규모로 적용되었는데, 주로 일본에서 사용되었다.
우리나라는 20 10 이 되어서야 무기 고체 전해질을 대규모로 신청했고, 최근 몇 년 동안에도 폭발적인 성장을 보이고 있어 기술의 열기를 알 수 있다.
업계는 이 기술에 대해서도 높은 열정과 관심을 가지고 있다. 도요타, 대중, 포드, BMW, 벤츠 등 매우 유명한 회사와 위대한 회사들. , 이미 이 기술에 투자하고 배치했습니다. 도요타는 이번 달 도쿄올림픽에서 전 고체 배터리를 채택한 컨셉트카를 선보일 예정이다.
돌이켜 보면 고체 전해질의 종류가 매우 많은데, 산업화 시도에는 황화물, 산화물, 중합체의 세 가지가 있다.
실온전도율로 볼 때 황화물은 높고, 그다음은 산화물, 중합체가 가장 낮다.
고분자 전해질 전 고체 배터리.
가장 전형적인 중합체는 PEO 입니다. 일반적으로 산소 원자와 리튬 이온은 착화, 해리, 착화 전도성으로 여겨진다. PEO 결정도가 비교적 높기 때문에 실온에서 자유롭게 움직이는 부피는 비교적 작고 전도율은 보통 비교적 낮으며 10 의 음의 6 배에 불과하다.
일반적인 수정 방법은 이온을 전도하는 빠른 이온 도체와 이온을 전도하지 않는 불활성 충전재를 포함한 무기 충전재를 추가하는 것입니다.
무기 유전체 도입을 통해 두 가지 이점을 얻을 수 있습니다.
(1) 루이스 산-염기 이론을 이용하여 리튬 이온의 이동 수를 높일 수 있다.
(2) 가교 센터를 형성하여 PEO 의 청결도를 낮추고 전도성과 기계적 성능을 높인다.
이전에 이 방면에서 많은 연구를 했는데, 전반적으로 전도율은 마이너스 4 급 10 에 이를 수 있다.
무기복합물 외에도 분자구조의 설계 측면을 통해 개조할 수 있으며 가교, 접지, 중합 등을 통해 열경화나 광경화를 할 수 있다. 유감스럽게도 현재 전도율은 여전히 10 의 마이너스 3 을 초과하지 않는다. 특히 실온에서는 더욱 그렇다.
고분자 전 고체 시제품 리튬 배터리의 검증에서 우리는 한 가지 일을 한 적이 있다. 인산 철 리튬 극판 표면에 직접 작은 단체 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
아쉽게도 전해질의 전도율은 비교적 낮기 때문에 플렉서블 배터리는 60 도 이하에서만 더 나은 배터리 성능을 얻을 수 있다. 중합체의 비유동성을 더욱 이용하여 내부 연결 구조를 검증하고 실현하였다. 실제로 패키지와 배터리 장치 패키지 중 하나에서 내부 승압을 실현할 수 있습니다.
산업화 방면에서 약뢰 기술은 택시 3000 대, 최근 벤츠, 메르세데스-벤츠의 전기버스에서의 응용을 포함한다. 그들이 채택한 생산 방식은 주로 돌출과 볼륨 대 볼륨 대량 생산이다.
전체 배터리 유닛은 인산 철 리튬을 양극으로, PEO 를 전해질로, 금속 리튬을 음극으로 사용한다. 전체 배터리 모듈에는 냉각 시스템이 필요하지 않으며 전체 셀은 60-80 도까지만 작동합니다. 사실, 이 온도에서 중합체는 용융 상태에 있기 때문에 어느 정도의 기계적 강도가 부족합니다. 최근 일부 절연 단락 사건으로 소환되었습니다.
일반적으로 중합체의 장점은 분자 구조 설계가 유연하여 공간이 크다고 상상하는 데 있다. 또한 프로세스는 비교적 간단하며 호환성과 안정성이 뛰어납니다.
문제는 리튬 이온의 전송 성능이 아직 높지 않다는 점이다. 특히 창문이 좁고 리튬 이온 전송 메커니즘, 역학 및 거시적 성격에 대한 기본적인 인식이 여전히 문제가 있다는 점이다.
산화물 전해질 시스템을 갖춘 전 고체 배터리.
여기에는 많은 전문가들이 있다. 만약 내가 틀렸다면, 나를 바로잡아 주세요. 산화물의 주요 유형은 페 로브 스카이 트, 나시콘 및 가닛입니다.
페 로브 스카이 트의 전형적인 대표자는 LLTO 이며 일반적으로 높은 이온 전도도를 가지고 있지만 단점은 금속 리튬과의 접촉이 불안정하여 4 가 티타늄을 3 가 티타늄으로 환원시킬 수 있다는 것입니다.
나시콘의 전형적인 대표는 LATP 와 LAGP 입니다. 보통 전도율은 10 의 음의 4 배에 불과하지만 안정성이 좋고 전기화학 창구가 넓어 분말 비중이 가볍다. 그 단점도 뚜렷하다. 전도율이 낮고 세라믹 전해질이 약하고 유연하지 않아 리튬에 불안정하다.
LLZO 는 전형적인 가닛형으로 전도율이 높고 10 의 음의 3 배에 달하며 전기화학 창구가 넓다. 하지만 합성가격은 비교적 높고 비중이 크고 플레이크가 바삭해서 공기 중에 부작용이 있을 수 있습니다.
벌집 에너지는 분말과 도자기를 포함한 산화물을 축적하여 상응하는 연구를 했다. 산화물 전 고체 리튬 배터리 검증 방면에서 LAGP 도자기를 전해질막으로, 인산철 리튬을 양극으로, 금속 리튬을 음극으로, PEO 로 보호했다.
전체 배터리는 60 도의 작동 온도에서 매우 좋은 순환을 가지고 있지만 도자기 조각을 얇게 하고 비중을 낮추는 것은 큰 기술적 도전이다.
산업화에서 산화물에 대한 연구는 주로 일본과 한국에서 이루어지는데, 주로 마이크로장치에 센서와 컴퓨터 칩을 포함한 전 고체 배터리 응용이 있기 때문이다.
물론, TDL 은 유기농과 무기복합적인 방법으로 소프트포장 배터리를 만들 수도 있고, 2 안시와 4 안시의 소프트포장 배터리를 만들 수도 있지만, 배터리는 비교적 높은 온도 환경에서 작업해야 한다.
오른쪽 그림은 그동안 매우 유행했던 Quantum Scape 기술입니다. 기술의 핵심은 도자기 조각을 얇게 만들고, 기본적으로 유연하며, 단체 배터리는 매우 좋은 배터리 성능을 보여 주는 것이다.
나는 여전히 배터리를 크게 만들기가 어렵다고 생각하기 때문에 산화물 안정성은 전반적으로 매우 좋은 장점이다. 문제는 실온전도율이 낮고, 입자가 중대하고, 성막성이 나쁘고, 부분적으로 공기에 민감하며, 스택 기술이 어느 정도 어렵다는 것이다.
황화물 전해질 시스템을 갖춘 전 고체 배터리.
황화물 전해질은 황-리튬 체계를 가지고 있는데, 보통 삼원 체계와 이원체계로 나뉜다.
1, 3 진.
황화리튬과 오황화이인 외에도 세 번째 성분, 보통 황화 실리콘, 황화석, 황화알루미늄을 도입하여 높은 전도율로 3 차원 이온 채널을 만들 수 있다.
하지만 황화 게르마늄, 황화규소는 가격이 매우 비싸서 그램당 400 ~ 500 원, 그리고 많은 회사들이 저장문제로 생산이 중단되었기 때문에 산업화를 하려면 이 재료들의 원가를 통제하는 것이 큰 도전이 될 수 있다고 생각합니다.
2. 바이너리.
이름에서 알 수 있듯이 이원체계는 황화리튬과 오황화이인의 두 가지 원료를 사용한다. 황화 리튬은 황화물 전해질 비용의 70% 이상, 심지어 90% 를 차지하며, 황화 리튬의 사용량을 줄여 비용을 더욱 통제할 수 있는 방법을 생각해 볼 수 있다.
3, 은 게르마늄 황화물 광석.
가장 전형적인 예는 삼성과 히타치 조선의 공개 보도에 사용된 6 인산 황 리튬이다.
준비 방법의 경우, 일반적으로 볼 밀링, 용융 추출법, 액상법, 최근의 기상법이 있다. 저는 이것들이 모두 좋은 발전이라고 생각합니다. 양산 과정에서 비용을 더 낮출 수 있습니다.
마지막으로, 나는 황화 리튬 합성의 최적화를 언급하고 싶다. 사실, 전체 산업 사슬이 형성되지 않았기 때문에 황화인의 합성 방안에 대한 관심이 별로 없다. 사실 황화 리튬의 합성 방안은 매우 많다.
전해질 재료의 비용을 낮추는 관점에서 원료 황화 리튬의 합성 방안을 최적화해 규모화를 실현하면 킬로그램당 9000 원 이하까지 할 수 있다. 전해질 성분 설계의 최적화와 함께 비용을 킬로그램당 5,000 원 이하로 낮추고 규모 효과를 톤당 654.38+0 만 이하로 낮출 수 있습니다. 이것이 비용 통제의 아이디어입니다.
물론 안정성도 있습니다. 우리 모두는 황화물이 불안정하다고 말한다. 실제 생산 과정에서 우리는 건조실의 안정성을 포함하여 용제의 안정성에 직면해야 한다.
우리의 이전 작업에 따르면 비극성 용제와 도핑 원소를 선택하면 어느 정도 개선될 수 있다.
리튬의 안정성에 관해서는 이원체계가 삼원체계보다 더 안정적이다. 왜냐하면 그것은 역반응이기 때문이다. 또한 요오드화 알루미늄 도핑 3 14 시스템과 같은 재료 개조를 통해 안정성을 크게 향상시킬 수 있으며, 리튬 금속 보호 등을 포함한 인터페이스 수정도 가능합니다. 을 (를) 사용하여 보강 철근 후크를 배치하고 방향을 지정합니다.
산업화 방면에서 고체 동력은 전통적인 리튬 배터리 제비 방법을 채택한 것으로 널리 보도되었다. 이에 따르면 사출, 성형, 배기 등의 모든 장비와 장소를 줄이고 계산 비용을 34% 절감할 수 있다고 합니다.
솔리드 스테이트 코어는 상대적으로 안전하기 때문에 배터리 팩 수준에서 냉각 시스템이 필요하지 않으므로 그에 따라 9% 낮출 수 있습니다. 전체 코어는 NMC 삼원 고 니켈 시리즈를 채택하고, 음극은 고 실리콘 음극과 금속 리튬, 전해질은 황화물이다.
이들은 올해 로드맵 340 WHr/kg 와 720 WHr/L 을 계획하고 있으며 2026 년에는 리튬 금속이 2026 년보다 늦을 것으로 예상하고 있다.
황화물의 가장 큰 장점은 실온 전도율이 높고 질이 부드럽다는 것이다. 도전은 안정성이 떨어지는 것이다. 이것은 정말 어렵고, 공학기술은 매우 어렵다.
또 한 가지 간과되는 것은 전 고체 배터리가 작업 과정에서 외부의 구속 압력이 필요하다는 점이다. 현재 우리 국내의 이 방면에 대한 연구는 비교적 공백이며, 일본은 배터리, 모듈, 팩의 여러 차원에서 해결책을 제시하여 참고할 수 있습니다.
다음으로, 전 고체 벌집 에너지의 진전을 여러분께 보고하고 싶습니다. 첫째, 우리는 건조 실내에서 2 시간 동안 96% 의 전도율을 유지할 수 있는 전해질 재료를 개발하여 이미100g 의 용량을 형성했다.
더 나아가, 우리는 정극을 만들어 제곱센티미터당 4 mAh 의 정극 극편을 개발했다. 실온에서 0. 1C 충전방전으로 96.3%, 복제량은 220 에 이른다. 이 0. 1C 의 속도는 현재의 수위에 완전히 접근할 수 있다.
루프에서, 우리는 1/3 C 의 비율을 선택했습니다. 이 루프에서 현재 더 나은 루프를 가질 수 있지만, 확대율에서 다음 단계에 초점을 맞추어야 합니다.
동시에, 우리는 또한 극편을 더 두껍게 만들어 제곱 센티미터당 5 mAh 두께의 전극이 되고 싶다. 불행히도, 첫 번째 효과는 이미 감소했고, 용량보다 더 많이 잃었다. 이것은 다음에 해결해야 할 난제이다.
전해질막의 경우, 우리도 습법막을 채택하고 있으며, 상온에서 두께는 20-30 미크론에 이를 수 있으며, 기본적으로 삼성이 보도한 자료에 가깝다. 하이브 에너지는 재료 공예, 부품, 부품, 테스트 등에 축적되어 있으며 54 개의 특허를 출원했다.
현재 개발 중인 것은 AH 급 전 고체 리튬 배터리입니다. 양극은 삼원 고 니켈 재료를 사용하며 음극은 주로 실리콘 기반 합금 재료를 사용하며 전해질과 전해질막은 우리가 자체 개발한 것이다. 에너지 밀도가 320 WHr/kg 에 달하고 보안이 완벽하게 보장됩니다. 침술과 절단 및 연소에 대한 시연도 통과했습니다.
넷째, 요약과 전망.
산화물, 중합체, 황화물은 모두 각자의 장단점이 있다. 우리는 핵심 재료 고체 전해질의 혁신과 돌파구가 전 고체 기술의 응용을 가속화하는 열쇠라고 생각한다. 우리는 또한 할로겐화물 등 신소재의 출현을 보고 우리에게 더 많은 선택권을 주었다.
재료 외에 가공 차원의 문제도 해결해야 하는데, 주로 네 가지 측면을 포함한다.
(1) 재질 및 인터페이스 제어가 향상되었습니다.
(2) 처리 된 문제와 비용을 해결하십시오.
(3) 고급 리튬 이온 배터리의 성능을 능가합니다.
(4) 비용 및 에너지 밀도에 영향을 주지 않고 솔리드 스테이트 배터리 팩의 최적 스택 압력을 유지합니다.
Dell 은 3C 소비자 제품, 특수 배터리 등의 어플리케이션 수요에 대한 모든 솔리드 스테이트 배터리가 단시간 내에 실현될 것으로 믿습니다. 실제로 일본 우주 분야에서는 이미 달성되었습니다. 전 솔리드 스테이트 배터리는 전기 자동차의 성능, 비용 및 제조성을 충족하기 위해 더 많은 시간이 걸릴 수 있습니다.
혁신을 통해 전진하고 위대한 회사를 만드는 것을 목표로 하는 기업으로서, 벌집 에너지는 이 기술의 발전에 계속 관심을 기울일 의향이 있다. 감사합니다!