<2023> 전고체전지 제조기술의 현재와 미래
부제 : 주요업체 개발동향 및 제조기술 심층분석
현재 가장 널리 사용되고 있는 리튬이온전지(LIB)의 성능은
새로운 전자제품과 전기차에 대한 폭발적인 수요에 힘입어 끊임없는 기술개발에 의해 향상되어 왔다. 특히
에너지밀도가 초기 80Wh/kg에서 최근엔 300Wh/kg이
넘는 수준으로 비약적으로 향상되었다. 하지만 높은 에너지밀도는 그만큼 화재나 폭발 위험성을
가지고 있다. 리튬이온전지는 기계적 손상, 과방전, 과충전으로 인해 전기적 결함, 내부과열, 외부로부터 이차적 열 방출 등이 발생해 폭발반응이 일어날 수 있다.
이러한 위험을 차단하기 위해 고체전해질을 적용한 차세대 전지기술로 전고체전지가 떠오르고 있다. 전고체전지의 megatrends는 「우수한 안전성」, 「높은 에너지밀도」, 「고출력」,
「넓은 사용온도」, 「단순한 전지구조」라고 말할 수 있다.
그렇기 때문에 폭발의 위험에서도 자유롭고, 또 고체전해질은 0℃ 이하의 저온이나 60~100℃ 고온에서 액체전해질보다 이온전도성이
향상된다는 장점이 있다.
SNE Research의 예측에 따르면 전세계 전고체전지 시장규모는 2022년 약 2,750만 달러(약
350억원)에서 연평균 180%의
높은 성장률을 나타내어 2030년 약 400억 달러의 큰
시장을 형성할 것으로 전망된다. 우리나라 정부도 향후 10년이
세계 이차전지 시장에서 각국의 위상을 결정짓는 중요한 시점이라고 보고, 「2030 이차전지산업(K-Battery) 발전전략」 수립과 함께 2027년 전고체전지 상용화를 목표로 기술개발을 지원하고 있다.
이차전지의 패러다임이 전고체전지로 급속히 변하는 상황에 대비하기 위해서는 전고체전지와 관련된 핵심소재 및
양산기술에 대한 선제적인 기술개발이 필요하다. 한편, 전고체전지의
상용화에 대한 예측이 2030년경으로 늦어지고 있는 데는 상용화에 이르지 못한 불충분한 소재개발 못지
않게, 아직 확립되지 않은 제조(생산)기술에도 큰 이유가 있다. 따라서,
본 보고서는 현재 가장 상용화 가능성이 큰 전고체전지의 셀 구성을 제안하고, 이를
제조하기 위한 재료와 공정기술의 이슈(과제)를 정리하고 이에
대한 해결방안을 제시하고자 한다.
또한, 전고체전지를 개발하는 주요기업의 발표자료 및 특허분석을
통해 각 사의 제조기술을 알아보았고, 문헌에 나온 제조기술 및 방법에 대한 고찰을 통해 장단점을 확인하고
적합한 제조공정에 어떤 것이 있는지 살펴보았다.
본 보고서의 Strong Point
①
전고체전지 기술동향 및 시장전망
②
고체전해질에 대한 전반적인 이슈 및 해결방안 제시
③
고체전해질을 전지에 적용 시 셀 구성 및 고려사항
④
전고체전지 셀 제조기술 및 제조공정 비교
⑤
Toyota, SES, Solid Power 등 주요기업 제조기술 동향
- Contents -
- 전고체전지 개요
1.1 전고체전지
1.1.1 리튬이온 이차전지의 한계---------------------------12
1.1.2 전고체전지의 개발 필요성--------------------------13
1.1.3 전고체전지의 응용분야-----------------------------14
1.1.4 전고체전지의 시장전망-----------------------------15
1.1.5 전고체전지 특허출원 현황--------------------------16
1.1.6 전고체전지 국가별 논문발표 현황--------------------18
1.2 전고체전지 고체전해질
1.2.1 고체전해질 종류 및 조성---------------------------19
1.2.2 고체전해질 종류별 주요 players---------------------20
1.2.3 고체전해질 주요 players 변화-----------------------21
1.2.4 고체전해질 종류별 특허출원 현황--------------------22
1.2.5 무기 고체전해질 종류별 특허출원 현황----------------23
1.3 전고체전지 기술동향
1.3.1 자동차 OEM별
R&D 현황 및 대처현황-----------------24
1.3.2 소재부품 개발사별 R&D 현황 및 대처현황--------------25
1.3.3 전지업체별 R&D 및 대처현황------------------------26
1.3.4 전지업체 및 자동차OEM의 고체 전해질별 대처 현황------28
1.3.5 전지업체별 전고체전지 생산예정 및 에너지밀도----------30
1.4 조사기관별 전망
1.4.1 조사기관별 전망----------------------------------31
1.4.2 전해질 종류별 시장전망----------------------------32
1.4.3 시장확대 단계------------------------------------33
1.4.4 고체전해질 종류별 시장----------------------------34
1.4.5 고체전해질 종류별 시장점유율-----------------------35
2.
고체전해질
2.1 산화물계
2.1.1 산화물계 전해질 속성---------------------------------37
2.1.2 산화물계 전해질의 관련 특성---------------------------38
2.1.3 산화물계 고체전해질의 종류별 이온전도도 및 적용분야-------39
2.1.3.1 NASICON계--------------------------------------40
2.1.3.2 Garnet계----------------------------------------41
2.1.3.3 Perovskite계-------------------------------------42
2.1.4 산화물계 전해질의 주요 이슈---------------------------43
2.1.5 산화물계 전해질의 구체적인 이슈 및 해결방안-------------44
2.2 황화물계 고체전해질
2.2.1 황화물계 고체전해질 장점 및 단점-----------------------45
2.2.2 황화물계 전해질의 관련 특성---------------------------47
2.2.3 황화물계 고체전해질의 종류별 이온전도도 및 적용분야-------48
2.2.4
LPS계----------------------------------------------49
2.2.4.1
LPS계
: 결정구조----------------------------------50
2.2.5 Thio-LISICON계--------------------------------------51
2.2.6
LGPS계---------------------------------------------52
2.2.6.1
LGPS계
: 구조 및 이온전도도------------------------53
2.2.7 Agyrodites------------------------------------------54
2.2.8 황화물계 전해질의 구체적인 이슈 및 해결방안--------------55
2.3 고분자 고체전해질
2.3.1 고분자 매트릭스 종류 및 특성------------------------56
2.3.2 고분자 전해질 종류 및 장단점------------------------57
2.3.3 고분자 전해질 특성--------------------------------58
2.3.4 고분자 전해질 이슈 및 해결방안----------------------59
2.4 고체전해질 호환성
2.4.1 전고체전지 셀에서 고려해야 할 사항-------------------60
2.4.2 양극-전해질 호환성 이슈----------------------------62
2.4.3 음극-전해질 호환성 이슈----------------------------63
3.
전고체전지 전극
3.1 양극
3.1.1 전고체전지 적용 양극활물질-------------------------65
3.1.2 양극활물질 동향----------------------------------666
3.1.3 양극 및 복합양극
processing------------------------67
3.2 음극
3.2.1 실리콘 음극--------------------------------------70
3.2.2
Si/Graphite 음극-----------------------------------71
3.2.3 리튬 음극----------------------------------------72
3.2.4 리튬금속 음극 processing---------------------------73
3.2.5 무음극
(Anodeless)--------------------------------75
3.2.6 박막 또는 무음극 적용------------------------------76
3.2.7 리튬금속 및 실리콘 음극 processing-------------------77
3.2.8 무음극과 다른 음극 비교----------------------------78
3.2.9 리튬금속 및 실리콘음극의 생산방법 비교---------------79
4.
전고체전지 셀
4.1 전고체전지 제조
4.1.1 고체전해질
processing-----------------------------81
4.1.2 셀 조립 (Cell
Assembly)----------------------------82
4.1.3 셀 완성 (Cell
Finishing)-----------------------------83
4.1.4 전고체전지 vs LIB 제조공정 비교---------------------84
4.1.5 전고체전지 재료
Cost------------------------------86
4.1.6 전고체전지 셀 제조비용-----------------------------87
4.1.7 전고체전지용 고체전해질 Cost 비교-------------------88
4.1.8 유망한 전고체전지 셀 컨셉--------------------------89
4.1.9 전고체전지 셀 제작--------------------------------90
4.2 산화물계 전고체전지
4.2.1 가장 유망한 셀 구성-------------------------------91
4.2.2 전지구조 측면에서 고려사항-------------------------92
4.2.3 전지 생산시 고려사항------------------------------93
4.2.4 주요 성능 지표-----------------------------------94
4.2.5 셀 컨셉 변화-------------------------------------95
4.3 황화물계 전고체전지
4.3.1 셀 구성-----------------------------------------96
4.3.2 전지구조 측면에서 고려사항-------------------------97
4.3.3 전지 생산시 고려사항------------------------------98
4.3.4 주요 성능 지표-----------------------------------99
4.3.5 구조(실리콘 음극 적용)-----------------------------100
4.3.6 Si/C 복합음극 적용 시 구조 측면에서 고려 사항---------101
4.3.7 Si/C 복합음극 적용 셀 생산 시 고려사항---------------102
4.3.8 Si/C 복합음극 적용 시 주요 성능 지표----------------103
4.4 황화물계 전고체전지
4.4.1 고분자계 전고체전지 구성--------------------------104
4.4.2 전지구조 측면에서의 고려사항----------------------105
4.4.3 전지 생산시 고려사항-----------------------------106
4.4.4 고분자계 전고체전지 주요 성능 지표-----------------107
4.5 셀 에너지밀도
4.5.1 각 소재에 대한 가정------------------------------108
4.5.2 중량 및 부피 에너지밀도---------------------------109
4.5.3 예상 시나리오 및 Roadmap------------------------110
5.
전고체전지 제조기술
5.1 실험실 셀 제작
5.1.1 실험실 수준 셀 제작------------------------------113
5.1.2
Powder pressing(圧粉)셀 제작공정-------------------114
5.1.3
Powder pressing 셀을
이용한 3전극 셀 제작공정--------116
5.1.4 Coin 셀 제작공정------------------------------------117
5.1.5 일본 NEDO 전고체전지
roadmap-----------------------118
5.1.6 Pouch
셀 제작공정 : NEDO 표준전지--------------------119
5.1.7 Pouch
셀 제작공정 : NEDO 실증셀----------------------120
5.1.8 Pouch 셀 제작공정 : NEDO 대면적 적층 실증 셀 제작-------121
5.1.9 Pouch
셀 제작공정 : 제1세대 전고체 실증셀
LIB-----------122
5.1.10 일본 NEDO : 차세대 전고체 실증셀 LIB-----------------123
5.2 셀 제조기술
5.2.1 전고체전지 타입에 따른 장단점-------------------------124
5.2.2 고체전해질 종류에 따른 적합한 제조방법-----------------125
5.2.3 CIP,
WIP, HIP 비교----------------------------------126
5.2.4 고체 전해질 종류에 따른 적합 방법---------------------127
5.2.5 전극/전해질 층의 조밀화(Densification)------------------128
5.2.6 복합전극(Composite electrodes) 및 분리막
제작-----------129
5.2.7 적층 제조공정--------------------------------------130
5.2.8 슬러리/용액 캐스팅 제조공정--------------------------131
5.2.9 압출 제조공정--------------------------------------132
5.2.10 테이프 캐스팅 제조공정-----------------------------133
5.2.11 전해액 주입 제조공정-------------------------------134
5.3 셀 제조공정
5.3.1 일반적인 LIB 제조공정-------------------------------135
5.3.2 전고체전지 : 양극 제조------------------------------136
5.3.3 전고체전지 : 음극 제조------------------------------137
5.3.4 전고체전지 : 셀 제조--------------------------------138
5.3.5 전고체전지 : Cell
conditioning-------------------------139
5.3.6 전고체전지 : 셀 가공
cost----------------------------140
5.3.7 전고체전지: 공정비교--------------------------------142
5.3.8 셀 전체
Flow--------------------------------------144
5.3.9 고체전해질 분리막 제조 Flow-------------------------145
5.3.10 고체전해질 분리막 제조 상세------------------------146
5.3.11 고체전해질 분리막(복합양극 위) 제조공정---------------147
5.3.12 음극 제조공정 Flow--------------------------------148
5.3.13 음극 제조공정 상세--------------------------------149
5.3.14 리튬 foil 제조공정---------------------------------150
5.3.15 복합양극 : 주요 제조공정
Flow-----------------------151
5.3.16 복합양극 제조공정 상세---------------------------152
5.3.17 복합양극 제조공정 및 설비------------------------153
5.3.18 셀 조립공정 주요 Flow---------------------------154
5.3.19 셀 조립 주요공정 상세---------------------------155
5.3.20 셀 조립 : 스택 제조 공정-------------------------156
5.3.21 셀 조립 : 제조 공정별 장단점 비교-----------------157
5.3.22 산화물계 고체전해질 적용 셀 제조공정--------------158
5.3.23 LIB 공정을 응용한 전고체전지 양,음극 전극제작-------160
5.3.24 LIB 공정을 응용한 전고체전지 후공정---------------161
5.4 셀 제조 방법
5.4.1 평면 press 및
roll press의 한계---------------------162
5.4.2
HIP(Hot Isostatic Pressing)와 Pressing과의 차이--------163
5.4.3 기존 소결방법과 HIP로 처리한 고체전해질 비교---------164
5.4.4 양극재 습식제조법--------------------------------166
5.4.5 양극 활물질의 표면 코팅---------------------------169
5.4.6 활물질 복합화/구형화------------------------------170
6.
주요기업 제조기술 동향
6.1 TOYOTA
6.1.1 전고체전지 셀 성능저하 요인 규명-------------------172
6.1.2 장기 사이클에서의 성능저하 문제--------------------173
6.1.3 성능저하 대책-----------------------------------174
6.1.4 대책 및 문제 해결--------------------------------175
6.1.5 전고체전지 적용 Step-----------------------------176
6.1.6 전고체전지 제조: Pressing 적용---------------------177
6.1.7 전고체전지 제조: 승화성 충전제 적용----------------180
6.1.8 Hot
isostatic pressing(HIP) 적용--------------------181
6.1.9 수지 packaging --------------------------------183
6.2 HONDA
6.2.1 전고체전지 제조방향-----------------------------188
6.2.2 전고체전지 Cell Prototype 제조공정-----------------189
6.2.3 전고체전지 제조공정 : 믹싱-----------------------190
6.2.4 전고체전지 제조공정 : 전극코팅--------------------191
6.2.5 전고체전지 제조공정 : 전극 roll pressing-----------192
6.2.6 전고체전지 제조공정 : 전극 slitting---------------193
6.2.7 전고체전지 제조공정 : 접합 roll pressing-----------194
6.2.8 전고체전지 제조공정 : 적층---------------------195
6.2.9 전고체전지 제조공정 : Tab용접, 조립, 실링--------196
6.2.10 전고체전지 제조공정 : Aging, 검사--------------197
6.3 Nissan
6.3.1 전고체전지 제조방향--------------------------198
6.3.2 전고체전지 제조공정 개요----------------------200
6.3.3 전고체전지 제조공정--------------------------201
6.4 SES
6.4.1 전체 Cell 구조-------------------------------206
6.4.2 Cell 성능------------------------------------207
6.4.3 Cell
P.P Line 주요공정-------------------------208
6.5 Solid Power
6.5.1 전고체전지 구조 및 개발 line-up------------------209
6.5.2 전고체전지 제조공정----------------------------210
6.5.3 Si 음극 EV 전고체전지
Roadmap------------------211
6.5.4 Li 음극 EV 전고체전지
Roadmap------------------212
6.5.5 전고체전지 생산 시점---------------------------213
6.6 Blue
Solution
6.6.1 LMP® 전고체전지 구조--------------------------214
6.6.2 전고체전지 제조공정----------------------------215
6.6.3 전고체전지
Roadmap---------------------------216
6.7
QuantumScape
6.7.1 전고체전지 Cell 성능---------------------------217
6.7.2 전고체전지 제조공정 및 Cell 특성-----------------218
6.7.3 전고체전지 Roadmap---------------------------219
6.8 ProLogium
6.8.1 전고체전지 Cell 구성---------------------------220
6.8.2 전고체전지 구조 및 성능------------------------221
6.8.3 전고체전지 Line 구성---------------------------222
6.8.4 전고체전지 주요 제조공정-----------------------223
6.9 Johnson
Energy Storage
6.9.1 Cell 정보 및 관련 특성--------------------------224
6.9.2
Slurry coating 공정-----------------------------225
6.9.3
co-extrusion 공정------------------------------227
6.10
TaiyoYuden(太陽誘電)
6.10.1 MLCC
Type 전고체전지 구성--------------------229
6.10.2 MLCC Type 전고체전지 제조공정-----------------230