푸자 바드바 
프라나브 나가베이카르 푸자: 기존의 리튬 이온 배터리에는 양극과 음극이라는 두 개의 전극이 있으며, 전지를 방전하면 리튬 이온이 양극에서 이동하여 음극으로 삽입됩니다. 액체 전해질로 채워진 전극과 폴리머 분리막은 셀의 단락을 방지하기 위해 사용됩니다. 전극은 전자가 흐르는 외부 회로에 연결되어 있으며 셀을 방전하면 전기 자동차에 전력을 공급하는 데 사용되는 전류가 출력됩니다. 전고체 배터리의 원리는 동일하지만 분리막과 액체 전해질을 제거하고 대신 두 전극 사이에 고체 전해질이 있습니다. 고체 전해질은 흑연 양극의 이론 용량의 10배에 달하는 리튬 금속 양극을 가능하게 하여 전지 에너지 밀도를 두 배로 높일 수 있습니다. 리튬 금속은 반응성이 높으며 사이클링 중에 전지를 단락시키는 덴드라이트를 형성할 수 있습니다. 고체 전해질은 가연성 액체 전해질이 없기 때문에 기계적으로 수상돌기 형성을 방지하고 전지의 안전성을 높일 수 있습니다.
프라나브: 고체 배터리는 기본적으로 액체 전해질이 없는 리튬 이온 배터리입니다. 액체 전해질은 고체 전해질로 대체되기 때문에 이러한 배터리를 고체 상태 배터리라고 합니다. 많은 사람들이 솔리드 스테이트 배터리가 기존의 리튬 이온 배터리와 완전히 다른 유형의 배터리라는 사실을 혼동합니다. 그렇지 않습니다. 액체 전해질이 이제 고체 전해질로 바뀌었을 뿐입니다.
리튬 이온 배터리와 모든 솔리드 스테이트 배터리 프라나브: 우리 모두가 알고 있듯이 배터리 업계의 모든 사람들은 몇 가지 예를 들면 더 많은 에너지 밀도, 더 적은 충전 시간, 더 나은 수명 주기를 얻는 것과 같은 EV 전환의 주요 과제 중 일부를 극복하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다. 새로 개발된 음극, 더 높은 비율의 니켈, 실리콘 내장 양극으로 이러한 전지의 에너지 밀도가 크게 향상되었지만 동시에 열적으로 덜 안정적입니다. 게다가, 충전 시간의 상대적인 개선은 더 적습니다. 기존 리튬 이온 전지의 경우 이러한 모든 매개변수와 관련하여 포화 수준에 접근하고 있는 것 같습니다. 더 높은 에너지 밀도, 더 나은 열 안정성 및 더 짧은 충전 시간을 얻기 위해 우리는 새로운 유형의 기술로 전환해야 하며 이것이 솔리드 스테이트 배터리가 필요한 이유라고 생각합니다.
푸자: 몇 가지 흥미로운 점이 있습니다. 사람들이 고려하지 않는다고 생각하는 또 다른 영역은 지속 가능성에 대한 강조가 증가하는 항공 산업이며, 이륙 또는 착륙 시와 같이 항공기의 전기 추진 시스템에 부분적으로 또는 전체에 전력을 공급하기 위해 고체 배터리를 사용하는 데 관심이 있습니다. NASA는 또한 향상된 재충전 가능성과 안전성을 위해 고체 배터리를 만들 것이라고 발표했는데, 이는 정말 유망한 일입니다.
프라나브: 솔리드 스테이트 배터리의 기본 작동 원리는 기존 리튬 이온 배터리와 동일합니다. 기존의 리튬 이온 배터리에서 음극의 리튬은 리튬 이온과 전자로 분리됩니다. 전자는 외부 네트워크를 통해 이동하는 반면 리튬 이온은 액체 전해질을 헤엄쳐 양극에 도달합니다. 솔리드 스테이트 배터리의 경우 거의 동일합니다. 문제는 – 이온을 양극에서 음극으로 또는 그 반대로 어떻게 이동합니까? 기본적으로 우리는 확산이라고 하는 것을 사용합니다. 고체 전해질 격자 내에서 리튬 이온 위치를 재배치하고 현재 격자 구조 내에 일부 공석을 생성하여 리튬 이온이 한 격자 위치에서 다른 격자 위치로 "호핑"할 수 있도록 하여 양극에서 다음으로 이동합니다. 음극과 그 반대. 배터리 작동 부분의 유일한 차이점입니다.
푸자: 액체 전해질과 분리막을 제거하면 전고체 배터리가 더 작아지고 리튬 금속 양극을 사용하면 체적 에너지 밀도가 증가합니다. 고체 전해질 격자를 통해 희망하는 리튬 이온은 상대적으로 빠른 과정이지만 고체 상태 배터리에서도 계면 문제가 발생합니다. 양극과 음극에 고체 계면이 있고 저항이 높을 수 있기 때문에 고려해야 할 사항입니다. 이 문제를 해결하기 위해 노력하는 많은 산업 분야에서 활발한 연구 활동을 펼치고 있습니다.
푸자: 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 음극에는 여전히 코발트, 망간 및 니켈이 포함됩니다. 우리는 액체 전해질만 교체하고 있습니다.
Pranav: 예, 음극은 동일합니다. 솔리드 스테이트 배터리에 코발트, 망간 및 니켈이 포함되어 있지 않다는 사실에 많은 혼란이 있지만 반드시 그런 것은 아닙니다. 다른 음극을 사용할 가능성이 있지만 현재의 음극은 고체 배터리를 사용해도 여전히 사용됩니다.
푸자: 고체 전해질의 한 가지 장점은 니켈이 높고 코발트 함량이 낮은 고전압 음극을 사용할 수 있다는 것입니다. 이는 대부분 비윤리적으로 생산되는 코발트를 감소시키고 용량에 작동 전압 창을 곱한 값입니다. 고체 전해질을 고전압 음극과 함께 사용할 수 있는 이유는 일부 고체 전해질은 0~5V 사이에서 안정적인 작동 전압 범위를 갖고 있고 5V는 많은 액체 전해질이 곧 분해되기 시작하는 곳이기 때문입니다(약 3 -4V). 그러나 솔리드 스테이트 배터리의 경우 양극 물질이 무엇으로 구성될지 명확하지 않습니다. 리튬인산철(LFP) 음극과 같이 코발트, 니켈 또는 망간이 없는 재료를 사용하는 경우 윤리적으로 더 좋지만 EV의 경우 에너지 밀도를 높이기 위해 고전압 음극을 원하므로 니켈 기반이어야 합니다.
또 다른 요점은 고체 전해질 재료를 분류하는 방법입니다. 무기 및 유기 전해질이 있습니다. 후자는 일반적으로 일종의 고분자 전해질을 사용하지만 이온 전도도가 낮기 때문에 EV 애플리케이션에는 사용하지 않는 경향이 있습니다. 많은 분류가 있지만 무기물을 볼 때 주요 두 가지는 산화물과 황 물질입니다. 산화물은 단단한 세라믹으로 쉽게 구할 수 있지만 약 1000~1200도의 고온에서 소결해야 합니다. o C 및 많은 비용이 소요됩니다. 유황 기반 화학 물질은 더 부드러운 재료이므로 고온에서 처리할 필요가 없다는 장점이 있지만 유황이 수분과 반응하면 H2를 생성합니다. S 가스는 유독하므로 생산 라인이 있을 때 이러한 사항을 고려해야 하며 CO2 배출.
푸자: 충전 시간 단축; QuantumScape는 자사의 셀이 15분 만에 80% 용량까지 충전할 수 있다고 인용했는데, 이는 오늘날 업계 표준(약 30-40분 정도)에 비해 훨씬 적은 시간이며, 이를 할 수 있는 주된 이유 중 하나는 충전이 필요 없기 때문입니다. 고체 상태 배터리의 가연성 액체 전해질이므로 더 빠른 속도로 충전할 때 셀 온도 증가에 대해 생각할 필요가 없습니다.
프라나브: Pooja가 언급했듯이 빠른 충전 시간은 SSB의 큰 이점이 될 것입니다. 15분 동안 80%는 5분 동안 약 26%를 충전한다는 의미입니다. 400km를 주행한다고 가정해도 5분의 급속 충전으로 100km 이상을 주행할 수 있는 셈이다. 꽤 인상적이다. 그 외에도 향상된 배터리 패키징은 디자인 엔지니어링 관점에서 볼 때 또 다른 장점이라고 생각합니다.
QuantumScape는 단일 레이어 셀을 성공적으로 적층했으며 이제 파일럿 생산으로 이동할 때 다층 솔리드 스테이트 배터리 셀을 개발할 것이라고 밝혔습니다.
푸자: 아직 풀팩을 해본 사람이 없어서 뭐라 말씀드리기 어렵습니다. 원칙적으로 재활용이 가능해야 합니다. 그러나 재활용을 통해 재료를 추출하는 것이 비용 효율적입니까? 궁극적으로 그것은 고체 전해질의 화학적 성질에 달려 있습니다. 고체 전해질의 고체 특성으로 인해 액체 전해질에 비해 성분 추출이 더 쉽습니다. 그리고 유황 고체 전해질을 사용하면 유황이 매우 싸서 재활용에 효과적이지 않을 수 있습니다. 세라믹 고체 전해질을 사용하는 경우 고온 처리가 필요하여 생산 비용이 비싸므로 재활용 비용을 정당화할 수 있습니다. 아직 솔리드 스테이트 배터리 EV가 없기 때문에 이러한 사항이 완전히 고려되지 않았다고 생각합니다.
Pranav: 정확히. 고체 전해질 부분을 제외하고 나머지 부분은 기존 배터리와 동일하므로 재활용 측면에서 동일한 경로로 계속 진행되어야 합니다.
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푸자: 솔리드 스테이트 배터리는 두 배의 에너지 밀도를 제공하며 본질적으로 안전합니다. 문제는 기술적인 문제와 이를 비용 효율적인 방식으로 EV용 대형 셀로 확장하는 것입니다.
Pranav: 발전 측면에서 솔리드 스테이트 배터리(SSB)는 여러 수준에서 문제에 직면해 있습니다. 기술적인 관점에서 SSB는 고체 전해질과 양극 및 음극 사이의 접촉인 전해질-전극 계면 자체에 문제가 있습니다. 고체 셀 계면은 이온이 흐를 때 에너지 측면에서 많은 문제를 발생시킵니다. 기계적 상태에도 문제가 있습니다. 고체 전해질은 배터리 팩을 만들 때 셀을 쌓는 압력으로 인해 깨질 수 있습니다. 그런 다음 이러한 배터리를 생산량에 맞게 확장하기 위한 상용화 문제가 있습니다.
푸자: 나는 생산이 다를 수 있다는 데 동의하지만 이것이 큰 문제라고 보지 않습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 원통형 형식으로 감을 수 있을 만큼 충분히 유연하지 않기 때문에 원통형 셀로 만들 수 없습니다. 따라서 현재의 리튬 이온 배터리 생산 라인은 파우치형 셀에 적응해야 합니다. 그러나 고가의 모듈을 사용하지 않고 셀을 팩에 직접 넣을 수 있다면 셀 형식을 변경해야 할 수도 있지만 무게와 비용을 줄이는 측면에서 이점이 있기 때문에 이점이 있습니다.
장기적으로 가장 큰 문제는 압력과 수상돌기 문제입니다. 앞에서 이야기한 고체 전해질은 또한 리튬 수지상이 전극 사이로 들어가 단락을 일으키는 것을 방지하는 장벽 역할을 합니다. 스택 압력을 적용하면 더 나은 계면 접촉을 제공하여 덴드라이트 형성을 줄일 수 있습니다. 배터리가 짧은 수명 및 느린 충전 속도와 같은 솔리드 스테이트 배터리를 괴롭히는 모든 핵심 문제를 해결한다고 말하는 QuantumScape조차도 여전히 3.4 기압에서 셀을 순환하고 있습니다. 움직이는 차량에서 이것을 할 수 있습니까? 종종 1MPa는 EV의 실행 가능한 압력으로 보고되므로 이를 목표로 해야 합니다. 솔리드 스테이트 배터리에 대해 동일한 셀 성능이 필요하지만 셀 스택만으로도 적용할 수 있는 현실적인 압력이 필요합니다.
유황 전해질을 사용하는 경우 유황이 공기에 노출되어 유독 가스가 방출되는 충돌 문제가 여전히 있습니다. 산화물 전해질은 이러한 유독 가스를 발생시키지 않지만 소결을 위해 높은 온도를 필요로 하는 고가이다. 따라서 황 전해질의 전해질 소결 온도 감소와 습기에 민감한 챔버 구축과 관련된 비용 사이에는 균형이 있습니다.
또 다른 문제는 초기 화학 비용이 더 적게 든다 하더라도 리튬 이온보다 비싸기 때문에 고체 상태 배터리의 전체 제조 비용을 줄이기 위해 충분한 기가팩토리를 구축하는 것입니다.
충전소에서 충전 중인 순수 전기 볼보 C40 및 XC40 프라나브: 그것은 현재 상태와 거의 맞는 것처럼 들립니다. 아직 제대로 된 풀 스케일 모델도 없습니다. 상용화 부분은 이들 세포의 생산이 어떻게 적응하느냐에 달려 있다.
푸자: 구체적으로 2030년대인지 2034년인지는 이 회사들이 다른 고체 전해질 재료를 보고 있고 모든 관련 비용과 생산 라인이 다르기 때문에 매우 어렵습니다. 그래서 말하기에는 너무 이르지만 더 저렴하다고 보지 않습니다 이 기간 이전의 리튬 이온 배터리보다.
푸자: 예, 그들은 가연성이 아니기 때문에 실제로 이점이 있습니다. 따라서 더 높은 온도와 심지어 수상 돌기가 형성되는 것처럼 보이는 더 낮은 온도에서도 사용할 수 있습니다. 따라서 팩은 약간 더 비싸지만 작동 중 높은 온도 범위가 필요할 수 있는 항공 우주 또는 고성능 차량과 같은 더 많은 응용 분야에 사용할 수 있습니다. EV가 대중화됨에 따라 기업은 생산을 늘리고 비용을 낮추어 규모의 경제를 달성할 수 있습니다.
프라나브: 네, 이것은 솔리드 스테이트 배터리의 주요 하이라이트 중 하나입니다. 넓은 온도 범위.
프라나브: 예. 그들은 값비싼 냉각 시스템이 필요하지 않습니다. 냉각 시스템이 필요하지 않을 수도 있습니다. 또한 이는 EV 제조업체가 이 공간을 사용하여 더 많은 배터리를 장착하거나 기존 배터리 크기를 보다 효율적으로 패키징할 수 있음을 의미합니다.
푸자: 그렇습니다. 그렇게 하면 제작 비용도 절감할 수 있습니다.
프라나브: 승용차용 전기 자동차, 우리가 언급한 것처럼 항공 측면에서 많은 연구가 진행 중이므로 응용 프로그램 중 하나로 나올 수 있지만 내가 읽은 바에 따르면 먼저 EV에서 보게 될 것입니다.
푸자: 예, 동의합니다. 하지만 비용 때문에 더 고급 EV라고 말할 것입니다. 안전과 에너지 밀도가 가장 중요하고 비용이 문제가 아닌 모든 응용 프로그램에서 가장 먼저 보게 될 문제이므로 Pranav가 말한 대로 항공입니다. 배터리가 매우 저렴하기를 원하고 에너지 밀도나 크기가 중요하지 않은 그리드 규모 또는 해양 애플리케이션의 경우 산업에서 솔리드 스테이트로 보지 않을 것입니다.
프라나브: 모든 자동차 제조업체는 모든 프로젝트에 대한 타임라인을 설정해야 하며 2025년은 공격적인 목표입니다. 비록 데모에서는 완전히 가능하지만 그때까지는 생산 준비가 완료되지 않은 것으로 보입니다.
푸자: 저는 학문적 측면에서 먼저 수상돌기 문제를 해결해야 한다고 말하고 싶습니다. QuantumScape가 수상 돌기 문제를 해결했다는 말을 듣고 현재 단일 파우치 셀의 일부를 형성할 10개 층 셀을 가지고 있다고 가정해 보겠습니다. 그들의 초기 사이클링 테스트는 단일 레이어 셀에서 수행되었으므로 10개 레이어 셀에서 이러한 결과를 재현해야 합니다. 일단 10개 층 셀이 잘 작동하면 이 파우치 셀을 팩에 통합해야 하며, 이는 1~2년 후에 프로토타입 차량에서 시도하고 동시에 생산 라인을 구축해야 합니다. 먼저, 일단 전체 팩에 넣었을 때 기가팩토리로 확장할 가치가 있는지 확인하는 데 필요한 성능을 얻고 있는지 확인해야 합니다.
Solid Power는 2Ah 파우치 셀을 만든 또 다른 회사로 현재 20Ah를 생산하고 있습니다. 기간이 꽤 멀긴 하지만 적어도 1~2년 안에 이것이 상용화되고 앞서 언급한 문제가 해결된 EV에 통합되는지 여부는 알 수 있을 것이라고 생각합니다. 그때가 바로 흥분할 시간이지만 멀지 않은 시점입니다. 실험실에서 제조로 이동하고, 충분한 돈과 투자자가 있으면 신속하게 생산 라인 시설을 만들 가치가 입증됩니다.
BMW 그룹과 포드는 다가오는 전기 자동차에 솔리드 파워의 저비용, 고에너지 전고체 배터리 기술을 활용하는 것을 목표로 하고 있습니다. 푸자: 나는 둘 다 필요하다고 생각하며 성능과 안전이 가장 중요한 성능/고급 EV와 같은 우수한 애플리케이션의 경우 솔리드 스테이트를 가질 것이지만 리튬 이온이 곧 사라질 것이라고 보지는 않습니다. 에너지 저장 시스템과 같은 것은 빠른 응답, 모듈화 및 유연한 설치로 인해 완벽합니다.
프라나브: 나는 또한 Pooja에 동의합니다. 적어도 향후 수십 년 동안은 솔리드 스테이트 배터리의 비용이 낮아질 때까지 둘 다 사용되는 것을 보게 될 것입니다. 그리고 VW의 진술에 따르면 최대 50%까지 범위가 증가할 수 있다고 생각합니다.
푸자: 꽤 많습니다. 도요타와 손을 잡은 삼성이 있습니다. Honda와 Nissan, 그리고 BMW와 Ford가 막대한 투자를 하고 있는 Solid Power가 있습니다. 세라믹 전해질을 사용하는 QuantumScape와는 다른 황 전해질을 사용하는 Solid Power가 있습니다. Solid Power는 또한 업계에서 대부분 리튬 양극을 사용하기 때문에 흥미로운 실리콘 양극을 찾고 있습니다. General Motors가 파트너 관계를 맺고 있는 Solid Energy Systems가 있으며 이들은 하이브리드 전해질 시스템을 사용합니다. 즉, 리튬 양극을 보호하기 위해 고체 고분자 전해질을 사용하지만 액체 전해질을 가지고 있습니다.
