전고체 전지 (Solid State Batteries)

전고체 전지는 향상된 에너지 밀도와 높은 수준의 안전성 및 신뢰성을 제공합니다. 프라운호퍼 배터리 캠퍼스는 차세대 배터리 화학을 위한 전해질-분리기 및 복합 전극과 같은 구성 요소 개발에 주력하고 있습니다. 이는 리튬, 나트륨, 알루미늄과 같은 다양한 활성 성분은 물론, 황화물, 산화물, 인산염과 같은 다양한 재료 클래스에 적용됩니다. 일부 재료는 프라운호퍼 연구소에서 자체 개발하며, 다른 재료는 상업적으로 이용 가능하거나 부품 공급업체로부터 제공됩니다. 또한 배터리 셀의 개별 구성 요소를 조립하는 데 적합한 공정, 구성 요소 간 상호작용 및 표면 반응도 연구됩니다.

황화물 고체 전해질은 고에너지 밀도를 갖는 양극을 사용하여 안전성을 강화하고 에너지 밀도를 향상시킵니다. 그러나 기계적 및 화학적으로 불안정한 인터페이스와 전극 및 셀 처리에서 어려움이 존재합니다. 프라운호퍼 IWS에서는 이러한 주요 과제를 해결하기 위한 혁신적인 재료 및 공정 접근 방식을 개발하고, 이를 프로토타입 셀에서 시연하고 있습니다. 재료 혁신에는 실온에서 덴드라이트 형성 없이 작동할 수 있는 탄소 및 실리콘 음극이 포함되며, 이는 파우치 셀에서의 초기 연구를 통해 입증되었습니다. 공정 혁신에는 전극 및 고체 전해질 막의 건식 코팅과 리튬 및 실리콘 박막 음극 증착이 포함됩니다. 프라운호퍼 IKTS의 연구 초점은 적합한 공정 방법과 신속한 특성화 기술 개발에 있습니다. 개발된 부품들은 성능과 재료 특성 간의 관계를 더 잘 이해하기 위해 평가되며, 이를 통해 특정 재료 개선과 셀 개념 최적화가 가능해집니다. 이를 위해 결정과 입자 특성을 최종 복합체의 요구 사항에 맞게 정밀하게 조정하여, 고체 전지의 요구 특성을 충족시키기 위한 전기화학적 특성 조정이 필요합니다.

프라운호퍼 IKTS는 리튬 또는 나트륨 전고체 전지의 전해질과 복합 양극을 위한 재료 및 공정 개발에 중점을 두고 있습니다. 프라운호퍼 IKTS에서 개발된 재료와 상용 재료 모두 전고체 전지에 적용하기 위해 전기화학적 방법을 사용하여 테스트됩니다. 또한, 셀 조립 방법, 구성 요소 간 상호작용 및 계면 반응에 대해서도 연구가 진행됩니다. 테스트 셀 생산을 위해 여러 개의 글로브박스와 드라이룸으로 구성된 통합 시스템이 제공됩니다.

프라운호퍼 IKTS는 고정식 에너지 저장용 나트륨 기반 고온 배터리를 소재부터 완전한 배터리 시스템까지 개발하고 있습니다. 주요 개발 초점은 고체 전해질 Na-β"-알루미네이트를 기반으로 하는 Na/NiCl₂ 및 Na/S 배터리 시스템입니다. 이러한 배터리 시스템을 가능한 한 비용 효율적으로 생산할 수 있도록 "재개발"하는 것이 목표입니다. 이를 위해 셀 및 시스템 설계, 소재 및 생산 기술을 연구 중입니다. 또한, 고체 전해질, 양극재 및 셀의 파일럿 생산을 통해 모든 필수 공정 단계를 산업 적용에 가깝게 확장할 수 있습니다.

산업적 적용에 가까운 모든 필수 공정 단계를 확장할 수 있도록 하고 있습니다.

리튬-황 배터리(Li-S)는 높은 비에너지(현재 최대 450 Wh/kg)와 잠재적으로 낮은 재료비가 특징입니다. 복잡한 셀 화학 특성으로 인해 셀 구성 요소의 추가 개발 및 상호 조정이 필요합니다. 프라운호퍼 IWS는 이를 위해 수많은 개념을 개발하고 특허를 취득했습니다. 리튬 금속 음극은 제조, 수정 및 자동화된 셀 조립 공정을 거쳐 처리됩니다. 고체 전해질은 에너지 밀도를 높이는 역할을 할 수 있습니다. 이러한 개발은 최대 25Ah 용량의 프로토타입 셀에서 입증되었으며, 실제 응용 환경을 고려한 테스트가 진행됩니다.

충전식 알루미늄 이온 배터리(AIB)는 비용 효율적이며 비가연성 전기 저장 시스템입니다. 고출력 저장 장치인 AIB 20초 이내에 충·방전이 가능합니다. 프라운호퍼 IISB의 실험실 테스트 셀에서는 10,000 사이클 이상 가역 가능하며, 95% 이상의 쿨롱 효율(Coulomb efficiency)과 85% 이상의 에너지 효율을 나타냅니다. 우리 연구진은 최대 200mAh 용량의 단층 및 다층 AIB 파우치 셀을 제조하며, 6~10℃의 충전 속도에서 1,000회 이상의 사이클을 달성합니다. AIB는 전력망 안정화 또는 무정전 전원 공급 장치(UPS)와 같은 고정형 및 하이브리드 모바일 애플리케이션에 높은 잠재력을 갖고 있습니다.

프라운호퍼 IKTS는 배터리 셀의 사후 분석을 통해 성능 저하 메커니즘을 밝혀냅니다. 최대 500 Ah 용량의 셀은 불활성 대기에서 글로브박스 안에서 개봉되며, 사전에 CT 스캔이 수행됩니다. 개봉 과정에서 발생하는 프로세스와 불규칙성은 기록되며, 재료 분석을 위해 샘플이 채취됩니다. 이미징 및 분석 방법을 사용하여 셀 구성 요소를 분석합니다. 추출된 전극은 열화 효과를 조사하기 위해 전기화학적으로 특성화됩니다. 우리 연구소는 독일에서 서비스 제공업체로 활동하며, 국제 파트너에게도 서비스를 제공합니다.

프라운호퍼 IISB는 신소재 및 공정에 대한 심층적인 분석을 위해 종합적인 분석 및 특성화 도구를 보유하고 있습니다. X선 회절(XRD) 및 라만 분광법을 통한 구조적 특성 분석에 중점을 둔 Operando 분석은 배터리 셀 또는 배터리 구성 요소가 충전 또는 방전 중일 때 발생하는 구조적 변화를 분석할 수 있습니다. 그로 인해 생성된 대량의 데이터는 AI 루틴을 통해 평가됩니다. 이를 통해 화학적 과정과 고장 메커니즘에 대한 심도 깊은 이해가 가능해지며, 구조-속성 관계를 풀어내어 새로운 배터리 소재를 설계하는 기초가 됩니다.