리튬 및 리튬 이후 기술에 대한 연구가 크게 증가하면서 서비스 수명, 충전 시간, 에너지 밀도 및 안전성 향상에 대한 필요성이 커지고 있습니다.
박막 공정은 리튬 이온 셀을 전체 시스템 구조에서 향상시키고 최적화할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 제공합니다. 여기에는 확산 장벽 코팅, 부식 방지 코팅 및 활성 양극 재료에 대한 복합 화학 코팅이 포함됩니다. 또한 얇은 폴리머 필름의 금속화는 전류 도체로서 금속 호일을 대체할 수 있으며, 금속 리튬 증착은 사전 리튬화 또는 금속 박막 전극으로 사용될 수 있습니다.
우리의 연구는 리튬을 넘어 미래 에너지 저장 기술로도 확장됩니다. 우리 연구의 비전은 전기 이동성을 촉진하고 글로벌 에너지 전송을 지원하는 저비용이면서 고성능인 배터리를 개발하는 것입니다. 박막 공정의 발전을 통해 고성능 배터리 부품의 비용 효율적인 생산을 촉진하고, 에너지 저장 기술의 발전에 기여하는 것을 목표로 합니다.
집전체로서의 금속화 폴리머 필름은 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 혁신적인 해결책입니다. 이 필름은 기존의 금속 포일을 대체하여 8µm 미만의 베이스 기판과 1µm 이상의 금속 두께로 총 두께를 10µm 미만으로 구현합니다. 롤 투 롤(roll-to-roll) 공정을 통해 제작되며, 전자 빔 증착 또는 마그네트론 스퍼터링 (Magnetron Sputtering)을 이용해 알루미늄 또는 구리로 코팅됩니다. 그 결과, 가볍고 얇은 디자인이 구현되어 부피 및 중량 에너지 밀도를 향상시키는 동시에 배터리 셀의 안전성을 높입니다.
리튬 이온 배터리에서 순수 실리콘 음극은 부피 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 높은 사이클 안정성을 확보하기 위해서는 부피 팽창을 수용할 수 있는 다공성 결절 구조가 필수적입니다. 현재 개발 중인 마그네트론 스퍼터링 (Magnetron Sputtering) 및 전자빔 공정을 활용한 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식은 효율적인 생산을 가능하게 합니다. 이러한 다공성 실리콘 층은 높은 충전 용량과 향상된 사이클 안정성을 제공하여 차세대 리튬 이온 배터리 기술 발전에 기여합니다.
전통적으로 리튬 박막 윤활제가 필요한 롤링 공정이 포함되어 불순물이 유입되었습니다. 하지만 박막 증착 기술의 발전을 통해, 1~20 µm 두께의 순수 리튬 박막을 진공 환경에서 형성할 수 있게 되어 높은 순도와 재현성을 확보할 수 있게 되었습니다. 연구는 층의 두께 및 형태 최적화, 패시베이션 층 개발, 그리고 음극 사전 석출에 중점을 두고 있습니다. 프라운호퍼 FEP의 공정은 높은 증착 속도를 실현하여, 음극의 두께와 층 구성의 유연성을 제공하고 PVD 기반 제조 공정의 성능을 향상시킵니다.
프라운호퍼 IWS에서는 리튬 용융 증착(Lithium Melt Deposition) 기술을 개발하여, 다양한 집전체(Current Collector) 기판 위에 높은 증착 속도로 리튬 박막을 형성하는 대체 공정을 연구하고 있습니다.
프라우노퍼 배터리 캠퍼스