● 고전위창 가넷구조 LLZO(Garnet형 Li7La3Zr2O12) 전구체 합성공법

● 고전위창 가넷구조 LLZO(Garnet형 Li7La3Zr2O12) 전구체 합성공법

티디엘의 “(차세대 2차전지) 산화물계 고체전해질 및 황화물계 고체전해질이 코팅된 양극활물질 및 이를 포함하는 전고체전지(10-2388591)”가 2022년 11월 대한민국 발명특허 대전 대통령상 수상. 

전고체전지는 액체 전해질이 없기 때문에 구성 요소인 전극 사이의 저항이 커지게 되는데, 티디엘은 이러한 문제점을 하이브리드 양극과 밀도가 다른 전해질층을 두어 한계를 극복하였음. 
이는 추가물질 없이 전극과 고체전해질 사이 경계면의 계면저항을 감소시키는 계면 제어기술을 확보했기 때문에 가능. 

티디엘의 2023년 보유하고 있는 전고체전지 관련 국내외 특허는 41건. 

● 관련기술

○ 공침법(Co-precipitatation ; 2성분계 이상의 다성분계 촉매의 제법)의 원리
- 침전법의 일종으로 양이온 용액(금속 염 용액)과 음이온 용액(침전제)를 일정한 양과 속도로 넣음에 따라 반응하면서 핵과 결정을 성장 및 응집 시키는 원리이며, 결정성장 및 응집으로 인해 무거워진 입자는 용액과의 비중차로 침전됨.

- 공침법의 장점 : 고순도, 재현성, 조성설계 용이, 대량생산화 가능, 경제성, 균일성

○ 개발 완료된 전구체, 고제전해질, 고체전해질 시트, 전고체 전지
▷ 전구체 / 고체전해질 분말 
- 분말입도 : < 1 – 10㎛
- 이온전도도 : ~ 10-3S/cm@RT
- 전위창 : 0 ~ 6.0 V@RT

▷ 고체전해질 시트 
- 폭 : 15cm
- 두께 : < 80㎛

▷ 전고체 전지
- 에너지밀도 : 180Wh/kg, 600Wh/L
- 출력밀도 : 200W/kg
- 용량 : 0.1Ah, 2Ah, 5Ah, 10Ah, 20Ah
- 안정성
- 비발화성(non-flammable)
- 높은 전압안정성 (>5.0V)

○ 쿠에트-테일러 반응기를 통해 LLZO 전구체 합성
- 와류쌍은 섞이지 않으며 반응이 진행될수록 입자가 성장

○ 복합 고체전해질 시트 : 습식공정에 의해 제조된 유연성 있는 복합 고체전해질 시트
- 복합 고체 전해질 시트의  상세구조 : LLZO 계면을 고분자로 제어
- 고분자가 없을 때의 LLZO : 밀착되지 않은 계면에서 이온전도가 일어나지 않음. 
- 고분자가 있을 때(고분자 바인더)의 LLZO : 소량의 고분자를 도입했을 때 LLZO의 계면에서 이온전도를 도와 실질적으로 원할한 이온전도가 일어날 수 있음. 

○ 양극복합화 
- 양극활물질 + LLZO분말 + 고분자 바인더 + 도전재를 믹싱 = 양극슬러리
- Slurry Casting을 AI 집전체(알박)에 코팅 (진공건조)
- 이후 롤 프레싱 작업후 배터리 크기로 커팅함. 

○ 복합 고체전해질 시트 제작
- LLZO분말과 고분자바인더를 혼합하여 고체전해질을 만든 후, 지지체 필름에 부착

○ 리튬메탈 음극

○ 전고체 전지 단위셀 구성
구리집전체 + 음극(리튬메탈) + 복합 고체전해질 시트 + 양극합재 + 알루미늄 집전체를 합침. 

○ 전고체전지 단위셀 구성
- 복합양극 + 복합고체전해질시트 + 리튬(음극)
- 10단 적층(스태킹) 37V 단위셀 = 8Wh 바이폴라 전고체리튬이자전지 셀
- 단자 + 전고체 셀 + 바이폴라 기판
- 전지가 41V충전과 30V 방전을 반복
- 단전기 : 바이폴라/모노폴라
- 10Wh급 모노폴라 
- 전고체 리튬이차전지 셀/스택 (2.7Ah, 평균방전전압 3.75V) 
- 에너지 밀도 : 150Wh/kg, 500Wh/L

https://www.youtube.com/watch?v=1HLCgjemxgs