1. 액체전해질보다 고체전해질이 양극활물질과 접촉면적이 줄어들기 때문에 더 효율적인 이온이동을 하는건 아닙니다. 그림1에서 보면 고체전해질 크기가 csthode와separator에서 다르게 표현되어 있는데, 양극활물질과의 접촉면적을 높이기 위해서 양극층에 들어가는 고체전해질의 입자 사이즈를 줄이는 것을 표현한 것 입니다. 그리고 이 그림1에서는 음극을 리튬메탈로 상정하고 나타냈고, 음극도 고체 입자형태를 가진 소재의(흑연,실리콘) 경우 양극과 비슷하게 고체전해질과 섞여있는 그림으로 나타낼 수 있겠습니다. 그림에서는 고체전해질이 기성LIB에서 사용되던 분리막 역할을 동시에 한다는 '역할'관점으로 표현됐습니다.
3. 그림4는 소재적 측면에서 분석하고 있기때문에, '돈'그림은 소재 안에 리튬이온의 밀도가 높아지면 결국 리튬소스를 많이 사용하면서 소재가격이 높아지는걸 의미할 가능성이 높아보입니다. 현재 황화물 소재가 이온전도도(소재 내 리튬농도와도 연관성 있음)는 타 소재대비 평균적으로 높지만, 가격이 매우비싸 논문 초록 부분에서 표현한 'viability'측면에서 의구심을 사고 있는것도 사실입니다.
2. 전고체전지에서 리튬메탈을 음극으로 적용하고자 하는 이유는, 전압을 높일 수 있고( '표준환원전위'표를 보시면 카운터 전극소재 중 전위차를 가장 많이 줄 수 있는 소재가 리튬메탈), 리튬소스가 타 소재에 비해 풍부하기 때문입니다. 따라서 음극부피를 줄이고 양극활물질량을 높여 에너지밀도, 출력을 향상시킬 수 있습니다. 더불어, 출력은 전해질의 전도도와 밀접한 관계가 있습니다. 양(both)극에서 일어나는 산화,환원 반응에 의한 전자의 이동 속도와 이온의 이동속도가 발맞추지 못한다면 '저항'으로 작용하기 때문이죠. 그런측면에서 최근 십여년 사이에 일부 '황화물 소재'가 액체전해질 수준만큼의 이온 이동속도가 확보됐기 때문에 그림에서 황화물, 폴리머, 산화물 순으로 표시가 된것입니다.
4. 그림5에서 양/음극 입자의 부피변화는 충,방전 과정에서 양/음극활물질내 리튬이온의 'intercalation' 에 따라 팽창, 수축이 반복되는걸 말합니다. 이런 물리적 변화의 영향은 입자들이 접촉하고 있는 표면의 접촉점들에서 부터 스트레스가 쌓이기 시작하고, contact 'loss'가 일어나게 됩니다. 따라서, 활물질 자체가 충,방전 과정에서 부피변화가 적게 일어나는 방향의 연구들도 되고있습니다. (물론 온도에 따라 소재를 구성하는 원자의 움직임이 변하면서 부피변화도 있을수 있겠지만, 고체에서의 온도에 따른 부피변화는 지배적 요인이 아닙니다.)
돈 그림에서 액체전해질은 동전으로, 고체전해질은 지폐와 함께 표현했는데요, '동전보다 지폐가 부피에 비해 돈 액수는 높으니, 결국 지폐가 밀도가 높다. 이처럼 액체전해질보다 고체전해질이 에너지 밀도가 크다'라는 의미인 것으로 받아들여지네요. 고체전해질에서 지폐만 하지 않고 동전도 같이 그려둔 이유는 왼쪽 액체전해질보다 화폐로서의 절대적 액수가 크다는 말을 의미하는것 같아요. 왜냐면 오른쪽에 지폐만 그려두면 왼쪽 동전 여러개보다 액수가 큰지 작은지 알 수 없으니까요.
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전고체전지에 대한 유익한 콘텐츠를 만들어 주셔서 감사합니다.
시간의 문제와 전공이 일치하는 전문가가 아니라 설명이 부족했는데 이렇게 상세한 답변 정말 감사드립니다.
1. 액체전해질보다 고체전해질이 양극활물질과 접촉면적이 줄어들기 때문에 더 효율적인 이온이동을 하는건 아닙니다.
그림1에서 보면 고체전해질 크기가 csthode와separator에서 다르게 표현되어 있는데, 양극활물질과의 접촉면적을 높이기 위해서 양극층에 들어가는 고체전해질의 입자 사이즈를 줄이는 것을 표현한 것 입니다. 그리고 이 그림1에서는 음극을 리튬메탈로 상정하고 나타냈고, 음극도 고체 입자형태를 가진 소재의(흑연,실리콘) 경우 양극과 비슷하게 고체전해질과 섞여있는 그림으로 나타낼 수 있겠습니다. 그림에서는 고체전해질이 기성LIB에서 사용되던 분리막 역할을 동시에 한다는 '역할'관점으로 표현됐습니다.
3. 그림4는 소재적 측면에서 분석하고 있기때문에, '돈'그림은 소재 안에 리튬이온의 밀도가 높아지면 결국 리튬소스를 많이 사용하면서 소재가격이 높아지는걸 의미할 가능성이 높아보입니다. 현재 황화물 소재가 이온전도도(소재 내 리튬농도와도 연관성 있음)는 타 소재대비 평균적으로 높지만, 가격이 매우비싸 논문 초록 부분에서 표현한 'viability'측면에서 의구심을 사고 있는것도 사실입니다.
2. 전고체전지에서 리튬메탈을 음극으로 적용하고자 하는 이유는, 전압을 높일 수 있고( '표준환원전위'표를 보시면 카운터 전극소재 중 전위차를 가장 많이 줄 수 있는 소재가 리튬메탈), 리튬소스가 타 소재에 비해 풍부하기 때문입니다. 따라서 음극부피를 줄이고 양극활물질량을 높여 에너지밀도, 출력을 향상시킬 수 있습니다.
더불어, 출력은 전해질의 전도도와 밀접한 관계가 있습니다. 양(both)극에서 일어나는 산화,환원 반응에 의한 전자의 이동 속도와 이온의 이동속도가 발맞추지 못한다면 '저항'으로 작용하기 때문이죠. 그런측면에서 최근 십여년 사이에 일부 '황화물 소재'가 액체전해질 수준만큼의 이온 이동속도가 확보됐기 때문에 그림에서 황화물, 폴리머, 산화물 순으로 표시가 된것입니다.
4. 그림5에서 양/음극 입자의 부피변화는 충,방전 과정에서 양/음극활물질내 리튬이온의 'intercalation' 에 따라 팽창, 수축이 반복되는걸 말합니다. 이런 물리적 변화의 영향은 입자들이 접촉하고 있는 표면의 접촉점들에서 부터 스트레스가 쌓이기 시작하고, contact 'loss'가 일어나게 됩니다. 따라서, 활물질 자체가 충,방전 과정에서 부피변화가 적게 일어나는 방향의 연구들도 되고있습니다. (물론 온도에 따라 소재를 구성하는 원자의 움직임이 변하면서 부피변화도 있을수 있겠지만, 고체에서의 온도에 따른 부피변화는 지배적 요인이 아닙니다.)
돈 그림에서 액체전해질은 동전으로, 고체전해질은 지폐와 함께 표현했는데요, '동전보다 지폐가 부피에 비해 돈 액수는 높으니, 결국 지폐가 밀도가 높다. 이처럼 액체전해질보다 고체전해질이 에너지 밀도가 크다'라는 의미인 것으로 받아들여지네요. 고체전해질에서 지폐만 하지 않고 동전도 같이 그려둔 이유는 왼쪽 액체전해질보다 화폐로서의 절대적 액수가 크다는 말을 의미하는것 같아요. 왜냐면 오른쪽에 지폐만 그려두면 왼쪽 동전 여러개보다 액수가 큰지 작은지 알 수 없으니까요.