차세대 첨단 2차 전지 기술에서 전고체 리튬 전지와 리튬-황 전지는 두 가지 주요 개발 시스템입니다. 황화물 전고체 전지는 안전하고 불연성 고체 전해질을 사용합니다. 이는 유기 전해질을 사용하는 전지에서 발견되는 안전 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 리튬-황 전지는 음극으로 리튬 금속을 사용합니다. 양극에는 황 또는 리튬 황화물(Li2S)을 사용합니다. 이러한 전지는 일반 리튬 이온 전지보다 5배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 이 두 가지 유형의 전지는 전 세계 에너지 기술 개발의 핵심이 되었습니다.
황화리튬(Li2S)은 무엇입니까?
황화리튬(Li2S)은 황화물 고체 전해질(SSE)을 만드는 데 필수적입니다. 또한 리튬-황 배터리의 양극에 대한 최고의 선택입니다. 흑연 및 실리콘과 같은 음극을 사용하면 리튬 금속 전극에 따른 안전 위험을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 따라서 최근 글로벌 시장에서 Li2S 소재에 대한 수요가 증가하고 있습니다.
리튬-황 및 황화물 전고체 전지가 주목을 받기 전에는 리튬 황화물의 실용적인 용도가 거의 없었습니다. 당시에 이를 연구하는 사람은 많지 않았습니다. China Powder Network의 편집자가 정보를 확인했습니다. 그들은 20세기에 배터리의 Li2S에 대해 논의한 중국 문서가 몇 개뿐이라는 것을 발견했습니다. 첫 번째는 1985년 중국과학원 물리학 연구소의 천리취안 원사와 베이징 대학의 연구자들이 함께 작성한 연구 보고서였습니다. 약 30년 후인 2015년경에 리튬 황화물에 대한 연구 열풍이 점차 뜨거워졌습니다. 오늘날 리튬 황화물은 전고체 전지와 리튬-황 재료의 "스타"입니다.
황화리튬(Li2S)을 제조하는 방법은?
순수한 황화리튬은 흰색에서 노란색 결정으로 보입니다. 그것은 항불소석 구조를 가지고 있습니다. 그것의 상대 밀도는 1.66입니다. 녹는점은 938°C이고 끓는점은 1372°C입니다. 그것은 물에 쉽게 녹고 에탄올과 산에도 녹습니다. 그러나 그것은 알칼리에 녹지 않습니다. Li2S 화합물은 자연에 존재하지 않습니다. 그것은 공기 중에서 쉽게 분해되어 황화수소 가스를 생성합니다. 이 가스는 썩은 달걀 냄새가 납니다.
첫 번째와 달리 다른 두 알칼리 금속 황화물인 Na2S와 K2S는 물과 섞일 수 있습니다. 이들은 수화된 결정을 형성합니다: Na2S·9H2O와 K2S·5H2O. 직접 가열하면 무수 형태를 얻을 수 있습니다. 이 세 가지 황화물은 매우 유사한 화학적 특성을 가지고 있습니다. 이들은 동일한 2가 음이온인 S2-를 공유합니다. 이러한 유사성으로 인해 제지, 가죽 제조 및 고무 가황에 유용합니다. Li2S는 다른 두 가지 유사한 제품보다 훨씬 비쌉니다. 이는 주로 원료인 리튬이 비싸기 때문입니다. 또한 생산 및 보관이 어렵습니다.
현재 황화리튬을 만드는 방법은 다음과 같습니다.
- 볼밀링 방식
- 용매법
- 고온고압법
- 직접탄소복합법
볼 밀링
공정 원리: 불활성 분위기에서 원소 황을 금속 리튬 또는 리튬 수소화물과 섞습니다. 그런 다음 기계적 볼 밀링을 사용하여 리튬 황화물을 만듭니다.
장점: 간단한 공정, 환경 친화적이며, 폐기물 액체가 발생하지 않습니다.
단점:
- 원자재(리튬수소화물) 비용이 높다
- 반응 시간이 길다
- 낮은 전환율
- 본 제품에는 정제하기 어려운 리튬폴리설파이드 등의 불순물이 포함되어 있습니다.
- 산업 장비를 선택하는 것은 어렵습니다.
용매법
공정 원리: 리튬과 황 화합물을 용매에 섞습니다. 이 반응은 리튬 설파이드를 만듭니다. 용매는 유기 용매 또는 액체 암모니아일 수 있습니다. 유기 용매에는 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소 또는 에테르 용매가 포함됩니다. 일반적인 예로는 에탄올, 헥산, 톨루엔, 에테르, 테트라히드로푸란 및 질소 메틸 피롤리돈이 있습니다.
장점:
- 액상 반응이 완료되었습니다.
- 불순물이 남아 있을 가능성이 적습니다.
- 제품 정제는 쉽습니다.
- 고온 처리가 필요 없습니다.
- 에너지 소비가 낮습니다.
- 과정이 간단하고, 작업 조건을 쉽게 제어할 수 있습니다.
단점: 유기 용매는 불이 붙고, 폭발하고, 빠르게 증발할 수 있습니다. 이는 심각한 오염으로 이어지고 재활용을 어렵게 만듭니다. 또한, 이들과 함께 일하는 것은 매우 위험하고 관리하기 힘듭니다.
고온고압법
공정 원리: 불활성 또는 환원성인 보호 분위기에서, 고온 및 고압은 리튬과 황 화합물을 반응시킵니다. 이 반응은 황화리튬을 생성하는 데 도움이 됩니다.
장점: 이 과정은 간단합니다. 유해한 가스를 발생시키지 않습니다. 또한 고온과 고압을 사용하여 유해한 용매 누출을 방지합니다. 이렇게 하면 준비 시간이 크게 단축됩니다.
단점:
- 높은 온도와 압력 때문에 제어가 어렵습니다.
- 장비에 대한 요구사항이 엄격합니다.
- 반응 과정과 후속 처리 과정은 더 큰 위험을 안고 있습니다.
직접 탄소 복합 공정
공정 원리: 탄소는 재료를 쉽게 줄일 수 있습니다. 이를 통해 리튬 설파이드를 만들 때 탄소를 직접 추가할 수 있습니다. 이를 통해 리튬 설파이드/탄소 복합재가 만들어집니다. 균일한 분산, 강력한 성능, 제어 가능한 모양이 모두 한 단계로 제공됩니다.
장점:
- 반응은 제어하기 더 쉽습니다. 이는 리튬 설파이드의 물과 산소에 대한 민감성으로 인해 발생하는 생산 및 보관 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.
- 제품 수율과 성능이 향상됩니다.
- 이는 기존의 리튬 황화물/탄소 복합재의 복잡한 제조 과정을 단순화합니다.
- 이는 리튬-황 배터리의 양극에서 활성 물질이 퍼지는 방식을 개선합니다.
- 이를 통해 배터리의 전기화학적 성능도 향상됩니다.
단점: 공정 기술은 개선이 필요합니다. 제품 품질은 불안정합니다. 또한 복합재의 형태는 제어하기 어렵습니다.
배터리 등급의 리튬 황화물(Li2S)을 산업화하는 데에는 어떤 어려움이 있습니까?
리튬 설파이드는 설파이드 고체 전해질의 핵심 원료입니다. 일본, 한국, 미국, 중국이 배터리 기술을 선도하고 있습니다. 일본과 한국은 유황 기반 고체 전지를 위해 열심히 노력하고 있습니다. 그들은 이 기술을 발전시키기 위한 전략적 계획을 세우고 있습니다. 모든 회사가 유황 기반 고체 전지 개발을 적극적으로 추진하고 있지만 유황 기반 고체 전지는 아직 산업화되지 않았습니다.
주된 이유는 두 가지입니다.
- 원자재, 특히 황화리튬의 가격이 높습니다.
- 유황계 전고체 전지의 계면 문제는 양극과 음극, 고체 전해질 사이의 연결에 영향을 미칩니다.
리튬 설파이드는 설파이드 고체 전해질과 리튬-설퍼 배터리를 만드는 데 중요합니다. 순도, 입자 크기, 모양은 배터리 성능에 매우 중요합니다. 생산 비용도 상업용 배터리에서 리튬 설파이드를 성공적으로 사용하는 데 중요합니다.
위험성이 높은 원자재는 구하기 어렵다
황화리튬의 주요 재료는 다음과 같습니다.
- 금속 리튬 또는 수소화 리튬
- 황화수소가스
- 유기용매
금속 리튬과 리튬 수소화물은 찾기 힘들 수 있으며, H2S는 매우 독성이 강한 가스입니다. 이로 인해 운송, 사용 및 보관이 위험합니다. 대부분의 유기 용매는 인화성 또는 폭발성 유해 화학 물질입니다. 리튬 황화물 원료를 얻고 보관하는 데는 많은 불확실성과 위험이 있습니다.
고순도 제품의 분리 및 정제는 어렵습니다.
일부 전해질 제조업체는 이제 리튬 설파이드에 대해 더 높은 순도를 요구합니다. 그들은 다음과 같은 표준을 설정합니다.
- 탄소 함량은 0.1% 이하여야 합니다.
- 수분 함량은 ≤100 mg/kg이어야 합니다.
- 금속 불순물은 100mg/kg 미만이어야 합니다.
- 입자 크기는 D50≤7um, D90≤2D50이어야 합니다.
일부 리튬 설파이드 제조업체는 제품을 정제해야 합니다. 이는 프로세스에 복잡성을 더합니다.
리튬황화물 생산을 위한 특수장비 개발은 어렵다
황화리튬은 새로운 리튬염입니다. 이는 차세대 고에너지 밀도 고체 전지의 중요한 원료입니다. 현재 중국은 이 소재를 소규모 생산에서 완전한 산업적 사용으로 전환하기 위해 노력하고 있습니다. 산업 장비는 공정에 따라 맞춤화해야 하며 장비 개발이 어렵습니다. 현재의 소재 시스템은 황화리튬 산업 장비의 맞춤화 요구를 충족하지 못합니다. 황화리튬 산업화를 저해하는 주요 문제는 특수 장비의 필요성입니다.
