[기술탐구] Fisker가 도전했던 '주행 800km, 충전1분'의 전고체 배터리

작성자
koev02031
작성일
2020-07-29 16:34
조회
13
[기술탐구] Fisker가 도전했던 ‘주행 800km, 충전 1분’의 전고체 배터리
전기차 스타트업 Fisker가 최근 자금 확보를 통해 2022년 출시 예정인 전기 SUV 'Ocean' 개발을 계속할 것으로 보인다. 올해 초 CES 2020에서 'Fisker Ocean Electric SUV'를 공개했으며 당초 기대와는 달리 일반 리튬이온 배터리 셀이 장착된다고 했다. 그동안 Fisker는 도전적인 목표로 1분 충전과 500마일의 항속거리를 가진 전기차를 위한 전고체 배터리 혁신을 주장해왔으나 주장의 일부를 철회한 상태이다.

Fisker에 따르면 2017년 11월 새로운 EV용 전고체 배터리 관련 기술의 출원 사실을 공개하면서 동 기술은 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 2.5배이고 "주행거리 800km, 충전시간 1분"이라고 언급했다.

기술 요지는 'Flexible solid-state battery'에 관한 것으로 전극을 3차원 구조로 만들어 표면적을 박막 전극의 25배로 할 수 있고 높은 이온 전도성을 실현함에 있다. 발명자는 Dyson이 인수했던 스타트업 Sakti3의 공동 창업자 Fabio Albano이며 출원 당시 Fisker 배터리 시스템스의 부사장이었다.

발표 당시에는 출원 중이라 특허 내용을 알 수 없었으나 최근 조사에 따르면 2018년 5월 PCT 특허로 공개되었고 2019년 9월에는 미국특허가 공개되었으며 한국, 일본, 유럽, 중국 등에서도 공개되었다. 본 글에서는 미국 공개특허(US20190280330A1)를 중심으로 Fisker가 주장했던 전고체 배터리에 대한 기술 내용을 다시한번 살펴보았다.



2017년 발표 당시의 Fisker solid-state technology ⓒ Fisker



본 발명의 명칭은 "All-solid state Li-ion batteries comprising mechanically flexible ceramic electrolytes and manufacturing methods for the same'으로 기계적 유연성을 가진 세라믹 전해질의 전고체 리튬이온 배터리로 해석된다.

대표 청구항에 따르면, 리튬 전도성 산화물 조성물로 구성되며 예로써 페로브스카이트형(perovskite-type) 산화물, NASICON 구조의 리튬 전해질, 전이금속 산화물을 포함하는 가넷형 구조물 등이다. 페로브스카이트는 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO)와 동일한 유형의 결정 구조를 갖는 재료이고 NASICON은 일반적으로 나트륨 슈퍼 이온 전도체(* LiM2(P04)3, 여기서 M은 Ti, Zr 또는 Ge)를 지칭한다. 가넷형 구조물은 전이금속 산화물(* Li5La3M202, 여기서 M은 'a transition metal')을 포함한다.

※ (참고) 전고체 전해질의 특징은 c-LLZO, 기계적으로 유연하며 젤리롤 형태로 권취, c-LLZO-LSPO 복합체
- c-LLZO: cubic-lithium lanthanum zirconium oxide(cubic-Li7La3Zr202)
- LSPO: Li3 4Sio.4Po.6O4

아래 도면에 제시한 바와 같이 본 발명에 사용된 'c-LLZO'의 다양한 특성 및 특징을 제공하는 그래픽(FiG.1)을 참고하면, UPON('LiPON') 및 Li10GeP2S12('LGPS')을 포함하는 일반적인 이온 전도체들과의 비교를 설명하고 있다. UPON(lithium phosphorous oxy- nitride)은 고체 전해질의 박막층 코팅을 위한 새로운 루트이다.

한편 본 발명에 따라 제조된 "freeze-east composite cathode"의 미세 구조 개략도(Fig. 8B)를 참고하면, 양극은 니켈망간코발트(NMC) 화합물, LNMO, LiS 및 다른 공지 물질로 형성된다. 'c-LLZO'와 같은 고체 전해질은 음극과 양극 사이에 위치하며 음극은 집전장치에 인접한다. 전해질막은 소성 후 및 음극이나 양극층이 전해질이나 전해질 스캐폴드에 결합되기 전에 도포된 폴리머 코팅을 포함한다. Fig.9에서는 본 발명의 신규 고체 상태 배터리의 아키텍처에 의해 해결된 문제점 및 본 시스템으로 인한 효과 및 이점을 나타내고 있다.

(* 주요 실시예를 설명하는 도면: Fig.1, Fig.8B. Fig.9)




2020년 7월 10일 특허조사 결과에 따르면 Fisker는 총 12건의 특허를 출원했다. 세부적으로는 PCT 출원 4건, 미국출원 3건, 미국 디자인 특허 4건이다. 기술 내용을 보면 위에서 설명한 'Flexible solid-state battery' 특허를 포함해 4건을 PCT 출원했으며 이 특허들이 미국, 한국, 일본, 유럽, 중국 등에서 공개되고 있는 상황이다.

'Flexible solid-state battery' 특허 외에 나머지 3건은 ▲ 고체 및 하이브리드 리튬이온 배터리에 사용하기 위한 미시적으로 정렬된 고체 전해질 구조의 제조방법 ▲ 여러 개의 복합 전극으로 구성된 벌크 하이브리드 또는 고체 배터리 ▲ 낮은 비틀림성을 특징으로 하는 일축 배향 기공을 갖는 두꺼운 전극 및 전해질의 제조방법에 관한 것이다. 한편 디자인 특허 4건은 전기차의 외형 및 라이팅에 관한 것이다.
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