2021년 새로운 배터리 기술의 발전을 준비하세요

볼타가 1800년에 특정 액체가 화학 반응의 일부로 전기 에너지의 흐름을 생성한다는 것을 발견한 이래로, 배터리의 시대가 시작되었습니다. 볼타는 과학자가 받을 수 있는 가장 큰 영예 중 하나인 자신의 이름을 딴 단위를 갖게 될 줄 몰랐을 것이며, 그의 발견은 오늘날 사용되는 모든 모바일 기술의 기반이 되었습니다. 오늘날에 이르러, 배터리의 기본 구조는 1836년에 처음 소개된 다니엘 전지에서 사용된 것과 여전히 일치합니다.

오늘날, 배터리에 대한 대화는 재생 가능 에너지 소스를 확립하고 전기 자동차와 같은 다른 기술을 가능하게 하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 배터리 기술의 역사적이고 최근의 발전에도 불구하고, 배터리를 더 환경 친화적이고, 저렴하며, 고방전에서 더 안전하게 만드는 데 많은 도전이 여전히 남아 있습니다. 그러나 많은 회사들이 배터리 화학에 큰 변화를 주지 않고 배터리에 대한 새로운 재료 플랫폼을 개발하는 작업을 하고 있습니다.

오늘날의 배터리 도전 과제

오늘날 배터리와 전력 저장 시스템에 존재하는 도전 과제는 안전성과 환경 친화성을 중심으로 합니다. 전력 전달에 있어서 현재 최고의 배터리 화학은 리튬 이온이며, 가장 큰 안전 위험을 가지고 있지만, 용량 측면에서는 니켈 금속 화학과 비교할 수 있습니다. 리튬 화학은 이미 전력 전달 측면에서 일부 이점을 제공하기 때문에, 추가 개발과 개선의 초점이 되었습니다. 그럼에도 불구하고, 리튬 이온 배터리는 단점이 있습니다:

• 수명: 여기서 우리가 언급하는 것은 배터리의 전체 유용한 수명이며, 충전 용량이 아닙니다. 리튬 이온 배터리의 수명은 충전/방전 깊이, 충전/방전 속도, 충전 주기 수, 운영 온도, 그리고 셀의 기하학적 형태에 크게 영향을 받습니다. 

• 충전/방전 안전성: 리튬 이온 배터리는 과열 및 과충전을 방지하기 위해 전력 모니터링 및 보호 회로가 필요합니다. 마찬가지로, 방전 주기 동안 보호 회로는 셀의 전압이 너무 낮아지지 않도록 방전 속도를 제한합니다. 

• 형태 요소 대 용량: 스마트폰이 얇아졌음에도 불구하고, 더 높은 용량을 제공하기 위해 배터리 크기는 커졌습니다. 결과적으로, 더 큰 배터리를 위한 공간을 만들기 위해 더 많은 구성 요소가 SoC와 플렉스 보드로 통합되고 있습니다. 물리적 크기를 증가시키지 않고 용량을 늘리는 것이 바람직합니다.

• 재활용 가능성: 가까운 미래에 출시될 것으로 예상되는 새로운 전기 자동차의 급증은 리튬 이온 배터리의 수명 종료와 관련하여 심각한 우려를 제기합니다. 리튬 이온 배터리를 재활용하는 데 필요한 에너지를 줄이기 위해 새로운 재료와 배터리 구조가 필요할 수 있습니다.

리튬 폴리머 배터리 팩은 경쟁력 있는 용량과 충/방전 특성을 가진 유연한 형태를 제공합니다. 새로운 재료는 더 높은 전력 전달과 용량으로 더 큰 안전성을 가능하게 할 수 있습니다.

배터리 기술의 발전은 재료에서 시작됩니다

최근 배터리 기술의 발전은 알칼리 화학과 니켈 금속 화학에서 벗어나 리튬 화학으로의 전환에 중점을 두고 있습니다. 앞으로의 배터리 기술 발전은 주로 위에서 언급한 도전 과제를 해결할 수 있는 재료에 초점을 맞추고 있으며, 반드시 외부 전력 관리 방법과 구성 요소에 관한 것은 아닙니다. 배터리 산업을 살펴보면, 회사들이 새로운 재료로 혁신하고 있는 두 영역이 있습니다: 전극과 전해질입니다.

반다공성 음극/양극 재료

다공성 재료는 저항이 낮고 열전도율이 높을 수 있다면 배터리 음극 및 양극 재료에서 몇 가지 독특한 이점을 제공합니다. 후자는 전기차용 고전력/고용량 배터리의 주요 안전 문제를 해결합니다. 한 예로, 탄소 나노리본으로 코팅된 흑연 음극 재료가 있으며, 이는 리튬 이온 배터리의 기존 음극에 쉽게 통합될 수 있습니다. 이 특정 재료의 다공성은 더 큰 활성 표면적을 제공하여 음극 단자로의 충전/방전 플럭스를 증가시키고 고체 흑연 전극보다 더 많은 리튬 이온 저장을 가능하게 합니다.

전고체 배터리

전고체 배터리는 가연성 액체 전해질을 비가연성 고체 전해질로 대체할 수 있기 때문에 관심을 끌고 있습니다. 여기서 리튬도 관심사인데, 이는 이러한 시스템의 화학적 구성을 유지할 수 있게 합니다. 올해 초, 삼성은 전고체 리튬 이온 배터리 플랫폼 개발을 발표했습니다. 삼성의 배터리는 금속 음극에서의 수지상 성장을 억제하기 위해 은-탄소 복합 재료를 음극으로 사용했습니다. 이 배터리들은 아직 상용화되지 않았지만, 고체 전해질의 사용은 오늘날 상용 배터리에서 사용되는 액체 전해질보다 안전하다고 알려져 있습니다.

도요타, 닛산, VW가 지원하는 Quantumscape과 같은 회사들은 전기차용 자체 전고체 배터리 플랫폼을 구축하고 있습니다. 상용화되면, 이 플랫폼들은 전기차에게 더 긴 주행 거리를 더 작은 패키지로 제공할 수 있으며 충전 시간도 길어지지 않아 게임 체인저가 될 수 있습니다. 이는 안전하고 가능한 한 높은 효율을 가진 차량 배터리 플랫폼을 지원하기 위해 보드 디자이너들에게 다시 초점을 맞추게 합니다.

분리재 재료

이것은 여전히 과학 연구의 영역입니다. 분리막은 매우 내구성이 있고 다공성이어야 합니다. 상용 리튬 이온 배터리에서는 폴리올레핀이 분리기로 사용되며, 새로운 분리기 재료는 과도한 열을 발생시키지 않으면서 높은 이온 교환을 허용할 필요가 있습니다. 또한 높은 기계적 강도와 화학적 안정성을 가져야 합니다. 연구자들은 배터리 화학이나 전기적 특성에 큰 변화를 주지 않으면서 이러한 요구 사항을 충족하는 새로운 분리기 재료를 계속 조사하고 있습니다.

분리막 재료의 몇 가지 예. [출처]

왜 이미 상용화된 동일한 재료 플랫폼을 사용하는 데 초점을 맞추나요? 업계 선도 배터리(알칼리나 리튬 화학)에서 사용되는 현재 화학물질은 정부 규제 기관과 배터리 산업 자체에 의해 안전성에 대해 철저히 연구되고 검증되었습니다. 재료의 클래스를 변경하면 화학물질도 변경되고, 광범위한 평가 과정이 다시 시작됩니다. 따라서 많은 산업계는 기존 재료 플랫폼에서 벗어나는 것을 주저합니다. 투자와 위험이 너무 큽니다.

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