모빌리티의 미래 - 배터리 기술

EV의 부상

2003년 테슬라가 창립되었을 당시 전기차에 대한 아이디어는 대부분 농담으로 여겨졌습니다. 그 시점에서 모든 전기 자동차는 본질적으로 열악한 배터리 수명, 낮은 편안함, 작은 크기, 매우 낮은 최고 속도를 갖춘 미화된 골프 카트였습니다.

테슬라 로드스터 (1^st 세대, 새 버전은 2026년에 출시될 예정입니다.) 이러한 인식이 완전히 바뀌었고, 럭셔리 스포츠카의 성능으로 전기차(EV)가 갑자기 멋있어졌습니다.

전기차를 갑자기 실현 가능하게 만든 핵심은 배터리 기술의 진보였다. 처음에는 소규모 전자 시장용으로 설계된 리튬 이온 배터리를 기반으로 했습니다. 그리고 곧 EV에 더 많은 자율성을 제공하기 위해 더 많은 전용 시스템이 개발되었습니다.

2016년에도 소량이었던 전기 자동차(EV)는 이제 전 세계 판매에서 기하급수적으로 성장하는 부분을 차지하고 있습니다. 10년에는 전기 자동차가 천만 대 이상 판매되어 전 세계 판매의 2022%를 차지하며 중국과 유럽이 선두를 달리고 있습니다.

글로벌 EV 판매 – 출처: IEA

그러나 이러한 진전에도 불구하고 EV 채택에 대한 몇 가지 질문은 여전히 ​​남아 있습니다. 높은 인플레이션과 얼리 어답터뿐만 아니라 일반 대중을 설득해야 하는 필요성으로 인해 EV 판매가 둔화되었습니다. 이로 인해 최근 GM, Ford, Honda 등 주요 제조사의 EV 전략 연기 또는 취소.

현재의 한계

초기 EV 애호가들은 탄소 중립이 가능하고 신기술을 대표하는 차량을 사용하는 것을 기쁘게 생각했습니다. 환경에 덜 관심이 있는 구매자들은 다음과 같은 여러 가지 이유로 여전히 EV에 다소 회의적입니다.

• 가격: 대부분의 EV는 여전히 ICE(내연 기관)에 비해 가격이 더 비쌉니다. 금리가 오르면 많은 사람들에게 EV가 너무 비싸질 수 있습니다.
• 범위 불안: EV 가격을 낮추는 방법은 더 작은 배터리 팩 옵션을 선택하는 것입니다. 하지만 주행거리가 짧으면 장거리 여행이 어려울 수 있고 충전 시간도 길어질 수 있습니다.
• 추운 날씨: 날씨가 추울수록 배터리의 손상은 더욱 커집니다. 대부분의 EV는 따뜻한 차고에 있지 않으면 겨울 밤에도 계속 충전해야 합니다. 더욱이 추위는 EV의 이론적 범위를 감소시킵니다.
• 충전 인프라: 아파트에 거주하는 주민들은 공공충전소가 부족할 경우 전기차 충전이 어려울 수 있습니다. 긴 대기열, 느린 충전 또는 근처에 충전소가 없으면 경험이 좋지 않을 수 있습니다.
• 배터리 안전성 및 내구성: 리튬이온 배터리는 많은 에너지를 담고 있습니다. 그리고 배터리의 전해질은 가연성이 매우 높습니다. 이는 특히 지하 주차장과 같은 폐쇄된 환경에서 배터리를 잠재적으로 안전 위험으로 만듭니다. ICE 자동차가 불연성이 아니라는 것은 아니지만 여전히 우려되는 부분입니다.
• 전기 그리드: EV 구매자에게는 큰 문제가 아니지만, 업계 전체의 문제가 될 수 있습니다. 전기 그리드는 이미 다소 부담이 있어 재충전이 필요한 수백만 대의 차량을 제대로 처리하지 못할 수도 있습니다. 전력 공급원도 문제인데, 대부분이 석탄을 포함한 화석 연료에서 나옵니다.

현재 EV의 대부분의 문제는 더 나은 배터리로 해결될 수 있습니다. 느린 충전, 너무 낮은 범위, 안전 문제, 저온 민감도, 심지어 가격까지 모두 현재 리튬 이온 배터리의 특징입니다.

연구원과 업계 리더들은 기존 설계를 개선하거나 완전히 새로운 배터리 제작 방법을 발명하여 이러한 단점을 해결하기 위해 열심히 노력하고 있습니다.

전반적으로 배터리 밀도가 높을수록 배터리가 더 저렴하고 안전하며 더 오래 지속되고 더 빨리 충전될 가능성이 높습니다.

리튬 배터리 개선

첫 번째 단계는 기존 배터리를 개선하고 이 기술에 대한 풍부한 지식과 경험을 활용하는 것입니다. 일부 연구자들은 현재 세대의 배터리가 2030년까지 점진적으로 개선될 수 있다고 봅니다.리튬이온 배터리와 그 이후의 전망 - 2030년 비전".

첫 번째 부분은 개선이다. 음극 현재 리튬이온 배터리에서 대부분 리튬과 니켈로 만들어지는 배터리의 일부다. 배터리 수명이 다할 때 결정 구조와 화학적 변화를 더 깊이 이해하면 배터리의 모든 사양이 향상될 수 있습니다.

양극현재 흑연으로 만들어진 는 에너지 밀도가 5배~10배 더 높은 실리콘이나 산화규소로 대체될 수 있습니다. 실리콘 양극은 너무 빨리 "노화"되는 경향이 있기 때문에 지금까지는 이것이 어려웠습니다. 흑연-실리콘 혼합물은 이미 점점 보편화되고 있으며 배터리의 총 에너지를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

변경 전해질 양극과 음극을 연결하는 것도 도움이 될 수 있습니다. 새로운 유형의 액체 용매, 더욱 농축된 전해질, 심지어 젤 같은 전해질은 안전성 프로필을 개선하고 배터리 밀도를 높일 수 있습니다.

마지막으로 더 나은 디자인 배터리와 EV의 관계를 최적화하기 위한 옵션입니다. 많은 EV 제조업체들이 소위 말하는 것을 사용하기 시작했습니다. 구조용 배터리 이는 에너지 저장 장치이자 차량의 구조적 구성 요소입니다. 이를 통해 차량 전체 중량을 줄여 효율성과 주행 거리를 높일 수 있습니다. 롤스로이스, 테슬라, 볼보는 이미 주행거리를 ​​16% 늘릴 수 있는 이 아이디어를 연구하고 있습니다.

고체 배터리

오랫동안 이론화되어 실험실에서 서서히 현실화되었으며, 솔리드 스테이트 배터리 종종 배터리 기술의 성배로 묘사됩니다.

액체 전해질의 필요성을 완전히 없애 배터리 무게를 크게 줄이고 밀도를 획기적으로 높이는 것이 아이디어입니다. 가연성 전해질을 제거하면 배터리가 훨씬 더 안전해집니다. 전해질을 제거하면 생산 공정도 단순화됩니다. 풀이 제조 라인에서 최대 3주.

마지막으로, 이러한 설계는 3~5분 내에 거의 완전 재장전을 약속하거나 자동차에 휘발유를 재급유하는 데 걸리는 시간과 거의 같습니다.

많은 기업들이 이르면 2026~2029년에 자체 버전의 전고체 배터리를 출시하는 것에 대해 이야기하고 있습니다. 여기에는 QuantumScape(QS), CATL(300750.SZ), 토요타(TM), 파나소닉(6752.T), LG(051910.KS), 삼성SDI(006400.KS). 현재 테슬라(TSLA) 작업 중 전고체 배터리에 대한 자체 대안, 리튬 이온 기술을 기반으로 한 4680 배터리 셀.

고체 배터리의 문제점

전고체 배터리 개발은 실험실 프로토타입을 대량 생산 제품으로 확장하는 데 어려움을 겪어왔습니다. 신뢰할 수 있고 자동화되었으며 저비용의 생산이 여전히 진행 중이며 전고체 배터리의 시장 출시 일정은 기껏해야 2026~2028년이 될 가능성이 높습니다.

출처: 버텍스 홀딩스

마지막으로, 전고체 배터리는 현재 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 많은 리튬을 사용하게 되며, 이로 인해 2022년 리튬 가격이 10년 만에 2배나 오른 폭등이 반복될 수 있습니다. 재활용도 어려울 수 있습니다.

"축적형" 배터리

어쩌면 우리는 초고밀도 배터리를 보기 위해 전고체 배터리를 기다릴 필요가 없을지도 모른다. CATL은 "응축 물질" 배터리를 개발했다고 발표했습니다., 500Wh/kg에 도달할 수 있습니다. 또한, 소규모 스타트업이 아닌 업계 선두주자가 단기간 내 대량생산이 가능하다는 주장도 신빙성이 있을 것으로 보인다.

이는 이전에는 전고체 배터리로만 달성할 수 있다고 믿었던 수준의 밀도입니다. 지금까지 전기화가 불가능했던 전기항공기 등의 응용을 고려하기 시작하는 데 필요한 수준이기도 하다.

대체 배터리 화학

배터리를 만들기 위해 리튬 이온을 대체할 수 있는 방법은 다양합니다. 그러나 모바일 애플리케이션에 사용하기에 적합한 경량, 고밀도 및 안전성이 적절히 조합된 배터리 화학 물질은 소수에 불과합니다.

장기적으로 이러한 대체 배터리 중 일부는 적어도 가격에 민감한 자동차 대중 시장의 경우 더 비싼 리튬 배터리를 대체할 수도 있습니다.

리튬-철(철)-인산염 배터리 – LFP

LFP 배터리는 너무 낮은 에너지 밀도로 인해 오랫동안 이동성 응용 분야에서 제외되었습니다. 일반적으로 기존 리튬 이온 배터리보다 30-40% 낮습니다.. 이 화학의 최신 버전은 이제 이전 세대 리튬 이온 배터리의 밀도 수준에 도달하여 저가형 차량에 사용할 수 있게 되었습니다.

LFP의 가장 큰 장점은 클래식 리튬 이온 배터리의 가격을 책임지는 니켈이나 코발트가 필요하지 않다는 것입니다. 대조적으로, 철과 인산염은 풍부하고 저렴합니다. LFP는 또한 더 오래 지속될 가능성이 높으므로 배터리 시스템의 총 수명 비용을 더욱 줄일 수 있습니다.

LFP의 주요 제조업체는 중국 CATL(300750.SZ), BYD(BYDDF), 회사가 현재 전 세계 배터리의 절반을 생산하는 제조업체의 위치를 ​​유지하기 위해 다른 옵션을 찾고 있다고 하더라도 말입니다.

그럼에도 불구하고 2023년 700월 XNUMXkm 공개 이후 LFP 시장을 무시하지 않는다. 단 400분만에 10km 주행이 가능한 LFP 배터리.

나트륨 이온

코발트와 니켈 외에 리튬은 리튬 이온에 들어가는 또 다른 주요 고가 자원입니다. 대조적으로 나트륨은 매우 풍부하고 저렴하며 리튬처럼 정기적으로 공급 부족이 발생할 가능성이 훨씬 적습니다.

중국의 대표적인 자동차 제조사, BYD가 저가형 돌핀(Dolphin)과 시걸(Seagull) 신제품에 나트륨이온 배터리를 적용하겠다고 밝혔다., Seagull을 사용하면 10,000달러 정도 저렴할 수도 있습니다(슬프게도 중국에서만 가능).

이는 다음과 같은 발표에 따른 것입니다. 2021년 CATL의 고밀도 나트륨 이온 배터리. 2023년 XNUMX월 유럽 Northvolt는 다음과 같이 발표했습니다. 나트륨 이온의 획기적인 발전, 동일한 목표 달성 CATL보다 킬로그램당 160와트시 에너지 밀도.

LFP보다 에너지 밀도가 약간 낮고 리튬 이온보다 훨씬 낮지만 나트륨 이온은 훨씬 저렴한 가격 덕분에 대중 시장에서 승리할 수 있습니다. 니켈을 사용하는 현재 배터리 가격의 1/3 수준.

기타 화학

각각을 하나씩 살펴보기에는 너무 길겠지만, 언젠가 이동성 응용 분야에 사용되는 배터리에 대한 심각한 경쟁자가 될 수 있는 잠재적인 화학 물질이 꽤 많이 있습니다. 그러나 이러한 기술은 초기 단계에 있으므로 단기간에 EV에 채택될 가능성은 낮습니다.

유리 배터리

흥미로운 아이디어, 매우 풍부한 재료만을 사용하여 현재로서는 다른 연구자들이 자신의 실험실에서 복제하기 위해 고군분투하고 있습니다. 그러나 이 아이디어를 고려하면 씨. 리튬이온 배터리 발명가 굿이너프, 그것도 무시할 수 없습니다(슬프게도 Goodenough 씨는 2023년 여름에 세상을 떠났습니다)

그래핀 배터리

단일 탄소 원자 층인 그래핀은 전도성이 매우 뛰어납니다. 회사 Graphene Manufacturing Group(GMG.V)은 리튬 이온보다 밀도가 높고 충전 속도는 70배 빠르고 수명은 3배 더 긴 그래핀/알루미늄 배터리를 추진하고 있습니다. 회사는 거대 광산업체(및 흑연 채굴업체) Rio Tinto와 협력하여 202년 규모의 생산 시작5.

망간수소 배터리

이 배터리는 마그네슘을 사용하여 리튬을 대체합니다. 이러한 종류의 배터리는 다음과 같이 설명되었습니다.준고체” -22°C(-7°F)만큼 낮은 온도에서도 훨씬 더 나은 온도를 처리할 수 있습니다.

리튬-황 배터리

이 배터리는 값비싼 코발트와 니켈 대신 리튬과 황을 사용합니다. 초기 단계에서도 놀라울 정도로 높은 에너지 밀도를 보여준다. 그러나 내구성 문제로 인해 어려움을 겪고 있으며 기존 화학 물질에 대한 좋은 대안이 되려면 훨씬 더 내구성이 높아져야 합니다.

출처: 버텍스 홀딩스

나트륨-황 배터리

현재 이러한 배터리는 배터리가 고온(300°C)에서 유지되는 응용 분야로 제한되었습니다. 하지만, 황 용해를 방지하는 새로운 전해질은 이러한 요구 사항을 제거할 수 있습니다.. 따라서 강력하고 저렴한 배터리를 찾는 새로운 각도가 될 수 있습니다.

알루미늄 이온 배터리

이 기술은 리튬 양극을 알루미늄 양극으로 대체하는 기술이다. 사용하여 흑연을 폴리머로 대체한 이 배터리는 높은 저장 용량을 달성할 수 있습니다..

알루미늄-공기

이러한 "배터리"는 알루미늄을 연료처럼 소비하여 EV에 사용됩니다. 연료자동차보다 더 긴 주행거리(탱크당 1,600km), 리튬이온보다 훨씬 밀도 높은 에너지 밀도 (1,350W/kg). 이는 또한 전기 비행기의 잠재적인 전력원이 됩니다.

소비된 알루미늄은 90초 안에 새로운 알루미늄으로 교체될 수 있으며, 소비된 "연료"는 재활용됩니다. 이 기술은 구형 EV와 결합되어 더 많은 주행 거리를 제공할 수도 있습니다.

현재 이 기술 개발의 가장 큰 한계는 진정한 배터리도, 연료전지도, 수소 기반도 아니기 때문에 대중의 지지를 받지 못해 기존 녹색 정책의 지원을 받을 수 없다는 점인 것으로 보인다.