탄소 배출을 줄여야 하는 시급한 요구로 인해 운송 수단을 전기화하고 전력망에 태양열 및 풍력 발전을 확대하는 방향으로 빠르게 이동하고 있습니다.이러한 추세가 예상대로 확대되면 전기 에너지를 저장하는 더 나은 방법에 대한 필요성이 더욱 커질 것입니다.
Esther and Harold E. Edgerton의 재료 과학 및 공학 부교수인 Elsa Olivetti 박사는 기후 변화의 위협에 대처하기 위해 얻을 수 있는 모든 전략이 필요하다고 말합니다.분명히 그리드 기반 대용량 저장 기술의 개발은 중요합니다.그러나 모바일 애플리케이션, 특히 운송 분야에서는 많은 연구가 오늘날의 모바일 애플리케이션에 초점을 맞추고 있습니다.리튬 이온 배터리더 안전하고 작으며 크기와 무게에 비해 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
기존 리튬 이온 배터리는 지속적으로 개선되고 있지만 부분적으로 구조로 인해 한계가 남아 있습니다.리튬 이온 배터리는 유기(탄소 함유) 액체에 끼워진 두 개의 전극(양극 전극과 음극 전극)으로 구성됩니다.배터리가 충전 및 방전되면 충전된 리튬 입자(또는 이온)가 액체 전해질을 통해 한 전극에서 다른 전극으로 전달됩니다.
이 설계의 한 가지 문제점은 특정 전압과 온도에서 액체 전해질이 휘발성이 되어 화재가 발생할 수 있다는 것입니다.배터리는 일반적으로 정상적인 사용 시 안전하지만 위험은 여전히 남아 있다고 Olivetti 그룹의 연구 과학자인 Kevin Huang Ph.D.'15 박사는 말합니다.
또 다른 문제는 리튬이온 배터리가 자동차에 사용하기에는 적합하지 않다는 점이다.크고 무거운 배터리 팩은 공간을 차지하고 차량 전체 중량을 늘리며 연비를 저하시킵니다.그러나 오늘날의 리튬 이온 배터리를 에너지 밀도(무게 1g당 저장되는 에너지의 양)를 유지하면서 더 작고 가볍게 만드는 것은 어려운 일입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 리튬 이온 배터리의 주요 기능을 변경하여 전고체 또는 고체 버전을 만들고 있습니다.중간에 있는 액체 전해질을 광범위한 전압과 온도에서 안정적인 얇은 고체 전해질로 대체하고 있습니다.이 고체전해질에는 일반적인 다공성 탄소층보다 두께가 훨씬 얇은 고용량 양극과 고용량 리튬금속 음극을 사용했다.이러한 변화를 통해 에너지 저장 용량을 유지하면서 전체 셀을 훨씬 더 작게 만들어 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.
이러한 특징 - 향상된 안전성과 더 높은 에너지 밀도- 아마도 잠재적인 전고체 배터리의 가장 일반적으로 선전되는 두 가지 이점일 것입니다. 그러나 이 모든 것들은 미래 지향적이고 희망적이며 반드시 달성 가능한 것은 아닙니다.그럼에도 불구하고 이러한 가능성으로 인해 많은 연구자들은 이 약속을 이행할 재료와 디자인을 찾기 위해 안간힘을 쓰고 있습니다.
실험실 너머의 생각
연구자들은 실험실에서 유망해 보이는 여러 가지 흥미로운 시나리오를 생각해 냈습니다.그러나 Olivetti와 Huang은 기후 변화 문제의 긴급성을 고려할 때 추가적인 실질적인 고려 사항이 중요할 수 있다고 믿습니다.우리 연구원들은 가능한 재료와 프로세스를 평가하기 위해 항상 실험실에 측정 기준을 가지고 있다고 Olivetti는 말합니다.예로는 에너지 저장 용량, 충전/방전 속도 등이 있습니다.그러나 목표가 구현이라면 빠른 확장 가능성을 구체적으로 다루는 측정항목을 추가하는 것이 좋습니다.
재료 및 가용성
고체 무기 전해질의 세계에는 산소를 함유한 산화물과 황을 함유한 황화물이라는 두 가지 주요 유형의 물질이 있습니다.탄탈륨은 주석과 니오브 채굴의 부산물로 생산됩니다.역사적 데이터에 따르면 주석과 니오븀을 채굴하는 동안 탄탈륨의 생산량은 게르마늄의 생산량보다 잠재적 최대치에 더 가깝습니다.따라서 탄탈륨의 가용성은 LLZO 기반 셀의 확장 가능성에 대해 더 큰 관심사입니다.
그러나 현장에 있는 요소의 가용성을 안다고 해서 해당 요소를 제조업체의 손에 전달하는 데 필요한 단계가 해결되지는 않습니다.따라서 연구원들은 채굴, 가공, 정제, 운송 등 핵심 요소의 공급망에 대한 후속 질문을 조사했습니다. 공급이 풍부하다고 가정하면 이러한 자재를 전달하기 위한 공급망을 성장하는 수요를 충족할 수 있을 만큼 빠르게 확장할 수 있습니까? 배터리 수요?
샘플 분석에서 그들은 2030년에 예상되는 전기 자동차에 배터리를 제공하기 위해 게르마늄 및 탄탈륨 공급망이 매년 얼마나 성장해야 하는지 살펴보았습니다.예를 들어, 2030년 목표로 자주 언급되는 전기 자동차는 총 100기가와트시(Gigawatt hour)의 에너지를 제공할 수 있는 충분한 배터리를 생산해야 합니다.이 목표를 달성하려면 LGPS 배터리만 사용하여 게르마늄 공급망이 매년 50%씩 성장해야 합니다. 과거 최대 성장률은 약 7%였기 때문입니다.LLZO 셀만 사용하면 탄탈륨 공급망은 약 30% 정도 성장해야 합니다. 이는 역사적 최대 성장률인 약 10%를 훨씬 웃도는 수치입니다.
이러한 예는 다양한 고체 전해질의 확장 가능성을 평가할 때 재료 가용성과 공급망을 고려하는 것의 중요성을 보여준다고 Huang은 말합니다. 게르마늄의 경우처럼 재료의 양이 문제가 되지 않더라도 모든 재료의 확장은 가능합니다. 미래의 전기 자동차 생산에 맞춰 공급망의 단계를 완료하려면 사실상 전례 없는 성장률이 필요할 수 있습니다.
재료 및 가공
배터리 설계의 확장성 잠재력을 평가할 때 고려해야 할 또 다른 요소는 제조 공정의 어려움과 비용에 미칠 수 있는 영향입니다.전고체 배터리 제조에는 필연적으로 많은 단계가 수반되며, 어떤 단계라도 실패하면 성공적으로 생산된 각 셀의 비용이 증가합니다.
제조 난이도에 대한 대안으로 Olivetti, Ceder 및 Huang은 데이터베이스에서 선택한 전고체 배터리 설계의 총 비용에 대한 실패율의 영향을 조사했습니다.한 예에서 그들은 산화물 LLZO에 초점을 맞췄습니다.LLZO는 매우 부서지기 쉬우며 고성능 고체 배터리에 사용할 수 있을 만큼 얇은 대형 시트는 제조 공정과 관련된 고온에서 깨지거나 휘어질 가능성이 높습니다.
이러한 오류가 비용에 미치는 영향을 확인하기 위해 그들은 LLZO 셀 조립과 관련된 4가지 주요 처리 단계를 시뮬레이션했습니다.각 단계에서 그들은 가정된 수율, 즉 실패 없이 성공적으로 처리된 전체 셀의 비율을 기준으로 비용을 계산했습니다.LLZO의 경우 연구한 다른 설계보다 수율이 훨씬 낮았습니다.더욱이, 수율이 감소함에 따라 셀 에너지의 킬로와트시(kWh)당 비용이 크게 증가했습니다.예를 들어, 최종 음극 가열 단계에 5% 더 많은 셀이 추가되면 비용은 약 $30/kWh 증가합니다. 이러한 셀에 대해 일반적으로 허용되는 목표 비용이 $100/kWh라는 점을 고려하면 무시할 수 있는 변화입니다.분명히 제조상의 어려움은 대규모 설계 채택의 타당성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 9월 9일