우리는 주변에 있는 많은 기술을 당연하게 여깁니다. 예를 들어 하루 종일 충전하지 않고 작동하는 휴대폰용 마이크로컴퓨터. 그러나 나는 전화를 재충전하지 않고 3-4일 동안 작동하기를 원합니다. 또는 1000km를 이동할 수 있고 몇 분 만에 충전할 수 있는 전기 자동차... 그리고 가솔린 엔진이 장착된 자동차보다 비용이 적게 듭니다. 지난 몇 년 동안 솔리드 스테이트 배터리에 대해 많은 이야기가 있었지만 지금은 어떻게 되고 있습니까? 그리고 얼마나 더 기다려야 합니까? 솔리드 스테이트 배터리 결국 우리 장치 내부에 있습니까?
가장 최근의 사례는 동계올림픽에서 전고체 배터리 자동차를 발표한 도요타다. 오늘날 우리가 사용하는 리튬 이온 배터리는 그 성능이 뛰어나지만 전고체 배터리가 해결하려고 하는 몇 가지 단점이 있습니다.
그들의 공통점이 무엇입니까?
두 유형 모두 리튬을 사용하여 전기를 생산하며 일반적인 구조는 매우 유사합니다. 간단히 말해 양극(음극), 음극(양극), 전해질이 있습니다.
그들의 주요 차이점은 충전 중에 음극에서 양극으로 이온을 전달하고 방전 중에 그 반대로 이온을 전달하는 데 도움이되는 전해질의 상태에 있습니다. 즉, 전해질은 배터리의 음극과 양극 사이의 전류 흐름을 조절합니다. 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하는 반면, 고체 배터리는 이름에서 알 수 있듯이 얇은 층의 고체 전해질을 사용합니다.
이것이 왜 중요한가?
고체 전해질에는 다음과 같은 여러 가지 중요한 이점이 있습니다.
- 보안: 피산성 전해질 휘발성 물질 고온에서 쉽게 발화됩니다. 이들과 달리 고체 전해질은 더 안정적이며 화재나 폭발의 위험을 줄입니다.
- 더 높은 에너지 밀도 그리고 더 빠른 충전 시간: p향상된 안정성은 솔리드 스테이트 배터리가 리튬 이온 배터리보다 50% 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 것을 의미하며 80분 이내에 12% 충전에 도달할 것으로 예상됩니다.
왼쪽에는 리튬 이온 배터리의 구조가 표시되고 오른쪽에는 전고체 배터리의 구조가 표시됩니다.
3. 더 가벼운 무게와 크기: 리튬 이온 배터리 내부의 액체로 인해 더 무겁지만 고체 상태 배터리의 컴팩트한 구조는 단위 면적당 더 높은 에너지 밀도를 허용하므로 더 적은 수의 배터리가 필요합니다.
전고체 배터리가 리튬 이온 배터리를 대체할 것인가?
이론상으로는 그렇습니다. 또는 적어도 그것이 진행되고 있습니다. 실제로 폭스바겐, 도요타, 포드, BMW 등 많은 자동차 제조사들이 이미 이 기술에 투자하고 있다. 그러나 실제로 전고체 전지의 셀은 실험실에서 하나씩 생산되어 대량 생산에 이르게 합니다. 비용이 많이 들고 아직 충분히 개발되지 않은 작업입니다.
안정하고 화학적으로 불활성이며 전극 사이의 이온 전도도가 좋은 고체 전해질을 개발하는 것은 어렵습니다. 또한, 전해질은 제조 비용이 너무 비싸고 사용 중에 팽창 및 압축될 때 취성으로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다. 그러나 아마도 리튬 이온 배터리가 점차 저렴해지면 그렇게 될 것입니다.
어떤 연구가 이미 수행되었습니까?
최근 몇 년 동안이 문제를 해결하기위한 많은 흥미로운 연구가 수행되었습니다. MIT 연구원들은 소위 MIEC(혼합 이온-전자 전도체)와 전자 및 리튬 이온 절연체(ELI)를 개발했습니다. 나노스케일 MIEC 튜브가 있는 차원 셀룰러 아키텍처입니다. 튜브는 양극을 형성하는 리튬으로 채워져 있습니다. 이 발견의 핵심 부분은 셀 구조가 충전 및 방전 중에 리튬이 팽창 및 수축할 수 있는 공간을 허용한다는 것입니다. 배터리의 이러한 "호흡"은 균열을 방지합니다. ELI 튜브의 코팅은 고체 전해질로부터 튜브를 보호하는 장벽 역할을 합니다. 이것은 고체 배터리의 구조로 액체나 젤을 추가할 필요가 없으므로 수지상 돌기를 피할 수 있습니다.
라고 하는 회사 이온 저장 시스템 액체 전해질을 사용하는 현대 플라스틱 분리막과 거의 같은 두께인 약 10마이크로미터 두께의 초박형 세라믹 전해질을 개발했습니다. 세라믹 전해질의 각 면은 저항을 줄이는 데 도움이 되는 매우 얇은 산화알루미늄 층으로 코팅되어 있습니다. 배터리 프로토타입은 약 300Wh/kg의 에너지 용량을 가지며 5-10분 안에 충전할 수 있습니다. 비교를 위해: 최신 NCA 배터리는 약 250Wh/kg의 에너지 용량에 도달합니다.
전시회에서 CES 올해 메세데스는 완전히 재활용 가능한 배터리를 갖춘 친환경 소재로 만들어진 AVTR 컨셉트카를 선보였습니다. 인터뷰에서 Mercedes의 수석 배터리 연구 관리자 Andreas Hintennach는 배터리 기술이 현재 실험실 테스트를 거치고 있으며 10-15년 안에 준비될 것이라고 말했습니다. CATL(Tesla의 중국 배터리 파트너)도 샘플 고체 배터리를 개발했지만 2030년까지 시장에 출시되지 않을 것이라고 보고했습니다.
전고체 전지의 지속적인 생산이 예상됨 고쳐질 것이다 2025년부터 시작되지만 처음에는 자동차 산업이 아닙니다.
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