편집자 주: 전기 기술은 녹색 지구의 미래이며, 배터리 기술은 전기 기술의 기초이자 전기 기술의 대규모 발전을 제한하는 핵심입니다. 현재 주류 배터리 기술은 에너지 밀도가 좋고 효율이 높은 리튬 이온 배터리입니다. 그러나 리튬은 가격이 비싸고 자원이 제한된 희귀 원소입니다. 동시에 재생 에너지원의 사용이 증가함에 따라 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 더 이상 충분하지 않습니다. 어떻게 대응하나요? Mayank Jain은 미래에 사용될 수 있는 일부 배터리 기술을 보유하고 있습니다. 원본 기사는 The Future of Battery Technology라는 제목으로 매체에 게재되었습니다.
지구는 에너지로 가득 차 있으며, 우리는 그 에너지를 포착하고 활용하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 우리는 재생에너지로 전환하는 과정에서 더 나은 성과를 거두었지만 에너지 저장 분야에서는 큰 진전을 이루지 못했습니다.
현재 배터리 기술의 최고 표준은 리튬 이온 배터리입니다. 이 배터리는 에너지 밀도가 가장 좋고, 효율도 높으며(약 99%), 긴 수명을 갖고 있는 것으로 보인다.
그럼 무엇이 문제인가요? 우리가 포착하는 재생 에너지가 계속 증가함에 따라 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 더 이상 충분하지 않습니다.
계속해서 배터리를 일괄 생산할 수 있기 때문에 별 문제는 아닌 것 같지만, 문제는 리튬이 상대적으로 희귀한 금속이기 때문에 가격이 저렴하지 않다는 점이다. 배터리 생산 비용은 낮아지고 있지만, 에너지 저장 장치의 필요성도 빠르게 증가하고 있습니다.
리튬이온 배터리가 한번 만들어지면 에너지 산업에 큰 영향을 미칠 지경에 이르렀습니다.
화석연료의 에너지 밀도가 높다는 것은 사실이며, 이는 재생에너지에 대한 완전한 의존으로의 전환을 방해하는 큰 영향 요인입니다. 우리 몸의 무게보다 더 많은 에너지를 방출하는 배터리가 필요합니다.
리튬 이온 배터리의 작동 원리
리튬 배터리의 작동 메커니즘은 일반 AA 또는 AAA 화학 배터리와 유사합니다. 양극과 음극 단자가 있고 그 사이에 전해질이 있습니다. 일반 배터리와 달리 리튬 이온 배터리의 방전 반응은 가역적이므로 배터리를 반복적으로 충전할 수 있습니다.
음극(+단자)은 인산철리튬, 양극(-단자)은 흑연, 흑연은 탄소로 만들어졌다. 전기는 단지 전자의 흐름일 뿐입니다. 이 배터리는 양극과 음극 사이에 리튬 이온을 이동시켜 전기를 생성합니다.
충전되면 이온은 양극으로 이동하고, 방전되면 이온은 음극으로 이동합니다.
이러한 이온의 이동은 회로 내 전자의 이동을 유발하므로 리튬이온의 이동과 전자의 이동은 연관되어 있다.
실리콘 양극 배터리
BMW 등 많은 대형 자동차 회사들이 실리콘 양극전지 개발에 투자해 왔다. 일반 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 이 배터리도 리튬 양극을 사용하지만 탄소 기반 양극 대신 실리콘을 사용합니다.
음극으로서 실리콘은 리튬을 보유하기 위해 4개의 탄소 원자가 필요하고, 1개의 실리콘 원자가 4개의 리튬 이온을 보유할 수 있기 때문에 흑연보다 우수합니다. 이는 실리콘을 흑연보다 3배 더 강하게 만드는 주요 업그레이드입니다.
그럼에도 불구하고 리튬의 사용은 여전히 양날의 검이다. 이 재료는 여전히 비싸지만 생산 시설을 실리콘 셀로 이전하는 것도 더 쉽습니다. 배터리가 완전히 다른 경우 공장을 완전히 재설계해야 하므로 전환의 매력이 약간 감소합니다.
실리콘 양극은 모래를 처리해 순수한 실리콘을 만드는 방식으로 만들어지지만, 현재 연구자들이 직면하고 있는 가장 큰 문제는 실리콘 양극이 사용 시 부풀어 오른다는 점이다. 이로 인해 배터리 성능이 너무 빨리 저하될 수 있습니다. 양극재도 대량생산이 어렵다.
그래핀 배터리
그래핀은 연필과 같은 재질을 사용하는 탄소 조각의 일종이지만, 조각에 흑연을 붙이는 데 시간이 많이 든다. 그래핀은 다양한 사용 사례에서 뛰어난 성능으로 호평을 받고 있으며, 배터리도 그중 하나입니다.
일부 회사에서는 몇 분 안에 완전히 충전되고 리튬 이온 배터리보다 33배 빠르게 방전될 수 있는 그래핀 배터리를 개발하고 있습니다. 이는 전기 자동차에 있어 매우 중요한 가치입니다.
폼 배터리
현재 기존 배터리는 2차원입니다. 리튬 배터리처럼 쌓이거나 일반적인 AA 또는 리튬 이온 배터리처럼 말려 있습니다.
폼 배터리는 3차원 공간에서 전하의 이동을 수반하는 새로운 개념의 배터리입니다.
이러한 3차원 구조는 충전 시간을 단축하고 에너지 밀도를 높일 수 있으며 이는 배터리의 매우 중요한 특성입니다. 대부분의 다른 배터리와 비교하여 폼 배터리에는 유해한 액체 전해질이 없습니다.
폼 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬 이온을 전도할 뿐만 아니라 다른 전자 장치를 절연시키는 역할도 합니다.
배터리의 음전하를 유지하는 양극은 발포 구리로 만들어지고 필요한 활성 물질로 코팅됩니다.
그런 다음 고체 전해질이 양극 주위에 도포됩니다.
마지막으로 배터리 내부의 틈을 메우기 위해 소위 '포지티브 페이스트'가 사용됩니다.
알루미늄 산화물 배터리
이 배터리는 모든 배터리 중 에너지 밀도가 가장 큰 배터리 중 하나입니다. 그 에너지는 현재의 리튬 이온 배터리보다 더 강력하고 가볍습니다. 어떤 사람들은 이 배터리로 2,000km의 전기 자동차를 주행할 수 있다고 주장합니다. 이 개념은 무엇입니까? 참고로 테슬라의 최대 항속거리는 약 600km이다.
이 배터리의 문제점은 충전이 불가능하다는 것입니다. 수산화알루미늄을 생성하고 수성 전해질에서 알루미늄과 산소의 반응을 통해 에너지를 방출합니다. 배터리를 사용하면 알루미늄이 양극으로 소모됩니다.
나트륨 배터리
현재 일본 과학자들은 리튬 대신 나트륨을 사용하는 배터리를 만들기 위해 노력하고 있습니다.
나트륨 배터리는 이론적으로 리튬 배터리보다 7배 더 효율적이기 때문에 이는 파괴적인 일입니다. 또 다른 큰 장점은 나트륨이 희귀 원소인 리튬에 비해 지구 매장량 중 6번째로 풍부한 원소라는 것입니다.
게시 시간: 2019년 12월 2일