전기 자동차를 위한 더 나은 배터리 설계

탄소 배출량을 줄여야 하는 시급한 필요성으로 인해 전기화된 이동성과 전력망에서 태양열 및 풍력의 확대 배치로의 빠른 이동이 촉진되고 있습니다. 이러한 경향이 예상대로 확대되면 전기 에너지를 저장하는 더 나은 방법에 대한 필요성이 강화될 것입니다.

분명히 대규모 그리드 기반 스토리지 기술을 개발하는 것이 중요합니다. 그러나 모바일 애플리케이션, 특히 운송의 경우 오늘날의 리튬 이온 배터리를 적용하여 크기와 무게에 비해 더 안전하고 더 작고 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 버전을 만드는 데 많은 연구가 집중되고 있습니다.

기존의 리튬 이온 배터리는 계속해서 개선되고 있지만 부분적으로는 구조 때문에 지속되는 한계가 있습니다. 리튬 이온 배터리는 유기(탄소 함유) 액체 주위에 샌드위치된 두 개의 전극(하나는 양극, 다른 하나는 음극)으로 구성됩니다. 배터리가 충전 및 방전됨에 따라 전기적으로 대전된 리튬 입자(또는 이온)가 액체 전해질을 통해 한 전극에서 다른 전극으로 이동합니다.

이 설계의 한 가지 문제는 특정 전압과 온도에서 액체 전해질이 휘발성이 되어 불이 붙을 수 있다는 것입니다. 배터리는 일반적으로 정상적인 사용 상태에서 안전하지만 위험은 여전히 ​​존재합니다.

또 다른 문제는 리튬 이온 배터리가 차량에 사용하기에 적합하지 않다는 것입니다. 크고 무거운 배터리 팩은 공간을 차지하고 차량의 전체 중량을 증가시켜 연비를 감소시킵니다. 그러나 오늘날의 리튬 이온 배터리를 에너지 밀도, 즉 무게 XNUMXg당 저장하는 에너지의 양을 유지하면서 더 작고 가볍게 만드는 것은 어려운 것으로 판명되었습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구원들은 리튬 이온 배터리의 주요 기능을 전고체 또는 "고체" 버전으로 변경하고 있습니다. 중간에 있는 액체 전해질을 다양한 전압과 온도에서 안정적인 얇은 고체 전해질로 대체합니다. 그 고체 전해질로 그들은 고용량 양극과 다공성 탄소의 일반적인 층보다 훨씬 얇은 고용량 리튬 금속 음극을 사용합니다. 이러한 변경으로 인해 에너지 저장 용량을 유지하면서 전체 배터리를 상당히 축소할 수 있으므로 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.

향상된 안전성과 더 큰 에너지 밀도와 같은 이러한 기능은 아마도 잠재적인 고체 배터리의 가장 자주 선전되는 두 가지 이점일 것입니다.

현재 리튬 이온 배터리에 대한 업계의 경험을 바탕으로 MIT 연구원과 동료들은 재료 선택의 결과로 미래 규모 확대에 대한 잠재적인 제약을 식별하는 데 도움이 될 수 있는 세 가지 광범위한 질문을 제안합니다. 첫째, 이 배터리 설계에서 생산 규모가 커짐에 따라 재료 가용성, 공급망 또는 가격 변동성이 문제가 될 수 있습니까? (광산 확대로 인해 제기된 환경 및 기타 문제는 이 연구의 범위를 벗어납니다.) 둘째, 이러한 재료로 배터리를 제조하려면 부품이 고장날 가능성이 있는 어려운 제조 단계가 필요합니까? 셋째, 이러한 재료를 기반으로 한 고성능 제품을 보장하기 위해 필요한 제조 조치가 궁극적으로 배터리 생산 비용을 낮추거나 높이는가?

그들의 접근 방식을 입증하기 위해 Olivetti, Ceder 및 Huang은 현재 연구원들이 조사하고 있는 일부 전해질 화학 및 배터리 구조를 조사했습니다. 그들의 예를 선택하기 위해 그들은 자신과 공동 작업자가 문헌에 보고된 재료 및 처리 세부 사항에 대한 정보를 수집하기 위해 텍스트 및 데이터 마이닝 기술을 사용했던 이전 작업으로 눈을 돌렸습니다. 그 데이터베이스에서 그들은 가능성의 범위를 나타내는 자주 보고되는 몇 가지 옵션을 선택했습니다.

재료 및 가용성

고체 무기 전해질의 세계에는 산소를 포함하는 산화물과 황을 포함하는 황화물의 두 가지 주요 부류의 물질이 있습니다.

연구팀이 고려한 황화물은 리튬, 게르마늄, 인, 황을 결합한 LGPS였다. 가용성 고려 사항에 따라 그들은 일반적으로 자체적으로 채굴되지 않기 때문에 부분적으로 우려를 불러일으키는 원소인 게르마늄에 집중했습니다. 대신 석탄과 아연을 채굴하는 동안 생성되는 부산물입니다.

그 가용성을 조사하기 위해 연구자들은 지난 100년 동안 석탄과 아연 광산에서 연간 생산되는 게르마늄의 양과 생산될 수 있었던 양을 조사했습니다. 결과는 최근 몇 년 동안에도 XNUMX배 더 많은 게르마늄이 생산될 수 있음을 시사했습니다. 이러한 공급 잠재력을 감안할 때 게르마늄의 가용성은 LGPS 전해질 기반 전고체 배터리의 규모 확대를 제한할 가능성이 없습니다.

리튬, 란탄, 지르코늄 및 산소로 구성된 연구원들이 선택한 산화물 LLZO에서는 상황이 덜 유망해 보였습니다. 란탄의 추출 및 가공은 주로 중국에 집중되어 있고 이용 가능한 데이터가 제한되어 있어 연구자들은 그 이용 가능성에 대한 분석을 시도하지 않았다. 다른 세 가지 요소는 풍부하게 사용할 수 있습니다. 그러나 실제로는 LLZO를 쉽게 처리할 수 있도록 도펀트라고 하는 소량의 다른 요소를 추가해야 합니다. 그래서 팀은 가장 많이 사용되는 도펀트인 탄탈륨을 LLZO의 주요 관심사로 삼았습니다.

탄탈륨은 주석 및 니오븀 채광의 부산물로 생산됩니다. 과거 데이터에 따르면 주석 및 니오븀 채광 중에 생성된 탄탈륨의 양이 게르마늄의 경우보다 잠재적인 최대치에 훨씬 더 가까웠습니다. 따라서 탄탈륨의 가용성은 LLZO 기반 배터리의 확장 가능성에 대한 우려 사항입니다.

그러나 현장에 있는 요소의 가용성을 알고 있다고 해서 해당 요소를 제조업체에 가져오는 데 필요한 단계는 해결되지 않습니다. 그래서 연구자들은 광업, 가공, 정제, 선적 등 핵심 요소의 공급망에 관한 후속 질문을 조사했습니다. 풍부한 공급이 가능하다고 가정할 때 이러한 재료를 제공하는 공급망이 배터리에 대한 증가하는 수요를 충족할 만큼 충분히 빠르게 확장될 수 있습니까?

샘플 분석에서 그들은 2030년에 예상되는 전기 자동차 차량에 배터리를 제공하기 위해 게르마늄 및 탄탈륨 공급망이 매년 얼마나 성장해야 하는지 살펴보았습니다. 예를 들어, 전기 자동차 차량은 2030년의 목표로 자주 인용되었습니다. 총 100기가와트시의 에너지를 공급하기에 충분한 배터리를 생산해야 합니다. LGPS 배터리만 사용하여 이 목표를 달성하려면 게르마늄 공급망이 해마다 50% 증가해야 합니다. 과거 최대 성장률이 약 7%였기 때문입니다. LLZO 배터리만 사용하면 탄탈륨 공급망이 약 30% 성장해야 합니다. 이는 역사적 최고치인 약 10%를 훨씬 웃도는 성장률입니다.

이러한 예는 확장 가능성에 대해 다양한 고체 전해질을 평가할 때 재료 가용성과 공급망을 모두 고려하는 것이 중요함을 보여줍니다. 게르마늄의 경우와 같이 사용 가능한 재료의 양이 문제가 되지 않더라도 향후 생산에 맞게 공급망의 모든 단계를 확장합니다. 전기 자동차 말 그대로 전례가 없는 성장률이 필요할 수 있습니다.

재료 및 가공

배터리 설계의 확장 가능성을 평가할 때 고려해야 할 또 다른 요소는 제조 공정의 어려움과 비용에 미치는 영향입니다. 전고체 전지의 제작은 필연적으로 많은 단계를 거쳐야 하고, 어느 단계에서나 실패하면 각 전지를 성공적으로 생산하는 비용이 증가합니다.

연구원들은 제조상의 어려움을 대신하여 데이터베이스에서 선택한 솔리드 스테이트 배터리 설계의 전체 비용에 대한 고장률의 영향을 조사했습니다. 한 예에서 그들은 산화물 LLZO에 집중했습니다. LLZO는 매우 부서지기 쉬우며 제조와 관련된 고온에서 고성능 전고체 배터리에 사용하기에 충분히 얇은 대형 시트가 깨지거나 뒤틀릴 가능성이 있습니다.

이러한 고장이 비용에 미치는 영향을 확인하기 위해 그들은 LLZO 기반 배터리 조립의 5가지 주요 처리 단계를 모델링했습니다. 각 단계에서 그들은 가정된 수율, 즉 실패 없이 성공적으로 처리된 전체 단위의 비율을 기반으로 비용을 계산했습니다. LLZO를 사용하면 조사한 다른 디자인보다 수율이 훨씬 낮았습니다. 그리고 수율이 낮아질수록 배터리 에너지의 각 kWh(킬로와트시) 비용이 크게 증가했습니다. 예를 들어, 최종 음극 가열 단계에서 30% 더 많은 장치가 고장났을 때 비용은 약 $100/kWh 증가했습니다. 이러한 배터리에 대해 일반적으로 수용되는 목표 비용이 $XNUMX/kWh임을 고려하면 사소한 변화입니다. 분명히 제조상의 어려움은 대규모 채택을 위한 설계의 실행 가능성에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다.

재료 및 성능

전고체 배터리 설계의 주요 과제 중 하나는 "인터페이스", 즉 한 구성 요소가 다른 구성 요소와 만나는 위치에서 비롯됩니다. 제조 또는 작동 중에 해당 인터페이스의 재료가 불안정해질 수 있습니다. Atoms는 가지 말아야 할 곳으로 이동하기 시작하고 배터리 성능이 저하됩니다.

결과적으로 다양한 배터리 설계에서 인터페이스를 안정화하는 방법을 찾기 위해 많은 연구가 수행됩니다. 제안된 많은 방법은 성능을 향상시킵니다. 결과적으로 kWh당 달러로 표시되는 배터리 비용이 낮아집니다. 그러나 이러한 솔루션을 구현하려면 일반적으로 재료와 시간이 추가되어 대규모 제조 시 kWh당 비용이 증가합니다.

그 절충을 설명하기 위해 연구원들은 먼저 그들의 산화물인 LLZO를 조사했습니다. 여기서 목표는 LLZO 전해질과 음극 사이에 얇은 주석 층을 삽입하여 음극 사이의 계면을 안정화하는 것입니다. 그들은 해당 솔루션을 구현하는 비용에 대한 긍정적인 영향과 부정적인 영향을 모두 분석했습니다. 그들은 주석 분리기를 추가하면 에너지 저장 용량이 증가하고 성능이 향상되어 단위 비용(달러/kWh)이 감소한다는 것을 발견했습니다. 그러나 주석 층을 포함하는 비용은 절감액을 초과하므로 최종 비용은 원래 비용보다 높습니다.

또 다른 분석에서 그들은 리튬, 인, 황으로 구성되고 약간의 염소가 첨가된 LPSCl이라는 황화물 전해질을 조사했습니다. 이 경우 양극은 전해질 물질의 입자를 포함합니다. 리튬 이온이 전해질을 통해 다른 전극으로 가는 경로를 찾을 수 있도록 하는 방법입니다. 그러나 추가된 전해질 입자는 양극의 다른 입자와 상용성이 없어 또 다른 계면 문제입니다. 이 경우 표준 솔루션은 입자를 서로 붙게 만드는 또 다른 물질인 "바인더"를 추가하는 것입니다.

그들의 분석은 바인더가 없으면 성능이 좋지 않고 LPSCl 기반 배터리의 비용이 $500/kWh 이상임을 확인했습니다. 바인더를 추가하면 성능이 크게 향상되고 비용이 거의 $300/kWh 감소합니다. 이 경우, 제조시 바인더를 첨가하는 비용이 너무 낮아서 바인더를 첨가함으로써 발생하는 비용절감을 본질적으로 모두 실현할 수 있다. 여기서 인터페이스 문제를 해결하기 위해 구현된 방법은 더 낮은 비용으로 보상을 받습니다.

연구자들은 문헌에 보고된 다른 유망한 고체 전지에 대해 유사한 연구를 수행했으며 결과는 일관되었습니다. 미래 수요를 충족하는 데 필요한 규모의 고체 배터리를 제안했습니다. 결과는 또한 XNUMX가지 요소(가용성, 처리 요구 사항 및 배터리 성능)를 모두 함께 고려하는 것이 중요하다는 것을 보여주었습니다. 왜냐하면 관련된 총체적인 효과와 상충 관계가 있을 수 있기 때문입니다.