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전기 자동차를 위한 더 나은 배터리 설계

2021-10-22

연구원들은 고체 배터리용 재료를 고려할 때 이러한 재료가 대규모 제조에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 고려하기를 원할 수도 있습니다.

 

낸시 W. 스타우퍼


 

 

탄소 배출량을 줄여야 하는 시급한 필요성으로 인해 전기 이동성을 향한 빠른 움직임과 전기 그리드에 태양광 및 풍력의 확대 배치가 촉진되고 있습니다. 이러한 추세가 예상대로 확대되면 전기 에너지를 저장하는 더 나은 방법에 대한 필요성이 강화될 것입니다.

 

â우리는 기후 변화의 위협을 해결하기 위해 얻을 수 있는 모든 전략이 필요합니다.

 

기존의 리튬 이온 배터리는 지속적으로 개선되고 있지만 부분적으로는 구조 때문에 한계가 지속됩니다. 리튬 이온 배터리는 유기(탄소 함유) 액체 주위에 끼워진 두 개의 전극(양극 하나와 음극 하나)으로 구성됩니다. 배터리가 충전 및 방전될 때 전하를 띤 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 발화할 수 있다는 것입니다. "배터리는 일반적으로 정상적으로 사용하면 안전하지만 위험은 여전히 ​​존재합니다."라고 Olivetti 그룹의 연구 과학자인 Kevin Huang 박사는 말합니다.

 

또 다른 문제는 리튬 이온 배터리가 차량용으로 적합하지 않다는 것입니다. 크고 무거운 배터리 팩은 공간을 차지하고 차량의 전체 중량을 증가시켜 연비를 떨어뜨립니다. 그러나 에너지 밀도, 즉 무게 1g당 저장하는 에너지의 양을 유지하면서 오늘날의 리튬 이온 배터리를 더 작고 가볍게 만드는 것은 어려운 일임이 입증되었습니다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 연구원들은 리튬 이온 배터리의 핵심 기능을 변경하여 완전 고체 또는 "고체 상태" 버전을 만들고 있습니다. 그들은 중간에 있는 액체 전해질을 광범위한 전압과 온도에서 안정적인 얇은 고체 전해질로 대체합니다. 그 고체 전해질과 함께 고용량 양극과 고용량 리튬 금속 음극을 사용하는데, 이는 일반적인 다공성 탄소층보다 훨씬 얇습니다. 이러한 변화를 통해 에너지 저장 용량을 유지하면서 전체 배터리를 상당히 축소할 수 있어 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.

 

"강화된 안전성과 더 큰 에너지 밀도"라는 기능은 아마도 잠재적인 전고체 배터리의 두 가지 장점일 것입니다."라고 Huang은 말합니다. 그런 다음 그는 "이러한 모든 것은 장래성이 있고 희망적이며 반드시 실현되는 것은 아닙니다."라고 신속하게 설명합니다. 그럼에도 불구하고 많은 연구자들이 그 가능성을 실현할 수 있는 재료와 디자인을 찾기 위해 애쓰고 있습니다.

 

실험실 너머의 생각

연구원들은 실험실에서 유망해 보이는 많은 흥미로운 옵션을 제시했습니다. 그러나 Olivetti와 Huang은 기후 변화 문제의 시급성을 감안할 때 추가적인 실질적인 고려 사항이 중요할 수 있다고 믿습니다. â저희 연구원들이 연구실에서 가능한 재료와 공정을 평가하기 위해 사용하는 메트릭이 항상 있습니다."라고 Olivetti는 말합니다. 예를 들면 에너지 저장 용량 및 충전/방전 속도가 포함될 수 있습니다. 그녀가 필요하고 중요하다고 생각하는 기초 연구를 수행할 때 이러한 지표가 적절합니다. "하지만 구현이 목표라면 빠른 확장 가능성을 구체적으로 다루는 몇 가지 메트릭을 추가하는 것이 좋습니다."라고 그녀는 말합니다.

 

현재 리튬 이온 배터리에 대한 업계의 경험을 바탕으로 MIT 연구원과 그들의 동료인 Gerbrand Ceder, University of California at Berkeley의 공학 교수인 Daniel M. Tellep은 잠재적인 제약을 식별하는 데 도움이 될 수 있는 세 가지 광범위한 질문을 제안합니다. 재료 선택의 결과로 미래의 확장에. 첫째, 이 배터리 설계를 사용하면 생산 규모가 커짐에 따라 재료 가용성, 공급망 또는 가격 변동성이 문제가 될 수 있습니까? (확장된 채굴로 인해 제기된 환경 및 기타 문제는 이 연구의 범위를 벗어납니다.) 둘째, 이러한 재료로 배터리를 제조하는 데 부품이 고장날 수 있는 어려운 제조 단계가 포함됩니까? 셋째, 이러한 재료를 기반으로 한 고성능 제품을 보장하는 데 필요한 제조 조치가 궁극적으로 배터리 생산 비용을 낮추거나 높입니까?

 

그들의 접근 방식을 입증하기 위해 Olivetti, Ceder 및 Huang은 현재 연구자들이 조사하고 있는 일부 전해질 화학 및 배터리 구조를 조사했습니다. 그들의 예를 선택하기 위해 그들은 그들과 그들의 협력자들이 문헌에 보고된 재료 및 처리 세부 사항에 대한 정보를 수집하기 위해 텍스트 및 데이터 마이닝 기술을 사용한 이전 작업으로 돌아갔다. 해당 데이터베이스에서 다양한 가능성을 나타내는 자주 보고되는 몇 가지 옵션을 선택했습니다.

 

재료 및 가용성

고체 무기 전해질의 세계에는 산소를 포함하는 산화물과 황을 포함하는 황화물의 두 가지 주요 물질 부류가 있습니다. Olivetti, Ceder 및 Huang은 각 등급에서 하나의 유망한 전해질 옵션에 초점을 맞추고 각각에 대한 주요 관심 요소를 조사했습니다.

 

그들이 고려한 황화물은 리튬, 게르마늄, 인, 황을 결합한 LGPS였습니다. 가용성 고려 사항에 따라 그들은 일반적으로 자체적으로 채굴되지 않기 때문에 부분적으로 우려를 제기하는 요소인 게르마늄에 집중했습니다. 대신 석탄과 아연을 채굴하는 동안 생성되는 부산물입니다.

 

그 가용성을 조사하기 위해 연구자들은 지난 60년 동안 석탄 및 아연 채굴 동안 연간 얼마나 많은 게르마늄이 생산되었는지 그리고 얼마나 많이 생산될 수 있었는지 조사했습니다. 결과는 최근 몇 년 동안에도 100배 더 많은 게르마늄을 생산할 수 있음을 시사했습니다. 이러한 공급 잠재력을 감안할 때 게르마늄의 가용성은 LGPS 전해질을 기반으로 하는 전고체 배터리의 확장을 제한하지 않을 것입니다.

 

리튬, 란타늄, 지르코늄 및 산소로 구성된 연구원들이 선택한 산화물 LLZO의 경우 상황이 덜 유망해 보였습니다. 란타늄의 추출 및 처리는 주로 중국에 집중되어 있고 사용 가능한 데이터가 제한되어 있어 연구자들은 가용성을 분석하려고 시도하지 않았습니다. 다른 세 가지 요소는 풍부하게 사용할 수 있습니다. 그러나 실제로는 LLZO를 쉽게 처리하기 위해 소량의 다른 원소(도펀트라고 함)를 추가해야 합니다. 그래서 팀은 LLZO의 주요 관심사로 가장 많이 사용되는 도판트인 탄탈륨에 주목했습니다.

 

탄탈륨은 주석 및 니오븀 채굴의 부산물로 생산됩니다. 과거 데이터에 따르면 주석 및 니오븀 채굴 중에 생산된 탄탈륨의 양이 게르마늄의 경우보다 잠재적인 최대치에 훨씬 더 가깝습니다. 따라서 탄탈륨의 가용성은 LLZO 기반 배터리의 확장 가능성에 대한 우려 사항입니다.

 

그러나 현장에서 요소의 가용성을 아는 것은 제조업체에 전달하는 데 필요한 단계를 다루지 않습니다. 그래서 연구원들은 광업, 가공, 정제, 운송 등의 중요한 요소에 대한 공급망에 관한 후속 질문을 조사했습니다. 풍부한 공급이 가능하다고 가정할 때 이러한 재료를 제공하는 공급망이 증가하는 배터리 수요를 충족할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 확장될 수 있습니까?

 

샘플 분석에서 그들은 2030년에 예상되는 전기 자동차 함대에 배터리를 제공하기 위해 게르마늄 및 탄탈륨에 대한 공급망이 해마다 얼마나 증가해야 하는지 살펴보았습니다. 예를 들어, 전기 자동차 함대는 종종 2030년의 목표로 언급됩니다. 총 100기가와트시의 에너지를 공급할 수 있는 충분한 배터리를 생산해야 합니다. LGPS 배터리만 사용하여 이 목표를 달성하려면 과거 최대 성장률이 약 7%였기 때문에 게르마늄 공급망이 해마다 50%씩 증가해야 합니다. LLZO 배터리만 사용하면 탄탈륨 공급망이 약 30% 성장해야 합니다. 이는 역사적 최고치인 약 10%보다 훨씬 높은 성장률입니다.

 

이러한 예는 확장 가능성에 대해 서로 다른 고체 전해질을 평가할 때 재료 가용성과 공급망을 모두 고려하는 것이 중요함을 보여줍니다. â게르마늄의 경우와 같이 사용 가능한 재료의 양이 문제가 되지 않는 경우에도 향후 전기 자동차 생산에 맞춰 공급망의 모든 단계를 확장하려면 문자 그대로 성장률이 필요할 수 있습니다. 전례가 없는 일입니다.”라고 Huang은 말합니다.

 

재료 및 가공

배터리 설계의 확장 가능성을 평가할 때 고려해야 할 또 다른 요소는 제조 공정의 어려움과 이것이 비용에 미치는 영향입니다. 전고체 배터리 제조에는 필연적으로 많은 단계가 포함되며, 어느 단계에서든 실패하면 성공적으로 생산된 각 배터리의 비용이 상승합니다. Huang이 설명했듯이 "당신은 고장난 배터리를 배송하지 않습니다. 당신은 그것들을 버리고 있습니다. 하지만 여전히 재료와 시간, 처리에 돈을 쓰고 있습니다.

 

제조 난이도에 대한 프록시로 Olivetti, Ceder 및 Huang은 데이터베이스에서 선택한 전고체 배터리 설계의 전체 비용에 대한 고장률의 영향을 조사했습니다. 한 예에서 그들은 산화물 LLZO에 집중했습니다. LLZO는 매우 부서지기 쉽고 제조와 관련된 고온에서 고성능 전고체 배터리에 사용할 수 있을 만큼 얇은 대형 시트가 깨지거나 뒤틀릴 가능성이 있습니다.

 

이러한 실패가 비용에 미치는 영향을 확인하기 위해 그들은 LLZO 기반 배터리를 조립하는 네 가지 주요 처리 단계를 모델링했습니다. 각 단계에서 가정된 수율을 기준으로 비용을 계산했습니다.

 

재료 및 성능

전고체 배터리 설계의 주요 과제 중 하나는 '인터페이스', 즉 한 구성 요소가 다른 구성 요소와 만나는 곳에서 발생합니다. 제조 또는 작동 중에 이러한 인터페이스의 재료가 불안정해질 수 있습니다. "원자는 가지 말아야 할 곳으로 이동하기 시작하고 배터리 성능은 저하됩니다."라고 Huang은 말합니다.

 

그 결과 다양한 배터리 설계에서 인터페이스를 안정화하는 방법을 찾는 데 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 제안된 많은 방법은 성능을 향상시킵니다. 결과적으로 kWh당 달러로 표시되는 배터리 비용이 낮아집니다. 그러나 이러한 솔루션을 구현하려면 일반적으로 재료와 시간이 추가되어 대규모 제조 과정에서 kWh당 비용이 증가합니다.

 

그 트레이드 오프를 설명하기 위해 연구원들은 먼저 산화물인 LLZO를 조사했습니다. 여기서 목표는 LLZO 전해질과 음극 사이에 얇은 주석 층을 삽입하여 계면을 안정화하는 것입니다. 그들은 해당 솔루션 구현 비용에 대한 긍정적인 영향과 부정적인 영향 모두를 분석했습니다. 그들은 주석 분리기를 추가하면 에너지 저장 용량이 증가하고 성능이 향상되어 달러/kWh의 단위 비용이 감소한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 주석 층을 포함하는 비용이 절감액을 초과하여 최종 비용이 원래 비용보다 높습니다.

 

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

 

그들의 분석에 따르면 바인더가 없으면 성능이 떨어지고 LPSCl 기반 배터리의 비용은 $500/kWh 이상입니다. 바인더를 추가하면 성능이 크게 향상되고 비용은 거의 $300/kWh 감소합니다. 이 경우 제조 과정에서 바인더를 추가하는 비용이 매우 낮아서 기본적으로 바인더를 추가하는 데 따른 비용 절감이 모두 실현됩니다. 여기서 인터페이스 문제를 해결하기 위해 구현된 방법은 더 낮은 비용을 지불합니다.

 

연구원들은 문헌에 보고된 다른 유망한 고체 배터리에 대해 유사한 연구를 수행했으며 그 결과는 일관되었습니다. 배터리 재료 및 프로세스의 선택은 실험실에서의 단기 결과뿐만 아니라 미래 수요를 충족하는 데 필요한 규모의 고체 배터리를 제안했습니다. 결과는 또한 세 가지 요소(가용성, 처리 요구 사항 및 배터리 성능)를 함께 고려하는 것이 집합적 효과와 트레이드 오프가 있을 수 있기 때문에 중요하다는 것을 보여주었습니다.

 

Olivetti는 팀의 접근 방식이 조사할 수 있는 우려의 범위를 자랑스럽게 생각합니다. 그러나 그녀는 실험실에서 재료 및 처리 선택을 안내하는 데 사용되는 기존 측정 기준을 대체하기 위한 것이 아니라고 강조합니다. â대신 확장에 방해가 될 수 있는 종류의 항목을 광범위하게 살펴봄으로써 이러한 지표를 보완하기 위한 것입니다. 청정 에너지와 기후 변화.

 

이 연구는종자 기금 프로그램 of the MIT Energy Initiative (MITEI) 에너지 저장을 위한 저탄소에너지센터; ~에 의해

 

이 기사는2021년 봄 issue of Energy Futures, the magazine of the MIT Energy Initiative.