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새로운 배터리 디자인은 전기 자동차에 충격을 줄 수 있습니다

2021-06-16
배터리 아키텍처의 상당한 발전은 전기 자동차 및 그리드 스토리지를 위한 돌파구가 될 수 있습니다.



'Cambridge 원유' 샘플 - 고효율의 새로운 유형의 배터리에 전원을 공급할 수 있는 검은색의 끈적끈적한 물질입니다. 반고체 플로우 배터리의 프로토타입이 플라스크 뒤에 보입니다.



연구팀의 구성원은 (왼쪽에서 오른쪽으로) 최근 졸업한 Mihai Duduta â€~10, W. Craig Carter 교수, 대학원생 Bryan Ho, Yet-Ming Chiang 교수입니다.

MIT의 연구원들이 개발한 배터리 설계에 대한 근본적으로 새로운 접근 방식은 전기 자동차 및 전력망용 기존 배터리에 대한 가볍고 저렴한 대안을 제공할 수 있습니다. 이 기술은 일반 자동차에 가스를 주입하는 것처럼 배터리와 같은 "급유"도 빠르고 쉽게 만들 수 있습니다.

새로운 배터리는 고체 입자가 캐리어 액체에 부유하고 시스템을 통해 펌핑되는 반고체 플로우 셀이라는 혁신적인 아키텍처에 의존합니다. 이 설계에서 배터리의 활성 구성 요소인 양극 및 음극 또는 음극과 양극은 액체 전해질에 부유하는 입자로 구성됩니다. 이 두 가지 다른 현탁액은 얇은 다공성 멤브레인과 같은 필터로 분리된 시스템을 통해 펌핑됩니다.

이 작업은 재료 과학 교수인 W. Craig Carter와 Yet-Ming Chiang의 지도 하에 Mihai Duduta ’10와 대학원생 Bryan Ho에 의해 수행되었습니다. 5월 20일 Advanced Energy Materials 저널에 발표된 논문에 설명되어 있습니다. 이 논문은 방문 연구원 Pimpa Limthongkul(02), 박사후 연구원 Vanessa Wood(10), 대학원생 Victor Brunini(08)가 공동 저술했습니다.

새로운 디자인의 중요한 특징 중 하나는 배터리의 두 가지 기능인 필요할 때까지 에너지를 저장하고 필요할 때 에너지를 방전하는 두 가지 기능을 별도의 물리적 구조로 분리한다는 것입니다. (기존 배터리에서는 저장과 방전이 모두 동일한 구조에서 발생합니다.) 이러한 기능을 분리하면 배터리를 보다 효율적으로 설계할 수 있다고 Chiang은 말합니다.

새로운 설계는 모든 구조적 지지대와 커넥터를 포함하여 완전한 배터리 시스템의 크기와 비용을 현재 수준의 약 절반으로 줄이는 것을 가능하게 해야 합니다. 그 극적인 감소는 전기 자동차를 기존의 가솔린 ​​또는 디젤 동력 자동차와 완전히 경쟁력있게 만드는 열쇠가 될 수 있다고 연구원들은 말합니다.

또 다른 잠재적인 이점은 차량 응용 분야에서 이러한 시스템이 액체 슬러리를 펌핑하고 완전히 충전된 새 교체품을 펌핑하거나 타이어와 같은 탱크를 교체하여 배터리를 단순히 "급유"할 가능성을 허용한다는 것입니다. 시간이 허락할 때 단순히 기존 재료를 재충전하는 옵션을 유지하면서 피트 스톱에서.

플로우 배터리는 오래전부터 존재했지만 에너지 밀도(주어진 부피에 저장할 수 있는 에너지의 양)가 매우 낮은 액체를 사용했습니다. 이 때문에 기존의 플로우 배터리는 연료 전지보다 훨씬 더 많은 공간을 차지하고 유체를 빠르게 펌핑해야 하므로 효율성이 더욱 떨어집니다.

Chiang과 동료들이 개척한 새로운 반고체 흐름 배터리는 이러한 한계를 극복하여 현재 액체 흐름 배터리에 비해 에너지 밀도가 10배 향상되고 기존 리튬 이온 배터리보다 제조 비용이 저렴합니다. 이 재료는 에너지 밀도가 높기 때문에 힘을 전달하기 위해 빠르게 펌핑할 필요가 없습니다. "그것은 일종의 스며 나옵니다."라고 Chiang은 말합니다. 현탁액이 검은 점액처럼 보이고 흐르며 결국 운송용 석유 대신 사용될 수 있기 때문에 Carter는 "우리는 이것을 "Cambridge 원유"라고 부릅니다."라고 말합니다.

Chiang 팀의 주요 통찰력은 배터리의 고체 물질을 운반할 수 있는 작은 입자로 줄임으로써 수성 흐름 배터리의 기본 구조와 리튬 이온 배터리의 입증된 화학을 결합하는 것이 가능하다는 것이었습니다. 액체 현탁액 - 대부분이 고체 입자로 구성되어 있음에도 불구하고 유사가 액체처럼 흐를 수 있는 방식과 유사합니다. "우리는 두 가지 입증된 기술을 사용하고 있으며 함께 사용하고 있습니다."라고 Carter는 말합니다.

차량의 잠재적인 응용 외에도 새로운 배터리 시스템은 저렴한 비용으로 매우 큰 크기로 확장될 수 있습니다. 이것은 유틸리티를 위한 대규모 전기 저장에 특히 적합할 것이며, 잠재적으로 풍력 및 태양 에너지와 같은 간헐적이고 예측할 수 없는 소스를 전력망에 전력을 공급하는 데 실용적으로 만들 수 있습니다.

팀은 "충전식 배터리의 재발명"에 착수했다고 Chiang은 말합니다. 그러나 그들이 제안한 장치는 잠재적으로 새로운 배터리 시스템의 전체 제품군일 수 있습니다. 왜냐하면 이는 "특정 화학과 연결되지 않은" 설계 아키텍처이기 때문입니다. Chiang과 그의 동료들은 현재 다음과 같은 다양한 화학 조합을 탐구하고 있습니다. 반고체 흐름 시스템 내에서 사용할 수 있습니다. "오늘날 실제로 개발할 수 있는 것이 무엇인지 알아낼 것입니다."라고 Chiang은 말합니다. "하지만 더 나은 재료가 나오면 이 아키텍처에 적용할 수 있습니다."

Drexel University의 석좌교수이자 Drexel의 나노기술 연구소 소장인 Yury Gogotsi는 "반고체 리튬 이온 배터리의 시연은 슬러리형 활물질이 사용될 수 있음을 보여주는 중요한 돌파구입니다. 전기 에너지를 저장하기 위한 것입니다." 그는 이 발전이 "미래의 에너지 생산 및 저장에 매우 중요합니다."라고 말합니다.

Gogotsi는 그러한 배터리의 실용적이고 상업적인 버전을 만들기 위해서는 더 나은 양극 및 음극 재료와 전해질을 찾기 위한 연구가 필요할 것이라고 경고하지만 "해결할 수 없는 근본적인 문제는 보이지 않습니다"라고 덧붙입니다. 엔지니어링 문제. 물론 비용과 성능 면에서 현재 사용 가능한 배터리와 경쟁할 수 있는 작동 시스템을 개발하려면 몇 년이 걸릴 수 있습니다.”

리튬 이온 배터리 화학에 대한 초기 통찰력으로 2001년 MIT 분사 A123 시스템을 설립한 Chiang은 두 기술이 상호 보완적이며 서로 다른 잠재적 응용 분야를 다룰 수 있다고 말했습니다. 예를 들어, 새로운 반고체 흐름 배터리는 도구와 같은 작은 응용 프로그램이나 A123 배터리가 뛰어난 짧은 순간에 매우 높은 전력이 필요한 분야에는 결코 적합하지 않을 것입니다.

이 신기술은 지난 여름 사장인 Throop Wilder와 함께 Chiang과 Carter가 설립한 24M Technologies라는 회사에 라이선스가 부여되었습니다. 이 회사는 이미 1600만 달러 이상의 벤처 캐피털 및 연방 연구 자금 조달을 확보했습니다.

이 기술의 개발은 미 국방부의 국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency)과 첨단연구계획국(Advanced Research Projects Agency)의 에너지(ARPA-E)의 보조금으로 부분적으로 자금을 지원받았다. 이 기술에 대한 지속적인 연구는 24M에서 부분적으로 진행되고 있으며 프로젝트에 참여한 최근 MIT 졸업생 중 일부가 팀의 일원입니다. Angela Belcher 교수와 Paula Hammond 교수가 공동 연구원인 MIT에서; Rutgers에서 Glenn Amatucci 교수와 함께.

2010년 9월에 수여된 3년 ARPA-E 보조금에 따라 팀의 지속적인 작업 목표는 보조금 기간이 끝날 때까지 "완전히 작동하는 축소된 규모의 프로토타입 시스템"을 갖추는 것입니다. 기존 전기 자동차 배터리의 대체품으로 생산을 위해 설계될 준비가 되었다고 Chiang은 말합니다.