비즈니스 기회
차세대 배터리 기술 : 배터리의 모든 측면을 재구상하다
배터리 산업이 더 많은 재생 가능 에너지원으로 미래로 전환할 수 있도록 준비하기 위한 새로운 기술을 개발하기 위한 경쟁이 계속되고 있습니다. 경쟁이 치열한 이 환경에서 어떤 회사와 솔루션이 정상에 오를지 말하기는 어렵습니다.
기업과 대학은 전 세계적으로 비용을 절감하고 배터리 구축이 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 새로운 제조 공정 개발을 서두르고 있습니다. 그들은 음극과 양극(배터리의 음전하 및 양전하 구성 요소)을 모두 구축하고 전하를 유지하기 위해 다른 이온을 사용하는 새로운 접근 방식을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 개발 중인 모든 기술을 살펴볼 수는 없지만 사람들이 해결하려는 문제를 파악하기 위해 몇 가지 기술을 살펴볼 수는 있습니다.
청정 제조
캘리포니아에 본사를 둔 Sylvatex는 양극 활물질(CAM) 제조에 물을 사용하지 않는 효율적인 공정을 개발했습니다. "이 공정 혁신은 CAM의 총 비용을 25% 절감하는 동시에 에너지를 80% 적게 사용하고 물 사용과 황산나트륨 폐기물 흐름을 제거합니다"라고 Sylvatex의 CEO 겸 설립자인 Virginia Klausmeier는 말했습니다.
Klausmeier에 따르면 Sylvatex의 목표는 배터리 제조 공정의 탄소 발자국에 긍정적 영향을 미치는 것입니다. 그녀는 시장이 빠르게 성장함에 따라 다른 회사들이 비효율적인 프로세스를 확장했다고 주장했습니다. "이 공장들은 매년 2억 갤런의 물을 사용하고 있습니다. 양극재는 배터리 팩 비용의 50-70%를 차지합니다.”
배터리 부품 회사인 Natrion의 공동 설립자이자 CEO인 Alex Kosyakov에 따르면 리튬 이온 양극 및 배터리를 제조하는 일반적인 공정에는 여러 단계가 있습니다. 제조업체는 코발트, 망간, 알루미늄 및 니켈과 같은 채굴된 금속의 초기 농도가 낮은 광석을 채취하는 것으로 시작합니다. 그들은 회전하는 칼날이나 세라믹 볼이 들어있는 거대한 통에서 매우 작은 조각으로 나눕니다.
회사는 많은 양의 물을 포함하는 황산 용액으로 광석을 처리합니다. 황산염은 이 단계 후에 추출됩니다. 이 처리는 이산화황을 대기 중으로 방출하여 산성비를 유발하고 작업장 안전 문제를 일으킵니다.
그런 다음 제조업체는 황산염과 리튬 염을 혼합하고 결합하여 분말로 분쇄합니다. 그들은 거대한 용광로에서 분말을 고온으로 가열하여 불순물을 제거한 다음 다시 가열하여 리튬을 금속 및 산소와 융합시킵니다.
그 후, 음극소재를 만들기 위해, 그들은 일반적으로 분말을 다시 밀링합니다. 그런 다음 생성된 분말을 용매 및 바인더와 결합하여 잉크 또는 슬러리를 만듭니다. 그들은 생성된 액체를 알루미늄 호일에 칠하고 건조시킵니다. 그런 다음 코팅된 호일을 크기에 맞게 자르고 다른 배터리 재료와 겹쳐 만든 층을 롤링 프레스로 누르고 스풀 또는 코일에 감아 배터리 캔에 넣습니다.
"우리가 한 일은 물이 없는 '차세대' 공정이라고 부르는 공정을 개발한 것입니다"라고 Klausmeier는 말했습니다. "황산염 분자 없이 공급 원료의 다양성 또는 유연성을 사용하므로 폐기물이 없으므로 재활용 재료에서 얻을 수 있는 더 넓은 범위의 투입물을 사용할 수 있습니다. 또는 채굴되고 정제되어야 하는 채굴 및 정제된 재료"라고 설명했습니다.
Klausmeier는 그녀의 회사가 수산화물 또는 금속 산화물을 공급 원료로 사용한다고 말했습니다. 이 과정에는 이러한 재료를 함께 혼합하는 용기에서 계면활성제가 아닌 독점권리를 갖는 첨가제와 결합하는 것이 포함됩니다. 그 다음에는 소성 단계가 뒤따릅니다. 소성은 산소가 제한된 환경에서 화합물의 온도를 높이지만 녹을 정도로 가열하지 않는 것을 포함합니다.
나트륨 이온 배터리 개발
전기 자동차 시장에 리튬 이온 배터리를 성공적으로 공급한 후 Northvolt는 나트륨 이온 배터리 기술에 대해 비밀리에 연구해 왔으며 이제 이에 대해 이야기할 준비가 되었다고 회사의 나트륨 이온 프로그램 수석 관리자인 Andreas Haas는 말합니다. "2년 후, 우리는 우리의 나트륨 이온 기술이 실제로 시장에서 가장 우수한 성능을 발휘하는 지점에 도달했습니다. 우리는 킬로그램당 160 Wh를 보고 있으며, 이는 기존의 인산철 배터리와 동등한 수준입니다."
"지난 몇 년 동안 우리가 한 일은 인산철(LFP) 배터리의 필요성을 검토한 것입니다"라고 Haas는 말했습니다. "LFP 배터리용 양극재의 99%가 중국산이기 때문에 다른 곳에서 현지화할 수 있는 경쟁력 있는 방법이 없습니다. 우리는 실제로 LFP 배터리를 능가하는 기술을 찾으려고 노력했으며, 이것이 바로 우리에게 나트륨 이온이 적합한 대안입니다."
나트륨 이온 배터리의 경우 Northvolt는 Prussian White를 음극으로 사용하고 있다고 Haas는 말했습니다. 1704년 베를린의 화가에 의해 처음 합성된 철 기반 안료입니다. 2012년 리튬 이온 배터리로 노벨 화학상을 수상한 존 굿이너프(John Goodenough)는 리튬 이온 배터리가 나트륨 이온을 포함할 수 있는 구조로 유망한 음극 재료임을 발견했습니다. 프러시안 화이트는 탄소, 질소, 철로만 구성되어 있기 때문에 비교적 저렴합니다. 음극 물질은 조개껍데기, 나무 등 바이오 폐기물로 만든 경질 탄소입니다. 새로운 제조 공정은 제품의 탄소 발자국을 줄이고 사용 중 화재 위험을 줄입니다.
지리적으로 더 제한된 리튬과 달리 염수에서 추출한 나트륨은 세계 여러 지역에서 구할 수 있다고 Haas는 말했습니다. "무엇보다도, 우리는 니켈, 코발트, 구리, 흑연과 같이 일반적으로 상당히 비싸고 가격 변동성이 큰 다른 중요한 원자재도 피하고 있습니다. 따라서 셀에는 더 높은 가격대로 이어지는 것이 실제로 없습니다."
초박형 양극 만들기
배터리용 리튬 금속 양극은 훨씬 더 얇을 수 있습니다, Li-Metal Corp.의 CEO인 Srini Godavarthy에 따르면. 그의 회사는 두께가 2미크론에서 20미크론 사이인 것을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 일반적인 리튬 이온 배터리는 양극이 아닌 음극에 리튬이 있습니다.
리튬 금속을 만드는 과정도 크게 단순화할 수 있습니다. 일반적으로 염화리튬 전기분해 공정을 통해 만들어진다고 Godavarthy는 말했습니다. 그의 회사는 많은 단계를 건너뛰고 탄산리튬에서 배터리 등급 리튬 금속으로 바로 전환하고 있습니다.
Godavarthy는 "탄산염을 염화물로 전환하고, 염화물을 기술 등급 리튬 금속으로 전환하고, 기술 등급 리튬 금속을 배터리 등급 리튬 금속으로 증류하는 전통적인 공정"이라고 말했습니다.
Godavarthy의 고객은 더 높은 에너지 밀도와 더 빠른 충전을 원한다고 그는 말했습니다. 그들은 또한 상대적으로 가연성이 낮은 배터리를 찾고 있습니다. 새로운 공정은 무게 기준으로 배터리의 에너지 밀도를 2배 증가시킵니다. 체적 기준으로 3배로 증가합니다.
오늘날의 양극에는 구리 집전체가 있다고 Godavarthy는 말했습니다. 리튬을 저장할 수 있는 흑연은 구리에 증착됩니다. 고객들은 구리에 리튬을 사용하여 재료를 줄이려고 했지만 구리는 매우 비쌌습니다. Li-Metal Corp.는 금속화 폴리머를 기판으로 사용했습니다. 구리로 금속화되었지만 금속을 훨씬 적게 사용하여 기판 비용을 100배 줄였습니다. 이 대체품은 또한 배터리의 무게를 줄이고 에너지 밀도를 높였습니다.
금속 생산을 위해 Li-Metal Corp.은 용융된 탄산리튬 염을 기반으로 용융 전기분해를 사용한다고 Godavarthy는 말했습니다. 전기 분해는 불행히도 이산화탄소를 방출하는 과정을 통해 순수한 리튬 금속으로 변환합니다. 생성된 금속은 다양한 모양의 주조 잉곳으로 성형됩니다. 그들 중 일부는 양극 생산 설비에 사용할 수 있고 다른 일부는 작은 펠릿이나 긴 실린더로 주조할 수 있습니다. 리튬이 가열되고 그 증기는 물리적 기상 증착이라는 공정을 사용하여 고분자 기판에 증착되어 매우 얇은 막을 생성합니다.
Godavarthy는 "리튬 비용을 감안할 때 업계는 점점 더 얇은 리튬 양극으로 향하고 있으며, 이것이 우리의 PVD 기술이 업계에 더욱 중요해지는 이유입니다"라고 말했습니다.
다양한 기업들이 전기 자동차 및 에너지 저장에 사용되는 배터리 기술의 선구자가 되기 위해 경쟁하고 있습니다. 여기 있는 회사나 연구원 중 어느 누구도 인기를 끌 수 있는 기술을 개발하고 있다는 보장은 없습니다. 그러나 이 분야에 많은 플레이어가 있다는 것은 시장이 무대 뒤에서 얼마나 역동적이고 경쟁적인지 알 수 있습니다.
이상의 기사는 2024년 3월 15일 arsTechnica에 게재된 “Next-gen battery tech: Reimagining every aspect of batteries”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문 출처 : https://arstechnica.com/science/2024/03/next-gen-battery-tech-reimagining-every-aspect-of-batteries/