소비자용 리튬 이온 배터리가 1990년대에 출시되었을 때 이 배터리는 혁신적이었다. 몇 시간 이내에 재충전되어 우리의 최신 컴퓨터와 휴대폰을 진정으로 휴대할 수 있게 만들었다. 그러나 30년 후, 이 배터리 기술은 대대적인 업그레이드가 예정되어 있다. 기후 변화의 가혹한 현실로 인해 리튬 이온 배터리는 우리의 장치뿐만 아니라 자동차에도 전력을 공급할 필요가 있다는 것을 의미하기 때문이다. 훨씬 어렵다.

 

리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 에너지 저장 장치로 널리 사용되는 형태가 되었다. 즉, 상대적으로 작은 부피에 많은 에너지를 저장할 수 있다는 의미이다. 리튬 자체는 주기율표에서 가장 가벼운 금속이기 때문에 리튬 이온 배터리를 더욱 휴대할 수 있다. 그러나 이 기술이 전기 자동차(EV)에 통합되면서 이러한 배터리는 한계에 도달했다.

 

충전 및 방전 횟수만 가능하고 저장 용량의 상한에 도달했을 수 있다. 이것은 더 많은 용량이 더 긴 주행 거리와 동일하기 때문에 사람들이 EV에 대해 갖는 가장 큰 우려 중 하나이다. 배터리는 또한 우리가 이미 가지고 있는 자동차에서 엄청난 양의 공간을 차지한다. 즉, 더 많은 범위를 확보하기 위해 배터리를 더 추가할 수는 없다.

 

따라서 이 EV 혁명이 성공하려면 배터리가 개선되어야 한다. 한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있어야 하고 무게도 더 가벼워야 한다. EV 배터리는 또한 드물지만 매우 우려되는 문제인 화염에 덜 취약해야 한다. (가스 및 하이브리드 자동차에도 화재 위험이 있다.) Chevy는 최근 배터리 화재 위험으로 인해 판매된 모든 Chevy Bolt를 리콜해야 했다. 오늘날 자동차의 리튬 이온 배터리도 새로운 기본 구성 요소의 이점을 누릴 수 있다. 그들은 현재 코발트와 니켈과 같은 희소한 재료로 만들어지고 있으며 점점 더 비싸지고 있다. 이러한 재료의 부족은 궁극적으로 자동차 산업 전반에 걸쳐 EV 제조를 지연시킬 수 있다. 전기 자동차 제조업체인 Rivian의 CEO인 RJ Scaringe는 최근 세계가 지금부터 10년 후에 생산해야 할 EV 배터리 셀의 10% 미만만을 생산한다고 경고했다.

 

이러한 문제를 해결하기 위한 경쟁이 가속화되고 있다. CATL 및 LG에너지솔루션과 같은 오랜 배터리 제조업체는 EV에서 더 잘 작동하도록 배터리의 기본 화학을 재고하고 있다. 한편 Ford와 GM은 Tesla 보다 우위를 점하기 위해 새로운 배터리 연구에 투자하고 있다. 정부도 참여하고 있다: 3월에 조 바이든 대통령은 전기 자동차에 사용되는 희소 금속과 재료의 공급을 늘리기 위해 대통령이 긴급 상황에서 특정 제품의 국내 생산을 늘릴 수 있도록 하는 1950년 법인 국방물자생산법(Defense Production Act)을 발동했다.

 

이 모든 것이 훌륭하지만 시간이 가장 중요하다. 기후변화는 가속화되고 있으며 화석연료를 사용하는 모든 새 자동차는 위협을 악화시킨다. 다행스럽게도 더 나은 배터리 기술은 개발 단계에만 있는 것이 아니다. 시장에 나오기 시작한다.

 

리튬이온배터리, 설명

 

EV는 하나의 큰 배터리가 아니라 수천 개의 작은 셀로 구동된다. 각 셀에는 배터리를 구성하는 4가지 주요 구성 요소가 있다. 양극, 음극, 분리막 및 일반적으로 액체인 전해질. 자동차와 같은 장치에 전력을 공급하기 위해 이온이라고 하는 하전된 원자 또는 분자는 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동하여 여분의 전자를 방출하고 전기를 생산한다. 배터리를 충전하려면 반대 현상이 발생한다. 전자는 배터리로 흐르고 이온은 음극에서 양극으로 다시 흘러 배터리가 나중에 방전할 수 있는 잠재적 에너지를 생성한다.

 

리튬이온배터리의 경우 이러한 이온은 당연히 리튬 이온이다. Sony는 캠코더 중 하나에 전원을 공급하기 위해 최초의 리튬 이온 배터리를 판매했으며 배터리 기술은 곧 소비자 가전 제품에 널리 보급되었다. 부분적으로는 이제 널리 사용 가능하기 때문에 자동차 제조업체는 전기 자동차에 전력을 공급하기 위해 리튬 이온 배터리로 눈을 돌렸다. 이를 위해 일반적으로 수십 개의 리튬 이온 배터리 셀을 모듈이라고 하는 더 큰 보호 쉘에 포장한다. 그런 다음 이 모듈을 더 큰 배터리 팩으로 조립하여 EV에 전력을 공급한다.

 

 

그러나 리튬 이온 배터리는 EV에 완벽하지 않다. 가능성은 희박하지만 화염에 휩싸일 수 있는 실제 위험 외에도 평균적인 전기 자동차의 주행거리는 260마일이다. 그것은 일상적인 여행을 하기에 충분하지만 많은 운전자들이 장거리 여행에 대해 걱정하게 만든다.

 

리튬 자체에도 몇 가지 문제가 있다. 리튬 채굴은 특히 환경 친화적이지 않으며, 현재 세계에는 우리가 필요로 하는 EV 배터리 수만큼 충분한 재료를 공급할 수 있는 리튬 광산이 충분하지 않다. 또한 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 다른 금속, 즉 주로 콩고 민주 공화국에서 추출되는 코발트에 대한 우려가 증가하고 있으며 이는 아동 노동 및 인권 문제와 관련이 있다.

 

신소재

 

더 나은 배터리를 만드는 비교적 간단한 방법은 다양한 재료를 기존 리튬 이온 기술에 통합하는 것이다. 신소재에는 고유한 장점과 단점이 있으며 일부 조합은 다른 것보다 전기자동차에 더 나을 수 있다.

 

이러한 조합 중 하나는 리튬 철 인산염 배터리라고 하며 배터리의 음극에 저렴한 재료를 통합한다. 이러한 배터리는 다른 리튬 이온 배터리만큼 많은 에너지를 담을 수는 없지만 자동차 제조업체는 더 적은 비용으로 더 많은 배터리를 제작할 수 있으므로 더 저렴한 가격에 더 많은 EV를 제공할 수 있다. 리튬 철 인산염 배터리는 이미 중국에서 널리 사용되고 있으며 Tesla는 지난 가을에 표준 범위 차량에 이 화학 물질을 사용하기 시작할 것이라고 발표했다.

 

또 다른 접근 방식은 배터리 양극의 재료를 변경하는 것이다. 현재 많은 리튬 이온 배터리에는 상대적으로 저렴하고 오래 지속되기 때문에 흑연으로 만든 양극이 있다. 그러나 소수의 신생 기업은 컴퓨터 칩을 만드는 데 사용되는 것과 동일한 실리콘을 대신 사용하고 있다. 실리콘 양극이 있는 배터리는 흑연으로 만든 양극보다 10배 더 많은 전하를 유지할 수 있으며 배터리의 전체 에너지 용량을 높일 수 있다. Sila Nanotechnologies, NEO Battery Materials 및 Enovix와 같은 회사는 현재 설계를 완성하고 있다.

 

확고한 아이디어

 

이름에서 알 수 있듯이 전고체 배터리는 기존의 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 이 단단한 재료는 하나의 거대한 블록이 아니라 유리나 세라믹과 같은 재료의 레이어이다. 고체 전해질은 더 작기 때문에 고체 배터리가 더 작아지고 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 또 다른 이점은 고체 전해질이 기존 리튬 이온 배터리만큼 가연성이 아니며 동일한 냉각 인프라가 필요하지 않다는 것이다.

 

전고체 배터리는 여전히 몇 가지 실제 장애물에 직면해 있다. 가격이 비싸고 대량 생산이 어렵기 때문에 지금까지 주로 실험실에 나타났다. 또 다른 문제는 많은 전고체 배터리 설계에 흑연 대신 리튬 금속으로 만들어진 양극이 있다는 것이다. 이 리튬 금속은 때때로 양극에서 전해질로 누출되는 금속 가지인 수지상을 형성하여 고체 배터리에 균열 및 단락을 일으킬 수 있다.

 

 

그렇다고 해서 배터리가 막다른 골목이 되는 것은 아니다. 그들은 이미 일부 심박 조율기, 이어폰 프로토타입 및 기타 전자 장치에 통합되었으며 이제 자동차 대기업은 궁극적으로 자동차에서도 작동할 수 있도록 기술을 조정하는 방법을 연구하고 있다. 이미 고무적인 진전의 징후가 있다. Volkswagen, Ford 및 Stellantis는 모두 이 기술에 투자했다. Toyota는 2025년까지 전고체 배터리를 사용하는 하이브리드 차량을 출시할 계획이고 Nissan은 2028년까지 전고체 배터리를 사용하는 EV를 출시하기를 희망한다. QuantumScape라는 다른 회사는 전고체 배터리가 작동할 수 있다는 연구 결과를 공유했다. 그리고 다른 배터리보다 더 빠르게 충전할 수 있다. 다른 아이디어와 결합하면 양극이 전혀 필요하지 않은 배터리이다.

 

자동차 모양의 배터리

 

결국 리튬 이온 배터리는 배터리처럼 보이지 않을 수 있다. 그들은 그들이 힘을 실어주는 것의 일부가 될 수도 있다. 이것이 바로 자동차 차체나 비행기 동체와 같은 차량의 또 다른 부분으로 배터리를 겸하는 구조적 배터리의 이면에 있는 아이디어이다.

 

이것은 배터리가 엄청나게 크고 무겁다는 근본적인 문제를 해결할 수 있다. 자동차 부품을 에너지원으로도 사용하면 이론적으로 EV의 전체 크기를 줄일 수 있다. 이는 또한 잠재적으로 전체적으로 더 적은 원자재를 사용한다는 것을 의미한다.

 

 

이 개념은 이미 도로에 있는 차량에 점차적으로 통합되고 있다. Tesla는 Model Y 차량 내부의 좌석에 직접 부착되는 새로운 구조용 배터리를 설계했다. 마찬가지로 볼보도 자동차 바닥을 지지하도록 설계하여 배터리 발자국을 줄일 계획이며 GM은 이미 배터리를 사용하여 차량 섀시를 강화하는 EV를 출시하고 있다. 지금 당장은 작은 조정처럼 들릴 수 있지만, 자체 프레임으로 완전히 동력을 공급받는 자동차, 심지어 비행기로도 발전할 수 있는 길을 열 수 있다.

 

점점 커지는 배터리 붐

 

차량에 전력을 공급하는 것은 배터리에 있어 엄청난 일이 될 것이지만 유일한 일은 아닐 것이다. 화석 연료에서 벗어나기 위해서는 태양열 및 풍력 에너지와 같은 재생 가능한 에너지원을 사용해야 한다. 그러나 태양과 바람은 우리가 전력이 필요할 때 항상 주위에 있지 않기 때문에 필요할 때 제공하는 에너지를 저장해야 한다. 그것은 우리의 집, 도시, 심지어 전력망에도 정말 정말 큰 배터리가 필요하다는 것을 의미한다.

 

우리가 자동차에 사용하는 배터리가 휴대전화에 전원을 공급하는 배터리와 동일한 요구 사항이 없는 것과 마찬가지로 이러한 배터리는 자동차에 사용되는 배터리와 동일한 요구 사항을 가질 필요가 없다. 결국, 집에 필요한 에너지를 저장하는 배터리는 특별히 가벼울 필요도 없고 움직이지도 않을 뿐 아니라 빠르게 충전할 필요도 없다. 즉, 이러한 배터리에는 리튬이 전혀 필요하지 않으며 나트륨 및 아연과 같은 새로운 대안으로 전원을 공급할 수도 있다. 그러나 이러한 개별 배터리가 모두 같지는 않겠지만 모두 미래에 전력을 공급하고 기후 변화를 늦추는 데 중요한 역할을 할 것이다.

 

적어도 당분간은 말이다. 미래에 우리는 미래의 연료 또는 심지어 휴대용 원자로로 자동차에 동력을 공급할 수 있을 가능성이 있다. 그러나 모든 징후는 이러한 기술이 곧 준비되지 않을 것임을 나타낸다. 현재로서는 배터리가 최고이다.