에너지
더好的 배터리 설계 – 코발트는 나가고 TAQ는 들어온다
매사추세츠 공과 대학(MIT)의 연구자들은 최근에 귀중한 금속이 필요 없는 새로운 유형의 배터리 기술을 개발했다. 그 대신에, 유기성 양이온으로 알려진 비스-테트라아미노벤조퀴논 또는 ‘TAQ’를 사용한다.
배터리의 중요성
전기차(EVs)의 등장, 특히 미국의 테슬라와 중국의 BYD 및 CATL 덕분에, 배터리 기술은 전자 제품뿐만 아니라 이동성과 곧 재생 에너지의 간헐성을 균형 맞추기 위한 전기 그리드에서도 중요해졌다.
전 세계 전기차 판매 – 출처: IEA
현재 배터리의 지배적인 화학은 리튬이온 기술이다. 이는 이러한 배터리가 kW/kg으로 측정했을 때 가장 에너지 밀도가 높은 배터리 중 하나だから이다. 이는 이동성 애플리케이션에서 가장 중요한 지표이다. 배터리의 每 킬로그램이 더 많이 추가될수록, 더 많은 배터리가 필요하거나 더 짧은 주행 거리가 필요하다.
따라서 전기차가 자동차(그리고 아마도 트럭과 비행기)의 미래 기술일 가능성이 높기 때문에, 배터리 기술을 개선하기 위해 많은 노력이 기울여졌다.
리튬이온을 포기하는가?
리튬이온 기술은 매우 밀도가 높지만, 결점이 없다. 해결해야 할 문제 목록이 있다:
- 밀도가 여전히 액체 연료와 비교했을 때 상대적으로 낮다. 이는 주행 거리에 대한 우려를 일으킨다.
- 충전이 다소 느리다. 이는 많은 운전자와 상업적 애플리케이션에서 문제가 된다.
- 배터리는 비싸다. 이는 주로 비싼 광물이 필요하기 때문이다.
- 이로 인해 전기차는 초기에 일반 소비재보다는 고급 소비재였다.
- 이러한 광물의 채굴은 종종 환경에 악영향을 미치고, 특히 콩고의 코발트와 같은 경우, 나쁜 작업 조건과 가난한 노동자 또는 어린이의 착취와 함께한다.
결과적으로, 많은 대체 화학물질이 고려되었다. 이는 다음을 포함한다:
- LFP (리튬-철-인산염)
- 소듐이온
- 고체 배터리
- 리튬-황
- 그래핀
- 유리 배터리
알루미늄의 산화는 배터리 대신 사용될 수 있는 대안으로 논의되었다. 그러나 이러한 대안은 모두 제한이 있다. 이는 더 짧은 수명, 제조의 어려움 등이다.
(우리는 이러한 기술 각각의 장점과 한계에 대해 “모빌리티의 미래 – 배터리 기술“이라는 기사에서 자세히 논의했다.)
가장 유망한 기술인 고체 배터리는 여전히 실험 단계에 있으며, 상업적으로 사용할 수 있는 기술인 LFP와 소듐이온은 리튬이온보다 에너지 밀도가 낮다.
이러한 낮은 밀도의 배터리에는 시장도 있을 수 있다. 이는 생산 비용이 낮기 때문이다. 중국의 CATL(300750.SZ)과 같은 회사들은 이 분야에서 선두 주자이다. 우리는 “투자할 수 있는 상위 10개의 배터리 주식“이라는 기사에서 주요 배터리 제조업체에 대해 논의했다.
그러나 궁극적으로, 이상적인 전기차에는 저렴하고 강력한 배터리가 필요하다. 이러한 조합은 특히 상업적 애플리케이션에서 내연 двиг이를 완전히 대체하기 위해 필요할 것이다.
리튬이온 양이온 문제
리튬이온의 대부분의 제한은 배터리의 양이온 部分의 화학적 및 물리적 특성에서 비롯된다. 이는 일반적으로 코발트가 필요하며, 코발트가 없는 대체 물질에서도 니켈과 마그네슘과 같은 다른 비싼 금속을 많이 사용한다.
(전기차와 재생 에너지로의 전환에 필요한 금속에 대해서는 “상위 10개의 배터리 금속 및 재생 에너지 광업 주식“이라는 기사에서 더 자세히 논의했다.)
이러한 금속은 채굴되어야 하며, 오염을 일으키고, 작업 조건이 나쁘다. 또한 독성이 있으므로 배터리 재활용이 더 복잡해진다.
출처: Visual Capitalist
연구자들은 탄소 기반의 대안, 즉 유기성 양이온을 고려해 왔다. 지금까지 이것은 성공적이지 않았다. 유기성 양이온은 에너지 밀도가 너무 낮거나 전기차의 빈번한 충전-방전 주기에서 사용하기에 충분히 내구성이 없었다.
MIT의 연구자들이 발견한 것 덕분에 이것이 변경될 수 있다.
새로운 유형의 유기성 양이온
Pr. Mircea Dincă, MIT의 W.M. Keck 에너지 교수는 최근에 이전에 양이온 애플리케이션에 테스트되지 않은 새로운 유기성 화합물을 탐구했다. 이전에 탐구한 유기성 황과 카보닐 화합물 대신에, 그는 TAQ(비스-테트라아미노벤조퀴논)라는 화합물을 살펴보았다. 그의 팀은 이전에 이 화학물질을 초퍼 캐패시터 물질로 사용할 수 있는 잠재력을 보여주었다.
TAQ는 배터리에서 사용할 수 있는 가능성이 있다. 이는 “층상 고체 구조를 형성할 수 있으며, 전통적인 코발트 기반 양이온 성능과 경쟁할 수 있다.”
그것 자체로 이것은 충분하지 않았다. MIT 연구자들은 또한 TAQ를 양이온의 스테인리스 스틸 컬렉터에 부착하는 방법을 발견했다. 이는 새로운 증명 개념 양이온 프로토タイプ의 안정성을 개선했다.
셀룰로스와 고무를 포함하는 물질을 TAQ에 추가함으로써, 그들은 안전하게 2,000번 이상의 충전-방전 주기를 달성했다. 에너지 밀도는 코발트 기반 양이온보다 높았으며, 충전에는 6분 미만이 걸렸다.
다음은 무엇인가?
이것은 현재 실험실 프로토タイプ이며, 전기차 배터리 팩 크기로 확대하기 위해 더 많은 작업이 필요하다. 그리고 이 새로운 배터리 화학을 대규모로 생산하기 위해 더 많은 노력이 필요하다.
그러나 이것은 유기성 양이온이 코발트 기반 리튬이온 설계와 비교했을 때 모든 중요한 지표에서競爭에서 이긴 첫 번째 경우 중 하나이다: 에너지 밀도, 재료 비용, 충전 속도.
이것은 리튬이온 화학이 코발트와 같은 금속에 대한 의존성을 해결할 수만 있다면 주류 배터리 화학으로 남을 수 있음을 보여준다.
또한 Pr Dincă의 연구는 유기성 양이온이 잠재력이 있음을 증명한다. 아직 테스트되지 않은 유사한 화합물이 수천 개 있을 수 있다. 따라서 TAQ가 코발트와 니켈을 대체하기에 충분하지 않더라도, TAQ와 유사한 다른 화합물이 이를 달성할 수 있다.
리튬이온 설계는 또한巨大한 기존 공급망과 제조 기반을 利用할 수 있다. 그리고 양이온만 변경하는 것이 배터리 공장을 새로 지어야 하는 것보다 훨씬 쉽다. 따라서 리튬이온을 개선하는 것이 사업적으로 많은 의미가 있을 수 있다.
또한 유기성 양이온이 다른 유형의 배터리에도 사용될 수 있음을 주목할 가치가 있다. 예를 들어, 알루미늄이온, 소듐/포타슘이온, 아연, 또는 칼슘 기반의 이중 이온 배터리. 따라서 TAQ의 특성 발견은 리튬이온 이외의 다른 배터리 유형에도 적용될 수 있다.
어떤 경우에라도, 배터리에서 유기성 성분을 사용하면 배터리를 재활용하기가 더 쉬워진다. 이는 우리가 “리튬이온 딜레마: 점점 더 전기화되는 세계에서 고장난 배터리 셀을 처리하는 방법“이라는 기사에서 심도 있게 탐구한 문제이다.
유기성 양이온 회사
폭스바겐 AG
Pr. Mircea Dincă의 연구는 오디(Audi)의 자회사인 Automobili Lamborghini S.p.A.에 의해 자금을 지원받았다. 유기성 양이온 기술에 대한 특허 출원이 이미 제출되었다.
독일의 자동차 제조업체는 세계에서 두 번째로 큰 자동차 생산업체로, 토요타에 이어진다. 이 회사는 한때 전기차 기술에서 뒤처졌지만, ID 차 시리즈와 여러 하이브리드 모델을 통해 이를 따라잡기 위해 노력해 왔다.
출처: 폭스바겐
2033년까지 폭스바겐 그룹은 유럽에서 전기차만 생산할 계획이다.
MIT 연구자와의 협력은 여러 가지 중 하나이다. 전기차에 대한 다른 협력에는 다음이 포함된다:
- 20,000 유로 전기차에 대한 르노와의 협력
- 중국 엑스펑(Xpeng)에 대한 7억 달러의 투자로 중국에서 전기차 판매를 증가
- 중국의 SAIC 모터와의 협력으로 오디에 EV 플랫폼을 공급
- 제타 모터와의 협력으로 EV 기술을 획득
- 스카우트(Sout) 모터와의 4.92억 달러의 협력으로 스카우트 SUV를 전기차로復活
전기차에 대한 야심적인 계획과 중국의 주요 회사로부터의 先進한 전기차 기술에 대한 접근성으로, 폭스바겐은 MIT의 유기성 양이온 특허 기술을 살펴보고, 이를 향후 전기차에 대규모로 배포하는 데 노력할 수 있는 좋은 위치에 있다.
다른 유기성 배터리 회사
그들이 새로운 양이온을 개발하고 있지는 않지만, 두 개의 스타트업은 유기성 화합물을 사용하여 음이온의 성능을 개선하고 있다. Store Dot와 EnergyX.
