에너지
더 나은 배터리 설계 – 코발트를 없애고…TAQ를 도입하다?
Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently 개발한 새로운 배터리 기술은 귀금속의 필요성을 없앱니다. 대신에? ‘TAQ’라고 알려진 bis-tetraaminobenzoquinone이라는 유기 양극입니다.
배터리의 중요성
전기차(EV)의 급증—주로 미국의 테슬라와 중국의 BYD 및 CATL 덕분에—배터리 기술은 전자기기뿐만 아니라 이동성에도 중요해지면서 그 어느 때보다 중요한 위치를 차지하게 되었습니다. 또한 풍력·태양광과 같은 재생 에너지의 간헐성을 조절하기 위해 전력망에서도 곧 중요한 역할을 할 것입니다.
오늘날 배터리의 주류 화학은 리튬이온 기술입니다. 이는 이러한 배터리가 kW/kg으로 측정했을 때 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문입니다. 이 지표는 이동성 애플리케이션에서 가장 중요한 요소이며, 배터리 무게가 1kg 늘어날 때마다 배터리 용량을 늘리거나 주행 거리가 감소하게 됩니다.
So, since EVs have proven to be the likely key future technology for automobiles (and maybe trucks and even planes), considerable effort has been made to improve battery technology.
리튬이온 포기?
높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 기존 리튬이온 기술에도 결함이 있습니다. 해결해야 할 문제 목록은 다음과 같습니다:
- 밀도는 여전히 가솔린 및 디젤과 같은 액체 연료에 비해 낮아 주행 거리 불안감을 초래합니다.
- 충전 속도가 다소 느릴 수 있어 많은 운전자와 상업용 애플리케이션에 문제가 됩니다.
- 배터리는 비용이 많이 들며, 이는 주로 비싼 광물의 필요성 때문입니다.
- 이로 인해 전기차는 초기에는 일반 소비재보다 고급 제품에 더 가깝게 인식되었습니다.
- 이러한 광물 채굴은 환경 친화적이지 않은 경우가 많으며, 특히 콩고의 코발트 채굴에서는 열악한 작업 환경과 가난한 노동자 혹은 아동 착취가 동반됩니다.
그 결과, 다양한 대체 화학 물질이 고려되었습니다. 여기에는 다음이 포함되며, 이에 국한되지 않습니다:
- LFP (리튬-철/인산염)
- 나트륨 이온
- 전고체 배터리
- 리튬-황
- 그래핀
- 유리 배터리
알루미늄 산화가 배터리 자체를 대체하는 방안으로 논의되기도 했습니다. 그러나 이러한 대안들 모두 제한점이 있습니다. 예를 들어 수명이 짧거나 제조가 어려운 등입니다.
(우리는 이들 각각의 기술에 대한 장점과 제한점을 우리 기사에서 자세히 논의했습니다 “The Future of Mobility – Battery Tech”).
가장 유망한 전고체 배터리와 같은 기술은 아직 실험 단계에 있으며, LFP와 나트륨 이온처럼 상용화가 가능한 기술도 리튬이온에 비해 에너지 밀도가 낮습니다.
이러한 낮은 밀도 배터리에도 시장이 있을 것으로 보이며, 생산 비용이 훨씬 저렴합니다. 전 세계 배터리의 절반 이상을 생산하는 중국 기업 CATL (300750.SZ)은 이 분야의 선두주자 중 하나입니다. 우리는 기사 “Top 10 Battery Stocks To Invest In“에서 주요 배터리 제조업체들을 논의했습니다.
하지만 궁극적으로 이상적인 전기차는 저렴하면서도 강력한 배터리를 가져야 합니다. 이러한 조합은 특히 상업용 애플리케이션에서 내연 기관을 완전히 대체하기 위해 필요할 것입니다.
리튬이온 양극 문제
리튬이온의 대부분 제한은 배터리 양극의 화학적·물리적 특성에서 비롯됩니다. 양극은 일반적으로 코발트를 필요로 하며, 코발트가 없는 대안이라도 보통 니켈·마그네슘과 같은 다른 고가 금속에 크게 의존합니다.
(전기차와 재생 에너지 전환에 필요한 금속에 대해서는 우리 기사 “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”)
이러한 금속은 채굴이 필요하고 오염을 일으키며 작업 환경이 종종 열악합니다. 또한 독성이 있어 배터리 재활용을 더욱 복잡하게 만듭니다.
출처: Visual Capitalist
연구자들은 탄소 기반 대안, 즉 소위 유기 양극을 탐구해 왔습니다. 현재까지는 유기 양극이 에너지 밀도가 너무 낮거나 전기차의 빈번한 충·방전 사이클에 견딜 만큼 내구성이 부족해 성공적이지 못했습니다.
하지만 MIT 연구진의 앞서 언급된 발견 덕분에 상황이 바뀌었을 수 있습니다.
새로운 유형의 유기 양극
Mircea Dincă 교수, MIT 에너지학과 W.M. Keck 교수, 최근 양극 적용에 아직 시험되지 않은 새로운 유기 화합물을 탐구했습니다. 기존에 연구된 유기황 및 카보닐 화합물 대신 그는 TAQ(bis-tetraaminobenzoquinone)라는 화합물을 조사했습니다. 그의 팀은 이전에 이 물질이 슈퍼커패시터 소재로서 잠재력이 있음을 입증한 바 있습니다.
TAQ는 배터리 사용에 큰 잠재력을 가지고 있으며, “전통적인 코발트 기반 양극 성능과 경쟁할 수 있는 층상 고체 구조“를 형성합니다.
그 자체만으로는 충분하지 않았습니다. MIT 연구진은 TAQ가 양극의 스테인리스 스틸 전류 수집체에 부착되는 방식을 개선하여 새로운 개념 증명 양극 프로토타입의 안정성을 향상시키는 방법도 찾았습니다.
TAQ에 셀룰로오스와 고무 함유 물질을 첨가함으로써 2,000회 이상의 충·방전 사이클을 안전하게 달성했습니다. 에너지 밀도도 코발트 기반 양극보다 높았으며, 충전 시간은 6분 미만이었습니다.
다음은 무엇인가?
현재 이것은 실험실 프로토타입이며, 전체 전기차 배터리 팩 규모로 확대하기 위해 추가 작업이 필요합니다. 또한 이 새로운 배터리 화학을 대량 생산할 수 있는 제조 공정을 마련하기 위한 더 많은 노력이 요구됩니다.
그럼에도 불구하고, 유기 양극이 코발트 기반 리튬이온 설계를 모든 중요한 지표—에너지 밀도, 재료 비용, 충전 속도—에서 앞선 최초 사례 중 하나입니다.
이는 리튬이온 화학이 윤리적·환경적 문제를 일으키는 금속 의존성을 해결한다면 여전히 주류 배터리 화학으로 남을 수 있음을 보여줍니다.
또한 Dincă 교수의 연구는 유기 양극이 큰 잠재력을 가지고 있음을 증명합니다. 아직 이 용도에 시험되지 않은 수천 가지의 다른 유기 화합물이 존재하기 때문입니다. 따라서 TAQ가 코발트와 니켈을 대체하기에 충분하지 않더라도, TAQ와 유사한 다른 화학물질이 이를 달성할 수 있습니다.
리튬이온 설계는 방대한 기존 공급망과 제조 기반의 혜택을 받습니다. 새로운 화학 물질을 수용하기 위해 배터리 공장을 새로 짓는 것보다 양극만 교체하는 것이 훨씬 쉽습니다. 따라서 비즈니스 관점에서 리튬이온을 개선하는 것이 매우 합리적일 수 있습니다.
또한 유기 양극은 알루미늄 이온, 나트륨/칼륨 이온, 아연, 혹은 칼슘 기반 이중 이온 배터리와 같은 다른 배터리 유형에서도 논의된 바 있습니다. 따라서 TAQ의 특성 발견이 리튬이온 외의 다른 배터리에도 적용될 가능성이 있습니다.
어쨌든 배터리의 유기 부품은 재활용을 용이하게 만들며, 이는 우리가 기사 “Li-ion 딜레마 해결: 전기화가 진행되는 세상에서 폐배터리 셀 처리“에서 깊이 탐구한 투자 기회이기도 합니다.
유기 양극 기업
Volkswagen AG
Mircea Dincă 교수의 연구는 Audi의 자회사이자 Volkswagen Group이 소유한 Automobili Lamborghini S.p.A.의 자금을 지원받았습니다. 유기 양극 기술에 대한 특허 출원은 이미 진행되었습니다.
이 독일 자동차 제조업체는 토요타에 이어 세계에서 두 번째로 큰 자동차 생산업체입니다. 한때 전기차 기술에서 뒤처졌지만, ID 시리즈와 다양한 하이브리드 모델을 통해 빠르게 따라잡기 위해 노력해 왔습니다.
출처: Volkswagen
2033년까지, Volkswagen Group은 유럽에서 전기차만 생산할 계획입니다.
MIT 연구진과의 협업은 많은 협업 중 하나이며, 전기차와 관련된 다른 파트너십은 다음과 같습니다:
- Renault와 20,000유로 전기차 파트너십
- 중국 Xpeng에 7억 달러 투자하여 중국 전기차 판매를 촉진.
- 중국 SAIC Motor와 Volkswagen에 전기차 플랫폼을 공급
- Jetta Motor와 전기차 기술 획득을 위한 파트너십
- Magna와 4억 9,200만 달러 파트너십을 맺어 상징적인 Scout SUV를 전기차로 재활성화
전기차에 대한 야심찬 계획과 선도적인 중국 기업들의 첨단 전기차 기술 접근성을 바탕으로, Volkswagen은 MIT의 유기 양극 특허 기술을 검토하고 향후 전기차에 대규모 적용할 좋은 위치에 있습니다.
기타 유기 배터리 기업
그들은 새로운 양극을 개발하고 있지는 않지만, 두 스타트업이 유기 화합물을 사용해 양극 성능을 향상시키고 있습니다: Store Dot와 EnergyX.
