에너지
리튬 이온 배터리 향상: 새로운 그래핀 기술이 현재 솔루션보다 열전도율이 10배 높음
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그래핀 & 배터리
Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose discovery was rewarded by a Nobel Prize in Chemistry in 2019.
그러한 대안 중 하나는 그래핀을 사용하는 배터리입니다.
이는 그래핀이 탄소 원자 한 층으로 이루어진 “기적 물질”이기 때문입니다. 이 때문에 뛰어난 전기적 특성을 가집니다. 우리는 그래핀과 보로핀, 골든과 같은 다른 “2D 물질”에 대해 “2D Materials, Like Graphene, Open New Frontiers In Material Sciences”에서 더 자세히 설명했습니다.
전기적 특성만이 그래핀을 특별하게 만드는 유일한 특징은 아닙니다. 열전도율도 뛰어나 열을 매우 빠르게 전달할 수 있습니다.
출처: GMG
이 열 특성은 배터리 기술에 혁신을 가져올 수 있으며, 역설적으로 그래핀은 그래핀 기반 배터리를 포함한 대체 화학보다 리튬 이온 배터리를 지배적인 배터리 기술로 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이는 영국 스완지 대학교 연구진이 중국 우한 공업대학 및 심천 대학과 협력하여 이룬 발견 덕분입니다. 그들은 Nature Chemical Engineering에 게재된 논문 “Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety“에서 그 결과를 발표했습니다.
그래핀의 한계
이론적으로 그래핀은 배터리 제조부터 전기를 사용하는 모든 분야, 컴퓨터와 태양광 패널 포함, 심지어 콘크리트와 우리 혈류 속 나노로봇까지 많은 산업을 혁신할 수 있는 기적 물질입니다.
실제로 그래핀은 몇 가지 제한 사항을 가지고 있습니다:
- 제조 규모: 그래핀을 발견하기 위해 흑연 조각에 스카치 테이프를 붙이는 것만으로 충분했습니다. 하지만 대량 생산을 위해서는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 훨씬 복잡한 방법이 필요합니다.
- 비용: 대부분의 생산 방법과 기존 장치에 대한 적용은 소규모 또는 맞춤형이며, 2D 물질은 여전히 꽤 비쌉니다. 실제 가격은 순도에 따라 크게 달라지며, 예를 들어 그래핀 가격이 $20-2,000/kg 사이입니다.
물론, 이 두 문제는 연관되어 있습니다. 생산 규모가 작아 비용이 증가하기 때문입니다. 지금까지 이는 그래핀의 대량 채택을 크게 방해했으며, 2004년 발견된 이후에도 이 물질에 대한 대부분의 약속이 아직 실현되지 못하고 있습니다.
대량으로 그래핀 기반 소재를 생산할 수 있는 능력이 비용을 낮추고 산업 규모 적용을 가능하게 하는 핵심입니다.
이는 순수히 제조 및 기술적인 문제이며, 그래핀은 풍부하고 저렴한 탄소로 만들어집니다. 따라서 백금이나 팔라듐과 같은 희귀 금속을 사용하는 수소 생산 촉매와 같은 희귀 소재 문제에 직면하지 않습니다.
따라서 그래핀은 대규모로 배치될 때 자원 고갈의 한계에 부딪히지 않고 우리 에너지 시스템을 진정으로 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다.
킬로미터 단위 그래핀 생산
앞서 언급한 논문의 연구자들은 대규모 생산 문제를 부분적으로 해결했다고 주장합니다.
연구자들의 발표 “상업 규모에서 결함 없는 그래핀 호일을 제작하는 최초의 성공적인 프로토콜을 상세히 설명”입니다.
과학 논문에서 설명된 방법은 미터에서 킬로미터에 이르는 길이의 그래핀 호일을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
대량 생산을 위해 설계되지 않은 실험실 환경에서도 그들은 두께 17마이크로미터의 200미터 길이 그래핀 호일을 제작했습니다.
이 호일은 또한 놀라운 내구성을 가지고 있으며 100,000회 굽힌 후에도 높은 전기 전도성을 유지함이 입증되었습니다.
따라서 유연 전자기기, 산업 제조 및 그래핀이 강력한 전류를 전달하는 기타 응용 분야에 적용될 수 있을 것으로 안전하게 추정할 수 있습니다.
그래핀 호일은 무엇을 할 수 있나요?
리튬 이온 배터리는 열폭주라는 주요 위험에 취약합니다. 이는 배터리 내부에 과도한 열이 축적되어 위험한 화재나 폭발을 일으키는 배터리 고장을 초래합니다.
이 문제는 많은 연구자와 배터리 기업이 나트륨 이온과 같은 대체 화학을 모색하는 주요 이유 중 하나입니다. 다양한 대체 솔루션이 탐색되고 있으며, 예를 들어 젤 전해질이 있습니다.
열폭주는 주로 배터리의 전류 수집기에서 발생하며, 여기서 가장 많은 전력이 집중됩니다. 현재 리튬 이온 배터리의 전류 수집기는 보통 알루미늄이나 구리로 만들어집니다.
연구진이 개발한 그래핀 호일 기반 전류 수집기는 열전도율이 1,400.8 W m−1 K−1에 달합니다. 참고로 이는 구리 및 알루미늄 기반 전류 수집기보다 거의 10배 높습니다.
리튬 이온 배터리에 대한 함의
그래핀 호일은 매우 빠른 열 방출을 보여 전류가 흐를 때 국부적인 열 집중 위험을 없애줍니다.
그 결과 배터리 고장 및 화재 위험을 초래하는 알루미늄열반응 및 수소 발생 반응의 위험이 제거됩니다.
“우리의 조밀하고 정렬된 그래핀 구조는 가연성 가스 형성을 방지하고 산소가 배터리 셀에 침투하는 것을 차단하는 강력한 장벽을 제공하며, 이는 파국적인 고장을 방지하는 데 중요합니다,” Dr Jinlong Yang, 공동 책임 저자
아마도 더 중요한 점은 이 방법이 이미 그래핀 호일의 대량 제조에 적용 가능함이 입증되었다는 것입니다. 따라서 기존 배터리 제조 공정에 빠르게 통합될 수 있습니다.
“이는 배터리 기술에 있어 중요한 진전입니다. 우리의 방법은 그래핀 전류 수집기를 상업용 배터리 제조에 바로 통합할 수 있는 규모와 품질로 생산할 수 있게 합니다. 이는 열을 효율적으로 관리함으로써 배터리 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 에너지 밀도와 수명을 높입니다.” Dr Rui Tan, 공동 책임 저자
그래핀 호일 응용의 미래
연구자들은 이미 그래핀 호일의 두께를 줄이고 기계적 특성을 더욱 향상시키는 방법을 모색하고 있습니다.
그들은 또한 스완지 대학교의 또 다른 연구팀과 협력하여 Serena Margodonna 교수의 지도 아래 그래핀 호일이 더 나은 흐름 배터리와 나트륨 이온 배터리 설계에 어떻게 도움이 될 수 있는지 연구하고 있습니다.
우리는 이전에 수지상 구조 리튬 이온 배터리, 이는 수지 성장으로 인한 배터리 고장 위험을 제거에 대해 논의했습니다. 그래핀 호일 덕분에 열폭주도 억제될 수 있다면, 이는 현재 버전보다 훨씬 더 안전하고 내구성 높은 리튬 이온 배터리를 만들 수 있습니다.
출처: Chemistry Europe
이는 배터리 기술의 한 분야에서의 대부분 혁신이 다른 설계에도 적용되어 산업의 빠른 발전을 촉진하는 패턴을 따릅니다.
(배터리 기술에 대해 더 알고 싶다면 저희 기사 “모빌리티의 미래 – 배터리 기술”와 “에너지 저장의 미래 – 유틸리티 규모 배터리 기술”.)
배터리 기술에 투자하기
리튬 이온 배터리는 이미 여러 차례 세상을 변화시켰으며, 사람들에게 고급 전자기기를 어디서든 휴대하게 하고 전기만으로 자동차를 구동하게 했습니다.
그들은 앞으로도 100% 재생 가능 전력망을 가능하게 하거나 충분한 에너지 밀도에 도달했을 때 항공기의 전기화를 가능하게 함으로써 다시 한 번 세상을 바꿀 수 있습니다.
여러 중개인을 통해 배터리 관련 기업에 투자할 수 있으며, securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국, 그 외 다수 국가의 최고의 중개인에 대한 우리의 추천을 확인할 수 있습니다.
특정 배터리 회사를 선택하고 싶지 않다면 Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X의 Lithium & Battery Tech ETF (LIT), 또는 WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) 와 같은 배터리 ETF를 살펴볼 수 있으며, 이는 성장하는 배터리 산업에 대한 보다 다양화된 노출을 제공합니다.
또는 저희 기사 “투자할 상위 10개 배터리 주식”와 “상위 10개 배터리 금속 및 재생 에너지 채굴 주식”를 확인하세요.
배터리 기업
1. Veeco
VECO 가격 차트
Veeco는 1945년 설립 이래 반도체 제조 산업에 장비를 공급하는 주요 업체입니다. 이들의 장비는 고급 EUV 칩 제조, 5G 안테나, 하드 드라이브, LIDAR, LED, 전기차용 전력 전자 등에 사용됩니다.
출처: Veeco
회사의 주요 기술 초점은 보로핀 및 일부 그래핀 생산에 사용되는 동일한 CVD 공정이며, 보다 정확히는 MOCVD(금속 유기 화학 기상 증착)입니다.
출처: Veeco
반도체 산업의 이 틈새 분야에서 선두주자인 Veeco는 CVD 적용이 확대되는 추세에 베팅하기 좋은 후보가 될 수 있습니다.
이러한 성장은 그래핀, 텅스텐, 보로핀의 사용이 증가함에 따라 발생할 수 있으며, 우리는 원자 수준에서 물질을 조작하는 기술이 점점 향상되고 있습니다. 여기에는 그래핀 박막뿐만 아니라 잠재적인 그래핀 반도체, 초전도체 등이 포함됩니다.
또한 디지털화, AI, 전기화와 같은 거대한 트렌드의 혜택을 받을 가능성이 높으며, 2D 물질을 대규모로 사용하든 사용하지 않든 영향을 받을 것입니다.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG는 열 코팅 및 윤활제와 같이 이미 입증된 그래핀 기반 제품에 제품 라인을 집중한 그래핀 생산업체입니다.
이는 그래핀 시장에 직접 노출을 원하는 투자자와 이미 대량 생산 및 현재 생산 방식을 개선하고 있는 기업을 찾는 투자자에게 GMG가 좋은 선택이 되게 합니다.
출처: GMG
추가적인 적용으로는 그래핀 반도체 제작(“Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” 참고)이나 상온 초전도체가 있을 수 있습니다. 그래핀 코팅은 배터리 및 수소 압력 용기 기술에도 활용될 수 있습니다.
출처: GMG
GMG는 메탄과 수소로부터 그래핀을 생산하는데, 이는 대부분의 경쟁사가 천연 흑연에서 생산하는 방식과 다릅니다. 이로 인해 더 높은 순도, 확장성 및 저비용 생산이 가능합니다.
회사는 2023년에 호주에 첫 생산 시설을 개설했으며, 연간 최대 100만 리터의 열교환기 코팅을 생산합니다.
회사의 다음 단계는 그래핀 알루미늄 이온 기반 배터리 기술로, 에너지 밀도는 290 Wh/kg이며, 리튬 이온 배터리보다 60배 빠른 충전, 3배 긴 배터리 수명, 그리고 향상된 화재 위험 프로파일을 갖추고 있습니다.
출처: GMG
배터리 시장 진입은 GMG에게 큰 모험일 수 있지만, 전기차 및 기타 전력 관련 응용 분야에서 그래핀이 열릴 수 있는 미래 시장에 대한 독특한 관점을 제공하기도 합니다.
