재료 과학
배터리 설계에 대한 기존 가정을 재고하다
Securities.io는 엄격한 편집 기준을 준수하며, 검토된 링크에 대해 보상을 받을 수 있습니다. 당사는 등록된 투자 자문가가 아니며, 이는 투자 자문이 아닙니다. 자세한 내용은 계열사 공개.
리튬 이온 배터리 음극 균열에 대한 새로운 이해
배터리 전력 밀도 향상은 내연기관 차량 대비 전기차 도입을 촉진하는 핵심 요소입니다. 소비자 안전 또한 중요한 관심사이지만, 화재 위험에 대한 대중의 인식은 실제보다 과장되는 경우가 많습니다.
내구성 또한 매우 중요합니다. 구매자들은 차량의 잔존 가치를 유지하고 값비싼 교체 비용을 피하기 위해 10년 이상, 이상적으로는 차량 자체보다 더 오래 사용할 수 있는 배터리를 요구합니다.
"사회의 전력화에는 모두의 참여가 필요합니다. 사람들이 배터리의 안전성과 긴 수명을 신뢰하지 않는다면, 배터리를 사용하려고 하지 않을 것입니다."
이러한 기준을 충족하기 위해 업계는 다결정 니켈 함유 소재(PC-NMC)에서 단결정 니켈 함유 층상 산화물(SC-NMC)로 전환하고 있습니다.
이러한 변화는 시간이 지남에 따라 음극 균열을 유발하는 나노 규모의 변형을 완화하는 것을 목표로 합니다. 지금까지 단결정 음극 설계는 기존에 다결정 음극에 사용되었던 가정을 따랐습니다.
하지만 아르곤 국립 연구소, 브룩헤븐 국립 연구소, 시카고 대학교의 연구원들은 이 두 가지 음극 유형이 근본적으로 다른 방식으로 균열이 발생한다는 사실을 발견했으며, 이는 새로운 최적화 전략의 길을 열었습니다.
그들은 연구 결과를 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 발표했습니다.1, 제목이 '단결정 배터리 양극 전극의 나노 규모 변형률 변화".
새로운 연구에 따르면 단결정(모노크리스탈) 니켈 함량이 높은 양극재는 기존의 다결정 설계와는 다른 방식으로 균열이 발생하는 것으로 나타났습니다. 균열이 주로 결정립계를 따라 발생하는 대신, 변형이 누적되어 균열이 생길 수 있다는 것입니다. 이내 단일 결정 구조에서 각 영역이 서로 다른 속도로 반응한다는 점은 전기차 배터리의 내구성, 안전성 및 장기 성능을 향상시키기 위해 음극을 설계하는 방식을 재정립하는 데 중요한 의미를 지닙니다. 특히 업계에서 코발트 함량을 낮추거나 코발트를 사용하지 않는 배터리 개발을 모색하는 상황에서 더욱 그러합니다.
음극 균열이 주요 고장 메커니즘인 이유
스크롤하려면 스와이프하세요 →
| 외형 치수 | 다결정 니켈 함량이 높은 양극(PC-NMC) | 단결정 니켈 함량이 높은 양극(SC-NMC) |
|---|---|---|
| 미세 구조 | 결정립 경계를 가진 수많은 작은 결정립으로 구성된 입자. | 입자들은 내부 결정립 경계가 없는 하나의 연속적인 결정체입니다. |
| 주요 균열 경로 | 균열은 반복적인 하중으로 인해 결정립이 팽창/수축함에 따라 결정립 경계를 따라 발생하고 전파됩니다. | 내부(입자 내) 변형률 기울기에 의해 발생하는 균열은 각 영역이 서로 다른 속도로 반응하면서 발생합니다. |
| 균주 기원 | 인접한 입자 간의 팽창 불일치 및 반복적인 기계적 피로. | 단일 결정 내의 불균일한 상/화학적 변화는 국부적인 응력을 유발합니다. |
| 전해질 상호작용 위험 | 넓은 결정립계 균열은 전해질을 침투시켜 열화를 가속화할 수 있습니다. | 표면/구조적 손상에 여전히 취약하지만, 그 메커니즘은 결정립계 침투와는 관련이 적습니다. |
| 구도 디자인의 "일반적인 원칙" | 코발트는 종종 완화에 사용됩니다. Li/Ni 장애하지만 일반적으로 균형을 맞춰야 하는 절충안을 해결하는 것과 관련이 있습니다. | 연구 결과에 따르면 구성 요건이 다를 수 있으며, 망간은 기계적 강도에 악영향을 미칠 수 있는 반면 코발트는 내구성을 향상시킬 수 있습니다. |
| 공학적 지렛대 | 결정립계 강화, 입자 형태 제어, 코팅, 전해질 첨가제. | 화학적 조정, 코팅, 기울기, 입자 처리 및 순환 프로토콜을 통해 내부 반응 속도의 불균일성을 줄입니다. |
| 중요한 이유 | 급격한 사이클링 환경에서 용량 감소, 임피던스 상승 및 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. | 이 연구는 SC 설계가 단순히 "결정립 경계가 없는 PC"에 그치는 것이 아니라, 장수명, 고에너지 셀을 위한 새로운 최적화 전략이 필요함을 보여줍니다. |
다결정 균열
다결정 음극은 여러 개의 나노 크기 결정으로 구성되어 있습니다. 배터리가 충전 및 방전될 때 이러한 입자들이 팽창하고 수축합니다.
이러한 반복적인 움직임은 다결정체를 분리하는 결정립계를 넓혀 균열을 발생시킬 수 있습니다. 균열이 너무 넓어지면 전해질이 입자 내부로 침투할 수 있는데, 이는 마치 물이 얼었다 녹으면서 도시 도로에 움푹 패인 구멍이 생기는 것과 유사합니다.
출처: 자연
팽창이 탄성 한계를 초과하면 음극에 균열이 생깁니다. 최악의 경우 열 폭주와 화재로 이어질 수 있습니다. 더 흔하게는 시간이 지남에 따라 배터리의 충전 용량이 감소하여 성능이 저하됩니다.
"일반적으로 부피가 5~10% 정도 팽창하거나 수축합니다. 팽창이나 수축이 탄성 한계를 초과하면 입자에 균열이 생깁니다."
단결정 양극은 결정립 사이의 경계가 없기 때문에 이러한 특정한 고장 모드가 발생하지 않습니다. 그러나 배터리 성능 저하는 계속됩니다.
단결정 음극의 고유한 특징
이를 조사하기 위해 연구진은 다중 스케일 싱크로트론 X선 기술과 고해상도 투과 전자 현미경을 활용했습니다.
출처: 자연
다결정 양극에서 코발트는 리튬/니켈 불균형(니켈 이온이 리튬 층으로 이동하는 현상)을 완화하는 데 도움을 주지만, 균열 발생의 원인이 되기도 합니다. 전통적으로 이러한 문제를 해결하기 위해 망간을 첨가해 왔습니다.
아르곤 연구소 연구진은 단결정 양극에서는 정반대의 현상이 나타난다는 사실을 발견했습니다. 즉, 망간은 기계적 강도에 더 해로운 반면 코발트는 실제로 배터리 수명 연장에 도움이 된다는 것입니다.
"단결정 음극으로 전환하려는 시도에서, 사람들은 다결정 음극과 유사한 설계 원칙을 따르고 있습니다."
본 연구는 단결정 입자의 주요 분해 메커니즘이 다결정 입자와 다르며, 이로 인해 요구되는 조성 조건이 달라진다는 것을 밝혀냈습니다.
이 연구는 반응의 불균일성이 변형을 유발한다는 것을 밝혀냈습니다. 이내 결정 내부가 아닌 결정 자체에서 균열이 발생합니다. 결정의 각기 다른 영역은 서로 다른 속도로 반응하여 내부 응력을 발생시키고, 이로 인해 균열이 생깁니다.
출처: 자연
이 발견이 차세대 배터리 성능을 어떻게 향상시킬 수 있을까?
코발트는 니켈이나 망간보다 가격이 비싸고 생산 과정에서 윤리적인 문제가 발생하기 때문에 업계에서는 코발트 사용량을 줄이려는 노력을 기울이고 있습니다.
"이전에는 제대로 인식되지 않았던 메커니즘을 규명함으로써, 본 연구는 재료 구성과 열화 경로 사이의 직접적인 연관성을 확립하고, 이러한 재료의 성능 저하 원인에 대한 심층적인 통찰력을 제공합니다."
다음 단계는 이러한 연구 결과를 활용하여 비용 효율성을 유지하면서 균열 위험을 줄이는 코발트 무함유 소재를 찾아내는 것입니다.
맺음말
음극 성능 향상은 리튬 배터리 성능 개선에 필수적인 단계입니다. 특히 음극 효율이 가장 중요한 최신 무음극 설계에서는 더욱 중요합니다.
이 혁신은 단결정 음극 설계 최적화를 위한 새로운 이론적 틀을 제공합니다. 이상적으로는 균열 위험을 크게 줄이고 비용을 낮추는 코발트 없는 대체재 개발로 이어질 것입니다.
이러한 발전은 퀀텀스케이프와 같은 양극 소재에 구애받지 않는 배터리 개발업체에게 특히 유용합니다. 퀀텀스케이프의 음극이 없는 플랫폼은 다양한 양극 화학을 지원하기 때문에, 핵심 고체 배터리 기술을 재설계하지 않고도 이러한 내구성이 뛰어난 단결정 설계를 신속하게 통합하여 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.
배터리 회사
본 연구는 차세대 배터리의 주요 제약 요인이 재료 수준의 내구성이라는 주장을 뒷받침합니다. 단결정 양극이 다결정 양극과 다른 조성상의 절충점을 요구한다면, 양극 화학, 코팅 및 공정을 신속하게 개선할 수 있는 공급업체와 배터리 제조업체가 유리할 것입니다.
고체 상태 및 양극이 없는 방식(예: QuantumScape)의 경우 음극의 신뢰성이 더욱 중요해지므로, 비용을 희생하지 않고 더욱 탄력적인 고에너지 음극을 상용화할 수 있는 기업에게는 잠재적인 이점이 있습니다.
QuantumScape
(QS )
많은 소비자들이 대부분의 전기차 모델의 주행 가능 거리와 충전 속도에 대해 여전히 의구심을 품고 있습니다. 기존 리튬 이온 배터리의 화재 위험 또한 우려 사항입니다.
고체 배터리는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체함으로써 화재 위험을 제거하고 에너지 밀도를 크게 높여주는 이상적인 해결책을 제공합니다.
QuantumScape는 특히 양극이 없는 설계라는 점에서 혁신적입니다. 이를 통해 여러 음극 소재를 통합할 수 있으며, 향후 음극 제조 및 설계 기술의 발전에 따른 이점을 누릴 수 있습니다.
출처: QuantumScape
수년간 실험실에서 더디게 발전해 온 고체 배터리가 마침내 유망한 시제품 단계를 넘어 대량 생산 및 상용 차량에 통합되는 단계로 접어들고 있습니다.
퀀텀스케이프는 폭스바겐과의 파트너십을 통해 두카티 V21L 전기 오토바이에 자사 배터리를 탑재하여 2025년에 중요한 이정표를 달성했습니다.
출처: QuantumScape
QuantumScape의 설계는 거의 모든 면에서 리튬 이온 배터리보다 훨씬 뛰어납니다.
- 이 제품은 단 15분 만에 충전이 가능합니다(45℃ 기준 10%~80% 충전).
- 액체 전해액을 대체하는 분리막은 불연성 및 비가연성입니다.
- 이 배터리 셀의 에너지 밀도는 리터당 844Wh, kg당 301Wh입니다.
- 참고로, 테슬라의 4680 배터리 셀은 리터당 643Wh, kg당 241Wh의 용량을 가지며, BYD의 블레이드 배터리 셀은 리터당 약 375Wh, kg당 160Wh의 용량을 가집니다..
폭스바겐의 배터리 자회사인 파워코(PowerCo)는 퀀텀스케이프(QuantumScape)가 특정 목표를 달성할 경우 향후 2년간 최대 1억 3100만 달러를 추가로 지원할 예정이며, 이는 폭스바겐 그룹이 고체 배터리 기술에 대한 투자를 지속하겠다는 의지를 보여주는 것입니다.
(당신은 할 수 있습니다 QuantumScape에 대한 자세한 내용은 전용 투자 보고서를 참조하십시오..)
퀀텀스케이프(QS) 주식 관련 최신 뉴스 및 동향
참고 연구
1. 왕, J., 류, T., 황, W. et al. 단결정 배터리 양극 전극에서 나노 규모 변형률의 변화. Nat. 나노 테크 놀. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9
