나트륨 이온 배터리가 부상하고 있지만, 인듐 덕분에 리튬 이온 배터리는 계속될 가능성이 높다

리튬 이온의 부활?

코넬 대학교 연구원들의 최근 발견은 리튬 이온 기술을 완벽한 배터리 기술 경쟁에 다시 끌어올릴 수 있습니다. 그들은 인듐 양극 재료를 사용하면 리튬 이온 배터리를 매우 빠르게 충전할 수 있다는 것을 발견했습니다.

리튬 이온 배터리는 지금까지 소형 전자기기와 초기 전기차 모델용 배터리 설계를 지배해 왔습니다. 그러나 기술의 몇몇 제한으로 인해 업계는 나트륨 이온 배터리나 전고체 배터리와 같은 대안을 모색하고 있습니다. 인듐을 사용하면 전기차 대량 채택에 큰 장애인 주행 거리 불안이 해소됩니다. 대부분의 전기차 사용자는 충전소에 도착하기 전에 배터리가 방전될까 걱정합니다. 따라서 무게와 비용을 증가시키는 매우 강력한 배터리 팩을 찾게 됩니다.

또 다른 문제는 배터리 충전 시간입니다. 이는 장거리 여행이나 상업용 적용에서 심각한 우려가 될 수 있습니다. 또한 각 ‘완전 충전’에 시간이 소요되어 전기차 충전소의 가용성을 감소시킵니다.

따라서 더 빠르게 충전되는 리튬 이온 배터리 기술은 전기차 비용을 낮추고 주행 거리 불안을 완화하며 충전 인프라의 역량을 향상시킬 수 있습니다.

인듐 배터리가 구원할까?

이 연구는 코넬 대학교 스미스 화학·생물분자공학 스쿨의 Lynden A. Archer 팀이 수행했으며, 주 저자인 화학·생물분자공학 박사과정 학생 Shuo Jin이 참여했습니다.

그들은 “Fast-charge, long-duration storage in lithium batteries”(리튬 배터리의 빠른 충전 및 장기간 저장) 논문에서 접근 방식을 설명했습니다. 전기화학 반응의 동역학(속도), 특히 “Damköhler 수”에 초점을 맞추었습니다. 고체 상태 수송 속도를 조사한 결과, 인듐이 빠른 충전 배터리에 매우 적합한 후보임을 발견했습니다. 현재 인듐은 주로 LCD 화면 및 광전지, 저온공학, 원자력 반응로 제어봉과 같은 첨단 분야에 사용됩니다.

인듐은 빠른 확산과 느린 표면 반응 동역학 덕분에 양극 재료로 적합하며, 이는 배터리의 빠른 충전으로 이어집니다.

인듐은 AI 설계 배터리로 가는 첫 단계인가?

인듐 양극은 주행 거리 불안을 감소시켜 매우 크고 무거운 배터리 팩에 대한 필요성을 줄일 수 있습니다. 그러나 인듐 자체는 매우 무겁고 밀도가 높은 금속입니다.

이 때문에 Archer 교수는 인듐에 대한 팀의 발견을 출발점으로 보고 있습니다.

여기에 계산 화학 모델링, 아마도 생성형 AI 도구를 활용하여 다른 경량 소재 화학이 동일한 본질적으로 낮은 Damköhler 수를 달성할 수 있는지를 탐구할 기회가 있습니다.

예를 들어, 우리가 아직 연구하지 않은 금속 합금 중에 원하는 특성을 가진 것이 있을까요?

AI 발전을 활용해 새로운 배터리 소재를 찾는 것은 현실적인 아이디어이며, 이는 PNNL(태평양 북서부 국립 연구소) 연구원들이 입증했습니다. 우리 기사 “Changing the Timeline for Discoveries through Use of Artificial Intelligence (AI)”에서 그들이 여러 예측 화학 AI를 이용해 8천 시간 미만에 3,200만 개의 아이디어를 선별하고 새로운 배터리 전해질을 발견한 과정을 논의했습니다.

따라서 같은 기법을 사용해 Damköhler 수에 초점을 맞추어 인듐만큼 성능은 좋지만 무게는 더 가벼운 소재를 찾을 수 있을지도 모릅니다.

배터리 수명 주기 재고

1. Arcadium Lithium (Allkem + Livent 합병)

Arcadium은 리튬 채굴 선두 기업인 Allkem과 Livent의 동등 합병 결과로, 세계에서 세 번째로 큰 리튬 생산업체가 되었습니다. 이 합병으로 리튬 생산 및 가공 전 단계에 걸친 회사를 만들었습니다.

회사의 생산은 주로 아르헨티나의 리튬 트라이앵글(칠레, 아르헨티나, 볼리비아)에서 염수 형태로 이루어지며, 캐나다와 호주에서는 경암 리튬도 일부 생산합니다.

출처: Arcadium

리튬은 최근 가격 하락을 겪고 있는 상품으로, 포드나 GM과 같은 주요 자동차 제조업체가 전기차 계획을 늦추면서 영향을 받았습니다. 동시에 중국 전기차 제조업체인 BYD가 저가 전기차로 해외 시장을 침범하고 있다는 비판이 있으며, 이는 향후 몇 년간 전기차 채택의 새로운 물결을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 유럽에 10,000유로짜리 BYD Seagull이 올해 출시가 있습니다.

따라서 현재 리튬 가격 약세가 영원히 지속되지는 않을 것입니다.

2. CATL

CATL은 전 세계 배터리 제조를 선도하는 기업으로, 전 세계 배터리 생산량의 절반 이상을 차지합니다. 이 회사는 배터리 제조 공급망의 모든 단계에 참여하고 있으며 배터리 기술의 선두주자입니다.

이는 리튬 이온 배터리에서도 마찬가지이며, CATL은 오랫동안 확립된 리더입니다. 또한 CATL은 여러 다른 배터리 유형에서도 인상적인 진전을 발표했습니다:

• A 유틸리티 규모 에너지 저장을 위한 12,000 사이클 초장수 배터리, 장기 목표는 18,000 사이클.
• A 700km 주행 거리 LFP(리튬 인산철) 배터리로 10분 만에 400km 주행 거리를 충전.
• A 500 Wh/kg 배터리, 승용 항공기의 전기화 가능성을 열어줍니다.
• 160Wh/kg 나트륨 이온 배터리 대량 생산, 목표는 200 Wh/kg.

출처: CATL

CATL은 중국에서 배터리 재활용 설비에 32억 유로를 투자했습니다. CATL은 특히 니켈, 코발트, 망간에 대해 99.6%, 리튬에 대해 91%의 뛰어난 회수율을 달성했습니다.

규모와 집중, R&D 성과 덕분에 CATL은 배터리 혁신, 제조 및 재활용의 최전선에 있을 가능성이 높습니다. 이는 Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis 등 전기차 제조업체들의 핵심 파트너가 됩니다.

3. BYD

전기차 시장에서 오랫동안 Tesla의 도전자였던 BYD는 이제 Tesla뿐만 아니라 사실상 모든 자동차 제조업체의 강력한 경쟁자가 되었습니다.

이 회사는 휴대폰 배터리 공급업체에서 시작해 현재는 중국(세계 최대 전기차 시장)에서 Tesla와 거의 동등한 수량의 전기차를 판매하고, 태국, 스웨덴, 호주, 뉴질랜드, 싱가포르, 이스라엘, 브라질에서 가장 많이 판매되는 전기차가 되었습니다.

BYD는 2023년 중국이 일본을 제치고 세계 최대 자동차 수출국이 된 주요 요인 중 하나입니다. 이 회사의 공격적인 해외 확장은 헝가리와 같은 새로운 공장 건설을 통해 이루어지고 있습니다. 또한 $10,000~$12,000 가격대의 Seagull과 같은 차량 출시로 BYD 전기차를 위한 새로운 시장이 열릴 수 있습니다.

출처: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

핵심이 배터리 제조업체인 BYD는 LFP 배터리 시장에서 CATL에 대한 강력한 도전자로, 중국에서 41.1%의 시장 점유율( CATL의 33.9% 대비)을 보유하고 있습니다.

BYD가 유럽 및 미국 시장에 저가 전기차를 대량 공급하는 ‘홍수’는 어느 정도 보호무역주의에 직면할 가능성이 있어 BYD 성장에 제약이 될 수 있습니다. 그러나 동시에 저가 중국 전기차는 남미 전체, 러시아, 아프리카, 중동, 동남아시아 등 국내 자동차 제조업체가 거의 없는 지역에서 이미 큰 성공을 거두고 있습니다.

이는 서방과 중국 모두와 좋은 관계를 유지하려는 지정학적 균형을 추구하는 수십억 명의 잠재 고객을 의미하므로 과도한 보호무역 장벽이 형성될 가능성은 낮습니다.