에너지
초고내구성 배터리: 차세대 기술이 수십 년 동안 지속되는 이유, 단지 몇 년이 아니라
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오래 지속되는 배터리
As the world electrifies and switches to renewable energy, the need for more energy storage grows. This is in part driven by the switch to EVs, but also due to the intermittent nature of renewable production.
전 세계가 전기화되고 재생 에너지로 전환함에 따라 더 많은 에너지 저장에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 이는 부분적으로 전기차(EV) 전환에 의해 촉진되지만, 재생 에너지 생산의 간헐성 때문이기도 합니다.
이는 수력이나 원자력과 같은 다른 저탄소 에너지원을 통해 부분적으로 보완될 수 있으며, 미래에는 지열 에너지도 가능할 것입니다. 그럼에도 불구하고 친환경 에너지 옹호자들은 저비용 태양광(및 풍력)이 우리의 에너지 시스템의 기반이 되기를 훨씬 선호합니다.
이는 이동성을 위한 배터리와는 근본적으로 다른 특성을 가진 배터리에 대한 수요를 창출합니다.
전기차는 차량 프레임에 탑재될 수 있을 만큼 가볍고 부피가 작으며 매우 높은 에너지 밀도의 배터리가 필요합니다. 내구성도 중요한 요소이지만, 배터리가 10~15년 동안 작동한다면 이는 차량의 다른 부품들의 내구성과 대체로 일치합니다.
반면 에너지 저장용 배터리는 무게나 부피에 대한 제약이 훨씬 적습니다. 그러나 비용은 확실히 제약 요소이며, 이는 녹색 에너지와 전력망 생산에 추가 비용이 되기 때문입니다.
에너지 저장 비용을 낮추는 한 방법은 배터리 제작에 리튬보다 저렴한 소재를 사용하는 것입니다. 우리는 이전에 “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”:에서 논의했듯이, 나트륨 이온, 철-공기, 아연, 해염, 폴리머, 나트륨-황, 혹은 용융 금속과 같은 기술을 활용한 배터리를 고려하고 있습니다.
배터리 시스템의 전체 수명 비용을 낮추는 또 다른 핵심 요소는 수십 년 동안 지속하도록 하는 것입니다. 투자를 여러 해에 걸쳐 상각함으로써 배터리의 연간 자본 비용을 크게 낮출 수 있습니다. 이는 전력 회사들이 30~50년 기간에 걸쳐 신규 발전소를 상각하는 데 익숙하기 때문에 더 편안하게 받아들일 수 있습니다.
배터리는 왜 고장나는가?
수지상 성장에 의한 파멸
Before building a battery that lasts almost forever, we need to look at why most batteries lose charge over time or stop working.
특히 리튬 이온 배터리에서 주요 요인 중 하나는 수지상 성장(dendrite)의 발생입니다. 이 종유석과 같은 구조는 금속이 배터리 내부에 부적절하게 축적되면서 성장하며, 시간이 지나면 양극과 음극 사이의 장벽을 파괴해 단락 및 치명적인 화재를 일으킬 수 있습니다.
출처: Nobel Prize
이러한 화재 위험 때문에 수지상 성장은 유틸리티 기업에게 특히 심각한 문제입니다. 하나의 배터리 셀에서 발생한 화재가 인근의 수십억 규모 배터리 단지 전체로 빠르게 확산될 수 있기 때문입니다. 따라서 이상적으로는 오래 지속되도록 설계된 배터리 기술은 이러한 수지상 성장 형성 위험이 거의 없어야 합니다.
또한 수지상 성장은 주로 리튬 이온 배터리와 관련해 논의되지만, 금속 양극 및/또는 음극을 사용하는 대부분의 배터리에서도 흔히 발생하는 문제임을 언급할 필요가 있습니다.
충전 손실
Another way batteries can fail is by slowly losing their capacity to store energy. This is usually the result of some of the metal used in the electrode slowly accumulating in a form that cannot be turned back into something useful.
출처: EnergSoft
다른 원인으로는 기계적·열적 스트레스로 인한 작은 균열 형성, 구조적 무결성 손실, 원치 않는 침전물 축적 등이 있습니다.
출처: EnergSoft
따라서 배터리 기술이 이러한 서서히 진행되는 열화에 취약할수록 전체 충전량이 감소하여 배터리를 점점 쓸모 없게 만듭니다. 또한 열화된 배터리는 충전 유지 능력이 떨어지고 저장된 에너지를 더 많이 낭비하게 되어 수익성이 더욱 낮아집니다.
따라서 이상적인 배터리 기술은 구성 물질의 서서히 진행되는 열화에 취약하지 않거나, 전체 시스템을 재활용하지 않고도 정기적으로 원상태로 재생될 수 있어야 합니다.
배터리 열화에 대한 자세한 내용을 알고 싶다면, 이 22분 길이의 동영상도 참고할 수 있습니다:
사이클 수명
Battery durability can be a complex thing to measure. For example, most EV battery systems are usually measured on a per-mile basis, or how much distance the EVs can be driven before needing a new battery pack.
배터리 내구성은 측정하기 복잡할 수 있습니다. 예를 들어, 대부분의 전기차 배터리 시스템은 마일당 기준, 즉 새로운 배터리 팩이 필요하기 전까지 차량이 주행할 수 있는 거리를 기준으로 측정됩니다.
또 다른 측정 방법은 배터리가 전체 충전량의 상당 부분을 잃기 전까지 수행할 수 있는 충·방전 사이클 수입니다. 에너지 저장의 경우, 하루에 1~3회 정도의 충·방전 사이클이 일반적입니다.
마지막으로, 충전을 얼마나 오래 유지할 수 있는지도 중요한 질문입니다. 대부분의 배터리는 매일 약간의 충전을 잃습니다. 한편, 바람은 몇 주간 멈출 수 있고, 겨울날은 햇빛이 가장 적고 전력 소비가 가장 높은 시기이며, 특히 추운 기후에서 그렇습니다. 따라서 이론적으로는 몇 주 혹은 몇 달 동안 큰 손실 없이 전력을 전달할 수 있는 배터리가 이상적인 선택입니다.
온도 내성
Most battery technology can be more than a little intolerant of cold, especially freezing temperatures. As energy storage at scale will likely be done in outdoor space near a power station, this can be a serious issue in cold climates during winter. If a significant portion of the energy stored ends up being used to keep the batteries warm, this can severely impact the economics of operating these batteries.
대부분의 배터리 기술은 특히 영하의 온도에 대해 어느 정도 내성이 부족합니다. 대규모 에너지 저장은 전력소 근처 야외에서 이루어질 가능성이 높기 때문에, 겨울철 추운 기후에서는 심각한 문제가 될 수 있습니다. 저장된 에너지의 상당 부분이 배터리를 따뜻하게 유지하는 데 사용된다면, 배터리 운영 비용에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
초고내구성 배터리 기술
벌집 구조 배터리
Even if, ultimately, alternative chemistries will be the winners for powering a fully renewable-centered power grid, battery manufacturers are also looking at ways to make their current technology more durable.
그 예가 CATL(300750.SZ)의 벌집 배터리입니다. 세계 배터리의 절반 이상을 생산하는 배터리 대기업 CATL은 이 기술에 크게 베팅하고 있습니다. 이는 2020년 과학 논문 “새로운 마이크로 벌집 구조 기반 신축성 리튬 이온 배터리”에서 제안된 아이디어를 부분적으로 기반으로 한 것으로 보입니다.
출처: Phys.org
2021년 과학 논문에서 벌집 형태의 주요 장점, 즉 낮은 밀도와 높은 평면 외 압축 및 전단 특성(평행하지만 반대 방향으로 작용하는 힘에 대한 재료 저항)을 알 수 있습니다.
배터리 물리적 구성을 변경함으로써 재료가 올바른 위치에 유지되어 충전 중 균열 및 수축을 방지합니다.
CATL이 어떻게 구현했는지는 명확하지 않지만, 이러한 방법 중 일부는 알려져 있습니다. 예를 들어, 탄소와 산을 이용한 연속적인 열 및 화학 처리로 나노 벌집 구조를 만들 수 있습니다.
출처: Chemistry Europe
출처: Chemistry Europe
전반적으로 벌집 배터리 구조는 균열과 수지상 성장 형성을 방지하여 초고내구성 배터리를 구현하면서도 리튬 이온 및 LFP(리튬-인산철) 배터리 기술이라는 잘 알려진 원리를 활용합니다.
이는 CATL의 신제품인 TENER 컨테이너형 LFP 배터리 시스템의 핵심일 가능성이 높으며, 이 시스템은 5년 전체 운영 후 용량이 전혀 감소하지 않았습니다.
TENER는 현재 CATL에 의해 유틸리티 기업에 상용화 단계에 들어가고 있습니다.
출처: Sustainability Environment
고체 전해질 배터리
Besides modification to the chemistry, the very way batteries are built can be changed to make for more dense and more durable batteries.
화학적 수정 외에도, 배터리 제작 방식을 변경하여 더 높은 에너지 밀도와 내구성을 가진 배터리를 만들 수 있습니다.
이것이 고체 전해질 배터리의 아이디어이며, 대부분의 배터리 설계에서 액체 전해질을 고체 금속층으로 대체합니다. 이론적으로 가장 높은 에너지 배터리를 만들 수 있지만, 가장 저렴하지는 않을 수 있습니다.
최근까지는 대규모 적용이 어려운 아이디어였으며, 금속 층 간 완벽한 접촉이 필요합니다. 충·방전 시 기계적 움직임은 종종 균열을 초래합니다.
하지만 다수 기업의 최근 개발인 QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) 및 Hyundai (HYMTF)가 2028~2030년 대량 생산을 목표로 배터리 공장을 구축하고 있다는 점은 이 기술이 이제 성숙 단계에 접어들고 있음을 나타냅니다.
이론적으로, 잘 개발된 고체 전해질 배터리는 전기차에서 리튬 이온, LFP, 심지어 나트륨 이온 배터리를 점진적으로 대체할 수 있습니다.
대규모 생산 시 최종 가격이 어떻게 될지는 아직 미정이며, 전력망 에너지 저장에 충분히 저렴할지 판단해야 합니다. 아마도 음극이 없는 나트륨 고체 전해질 배터리와 같은 특수 개념이 이 과제를 해결할 수 있을 것이며, 이는 비싼 리튬 금속 사용을 피할 수 있습니다.
(이 기술에 대한 투자 기회를 더 알고 싶다면 “관찰하거나 구매할 5대 고체 전해질 배터리 주식”에 대해 알아볼 수 있습니다).
아연 배터리
Because zinc is a very cheap and abundant metal, it has been used in non-rechargeable batteries for a long time. Reusable batteries can also be built with zinc, notably zinc-based aqueous batteries (ZABs).
아연은 매우 저렴하고 풍부한 금속이기 때문에 오랫동안 일회용 배터리에 사용되어 왔습니다. 재사용 가능한 배터리도 아연을 활용할 수 있으며, 특히 아연 기반 수계 배터리(ZAB)로 제작됩니다.
하지만 이 설계는 수지상 성장, 부수적인 수소 발생 반응(HER), 그리고 표면 부식 패시베이션에 시달려 그 유용성이 크게 감소했습니다.
이는 뮌헨 공과대학1에서 수행된 새로운 연구 덕분에 변화하고 있습니다. 그들은 TpBD-2F라는 다공성 유기 폴리머를 사용했습니다. 이 물질은 아연 음극 위에 안정적이고 초박막이며 고도로 정렬된 막을 형성하여, 나노채널을 통해 아연 이온이 효율적으로 흐르면서 물이 음극에 닿는 것을 방지합니다.
조립된 전지(아연 이온 커패시터)는 수지상 성장 억제가 거의 완전하게 이루어지고 HER 및 부식이 없기 때문에 100,000 사이클 이상이라는 초장기 사이클 수명을 제공하며 놀라운 내구성을 보여줍니다.
아연 배터리 외에도, 연구진은 이 개념을 리튬, 나트륨, 칼륨, 알루미늄 등 다른 금속 음극으로 확장할 수 있다고 생각합니다.
TAQ-폴리머 및 나트륨 이온 배터리
Polymer (carbon) and sodium instead of lithium can be a great way to reduce the price of raw materials going into a battery. This is what MIT 연구진이 TAQ-나트륨 이온 배터리에서 결합한 내용입니다.
초기 테스트에서 눈에 띄는 열화 없이 2,000 회의 충·방전 사이클을 수행했으며, 리튬 배터리보다 높은 에너지 밀도와 6분 초고속 충전을 구현했습니다.
이는 궁극적으로 초고내구성 배터리 경쟁에서 승리할 배터리 화학이 기존과 같은 재료가 아니라, 탄소와 나트륨처럼 저렴하고 풍부한 원소를 활용한 근본적인 재고가 필요함을 보여줍니다.
용융 금속 배터리
Most battery concepts are based on the transfer of electrons between one oxidation state of solid metal atoms to another oxidation state. In these, anodes and cathodes need to be perfectly separated to avoid shortcuts.
대부분의 배터리 개념은 고체 금속 원자의 한 산화 상태에서 다른 산화 상태로 전자를 전달하는 데 기반합니다. 이러한 경우, 단락을 방지하기 위해 양극과 음극이 완벽히 분리되어야 합니다.
고체 전해질 배터리와 같이 금속을 많이 사용하고 전해질과 같은 액체 부품을 적게 사용할수록 좋으며, 이는 대부분의 배터리 산업이 추구하는 방향입니다.
배터리의 정의를 전기 저장에서 단순히 모든 에너지 저장으로 확장하면, 용융 금속 배터리는 그 반대를 취합니다: 양극, 음극, 전해질이라는 세 주요 구성 요소가 모두 액체입니다.
다른 액체 밀도 때문에 서로 자동으로 분리됩니다. 고체 부품이 없다는 사실은 이론적으로 배터리 수명을 크게 늘리고, 매우 빠른 충·방전이 가능하며 완전 재활용이 가능하도록 합니다.
출처: Ambri
The Bill Gates-backed company Ambri, using a calcium and antimony battery, has been a champion of this technology. It was planning to 2024년까지 새로운 공장에서 연간 200,000개의 배터리 셀을 생산.
하지만 이 계획은 실행되지 못했으며, 회사는 생산 규모를 확대하기 전에 자금이 고갈되었습니다. 이후 2024년 여름에 챕터 11 파산에서 회복했으며, 공동 설립자인 David Bradwell 박사가 CEO로 계속 이끌고 있습니다.
우리는 독특하고 안전하며 저비용의 상업용 제품을 대규모로 고객에게 제공하여 배터리 시스템에 대한 강력한 수요와 더 깨끗한 에너지 미래를 충족시키기를 기대합니다.
보다 견고한 재무 상태와 새로운 자본으로 새로운 출발을 하면서, 우리는 Ambri가 장기 지속 에너지 저장 시장에서 선도적인 역할을 수행하도록 포지셔닝하는 데 집중하고 있습니다.
David Bradwell
따라서 Ambri는 아직 사라지지 않았으며, 용융 배터리를 연구하는 유일한 회사도 아닙니다. 일본 NGK 절연체(NGKIF)는 나트륨-황 용융 염 배터리를 개발하고 있으며, Horien 회사는 나트륨-니켈-클로라이드 배터리를 연구하고 있습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=TDZh7IZs0-k
두 회사의 제품은 이미 상용화되었으며 20년 이상 수명을 보장받고 있습니다.
열 / 열전 배터리
Stretching even further the definition of battery from electricity storage to simply any energy storage, heat batteries are storing green power in the form of heat instead of electrochemical energy.
배터리 정의를 전기 저장에서 단순히 모든 에너지 저장으로 확장하면, 열 배터리는 전기화학 에너지 대신 열 형태로 친환경 전력을 저장합니다.
- 충분한 단열을 통해 몇 개월 동안 열을 유지하는 것이 완전히 가능하지만, 화학 배터리는 일일 기준으로 항상 더 많은 전력을 누출합니다.
- 열을 저장하는 대부분의 물질은 수십만 번의 사이클을 겪어도 큰 열화 없이 사용할 수 있습니다.
- 사용되는 재료는 모래나 순수 탄소와 같이 저렴하고 풍부합니다.
저렴한 재료, 수십 년에 걸친 거의 제로에 가까운 열화, 그리고 수개월에 걸친 에너지 유지가 결합되어 열 배터리는 좋은 후보가 됩니다.
이 아이디어를 주로 탐구하는 것은 민간 기업이며, 특히 핀란드 기업 Polar Night Energy는 저품질 모래와 약간의 금속 프레임 및 배관만을 사용해 여름에 남는 에너지를 겨울에 저장합니다.
유사한 열 배터리는 Rondo Energy에 의해 구상되고 있으며, 세라믹 벽돌을 1500°C까지 가열하여 시멘트나 철강 생산과 같은 산업 공정에 열을 활용합니다.
출처: Rondo Energy
전반적으로, 이는 무거운 산업 및 아파트 겨울 난방과 같이 여전히 많은 화석 연료를 소비하는 분야를 탈탄소화하는 좋은 옵션이 될 수 있습니다. 특히 설계가 햇빛이 풍부한 여름에 저장된 에너지를 흐린 겨울에 활용하도록 도와줍니다.
저장된 열은 열광전지 셀을 통해 전력으로 다시 변환될 수도 있으며, 미시간 대학 연구진이 기록적인 44% 효율을 가진 셀을 개발했습니다2.
출처: Design Boom
결론
Battery systems for electric grids and homes are likely to be less reliant on the current lithium-ion technology and more on cheaper and more durable technologies, even if they are less energy dense. For now, the ones ready for mass commercialization are advanced honeycomb-structure LFP and sodium-ion batteries.
전력망 및 가정용 배터리 시스템은 현재의 리튬 이온 기술에 덜 의존하고, 에너지 밀도가 낮더라도 저렴하고 내구성이 높은 기술에 더 많이 의존하게 될 가능성이 높습니다. 현재 대량 상용화가 가능한 것은 고급 벌집 구조 LFP와 나트륨 이온 배터리입니다.
장기적으로는 용융 금속, 아연, 폴리머, 열 배터리와 같은 보다 이색적인 솔루션이 혼합될 가능성이 있습니다. 궁극적으로 내구성, 재료 비용 및 제조 비용이 초고내구성 에너지 저장의 최종 형태를 결정할 주요 요인이 될 것입니다.
즉, 고체 전해질 배터리가 전체 에너지 저장 시장을 장악하기에 충분히 저렴하지 않다면, 이는 충분히 가능한 시나리오입니다.
초고내구성 배터리 기업
QuantumScape
QS 가격 차트
2010년 설립 이래 캘리포니아의 Quantum Scape는 고체 전해질 배터리 분야에서 눈에 띄는 스타트업으로, 이 분야에 조기에 진입하고 CATL(300750.SZ), 삼성, LG 에너지 솔루션(373220.KS)과 같은 대형 배터리 제조업체와는 독립적인 입지를 유지하고 있습니다.
출처: QuantumScape
당시 혁신으로 평가받았던 QuantumScape 배터리의 독특한 특징은 음극이 없는 설계입니다. 이는 약 15분 급속 충전(45°C에서 10~80% 충전)을 가능하게 하며, 분리막은 불연성이고 가연성이 없습니다.
출처: QuantumScape
이로 인해 QuantumScape 배터리는 에너지 밀도와 충전 속도 면에서 독보적인 위치에 있으며, Tesla (TSLA ) (자체 설계 및 CATL 제작)와 같은 선두 업체들을 크게 능가합니다.
출처: QuantumScape
하지만 이러한 눈부신 성과는 생산 확대에 대한 어려움으로 지속적으로 제약받아 왔습니다. 이는 또한 회사가 현금을 소진하게 만들었으며, 기존 투자자들의 지분 희석과 주가 하락을 초래했습니다.
이는 2024년 Volkswagen 그룹 배터리 부문인 PowerCo와의 협약 이후 변화하고 있는 것으로 보이며, PowerCo가 QuantumScape 배터리 설계와 대량 생산에 대한 라이선스 계약을 체결했습니다.
비독점 라이선스 계약에 따라 PowerCo는 연간 최대 40 GWh의 전기차 배터리를 제조할 수 있으며, 필요 시 연간 80 GWh까지 확대할 수 있는 옵션을 가지고 있습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=2mEqI53PS-A
QuantumScape 생산의 급격한 확대는 Cobra, 회사의 차세대 고체 전해질 배터리 분리막 장비와 연관된 것으로 보이며, 이는 세라믹 제조 분야의 획기적인 진전입니다.
전반적으로 Cobra는 2025년에 생산에 통합될 예정이며, QuantumScape 배터리를 탑재한 최초의 완성 전기차는 2026년에 생산될 것입니다.
출처: QuantumScape
이는 회사 설립 16년 만에 유망한 스타트업에서 흥미로운 IP를 보유한 단계에서 세계 최대 자동차 제조업체 중 하나와의 파트너십을 통해 성장하는 매출을 창출하는 전환점이 될 수 있습니다.
그 사이 투자자들은 주가 변동성을 여전히 예상해야 하지만, 제품 개발 터널 끝에 희망의 빛이 보입니다.
QuantumScape 최신 소식
연구 참고:
1. Da Lei, et al, (2024) 플루오린화 공유 유기 프레임워크 얇은 막을 기반으로 한 아연 음극의 이온 전달 동역학 및 계면 안정성 강화.Advanced Energy Materials. 2024년 10월 13일
2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) 고효율 에어브리지 열광전지 셀.Joule. 권 8, 호 7, 페이지 2135-2145. 2024년 7월 17일.
