어제, 오늘, 내일 전기차 3 부
내용
"리튬 이온 배터리"라는 용어는 다양한 기술을 숨깁니다.
한 가지는 확실합니다. 리튬 이온 전기화학이 이와 관련하여 변하지 않는 한 말입니다. 다른 어떤 전기화학 에너지 저장 기술도 리튬 이온과 경쟁할 수 없습니다. 하지만 문제는 양극, 음극, 전해액에 서로 다른 소재를 사용하는 설계가 다르고, 내구성(충전 및 방전 사이클 횟수, 전기자동차 허용잔존용량까지)에서 각각의 장점이 다르다는 점이다. 80%), 특정 전력 kWh/kg, 가격 유로/kg 또는 전력 대 전력 비율.
시간을 거슬러
소위 전기 화학 공정을 수행할 가능성. 리튬 이온 셀은 충전 중에 음극의 리튬 접합부에서 리튬 양성자와 전자가 분리되어 발생합니다. 리튬 원자는 XNUMX개의 전자 중 하나를 쉽게 내놓지만 같은 이유로 반응성이 높아 공기와 물로부터 격리되어야 합니다. 전압원에서 전자는 회로를 따라 움직이기 시작하고 이온은 탄소-리튬 양극으로 향하고 멤브레인을 통과하여 연결됩니다. 방전하는 동안 역방향 이동이 발생합니다. 이온은 음극으로 돌아가고 전자는 외부 전기 부하를 통과합니다. 그러나 빠른 고전류 충전 및 완전 방전으로 인해 새로운 내구성 연결이 형성되어 배터리 기능이 감소하거나 중지됩니다. 리튬을 입자 기증자로 사용하는 아이디어는 리튬이 가장 가벼운 금속이며 올바른 조건에서 양성자와 전자를 쉽게 방출할 수 있다는 사실에서 비롯됩니다. 그러나 과학자들은 높은 휘발성, 공기와의 결합 능력 및 안전상의 이유로 순수 리튬의 사용을 빠르게 포기하고 있습니다.
최초의 리튬 이온 배터리는 순수한 리튬과 티타늄 황화물을 전극으로 사용한 Michael Whittingham이 1970년대에 만들었습니다. 이 전기화학은 더 이상 사용되지 않지만 실제로 리튬 이온 배터리의 토대를 마련합니다. 1970년대 Samar Basu는 흑연에서 리튬 이온을 흡수하는 능력을 시연했지만 당시의 경험으로 인해 배터리는 충전 및 방전 시 빠르게 자체 파괴됩니다. 1980년대에는 배터리의 양극과 음극에 적합한 리튬 화합물을 찾기 위해 집중적인 개발이 시작되었고, 진정한 돌파구는 1991년에 찾아왔습니다.
NCA, NCM 리튬 전지... 그게 무슨 뜻인가요?
1991년 다양한 리튬 화합물을 실험한 후 과학자들의 노력이 성공을 거두었습니다. Sony는 리튬 이온 배터리의 대량 생산을 시작했습니다. 현재 이러한 유형의 배터리는 출력 전력과 에너지 밀도가 가장 높으며 가장 중요한 것은 개발 가능성이 크다는 것입니다. 배터리 요구 사항에 따라 회사는 다양한 리튬 화합물을 음극 재료로 사용하고 있습니다. 이들은 리튬 코발트 산화물(LCO), 니켈, 코발트 및 알루미늄(NCA) 또는 니켈, 코발트 및 망간(NCM)과의 화합물, 리튬 철 인산염(LFP), 리튬 망간 스피넬(LMS), 리튬 티타늄 산화물(LTO)입니다. 다른 사람. 전해질은 리튬염과 유기용매의 혼합물로 리튬이온의 "이동성"에 특히 중요하며, 리튬이온을 투과시켜 합선을 방지하는 역할을 하는 분리막은 보통 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌이다.
출력 전력, 커패시턴스 또는 둘 다
배터리의 가장 중요한 특성은 특정 에너지, 신뢰성 및 안전성입니다. 현재 생산되는 배터리는 이러한 품질 범위가 광범위하며 사용되는 재료에 따라 특정 에너지 범위가 100~265W/kg(에너지 밀도는 400~700W/L)입니다. 이와 관련하여 최고는 NCA 배터리와 최악의 LFP입니다. 그러나 소재는 동전의 한 면이다. 비에너지와 에너지 밀도를 모두 증가시키기 위해 다양한 나노구조를 사용하여 더 많은 물질을 흡수하고 이온 흐름의 더 높은 전도성을 제공합니다. 안정적인 연결 및 전도도에 "저장된" 많은 수의 이온은 빠른 충전을 위한 전제 조건이며 이러한 방향으로 개발이 진행됩니다. 동시에 배터리 설계는 드라이브 유형에 따라 필요한 전력 대 용량 비율을 제공해야 합니다. 예를 들어, 플러그인 하이브리드는 분명한 이유로 훨씬 더 높은 전력 대 용량 비율을 가져야 합니다. 현재 개발은 NCA(음극 및 흑연 양극이 있는 LiNiCoAlO2) 및 NMC 811(음극 및 흑연 양극이 있는 LiNiMnCoO2) 배터리에 중점을 두고 있습니다. 전자는 (리튬 제외) 약 80%의 니켈, 15%의 코발트 및 5%의 알루미늄을 포함하고 200-250W/kg의 비에너지를 가지고 있습니다. 이러한 배터리는 Tesla가 네바다에 있는 Gigafactory에서 생산할 것입니다. 계획된 최대 용량(상황에 따라 1500년 또는 2020년)에 도달하면 공장은 2021대의 차량에 전력을 공급할 수 있는 35GWh의 배터리를 생산할 것입니다. 이렇게 하면 배터리 비용이 더욱 절감됩니다.
NMC 811 배터리는 비에너지(140-200W/kg)가 약간 낮지만 수명이 더 길어 2000회 전체 주기에 도달하며 80% 니켈, 10% 망간 및 10% 코발트입니다. 현재 모든 배터리 제조업체는 이 두 가지 유형 중 하나를 사용합니다. 유일한 예외는 LFP 배터리를 만드는 중국 회사인 BYD입니다. 그것들이 장착된 자동차는 더 무겁지만 코발트가 필요하지 않습니다. NCA 배터리는 전기 자동차용으로, NMC 배터리는 플러그인 하이브리드용으로 각각 에너지 밀도와 출력 밀도 측면에서 장점이 있어 선호됩니다. 전력/용량 비율이 2,8인 전기 e-Golf와 비율이 8,5인 플러그인 하이브리드 Golf GTE가 그 예입니다. 폭스바겐은 가격 인하라는 명목으로 모든 종류의 배터리에 동일한 셀을 사용하려 한다. 그리고 한 가지 더-배터리 용량이 클수록 완전 방전 및 충전 횟수가 적어 서비스 수명이 늘어나므로 배터리가 클수록 좋습니다. 두 번째 문제는 잡종에 관한 것입니다.
시장 경향
현재 운송용 배터리 수요는 이미 전자제품 수요를 넘어섰다. 2020년까지 매년 1,5만 대의 전기 자동차가 전 세계적으로 판매될 것으로 여전히 예상되며, 이는 배터리 비용을 낮추는 데 도움이 될 것입니다. 2010년에는 리튬이온 전지 1kWh 가격이 900유로 정도였는데 지금은 200유로도 안 된다. 전체 배터리 비용의 25%는 음극, 8%는 양극, 분리막 및 전해질, 기타 모든 배터리 셀은 16%, 전체 배터리 설계는 35%입니다. 즉, 리튬 이온 전지는 배터리 비용의 65%를 차지합니다. Gigafactory 2020이 서비스를 시작하는 1년 예상 Tesla 가격은 NCA 배터리의 경우 약 300€/kWh이며 가격에는 일부 평균 VAT 및 보증이 포함된 완제품이 포함됩니다. 여전히 상당히 높은 가격이며 시간이 지남에 따라 계속 하락할 것입니다.
리튬의 주요 매장량은 아르헨티나, 볼리비아, 칠레, 중국, 미국, 호주, 캐나다, 러시아, 콩고 및 세르비아에서 발견되며 대다수는 현재 마른 호수에서 채굴됩니다. 점점 더 많은 배터리가 축적됨에 따라 오래된 배터리를 재활용하는 재료 시장이 커질 것입니다. 그러나 더 중요한 것은 코발트의 문제입니다. 코발트는 대량으로 존재하지만 니켈과 구리 생산의 부산물로 채굴됩니다. 코발트 채광은 토양 내 농도가 낮음에도 불구하고 콩고(사용 가능한 매장량이 가장 많음)에서 이루어지지만 윤리, 도덕 및 환경 보호에 의문을 제기하는 조건에서 이루어집니다.
하이테크
근미래 관점으로 채택된 기술은 실제로 근본적으로 새로운 것이 아니라 리튬 이온 변형이라는 점을 염두에 두어야 합니다. 예를 들어 액체 대신 고체 전해질(또는 리튬 폴리머 배터리의 젤)을 사용하는 고체 배터리입니다. 이 솔루션은 보다 안정적인 전극 설계를 제공하여 각각 대전류로 충전할 때 무결성을 깨뜨립니다. 고온 및 고부하. 이것은 충전 전류, 전극 밀도 및 용량을 증가시킬 수 있습니다. 전고체 배터리는 아직 개발 초기 단계에 있으며 XNUMX년 중반 이전에 대량 생산에 들어갈 가능성은 낮습니다.
암스테르담에서 열린 2017 BMW 혁신 기술 대회에서 수상 경력에 빛나는 신생 기업 중 하나는 실리콘 양극이 더 높은 에너지 밀도를 허용하는 배터리 구동 회사였습니다. 엔지니어들은 양극과 음극 물질을 더 조밀하고 강하게 만들기 위해 다양한 나노 기술을 연구하고 있으며 한 가지 해결책은 그래핀을 사용하는 것입니다. 원자 하나의 두께와 육각형 원자 구조를 가진 이러한 미세한 흑연 층은 가장 유망한 재료 중 하나입니다. 배터리 셀 제조업체인 삼성SDI가 개발한 양극과 음극 구조에 통합된 '그래핀 볼'은 강도, 투자율 및 재료 밀도를 높이고 이에 따라 용량을 약 45% 늘리고 충전 시간을 XNUMX배 단축합니다. 이러한 기술은 이러한 배터리를 장착한 최초의 포뮬러 E 자동차에서 가장 강력한 힘을 얻을 수 있습니다.
이 단계의 플레이어
Tier 123 및 Tier 2020 공급업체, 즉 셀 및 배터리 제조업체의 주요 플레이어는 일본(Panasonic, Sony, GS Yuasa 및 Hitachi Vehicle Energy), 한국(LG Chem, Samsung, Kokam 및 SK Innovation), 중국(BYD Company )입니다. . , ATL 및 Lishen) 및 미국(Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel 및 Valence Technology). 현재 휴대폰 주요 공급사는 LG화학, 파나소닉, 삼성SDI(한국), AESC(일본), BYD(중국), CATL(중국)로 시장점유율이 XNUMX분의 XNUMX에 이른다. 유럽의 현 단계에서 그들은 독일의 BMZ Group과 스웨덴의 Northvolth만이 반대하고 있습니다. XNUMX년 Tesla의 Gigafactory가 출시되면서 이 비율은 변경될 것입니다. 미국 회사는 전 세계 리튬 이온 전지 생산량의 XNUMX%를 차지하게 됩니다. Daimler 및 BMW와 같은 회사는 이미 유럽에 공장을 짓고 있는 CATL과 같은 일부 회사와 계약을 체결했습니다.
