급속 충전이 배터리의 죽음인 이유

그들은 기름을 바꾸고 싶어하지만 제조업체가 침묵하는 치명적인 결함이 여전히 있습니다.

석탄 시대는 오랫동안 기억되어 왔습니다. 석유의 시대도 막을 내리고 있습니다. XNUMX 세기 XNUMX 년 동안 우리는 분명히 배터리 시대에 살고 있습니다.

그들의 역할은 전기가 인간의 삶에 들어온 이후로 항상 중요했습니다. 그러나 이제 세 가지 추세로 인해 갑자기 에너지 저장 장치가 지구상에서 가장 중요한 기술이 되었습니다.

첫 번째 트렌드는 스마트폰, 태블릿, 노트북과 같은 모바일 장치의 붐입니다. 우리는 손전등, 모바일 라디오 및 휴대용 장치와 같이 상대적으로 사용이 제한적인 배터리가 필요했습니다. 오늘날 모든 사람은 거의 지속적으로 사용하는 개인 모바일 장치를 하나 이상 가지고 있으며 그 없이는 그의 삶을 상상할 수 없습니다.

두 번째 추세는 재생 가능 에너지원의 사용과 전력 생산 피크와 소비 피크 사이의 급격한 불일치입니다. 예전에는 쉬웠습니다. 소유자가 저녁에 스토브와 TV를 켜고 소비가 급격히 증가하면 화력 발전소 및 원자력 발전소 운영자는 단순히 전력을 늘리면됩니다. 그러나 태양열과 바람의 발전으로 이것은 불가능합니다. 생산의 정점은 소비가 가장 낮은 수준에 있을 때 가장 자주 발생합니다. 따라서 에너지는 어떻게든 저장되어야 합니다. 옵션은 전기가 수소로 변환된 다음 그리드와 전기 자동차에 연료를 공급하는 소위 "수소 사회"입니다. 그러나 필요한 기반 시설의 엄청난 비용과 수소에 대한 인류의 나쁜 기억(Hindenburg 및 기타)으로 인해 이 개념은 당분간 백버너에 남겨둡니다.

소위 "스마트 그리드"는 마케팅 부서의 마음에 나타납니다. 전기 자동차는 생산 최고점에서 과도한 에너지를 받고 필요한 경우 그리드로 되돌릴 수 있습니다. 그러나 최신 배터리는 아직 이러한 도전에 대비할 수 없습니다.

이 문제에 대한 또 다른 가능한 대답은 내연기관을 배터리 전기 자동차(BEV)로 대체하는 세 번째 추세를 약속합니다. 이러한 전기 자동차의 주요 판매 포인트 중 하나는 전력망에 능동적으로 참여할 수 있고 필요할 때 잉여 전력을 회수할 수 있다는 것입니다.

Tesla에서 Volkswagen에 이르기까지 모든 전기 자동차 제조업체는 이 아이디어를 PR 자료에 사용합니다. 그러나 그들 중 누구도 엔지니어에게 고통스럽게 분명한 사실을 인정하지 않습니다. 최신 배터리는 그러한 작업에 적합하지 않습니다.

오늘날 시장을 장악하고 피트니스 밴드에서 가장 빠른 Tesla Model S에 이르기까지 모든 것을 구동하는 리튬이온 기술은 납산 배터리 또는 니켈 금속 수소화물 배터리와 같은 이전 개념에 비해 많은 이점이 있습니다. 그러나 그것은 또한 몇 가지 제한 사항이 있으며 무엇보다도 노화 경향이 있습니다.

대부분의 사람들은 배터리를 어떤 식으로든 전기가 "쏟아지는" 일종의 튜브로 생각합니다. 그러나 실제로 배터리는 자체적으로 전기를 저장하지 않습니다. 그들은 특정 화학 반응을 시작하기 위해 그것을 사용합니다. 그런 다음 그들은 반대 반응을 시작하고 전하를 반환할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리의 경우 전기 방출 반응은 다음과 같습니다. 배터리의 양극에서 리튬 이온이 형성됩니다. 이들은 각각 하나의 전자를 잃은 리튬 원자입니다. 이온은 액체 전해질을 통해 음극 쪽으로 이동합니다. 그리고 방출된 전자는 전기 회로를 통해 보내져 우리에게 필요한 에너지를 제공합니다. 충전을 위해 배터리를 켜면 프로세스가 역전되어 손실된 전자와 함께 이온이 수집됩니다.

리튬 화합물의 "성장"은 단락을 일으키고 배터리를 발화시킬 수 있습니다.

그러나 불행하게도, 리튬을 배터리 제조에 매우 적합하게 만드는 높은 반응성에는 단점이 있습니다. 리튬은 바람직하지 않은 다른 화학 반응에 참여하는 경향이 있습니다. 따라서 리튬 화합물의 얇은 층이 점차 양극에 형성되어 반응을 방해합니다. 따라서 배터리 용량이 감소합니다. 더 강하게 충전 및 방전될수록 이 코팅은 두꺼워집니다. 때때로 그것은 리튬 화합물의 종유석을 생각하는 소위 "수상 돌기(dendrites)"를 방출할 수도 있습니다. 이 돌기는 양극에서 음극으로 확장되며 도달하면 단락을 일으켜 배터리를 발화시킬 수 있습니다.

각 충전 및 방전 주기는 리튬 이온 배터리의 수명을 단축시킵니다. 그러나 최근 유행하는 XNUMX상 전류를 사용한 고속 충전은 프로세스 속도를 크게 높입니다. 스마트폰의 경우 제조업체에게는 큰 장벽이 아니라 사용자가 XNUMX~XNUMX년마다 장치를 변경하도록 강제하고 싶지만 자동차가 문제입니다.

소비자가 전기 자동차를 구매하도록 설득하기 위해 제조업체는 고속 충전 옵션으로 소비자를 유혹해야 합니다. 그러나 Ionity와 같은 빠른 스테이션은 일상적인 사용에 적합하지 않습니다.

배터리 비용은 또 다른 50분의 110이며 오늘날 전기 자동차의 전체 가격보다 훨씬 높습니다. 고객에게 시한 폭탄을 구매하지 않는다는 것을 확신시키기 위해 모든 제조업체는 별도의 더 긴 배터리 보증을 제공합니다. 동시에 그들은 장거리 여행에 매력적인 자동차를 만들기 위해 더 빠른 충전에 의존합니다. 최근까지 가장 빠른 충전소는 150kW에서 작동했습니다. 그러나 새로운 Mercedes EQC는 유럽 Ionity 충전소에서 제공하는 최대 XNUMXkW, Audi e-tron은 최대 XNUMXkW까지 충전할 수 있으며 Tesla는 기준을 더 높일 준비를 하고 있습니다.

이러한 제조업체는 기존의 고속 충전이 배터리를 파괴한다는 사실을 공개적으로 인정합니다. Ionity와 같은 스테이션은 사람이 먼 길을 왔고 시간이 거의 없을 때 긴급 상황에 더 적합합니다. 그렇지 않으면 집에서 배터리를 천천히 충전하는 것이 현명한 방법입니다.

충전 및 방전 방법도 수명에 중요합니다. 따라서 대부분의 제조업체는 80% 이상 20% 이하로 충전하는 것을 권장하지 않습니다. 이 접근 방식을 사용하면 리튬 이온 배터리는 매년 평균 약 2%의 용량을 잃습니다. 따라서 자동차에서 사용할 수 없을 정도로 출력이 떨어지기 전에 10년 또는 최대 약 200km를 지속할 수 있습니다.

마지막으로 배터리의 수명은 배터리의 고유한 화학 구성에 따라 달라집니다. 제조업체마다 다른 제품이 있으며 많은 경우 너무 새롭기 때문에 시간이 지남에 따라 어떻게 노화되는지조차 알 수 없습니다. 일부 제조업체는 이미 "1.6만 마일"(16만 킬로미터) 수명의 차세대 배터리를 약속하고 있습니다. Elon Musk에 따르면 Tesla는 그중 하나를 작업 중입니다. BMW와 다른 2개 회사에 제품을 공급하는 중국 회사 CATL은 다음 배터리가 XNUMX년 또는 XNUMX백만 킬로미터를 지속할 것이라고 약속했습니다. 제너럴 모터스와 한국의 LG화학도 유사한 프로젝트를 개발하고 있다. 이 회사들 각각은 실생활에서 시도하고 싶은 자체 기술 솔루션을 가지고 있습니다. 예를 들어 GM은 음극에 리튬 스케일 축적의 주요 원인인 습기가 배터리 셀에 침투하는 것을 방지하기 위해 혁신적인 재료를 사용할 것입니다. CATL 기술은 니켈-코발트-망간 양극에 알루미늄을 추가합니다. 이는 현재 가장 비싼 원자재인 코발트의 필요성을 줄여줄 뿐만 아니라 배터리 수명도 늘려줍니다. 적어도 그것이 중국 엔지니어들이 바라는 것입니다. 잠재 고객은 아이디어가 실제로 작동하는지 알고 기뻐합니다.