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Jun 22, 2023

리튬

SPW로 | 2019년 1월 29일 작성자: Sofiane Boukhafa, PhD, 프로젝트 설계자; 그리고

SPW로 | 2019년 1월 29일

에 의해 Sofiane Boukhalfa 박사, 프로젝트 설계자; 및 Navneeta Kaul 박사, 연구원; 둘 다 PreScouter와 함께

현대 세계는 리튬 기반 배터리로 작동합니다. 하지만 높은 비용, 원자재 조달 및 과열을 포함하여 리튬 이온 배터리의 한계에 대응하기 위해 수많은 화학 물질과 새로운 기술이 개발되고 있습니다. 시카고에 본사를 둔 연구 정보 회사인 PreScouter는 최근 향후 10년 동안 시장을 뒤흔들고 고성능 배터리의 차세대 물결을 이끌 10가지 새로운 배터리 기술을 자세히 설명하는 보고서를 발표했습니다. 다음은 태양광+저장에 가장 가치 있는 배터리 기술에 대한 검토를 포함하여 보고서 결과를 개략적으로 살펴보겠습니다.

향후 5~10년 내에 태양광+저장 장치 시장을 뒤흔들 수 있는 10가지 배터리 기술. 프리스카우터

리튬 이온 배터리는 전통적으로 흑연 양극을 사용했지만 현재 연구자들과 기업들은 실리콘 양극에 초점을 맞추고 있습니다. Si가 우세한 양극은 흑연 이온보다 25배 더 많이 리튬 이온을 결합할 수 있습니다. 그러나 이러한 배터리는 전기 전도성이 낮고 확산 속도가 느리며 리튬화 중 부피 변동이 크다는 문제가 있습니다. 이러한 제한으로 인해 Si가 분쇄되고 SEI(고체 전해질 간기)가 불안정해집니다.

이러한 과제를 회피하기 위해 나노기술과 탄소 코팅이라는 두 가지 기본 전략이 사용되었습니다. 전자의 방법에서는 벌크 Si 양극에 비해 높은 표면적, 향상된 사이클 수명 및 속도 안정성을 갖는 다양한 나노 크기 Si 양극이 사용됩니다. 또한 균열 없이 리튬화 및 탈리튬화를 견딜 수 있습니다. 탄소 코팅은 고성능 Si/C 나노복합체 양극을 생성하기 위해 나노 크기의 Si와 다양한 형태의 탄소 재료의 조합을 사용합니다. 최근에는 코팅제로 헤테로원자를 도핑한 탄소가 많은 관심을 받고 있다. 헤테로 원자가 도핑된 Si-C 전극은 탄소 원자보다 Li 이온을 더 강하게 결합시켜 안정적인 전기 전도도와 함께 우수한 전기화학적 성능을 발휘합니다.

Si 기반 배터리는 낮은 비용과 자동차 및 스마트폰의 향상된 기능으로 인해 많은 상업적 관심을 불러일으켰습니다. Si가 지배적인 리튬이온 배터리를 상용화하기 위해 Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials 및 Enevate를 포함한 많은 스타트업 기업과의 경쟁이 치열합니다.

리튬-황 배터리의 가장 유망한 대안 중 하나는 Na와 Li 이온의 물리적, 화학적 특성이 유사하기 때문에 나트륨-황 배터리입니다. 그러나 배터리 작동에는 고온(>300°C)이 필요합니다. 유망한 대안으로 저비용 RT-NaS 배터리 시스템은 향상된 안전성을 갖춘 대규모 그리드 애플리케이션에 사용하기 위한 광범위한 연구 관심을 불러일으켰습니다. 그러나 RT-NaS 배터리는 배터리 내부의 복잡한 반응으로 인해 이론 용량이 낮아지는 문제가 있습니다.

2018년에는 RT-NaS 배터리 문제를 해결하기 위해 다양한 접근 방식이 사용되었습니다.

충전식 배터리에 대한 새로운 접근 방식. 금속 메쉬 멤브레인을 갖춘 RT-NaS 배터리. MIT

코발트 나노입자로 장식된 중공 탄소 합성의 개략도. 자연

PC 전해질에 기존 1M NaTFSI가 포함된 전해질과 10mM InI3 첨가 전해질이 포함된 PC:FEC에 (오른쪽) 2MNaTFSI가 포함된 전해질의 개략도. 자연

RT-NaS 배터리는 아직 개발 초기 단계이지만 Sadoway 박사가 이끄는 MIT의 스핀아웃 회사인 Ambri와 같은 회사에서는 배터리 설계를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 차세대 NaS 기반 에너지 저장 기술은 위에서 논의한 지속적인 연구 노력과 접근 방식을 통해 곧 현실화될 수 있습니다.

고성능 양성자 교환막(PEM) 연료전지를 개발하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 PEM 연료전지의 실행 가능성은 높은 비용, 수소 가스의 운송 및 저장으로 인해 어려운 과제였습니다.