빅브라더's 업무창고

  바나듐 배터리가 리튬이온 배터리의 대안으로 떠오르고 있습니다.  전고체 배터리가 상용화되기 전까지 리튬_황 배터리와 더불어 기존의 리튬이온 배터리의 단점을 보완할 수 있는 차세대 배터리가 될 가능성이 매우 높다고 하겠습니다.  바나듐 이온 배터리는 바나듐 전해액의 전기화학반응을 통해 전기를 충. 방전하는 구조입니다. 기존의 바나듐 레독스 흐름 전지(Vanidium Redox Flow Battery, VRFB)와는 전해질만 동일하고 완전히 새로운 전지라고 할 수 있습니다.   바나듐이온배터리(VIB) 출처: 스탠다드에너지 VIB 장점 (출처: 스탠다드에너지)  바나듐은 무엇인가?   바나듐의 가장 큰 특징을 강철에 소량의 참가만으로 강도를 향상시켜 준다는 것입니다. 그래서 오래전부터 철강산업 및 자동차, 항공분야에서 널리 사용하던 광물입니다. 최근에는 에너지 분야의 신소재 이용 가능성이 높아 사용 영역을 확대해 나가고 있습니다.    바나듐은 원자번호 23번으로 리튬보다 무겁고 커 배터리로 사용 시 에너지밀도면에서 불리한 점이 있습니다 따라서 전기차용 도로는 적합하지 않지만 충방전 횟수가 크고 열적 안정성이 우수하여 ESS용도로 적합한 재료라고 하겠습니다.      리튬 배터리 vs 바나듐 배터리 비교    장점은 충.방전횟수가 매우 우수하며 폭발 위험이 낮아 안정적인 배터리입니다. 에너지 밀도 역시 리튬 배터리의 약 50% 이상 높다는 장점이 있습니다. 또한 배터리 효율이 96% 수준으로 매우 높습니다. 즉 배터리의 충. 방전에 따른 전기 효율의 거의 없다는 얘기입니다.    반면 리튬이온보다 충.방전의 속도가 느리고, 특정 온도 범위에서 바나듐 이온의 석출 가능성이 높으며, 상대적으로 부피가 커진다는 단점이 있습니다. 게다가 결정적으로 가격이 약 3배 정도 비싸다는 불리함이 있습니다. 그렇지만 충방전 횟수가 크고, 열적안정성...

  오늘날 글로벌 SCM의 특징은 서플라이어들을 간의 분업화라고 할 수 있습니다 그러나 최근의 이러한 기조를 역행하는 것이 있는데요 그것은 바로 전기 자동차를 생산하는 완성차업체들의 배터리 생산일 것입니다.   왜 분업화를 통한 효율을 포기하고  완성차 업체들은 리스크를 감안하면서도  직접 배터리를 생산하고자 하는 것일까요? 첫 번째 이유는 배터리를 내재화해야만 자신들의 소프트웨어 플랫폼과 최고의 시너지를 낼 수 있기 때문입니다. 자동차 회사가 배터리 셀까지 직접 만드는 첫 번째 이유는 바로 원가 인하를 위함입니다. 전기차의 총 제조원가에 30%가량을 차지하는 배터리는 원가 구조에 가장 핵심이면서 기본인 부분입니다 따라서 배터리 셀을 직접 만들 수 있다면 그만큼 원가를 낮출 수 있다는 의미입니다. 하지만 원가 절감 부분으로 많은 설명하기가 어려운 것이 있습니다 뭔가를 떨어뜨리기 위해서라면 배터리 업체로부터 공급되는 셀 만으로도 충분하고 그 바닥까지 들어가는 것은 전문 분야도 아니고 셀 생산을 위한 기술적인 리스크도 크기 때문에 굳이 위험을 무릅쓰고 필요가 없을 것입니다. 하지만 그런데도 배터리 셀 단위부터 관여하고자 하는 완성차업체들의 속내는 따로 있다고 보는 것이 맞을 것 같습니다. 전기차 생산이 본격화되는 2024년 이후부터는 완성차업체들의 소프트웨어가 전기차의 모든 부분을 통제하게 될 것입니다. 모든 기능을 통제하는 중앙 집중적이고 강력한 컴퓨터와 소프트웨어 운영체계가 구축되게 될 경우 배터리의 세부적인 부분까지 실시간으로 모니터링하고 전기차 시스템 전체가 최적의 효율을 낼 수 있도록 배터리 상태를 관리하고 분석할 수 있게 될 것입니다. 현재도 배터리의 상태를 관리하는 BMS(Battery Management System)는 중요한 기술 중에 하나로 취급받고 있습니다. 하지만 아직까지는 OTA(Over The Air)를 통한 업데이트라던가 셀단 위 상태의 전체 시스템과 연동해 최적의 성능을 끌어내는데까지는 도달하지 못한 ...

  새로운 에너지 저장기술, 리튬-공기 배터리  리튬-산소 또는 리튬-공기 배터리는 오늘날 에너지 저장기술을 개선할 수 있는 많은 방법 중 한 가지입니다. 리튬과 다른 금속-공기 배터리는 높은 에너지 밀도에 대한 가능성 때문에 여러 곳에서 연구대상으로 선호되고 있지만 낮은 효율과 수명 사이클이 걸림돌로 작용하고 있어 쉽지 않은 문제이었죠. 출처 : 소프트뱅크 이 같은 사실을 염두에 두고 일본 국립 재료과학원과 소프트뱅크의 과학자들이 충전식 리튬-공기 배터리를 개발했다는 소식입니다. 그들은 리튬-공기 배터리가 기존의 리튬이온 배터리 에너지 밀도를 크게 웃도는 것을 확인했다고 합니다. 리튬-공기 배터리의 음극 전극으로 리튬 사용하고, 양극 다공성 탄소전극은 산소에 의존하는 구조입니다. 10개의 셀 적층 장치 크기는 4x5cm이고 전극이 있는 단층 셀의 크기는 2x2cm입니다. [리튬 공기 배터리 충전원리_위키피디아] 비록 LAP 수준이긴 하지만 이들이 만든 배터리는 실온에서 작동 했을 때 기존 리튬이온 배터리의 약 2배인 500 Wh/kg의 에너지 밀도를 보였습니다. 이 성능은 에너지 밀도와 충. 방전 사이클 면에서 세계에서 가장 높은 것으로 알려져 있습니다. 기존의 리튬-공기 배터리의 테스트 결과를 살펴보면 충.방전 사이클이 100 사이클 이상 되더라도 실제 셀 수준의 에너지 밀도는 50Wh/kg에 불과했고, 반면 에너지 밀도가 300Wh/kg인 경우 충. 방전 사이클수는 20 사이클 미만인 수준이었습니다. 연구원들은 이번 결과를 '머터리얼즈 호라이즌스' 최신호에 '산업에서 리튬-공기 배터리에 실질적 성과를 정확하게 예측하기 위한 리튬공기 배터리 평가 기준'이라는 논문으로 게재했습니다.

  우리 모두는 리튬이온 배터리가 열화 된다는 것을 알고 있습니다. 이것은 전기차의 미래에 대해서 말할 때 대부분의 전기차 반대론자들이 제기하는 문제이기도 합니다. 열화에 따른 배터리 수명저하는 그만큼 해결해야할 숙제였습니다. 그런데 DOE와 스탠퍼드의 과학자들은 리튬이온 배터리 수명을 연장할 수 있는 획기적인 방법을 발견했다고 합니다. 리튬이온 배터리는 매우 적은 무게와 작은 부피에도 엄청난 양의 에너지를 포함할 수 있기 때문에 전기차를 비롯한 다양한 분야에서 매우 인기가 있습니다. 하지만 이것은 또한 반대의 개념으로 볼 수 도 있습니다. 즉 리튬이온 배터리의 에너지 밀도가 높아질수록 더 작은 부피 내에 더 많은 에너지가 주입되기 때문에 그만큼 불안정해질 수 있다는 점인데요. 이러한 문제들은 과거 전기차 화재로 이어지면서 그 위험성을 드러내기도 하였습니다. 리튬 이온 배터리 또 다른 큰 문제는 배터리의 충. 방전 시에 불가피한 용량 손실이 나타난다는 점입니다. 그 이유는 충. 방전 주기마다 배터리 전극에서 리튬에 작은 비트가 느슨해지기 때문입니다. 그러나 DOE와 스탠포드 과학자들은 이 비활성 리튬 비트를 배터리의 음극으로 연결함으로써 용량 손실을 커버할 수 있는 방법을 찾았다고 합니다. 비활성  리튬 이온들은 배터리를 열화되게 하고 심지어 불이 붙게 하기 때문에 쓸모없는 것이라고 여겨졌습니다. 하지만 연구진들은 비활성 리튬을 음극과 전기적으로 다시 연결시키는 방법을 발견했습니다. 리튬 음극을 다시 활성화 시키기 위해 충전 사이클 끝에서 방전 전류를 크게 증가시키면, 비활성화 된 리튬이온을 음극 쪽으로 이동시키게 됩니다. 방전 전류가 높을수록 이동 속도가 빨라지고 공정 효율도 높아진다는 것을 테스트 배터리와 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증하였습니다. 이번 연구결과는 실제 배터리의 리튬이온을 충전 프로토콜 조정만으로도 회복시킬 수 있다는 것을 보여주었다는 점에서 매우 의미 있는 결과라 할 수 있습니다. 이 정도면 배터리 수명을 최대 30%까지 연...

  전고체 배터리 개발의 문제점 전고체 배터리의 역사를 보면 1912년 Toyota는 EV 시장에서 경쟁력을 유지하기 위해 자동차산업 애플리케이션을 위한 배터리에의 실험적 연구를 수행하기 시작했습니다. 동시에 폭스바겐은 전문적인 스타트 업과 파트너십을 맺기 시작했고, 1993년 콜로라도대학 연구원들은 철-황 케미스트리를 기반으로 한 고체 복합 양극을 사용하여 기존보다 더 높은 에너지 용량을 구현하는 배터리를 발표했습니다. 2017년 리튬 이온 배터리 공동 발명가인 존 굳 이너프 교수는 유리 전해질과 리튬, 나트륨 또는 칼륨으로 구성된 알칼리 금속 음극을 사용하는 고체 배터리를 공개했습니다. 이 개발 논문을 시작점으로 했을 때 2013년부터 지금까지 약 10년이 지났습니다.  업계에 목표인 2027년이 지나면 과연 우리는 전고체 배터리 양산을 볼 수 있을까요? 잘 알다시피 리튬이온 배터리는 음극과 양극, 전해액 ,분리막으로 구성되어 있습니다. 방전에 첫 번째 시작은 리튬의 이온화라고 할 수 있습니다. 결국 리튬 이온의 이동속도와 함유량이 배터리의 용량을 결정하게 되는데 핵심원리는 리튬이온의 이동이 원활해야 한다는데 있습니다. 현재 리튬이온 배터리의 전해질은 액체 상태입니다. 액상이기 때문에 배터리 내부로 주액이 용이하며, 비워진 공간 없이 공간의 활용도도 비교적 높습니다. 리튬폴리머 배터리같이 액상 전해액은 겔화시키는 방법도 용이합니다. 전해액을 주액한 후 개시제를 추가로 주액하면 두 물질이 반응하여 전해액이 겔(Gel)화 되는 것입니다. 반면 전고체는 전해질의 상태가 고체인 것이 가장 큰 차이점이라고 할 수 있습니다. 고체 상태의 파우더를 배터리 내부에 넣으면 액체와 달리 배터리 내부를 완벽히 채우기가 어렵습니다. 따라서 배터리 내부의 비어 있는 공간이 생기기 마련입니다. 실제 액체 전해액을 주액할 때도 배터리 내부를 진공으로 만들고 나서 밀어 넣은 뒤 충분히 스며들도록 시간을 두고 기다립니다. 또한 전해액이 고체와 됨으로 인해 리튬이온이 이동...

  배터리 화재 왜 일어날까?   리튬 배터리로 인한 화재가 발생되었다는 것은 다시 말해 강한 열에너지를 발생시켰다고 볼 수 있습니다.  분리막을 통해 음극과 양극이 만나는 현상 즉 단락이 발생된다거나, 덴드라이트 등과 같이 단락의 원인 다르더라도 전자이 이동이 급격히 진행되는 경우 주울 열(Joule heat)에 의해 발화가 진행될 수 있습니다.  다음은 리튬배터리에서 발생할 수 있는 발화 메커니즘에 대한 설명입니다.    1. 제조 결함에 따른 이물 혼입 배터리 제조 과정에서 이물질(금속 또는 금속산화물)이 양극과 분리막 사이에 유입되면 충전과 방전을 계속하면서 이물질이 환원전압 영역에 이르면 금속 이온 상태로 환원되어 분리막을 통과하여 음극으로 이동하게 되고 음극으로 이동한 금속 이온물질은 음극 활물질 표면에 축적되면서 결정성을 지닌 덴드라이트(Dendrite, 수지상정) 형태로 성장하게 되고 덴드라이트가 성장하여 분리막을 거쳐 양극의 접촉되면 음극의 전자가 순식간에 양극으로 흐르면서 이때 발생된 주울 열에 의해 발화 폭발이 가능하게 됩니다. 2. 과충전 충전이 계속되어 과충전이 되면 발열을 하고 전해질에서 가연성 가스의 발생 등이 일어나게 됩니다. 일반적으로 과충전 시 배터리 내부에서는 처음에 전해액과 마이너스극의 환원 반응이 일어나서 전해액의 열분해, 전해액과 플러스 극과의 산화분해, (-)극의 열분해, (+)극의 열분해, 최후에는 분리막의 용융 유동에 의한 내부 단락이 발생됩니다. 과충전을 하면 플러스극은 산화, 결정구조 파괴 의한 발열이 일어나고 마이너스극은  금속 리튬이 석출되게 됩니다. 과충전 방지 보호회로(Protection Circuit Board, 이하 PCM) 있더라도 고장 등의 이유로 기능하지 못하는 경우에 과충전이 발생되어 폭발할 수 있고 과충전을 방지하기 위해 PCM이 설치되어 있는 경우에도 다음과 같은 경우 화재로 연결될 수 있습니다. 1) 배터리의 설정을 잘못하여 충전...

잇따른 BYD 배터리 품질 사고로 인해 테슬라의 물동 중 BYD의 비중이 축소될 것이라는 전망이 있습니다. 그에 따라 CTAL과 LG에너지솔루션의 반사 이익이 기대되고 있습니다. BYD는 잘 알려져 있다시피 CATL과 같은 리튬인산철(LFP) 배터리 기반의 생산라인과 직접 BEV를 생산하는 업체입니다. 전기차 판매량만 놓고 보면 이미 테슬라를 넘어선 상태이기도 합니다.  BYD가 주력으로 생산하는 LFP배터리는 삼원계 조성 배터리보다 에너지밀도가 낮고 무겁다는 단점이 있지만 열적 안정성이  우수하고 가격 경쟁력이 탁월한 장점을 가지고 있습니다. 초기 전기차의 대중화를 위해 가장 큰 부분을 차지하는 배터리의 Cost 경쟁력 확보를 위해 테슬라는 주저없이 LFP 배터리의 손을 잡았습니다. 예상대로 전기차의 가격대를 주변의 예상보다 더 급격히 낮출 수 있어서 빠른 속도로 자동차 시장에 안착시킬 수 있었습니다.  언론에서는 BYD의 물동감소 현상은 중국 내에서 연이어 벌어진 품질 사고 영향성이 크다는 분석입니다. 그러나 품질 사고 영향성을 배제할 수는 없지만 근본적으로 테슬라가 BYD를 손절하려는데는 다른 이유가 있어 보입니다.  최근까지 테슬라는 배터리에 기술력 확보에 집중하고 있습니다. 지금까지 개발된 어떤 배터리 보다 에너지효율이 높다는 4680 배터리를 대중에 공개했고, 테슬라 인하우스 라인을 통해 생산수율을 올리는데 집중하고 있지만 기대만큼의 결과를 얻지 못하는 것으로 알려져 있습니다. 즉 테슬라의 입장에서는 이렇게 우수한 수준의 배터리를 개발하여 자체 모델에 적용함으로서 전기차시장에서 차별화를 꽤하고 중요 원재료 인 배터리 업체의 의존도를 낮춤으로서 전기차 시장에서의 주도권을 잃지 않겠다는 전략을 가지고 있습니다.  그런데 배터리의 수율향상을 더디고 전기차 시장에서 판매량까지 선두를 놓쳤다는 충격은 테슬라에게 충분히 위기감을 느끼게 할 수 있는 부분이었을 것입니다. 자신의 자리를 테슬라에게 배터리를 공급하던 업체라...

 미국 IRA에 따라 배터리 셀 및 팩공정 라인의 미국 내 투자가 기정사실화 되고 있습니다. 그에 따른 장비업체를 비롯 핵심 원재료인 양극재와 분리막가공업체들도 함께 미국행을 도모하고 있습니다. 배터리 산업 선두에 있는 중국의 CATL과 BYD 등에 비해 확장속도면에서 다소 늦어지고 있는 K- 배터리 업체 입장에서는 이번 IRA를 어떤 관점에서 전략적으로 활용할 지가 향후 미래 먹거리 시장에서 주도권을 가질 수 있는가의 관건이라 할 수 있겠습니다.  최근 1~2년의 실적만 보더라도 중국의 LFP 조성의 배터리는 가격경쟁력과 규모의 경제를 바탕으로 공격적인 마켓 확장을 이뤄내고 있습니다. 과거 중국 내수시장에 국한할 것이라는 전망과 달리 좀 더 이른 시점에 유럽을 기반으로 한 확장세가 두드러지고 있어서 우리나라 업체들도 신경이 쓰이는 상황입니다.  특히 저희같은 분리막 업체의 경우 중장기 관점에서 분석이 매우 중요한 상황입니다. 최근 분리막 시장 역시 중국분리막 업체들의 가격경쟁력에 고전하면서 매년 수요감소를 격고 있습니다. 따라서 기존에는 고수익 모델위주의 조합 위주로 생산 모델배분을 진행하였습니다만, 미국의 IRA에 따른 반사이익으로 향후 더 좋은 기회가 올 것으로 예상하고 있습니다.  하지만 마냥 즐거울 수는 없는것이 최근 미국 포드와 CATL이 IRA의 헛점을 파고들어 기술제휴방식으로 미국 내 배터리 투자를 진행하는 것은 새로운 Risk가 될 수 있다는 생각입니다.  배터리 라인이 미국 내에 이런식으로 도입될 수 있다는 의미는 결국 분리막이나, 양극재 역시 가능하다는 뜻이기 때문입니다.   포드와 CATL간의 기술제휴는 미국 배터리 시장에 큰 영향을 미칠 것입니다. CATL은 세계적인 전기차 배터리 제조업체 중 하나이고 이 제휴를 통해 포드는 전기차 및 수소연료전지차량용 배터리를 보다 경쟁력 있게 공급할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술제휴는 미국의 전기차 시장의 성장을 촉진하고, 다른 완성차 ...