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솔리드 스테이트 배터리 란 무엇이며 배터리 수명 문제를 해결할 …
솔리드 스테이트 배터리 란 무엇입니까? 기존의 배터리 설계 (가장 일반적으로 리튬 이온)에서는 전해질로 작용하는 액체 리튬 염과 함께 두 개의 고체 금속 전극이 …
Source: www.thefastcode.com
Date Published: 11/20/2022
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솔리드 스테이트 배터리 – 설명 | 마이크로텍스 2021
솔리드 스테이트 배터리란 무엇입니까? 더 높은 안전성, 더 높은 에너지 밀도 및 비용 효율성에 대한 더 높은 잠재력을 가진 기술 접근 방식입니다. 솔리드 스테이트 …
Source: microtexindia.com
Date Published: 4/6/2021
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솔리드 스테이트 배터리란 무엇이며 기존 리튬 배터리와 어떻게 …
솔리드 스테이트 배터리는 배터리 기술입니다. 오늘날 일반적으로 사용되는 리튬 이온 배터리 및 리튬 이온 폴리머 배터리와 달리 솔리드 스테이트 …
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Date Published: 8/14/2022
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솔리드 스테이트 배터리 란 무엇이며 왜 중요합니까?
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전고체 전지 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
전고체 전지(Sol-state battery)는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리다.
Source: ko.wikipedia.org
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솔리드 스테이트 배터리는 무엇이며 왜 중요한가요? – 101 Help
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솔리드 스테이트 배터리 – 요다위키
고체 배터리는 리튬이온이나 리튬 폴리머 배터리에서 발견되는 액체나 폴리머 겔 전해질 대신 고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술이다.
Source: yoda.wiki
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솔리드 스테이트 배터리 란 무엇이며 아직 사용되지 않은 이유
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주제에 대한 기사 평가 솔리드 스테이트 배터리
- Author: Tech Central
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- Date Published: 2021. 8. 29.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=QnWQ50vWUvY
솔리드 스테이트 배터리 – 설명
전고체 전해질은 전고체 전지의 핵심 부품입니다. 고체 전해질 물질에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.
무기 재료: 무기 결정질 재료, 무기 비정질 재료. 무기 전해질은 높은 탄성 계수, 강한 열/화학적 안정성, 큰 전기화학적 창, 높은 이온 전도도 및 낮은 전자 전도도를 갖기 때문에 이러한 전해질은 열악한 환경에서 작동할 수 있는 견고한 배터리 설계에 더 적합합니다.
솔리드 스테이트 배터리 란 무엇이며 왜 중요합니까?
배터리 기술은 수년 동안 먼 길을 걸어 왔습니다. 드론 및 스마트 폰과 같은 가젯은 고급 최신 배터리 기술 없이는 비실용적입니다.
그러나 배터리는 항상 더 좋을 수 있습니다!
솔리드 스테이트 배터리는 차세대 큰 발전으로 보이며이를 사용하는 제품이 곧 출시 될 것입니다. 이것은 지금이 그것이 무엇이고 왜 중요한지에 대해 스스로를 익힐 완벽한 시간임을 의미합니다.
“고체 상태”는 무엇을 의미합니까?
납산 자동차 배터리, 알칼리성 일회용품 또는 휴대 전화의 리튬 폴리머 배터리 이든 모두 액체 전해질을 사용합니다. 전해질은 배터리의 두 내부 단자를 연결하는 전도성 물질입니다. 전자는 전해질을 통해 흐르므로 배터리가 전하를 축적하거나 방전 할 수 있습니다.
고체 상태 배터리는 전통적인 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용합니다. 이것이 두 배터리 기술의 유일한 근본적인 차이점입니다. 간단하게 들리지만 엔지니어와 과학자들은 전해질 역할을 할 수있는 고체 물질을 찾기 위해 수십 년 동안 고군분투 해 왔습니다.
고체 배터리의 어려움은 무엇입니까?
세라믹 및 리튬 금속과 같은 다양한 재료는 고체 전해질로서의 잠재력을 제공합니다. 문제는 세라믹 방식이 배터리 성능을 저하 시킨다는 것입니다. 리튬 금속은 유망하지만 치명적인 결함이 있습니다. 배터리가 충전 및 방전됨에 따라 금속 “덴 드리 트”가 전해질을 통해 성장합니다. 배터리가 단락되어 위험으로 바뀔 수 있습니다.
이러한 문제에 대한 실용적이고 경제적으로 실행 가능한 솔루션을 찾는 것은 지난 몇 년 동안 여러 회사와 연구 팀의 임무였습니다. 이제 그 일은 성과를 거두려고합니다.
왜이 모든 문제를 겪습니까? 고체 배터리가 기존 배터리에 비해 약속하는 이점을 살펴 보겠습니다.
안전
배터리는 많은 양의 에너지를 저장하며이 에너지가 제어되지 않은 방식으로 방출 될 수있는 위험이 항상 있습니다. . 그럴 경우 화재, 폭발 및 기타 원치 않는 결과를 의미 할 수 있습니다. 수상 돌기 문제가 해결되었다고 가정하면 고체 배터리는 더 안전하고 안정적이 될 것입니다. 우선 가연성이 아니기 때문에 배터리 화재는 과거의 일이되어야합니다.
이것은 자동차 나 드론과 같은 전기 자동차에만 중요하지 않습니다. 뿐만 아니라 스마트 폰 및 노트북과 같은 개인용 전자 제품에도 사용됩니다. 많은 사람들이 매년 전자 기기의 배터리 화재로 인해 부상을 입습니다. 그 결과 집 전체가 불에 탔습니다!
충전 속도
최신 리튬 배터리는 놀라운 속도로 충전 수 있지만 채우는 데 여전히 오랜 시간이 걸립니다. 쪽으로. 기존 리튬 이온 배터리가 모두 옆으로 가기 전에 부어 넣을 수있는 에너지의 양에는 제한이 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 현재 우리가 사용하는 배터리보다 6 배 더 빠르게 충전 할 수 있습니다. 즉, 5 분 또는 15 분의 80 %까지 전기 자동차 충전 안에 휴대 전화가 비어있는 상태에서 완전히 충전됩니다.
에너지 용량 및 크기
리튬 이온 배터리는 현재 일반인에게 판매되는 모든 배터리 유형 중 에너지 밀도가 가장 높습니다. 하지만 여전히 휘발유보다 밀도가 몇 배나 낮습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 배터리를 가스 수준으로 끌어 올릴 수 없지만 부피당 에너지 밀도를 두 배 이상 높일 수 있습니다.
즉, 솔리드 스테이트 모델을 사용하여 휴대 전화의 배터리를 교체하면 크기를 늘리지 않고도 이론적으로 두 배 더 오래 작동 할 수 있습니다. 이것은 전기 자동차의 또 다른 큰 판매 포인트이며, 주행 거리에 대한 불안으로 인해 그다지 인기가 없습니다.
수명 및 내구성
현재 대부분의 리튬 이온 배터리가 시작됩니다. 약 500 회의 완전 충전-방전주기 후에 성능이 저하됩니다. 그 후 배터리 용량이 떨어지기 시작합니다 가 거의 충전되지 않을 때까지. 현재 배터리가 봉인 된 경향이있는 스마트 폰에서는 이로 인해 기기 수명이 크게 제한됩니다. 솔리드 스테이트 배터리는 그 한계를 크게 늘릴 것을 약속합니다. 최대 5 번.
따라서 일반적인 일상 용 휴대 전화 배터리가 2 ~ 3 년 후에 성능이 저하되기 시작하는 경우 솔리드 스테이트 배터리는 최대 십오 년 동안 정격 용량을 유지합니다. 배터리 교체 비용이 극도로 비싼 전기 자동차의 경우이 등급 차량의 소유 비용에 극적인 영향을 미칠 수 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리 약점
이 모든 것이 사실이라고하기에는 너무 좋게 들린다면 기술에 대한 몇 가지주의 사항이 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리 기술이 널리 채택되기 전에 이러한 문제 중 일부를 해결해야합니다.
비용은 아마도 가장 큰 적입니다. 연구팀과 신생 기업은 이러한 배터리의 생산 공정을 더 저렴하고 확장 가능하게 만들기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 일부 회사는 가깝다고 주장하지만 이러한 배터리를 사용하는 제품의 실제 가격을 볼 때까지 얼마나 성공적 이었는지 알 수 없습니다.
이 배터리도 저온에서 어려움을 겪습니다. 따라서 절연 또는 양호한 작동 온도를 유지하는 것과 관련된 솔루션이 문제의 일부입니다.
솔리드 스테이트 배터리는 언제 구입할 수 있습니까?
솔리드 파워 및 QuantumScape 과 같은 몇몇 회사는 상업용 솔리드 스테이트 배터리 애플리케이션의 첨단에 있다고 주장합니다.
Toyota는 빠르면 2021 년 에 솔리드 스테이트 배터리 전기 자동차를 판매 할 계획입니다. Solid Power와 QuantumScape는 각각 2022 년과 2024 년에 차량용 배터리 출시를 목표로하고 있습니다. 이것은 앞으로 몇 년 안에 우리가 배터리 혁명의 시작에 올 수 있다는 것을 의미합니다.
그래 핀 사용으로 인한 가능성에 대해 알아보기 전입니다. 이 놀라운 소재는 액체 전해질이든 고체 전해질이든 상관없이 더 나은 배터리를 약속합니다. 그래 핀을 공 놀이에 사용하는 것은 예상보다 오랫동안 과학자와 엔지니어를 피했지만 지금 당장 하이브리드 그래 핀 파워 뱅크 를 구입할 수 있습니다. 진정으로 미래가 여기에 있습니다.
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전고체 전지(Solid-state battery)는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리다.[1]
역사 [ 편집 ]
전고체 배터리 개념은 1980년대 처음 제시됐으나 한동안 빛을 보지 못했다. 그러다 일본 도요타가 2010년 황화물 전해질을 사용한 배터리 시제품을 공개한 뒤로 연구가 눈에 띄게 늘었다. 현재는 소재 후보군으로 황화물과 산화물, 고분자 3종이 발굴됐다. 이 가운데 황화물 소재는 가장 앞서 나간다. 일본은 전고체 배터리 연구에서 가장 앞서나가는 국가로 손꼽힌다. 일본에선 주로 황화물 연구가 주를 이룬다.
1991년 일본 소니가 첫 개발해 상용화한 리튬 이온 전지를 대체할 차세대 2차전지로는 리튬에어 전지, 리튬메탈 전지, 리튬황 전지, 전고체 전지가 있다. 그 중에서 전고체 전지를 탑재한 전기차를 2022년 도요타가 출시할 계획이다. 한국은 2025년 전고체 전지를 상용화할 계획이다.
전세계 전기차용 전고체 전지 시장이 2030년 최대 100조원 규모로 급성장할 것으로 관측되고 있다.
도요타는 전고체 전지를 사용하면 출력과 전기저장량이 액체 전지보다 2배 이상 늘어날 것으로 보고 있다.
도요타, 다이슨, 포르셰 등 글로벌 2차전지 수요기업이 전고체 전지 사용화 계획을 연이어 발표하고 있다.
충전하는데 몇 시간씩 걸리는 리튬 이온 전지에 비해 전고체 전지는 불과 5분이면 80% 충전이 가능하다. 주행거리도 리튬이온전지의 2배 이상에 달한다. 기존의 가솔린, 경유 차량의 주유소 급유시간이 5분이다.
2012년~2014년 도요타가 출원한 차세대 전지 관련 특허의 68%는 전고체 전지 분야다. 200명의 개발인력을 전고체 전지 개발에 투입하고 있다.
리튬 이온 전지에 비해 가격이 1/3이다.
SNE리서치에 따르면 전고체 배터리를 탑재한 전기차 비율은 2024년 2%에서 2030년 10%로 증가할 전망이다. 글로벌 조사 업체 Allied market research는 2017년 633억원이었던 글로벌 전고체 배터리 시장이 2025년 1조6820억원으로 확대한다고 예측했다. 일본 시장조사업체 후지경제는 2035년 전고체 배터리 시장규모가 32조6000억원에 이를 것으로 내다 봤다.
일본 [ 편집 ]
1991년 일본 소니는 니켈 카드뮴 전지보다 에너지 밀도가 두 배 높고 충전이 간편한 2차 전지를 선보였다. 이 전지는 핸드폰, 노트북과 같은 전자 제품에서부터 자동차에까지 적용되며 전 세계적인 사랑을 받았다. 대표적인 2차 전지로 꼽히는 리튬이온 전지 얘기다. 2019년 기준으로, 리튬이온 전지가 등장한 지 28년이 흘렀다.
기존 리튬 이온 전지의 에너지 밀도는 255Wh/kg 수준이다. 반면 전고체 전지는 이론적으로 495Wh/kg까지 에너지 밀도가 올라간다. 일본은 2015년까지 전지 양극재료와 음극재료 혁신을 통해 에너지밀도가 전보다 두 배나 높은 2세대 리튬이온 전지를 개발할 계획이다.
에너지 밀도가 더 높아지면 2차전지를 더 작게 만들 수 있다.
일본의 파나소닉은 도요타와 지난 4월 배터리 합작사를 세웠다. 파나소닉-도요타 연합은 꿈의 배터리라 불리는 ‘전고체 배터리’ 기술을 선도하는 업체다. 전 세계에서 전고체 배터리 관련 특허를 40%가량 보유하고 있다.
기술력이 가장 앞서 있다고 평가받는 일본 도요타는 대규모 민관 컨소시엄을 구성해 총 17조원을 투자, 오는 2022년에 생산할 계획이다.
중국 [ 편집 ]
2018년 11월 26일, 중국 칭다오에너지디벨로프먼트가 최근 10억위안(약 1600억원)을 투자해 장쑤성 쿤산시에 전고체 전지 양산 라인을 구축, 양산에 들어갔다.[2] 세계 최초의 전고체 전지 양산 공장이다.
이 분야를 선도하고 있는 일본은 2021년 양산 공장을 가동할 계획이다. 한국은 2025년 계획이다.
칭다오에너지는 최신 리튬이온 배터리 셀 에너지 밀도가 kg당 250~300Wh 수준인 것과 비교, 자사가 양산하는 전고체 전지는 kg당 400Wh 이상 에너지 밀도를 달성했다고 주장했다. 같은 차량 무게일 경우 더 많은 배터리 탑재가 가능하다는 의미이다.
그러나, 칭다오에너지의 양산이 상용화라기 보다는 연구 성과 수준이라는 견해가 많다. 한국의 배터리 기업들의 연 생산규모는 칭다오에너지의 180배에 달할정도로 소규모 파일럿 생산에 가깝다는 것이다.
대한민국 [ 편집 ]
2018년 3월 19일, 국책연구기관인 산업연구원(KIET)은 전고체전지의 양산 시점이 전기자동차 보급의 전환점이 될 것이라는 전망을 내놓았다. 한국의 자동차 업계에서는 이 시점을 2025년으로 본다.
2019년 6월 17일, 한국생산기술연구원은 김호성 박사(제주지역본부장) 연구팀이 폭발 및 화재 위험을 없애면서 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 ‘바이폴라 구조의 전고체전지’ 제조 기술을 개발했다고 밝혔다. 에너지밀도는 약 445Wh/L 수준이다.
상용화 시점이 일본보다 7~8년 늦은 2030년으로 예상되고 있다. 오는 2030년이 되면 글로벌 신차 중 절반이 전기차일 것이라는 관측이 나온다.
미국 [ 편집 ]
2017년 11월 15일, 전기차 벤처기업 피스커의 CEO 헨릭 피스커는 리튬 이온 전지가 아닌 전고체 전지 기술을 개발해 1분 이내 충전으로 800 km를 달릴 수 있는 전기차 개발에 성공했다고 밝혔다. 헨릭 피스커는 테슬라 창업에 영감을 준 것으로 유명하다. 2023년 전고체 전지 전기차 모델을 판매할 계획이다..
2019년 1월, 세계 최고 전기차 기업 테슬라가 배터리 명가 맥스웰 테크놀로지를 2억1800만달러(약 2439억원)에 인수했다. 수 년 동안 인수설 소문이 있었다. 그동안 테슬라에 독점적으로 전기차 배터리를 공급했던 일본 파나소닉 배터리에는 비상이 걸렸다. 맥스웰 테크놀로지는 1965년 세워진 배터리 회사로 본사를 미국 샌디에이고에 두고 있다. 테슬라 전기차 공장과 함께 샌프란시스코 베이에어리어에 위치한다. 맥스웰 테크놀로지 배터리 고객으로는 제너럴 모터스(GM)와 람보르기니가 있다. 최근 맥스웰 테크놀로지는 에너지 밀도 300 Wh의 전고체 전지를 개발했다.
잠수함 [ 편집 ]
기존의 디젤잠수함은 하루에 2-3회 수면으로 부상하여 스노클 항해를 3-4시간씩 해서 납축전지를 충전해야만 했다. 최근 납축전지 대신 리튬 이온 전지를 탑재하여, 스노클 항해를 거의 하지 않는 리튬잠수함이 등장했다. 이를 다시 전고체 전지로 교체하면 잠수함의 성능이 매우 개선될 것으로 예상된다. 수소차의 수소연료를 이용한 발전을 하면, 매우 짧은 5분 동안의 스노클 항해시에도 소음이 발생하는 디젤엔진이 아닌 수소엔진을 사용하여, 잠수함 소음을 사실상 완전히 없앨 수 있다.
납축전지, 충전시간 8시간
리튬 이온 전지, 납축전지의 2배 용량, 충전시간 30분, 1991년 소니 개발, 소류급 잠수함
전고체 전지, 리튬 이온 전지의 2배 용량, 충전시간 5분, 2021년 도요타 개발
리튬황 전지, 전고체 전지의 2배 용량, 2030년 상용화
더 보기 [ 편집 ]
솔리드 스테이트 배터리 .. 세상을 바꿀 수있는 오랫동안 기다려온 기술-iPhone Islam
우리가 수세기 전에 발견 한 기술이 있고 그것을 활용하기 위해 수십억 달러가 연구에 쏟아져 나왔지만 아직은 … 우리는 몇 걸음 만 이동합니다 그것을 제어하는쪽으로. 전기 도구, 장난감, 노트북에서 의료 기기와 우주선에 이르기까지 다양한 장치를 사용하는 방식을 바꿀 수있는 것은 배터리입니다. 그러나 이러한 상황은 향후 몇 년 안에 바뀔 수 있으며 최근의 연구는 오랫동안 기다려온 혁명적 기술로 간주 될 수 있습니다. 그리고 그것이 확산되면 세상은 더 좋고 더 중요한 것은 우리를 파괴 한 화석 연료로부터 우리를 멀어지게 할 것입니다. 세계.
배터리
배터리는 화학 에너지를 저장하고 방전을 통해 전기 에너지로 변환 할 수있는 장치로, 양극 단자에 연결된 음극, 음극 단자에 연결된 양극, 자유 이온을 포함하는 물질의 네 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 전기를 전도하는 매체 (전해질)와 분리기 또는 절연체를 형성합니다.
음극과 양극은 전극이며 전류가 발생하기 위해서는 전자가 한 전극에서 다른 전극으로 이동해야합니다.이 경우 전자는 음극에서 양극으로 전달되므로 두 전극은 전류를 생성하여 전해질 전극 사이에 양이온을 흐르게하고 전자의 흐름을 균형있게함으로써 분리기는 전극을 멀리하고 회로에서 발생할 수있는 전기적 접촉이나 문제를 방지합니다.
솔리드 스테이트 배터리
현재 대부분의 장치에 사용되는 리튬 배터리와 현재 집중적으로 개발되고있는 고체 배터리와 같은 액체 상태 배터리에는 한 가지 중요한 차이점이 있습니다. 즉, (자유 이온을 포함하고 전기 전도성을 구성하는 물질) 액체 배터리가 액체 전해질을 포함하고 액체 전해질의 일부 화합물이 수상 돌기로 알려진 결정을 성장시키고 과충전하면 결정이 양극에 축적 된 다음 음극과 접촉하여 고체와 달리 위험한 폭발이 발생할 수 있습니다. 고체 전지는 에너지 밀도가 높고 화재 및 폭발 위험이 적기 때문에 이러한 유해 수상 돌기의 성장을 방지하는 고 체형 전해질을 포함하는 현재 사용중인 상태 배터리는 공간을 덜 차지하고 다른 곳에서도 작동 할 수 있습니다. 아무 문제없이 온도.
솔리드 배터리 기술 개발
대부분의 자동차 회사는 전기차로의 전환을 모색하고 있으며 솔리드 배터리 기술 개발의 가장 큰 수혜자입니다. 배터리는 주행 거리가있는 기존 자동차에 비해 작동 범위가 짧아 전기 자동차의 약점으로 간주됩니다. 이는 전기차가 도달 할 수있는 것의 몇 배이며, 전기차의 평균 주행 거리는 완전 충전시 250 ~ 300 마일 (402 ~ 483km)이며, 차량 충전 여부에 따라 차량을 완전히 충전하는 데 17 ~ 450 시간이 걸립니다. 역에서 충전 중이거나 가정에서 콘센트를 사용하고 있지만 전기 자동차의 인기는 계속 증가하여 결국 지배 할 것으로 예상됩니다. 자동차 부문에서는 시장을 장악하기 위해 전기 자동차의 범위를 최소한으로 확장해야합니다. 724 마일 (XNUMXkm)이며 소비자에게 저렴한 가격으로 유지됩니다.
이것이 폭스 바겐, 포드, BMW, 현대, 도요타, 심지어 마이크로 소프트 창립자 인 빌 게이츠까지도 수십억 달러를 투자하여 고체 배터리를 개발했으며, 빌 게이츠가 지원하는 퀀텀 스케이프 (QuantumScape)는 다양한 온도에서 작동 할 수있는 세라믹 층으로 고체 배터리를 제조합니다. 도요타는 2025 년까지 솔리드 스테이트 배터리로 제한된 수의 자동차를 출시 할 계획입니다.
또한, 노벨상을 수상한 물리학 자이자 컴퓨터에 사용되는 리튬 배터리 및 메모리 발명가는“존 구더 너프안정적이고 불연성이며 충전 속도가 빠르며 알려진 리튬 이온 배터리보다 2000 배 더 많은 에너지를 저장할 수있는 고체 유리-세라믹 배터리에 대한 특허. 이는 배터리에 전극을 형성하기 위해 나트륨 또는 리튬을 추가하여 달성되었습니다. 가장 중요한 점은 가격이 저렴하고 더 오래 지속될 수 있다는 것입니다. 4 번의 충전 및 방전주기가 있으며 -140 ° F ~ 20 ° F (-60 ° C ~ XNUMX ° C)의 온도 범위에서 작동합니다.
삼성은 고체 배터리로 작동합니다
개발을 살펴보면 삼성이 달성 솔리드 스테이트 배터리 분야에서는 1000 회 충전시 500 마일 (805km)의 주행 거리, 500000 마일의 수명으로 XNUMX 회 이상 충전 및 방전 할 수있는 배터리를 개발할 수 있다고 믿습니다. 극한의 온도에서 효율적으로 작동 할 수 있습니다.
마지막으로, 고체 배터리가 우리의 손이 닿을 수 있도록 주요 기업들이 연구 개발 분야에서 협력하고 있으며, 앞으로 몇 년 후에 볼 수 있지만 나타날 때 모든 것에 혁명을 일으킬 것입니다. 전기차에서 신뢰할 수 있지만 의료 기기, 스마트 폰, 우주선에서 시작하는 모든 것입니다.
솔리드 스테이트 배터리에 대해 어떻게 생각하고 이것이 기술 세계에 어떤 영향을 미칠지 의견으로 알려주십시오.
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매질
솔리드 스테이트 배터리는 무엇이며 왜 중요한가요?
배터리(Battery) 기술은 오랜 시간 동안 발전해 왔습니다. 드론(drones) 및 스마트폰 과 같은 장치는 첨단 현대 배터리 기술 없이는 비실용적입니다.
그러나 배터리는 항상 더 좋을 수 있습니다!
솔리드 스테이트 배터리는 다음으로 큰 발전으로 보이며 이를 사용하는 제품이 곧 출시될 것입니다. 이것은 지금이 그것들이 무엇인지 그리고 왜 그것이 중요한지 자신에게 익숙해질 완벽한 시간이라는 것을 의미합니다.
“솔리드 스테이트”는 무엇을 의미합니까?
자동차 납축 배터리, 알카라인 일회용 배터리, 휴대전화의 리튬 폴리머 배터리(lithium polymer batteries) 등 모두 액체 전해질을 사용합니다. 전해질은 배터리의 두 내부 단자를 연결하는 전도성 물질입니다. 전자는 전해질을 통해 흐르고 배터리는 전하를 축적하거나 방전할 수 있습니다.
전고체 배터리는 기존의 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용합니다. 이것이 두 배터리 기술 간의 유일한 근본적인 차이점입니다. 간단해 보이지만 엔지니어와 과학자들은 전해질 역할을 할 수 있는 고체 물질을 찾기 위해 수십 년 동안 고군분투해 왔습니다.
솔리드 (Hard)스테이트(Solid State) 배터리 의 단점 은 무엇입니까 ?
세라믹 및 리튬 금속과 같은 다양한 재료는 고체 상태 전해질로서의 가능성을 제공합니다. 문제는 세라믹 접근 방식으로 인해 배터리 성능이 저하되었다는 것입니다. 리튬 금속은 유망하지만 치명적인 결함이 있습니다. 배터리가 충전 및 방전됨에 따라 금속 “수지석”이 전해질을 통해 성장합니다. 배터리가 합선되어 위험할 수 있습니다.
이러한 문제에 대한 실용적이고 경제적으로 실행 가능한 솔루션을 찾는 것은 지난 몇 년 동안 여러 회사와 연구팀의 사명이었습니다. 이제 그 일이 결실을 맺으려 합니다.
왜이 모든 어려움을 겪고 있습니까? 솔리드 스테이트 배터리가 기존 배터리에 비해 약속하는 이점을 살펴보겠습니다.
안전
배터리는 많은 양의 에너지를 저장하며 이 에너지가 통제되지 않은 방식으로 방출될 수 있는 위험이 항상 있습니다. 그런 일이 발생하면 화재, 폭발 및 기타 원치 않는 결과가 발생할 수 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 덴드라이트 문제가 해결된다는 가정 하에 더욱 안전하고 안정적입니다. 우선, 그들은 가연성이 아니므로 배터리 화재는 과거의 일이 되어야 합니다.
이는 자동차와 드론과 같은 전기 자동차뿐만 아니라 스마트폰, 노트북과 같은 개인 전자기기에도 중요합니다. 매년 많은 사람들이 전자 기기의 배터리 화재로 부상을 입습니다. 그 결과 집 전체가 불에 탔습니다!
재충전 속도
최신 리튬 배터리는 놀라운 속도(charge at impressive speeds) 로 충전할 수 있지만 여전히 충전하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 모든 것이 옆으로 가기 전에 기존 리튬 이온 배터리에 부을 수 있는 에너지의 양에는 한계가 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 현재 우리가 사용하는 배터리보다 6배 더 빠르게 충전할 수 있습니다. 즉, 5분 만에 휴대폰을 완전히 charging an electric car to 80% in 15 수 있습니다.
에너지 용량 및 크기
리튬(Lithium) 이온 배터리는 현재 대중에게 판매되는 배터리 유형 중 에너지 밀도가 가장 높습니다. 그러나 여전히 가솔린보다 밀도가 몇 배나 낮습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 배터리를 가스와 동등하게 만들지 못하지만 부피당 에너지 밀도의 두 배 이상을 약속합니다.
즉, 솔리드 스테이트 모델을 사용하여 휴대 전화의 배터리를 교체하면 크기가 커지지 않고 이론적으로 두 배 더 오래 사용할 수 있습니다. 이것은 전기 자동차의 또 다른 큰 판매 포인트이며, 주행 거리에 대한 불안 때문에 가능한 한 인기가 없습니다.
수명 및 내구성
현재 대부분의 리튬 이온 배터리는 약 500번의 완전 충전-방전 주기 후에 성능이 저하되기 시작합니다. 그 시점 이후에 배터리는 거의 충전을 유지할 수 없을 때까지 용량을 잃기 시작 합니다. (battery begins to lose its capacity)이제 밀폐형 배터리를 사용하는 경향이 있는 스마트폰에서는 이로 인해 기기 수명이 크게 제한됩니다. 솔리드 스테이트 배터리는 그 한계를 크게 높일 것을 약속합니다. 무려 5배나 됩니다.
따라서 일상적으로 사용하는 일반적인 전화 배터리는 2~3년 후에 성능이 저하되기 시작할 수 있지만 솔리드 스테이트 배터리는 최대 15년 동안(fifteen years) 정격 용량을 유지 합니다. 배터리 교체 비용이 매우 많이 드는 전기 자동차의 경우 이 등급 차량의 소유 비용에 극적인 영향을 미칠 수 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리 약점
이 모든 것이 사실이라고 하기에는 너무 좋게 들린다면 기술에 몇 가지 주의 사항이 있습니다. 이들 중 일부는 솔리드 스테이트 배터리 기술이 널리 채택되기 전에 해결해야 합니다.
비용(Cost ) 은 아마도 가장 큰 적일 것입니다. 연구팀(Research) 과 신생 기업은 이러한 배터리의 생산 공정을 더 저렴하고 확장 가능하게 만들기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 일부 회사는 폐쇄적이라고 주장하지만 이 배터리가 포함된 제품의 실제 가격을 볼 때까지는 그들이 얼마나 성공적이었는지 알 수 없습니다.
이 배터리는 낮은 온도(struggle at low temperatures) 에서도 문제가 있습니다. 따라서 이를 절연하거나 양호한 작동 온도로 유지하는 것과 관련된 솔루션이 과제의 일부입니다.
솔리드 스테이트(Solid State) 배터리 는 언제 구입할 수 있습니까 ?
솔리드 파워( Solid Power(Solid Power) ) 및 QuantumScape 와 같은 몇몇 회사 는 상업용 솔리드 스테이트 배터리 애플리케이션의 정점에 있다고 주장합니다.
Toyota 는 빠르면 (Toyota)2021 년(2021) 에 솔리드 스테이트 배터리 전기 자동차 를 판매할 계획 입니다 . Solid Power 와 QuantumScape 는 각각 2022년과 2024년에 차량용 배터리 출시를 목표로 하고 있습니다. 이것은 앞으로 몇 년 안에 우리가 배터리 혁명의 시작점에 서 있을 수 있다는 것을 의미합니다.
그래핀을 사용하여 얻을 수 있는 가능성에 대해 알아보기 전입니다. 이 놀라운 재료는 액체 전해질이든 고체 전해질이든 관계없이 더 나은 배터리를 약속합니다. 그래핀이 공놀이를 하게 하는 것은 과학자와 엔지니어들이 예상했던 것보다 오래 동안 회피했지만 지금 당장 하이브리드 그래핀 파워뱅크(hybrid graphene powerbank) 를 구입할 수 있습니다 . 진실로(Truly) , 미래가 여기에 있습니다.
솔리드 스테이트 배터리
고체 전극과 고체 전해질이 있는 배터리
고체 배터리는 리튬이온이나 리튬 폴리머 [1][2]배터리에서 발견되는 액체나 폴리머 겔 전해질 대신 고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 배터리 기술이다.
고체 전해질은 19세기에 처음 발견되었지만, 낮은 에너지 밀도와 같은 몇 가지 단점 때문에 널리 응용되지 못했습니다. 20세기 후반과 21세기 초반의 발전은 특히 전기 자동차의 맥락에서 2010년대부터 솔리드 스테이트 배터리 기술에 대한 새로운 관심을 불러일으켰다.
고체 배터리는 가연성, 제한된 전압, 불안정한 고체 전해질 간 형성, 낮은 사이클 성능 및 [3]강도 등 액체 리튬 이온 배터리의 많은 문제에 대한 잠재적 해결책을 제공할 수 있습니다.
고체 배터리에서 고체 전해질로 사용하도록 제안된 재료에는 세라믹(예: 산화물, 황화물, 인산염) 및 고체 고분자가 포함됩니다. 솔리드 스테이트 배터리는 페이스메이커, RFID 및 웨어러블 디바이스에서 사용되고 있습니다. 에너지 밀도는 높지만 비용이 훨씬 더 많이 들며 잠재적으로 더 안전합니다. 널리 채택되는 과제로는 에너지 및 전력 밀도, 내구성, 재료비, 감도 및 [4]안정성 등이 있습니다.
역사
1831년과 1834년 사이에 마이클 패러데이는 고체 전해질 황화은과 납을 발견했다. II)불소화물, 고체 이오닉스의 [5][6]기초를 닦았다.
1950년대 후반, 몇몇 전기화학 시스템은 고체 전해질을 사용했다. 그들은 은 이온을 사용했지만 낮은 에너지 밀도와 셀 전압, 높은 내부 저항 [7]등 바람직하지 않은 특성을 가지고 있었습니다. Oak Ridge National Laboratory에 의해 개발된 새로운 종류의 고체 전해질이 1990년대에 등장했는데, 이것은 그 후 박막 [8]리튬 이온 배터리를 만드는데 사용되었다.
기술이 새천년에 접어들면서 자동차 및 운송 산업의 연구자와 기업들은 솔리드 스테이트 배터리 기술에 대한 관심을 다시 갖게 되었습니다. 2011년 Booleré는 먼저 카셰어링 서비스인 Autolib와 협력하여 BlueCar 모델 자동차를 출시하고 이후 소매 고객에게 출시했습니다. 이 차는 응용 분야에서 회사의 다양한 전기 동력 셀을 보여주기 위해 고안되었으며, 리튬 소금을 공동 고분자(폴리옥시에틸렌)에 용해하여 만든 고분자 전해질을 가진 30kWh 리튬 금속 폴리머(LMP) 배터리를 특징으로 했습니다.
2012년, 도요타는 EV [9]시장에서의 경쟁력을 유지하기 위해, 자동차 산업에서의 응용을 위한 솔리드 스테이트 배터리에 대한 실험 연구를 실시하기 시작했습니다. 동시에 폭스바겐은 이 기술을 전문으로 하는 소규모 기술 업체들과 제휴를 시작했다.
2012년 2월, 「Battery Japan」(배터리 재팬)에 첫선을 보인 ProLogium Technology는, 솔리드 스테이트 배터리와 플렉시블 프린트 회로(FPC) 서브트레이트를 [10]일체화한 제품인 FLCB(Fible Print Circuitaric) 배터리를 발표했다.
일련의 기술 혁신이 뒤따랐다. 2013년 콜로라도 볼더 대학의 연구진은 기존의 [11]SSB보다 더 높은 에너지 용량을 약속하는 철-황 화학에 기초한 고체 복합 음극과 함께 고체 리튬 배터리를 개발했다고 발표했습니다.
2017년 리튬이온 배터리의 공동 발명자인 존 구데노프는 유리 전해질과 리튬, 나트륨 또는 칼륨으로 [12]구성된 알칼리 금속 양극을 사용한 고체 배터리를 공개했다. 그 해 말, 토요타는, 솔리드 스테이트 [13]배터리에 관한 협력을 포함한, 파나소닉과의 수십년간의 파트너십의 심화를 발표했습니다. 초기 집중적인 연구와 다른 업계 선두 업체와의 협업 덕분에 도요타는 SSB 관련 [14]특허를 가장 많이 보유하고 있습니다. 하지만 독자적으로 솔리드 스테이트 배터리 기술을 개발하고 있는 다른 자동차 메이커들은 BMW,[15][16] 혼다, 현대 자동차[17] 그리고 [18]닛산을 포함하여 빠르게 증가하는 리스트에 합류했다. Spark Plug 제조업체 NGK와 같은 다른 자동차 관련 회사들은 기존의 [19]화석 연료 패러다임의 진화에 직면하여 세라믹 기반 솔리드 스테이트 배터리에 대한 수요 진화에 대응하기 위해 비즈니스 전문 지식과 모델을 개조했습니다.
굉장한 소식 2018년, 고체 파워의 콜로라도 대학의 연구 team,[20]삼성과 현대에서 2천만달러의 자금을 받았습니다에서를 예측함과의all-solid-state 충전용lithium-metal 배터리 prototype,[21]의 복제 약품을 생산할 수 있는 작은 제조 라인을 수립하도록 분리로 전개하는데 계속했다. 10megaw 연간 [22]가동 시간. Solid Power는 [23]2022년 초에 “공식 자동차 인증 절차”에 들어갈 것으로 예상하고 있습니다.
또 다른 솔리드 스테이트 배터리 스타트업인 QuantumScape는 같은 해, 폴크스바겐이 팀의 연구에 1억달러의 투자를 발표했을 때, 투자가 Bill [24]Gates에 의해서 최대주주가 되었다. 목표를 solid-state 배터리의 대량 생산을 위한 공동 생산 사업을 확립하는 것으로, 폭스바겐은 추가로 2억달러 6월 2020년에서 뉴욕 증권 거래소를 11월 29일 2020년에 QuantumScape 신규 상장 시도해 켄싱턴 캐피탈 사업과 통합의 일환으로, 그 프로젝트에 추가로 에쿼티 자금 조달에 QuantumScape 기부했다.[25][26] 퀀텀스케이프는 “2024년 하반기에 양산을 시작할 예정”[26]이라고 밝혔다.
칭타오는 2018년에도 중국 최초의 솔리드 스테이트 배터리 생산 라인을 개시해, 「특수 기기 및 하이엔드 디지털 제품」에 SSB를 공급하는 것을 목표로 하고 있었습니다.그러나, 동사는 자동차 [27]분야로의 확대를 목표로 복수의 자동차 메이커와 협의하고 있습니다.
2021년 7월, 무라타 제조소는, 이어폰등의 [28]웨어러블 메이커에의 공급을 목표로, 향후 수개월내에 전고체 배터리의 양산을 개시한다고 발표했다. 배터리 용량은 3.[29]8V로 최대 25mAh로 이어폰 등 소형 모바일 기기에는 적합하지만 전기차에는 적합하지 않습니다. 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 전지는 일반적으로 유사한 [30]전압에서 2,000 – 5,000 mAh를 제공합니다. EV는 동등한 전력을 공급하기 위해 최소 100배 이상의 무라타 전지가 필요합니다.
포드 자동차와 BMW는 스타트업 솔리드 파워에 1억3000만달러의 자금을 지원했으며 2022년 현재 총 [31]5억4000만달러의 자금을 조달했다.
2021년 9월, 토요타는 비용과 낮은 전력 [32]요건 때문에 2025년 하이브리드 모델을 시작으로 향후의 일부 자동차 모델에 솔리드 스테이트 배터리를 탑재할 계획을 발표했습니다.
프로로지움 테크놀로지는 2022년 1월 다임러 그룹의 자회사인 메르세데스-벤츠와 기술 협력 협정을 체결했다. 메르세데스-벤츠가 투자한 자금은 솔리드 스테이트 배터리 개발과 [33][34]생산 준비에 사용될 것이다.
자재
다음 항목도 참조하십시오. 고체 전해질
고체 전해질(SSE) 후보 재료는 리튬 오르토규산염,[35] 유리,[12] 황화물[36] 및 RbAgI 4 5 [37][38]등의 세라믹을 포함한다. 주류의 산화물 고체 전해질에는 LiAlGe( 3 LAGP 4 ), LiAlTi 1.4 0.4 1.6 (PO 4 )( 3 LATP), 페로브스카이트형 LiLaTiO 3x 2/3-x 3 (LLTO) 및 금속 [39]Li를 가진 가넷형 LiLaZrtaO 6.4 3 1.4 0.6 12 (LLZO)가 포함된다 1.5 0.5 1.5 . 4개의 SSE 중 Li에 대한 열안정성은 LAGP < LATP < LLTO < LLZO 순으로 나타났습니다. 염화물 슈퍼이온 전도체는 또 다른 유망한 고체 전해질로서 제안되어 왔다. 이들은 변형 가능한 황화물뿐만 아니라 이온 전도성이지만, 동시에 황화물의 산화 안정성이 떨어져도 문제가 되지 않는다. 그 외에는 산화물 [40]및 황화물 SSE보다 비용이 낮은 것으로 판단됩니다. 현재의 염화물 고체 전해질 시스템은 LiMCl과 3 6 LiMCl 2 2/3 4 [43]두 가지로 나눌 수 있으며, M개의 원소는 Y, Tb-Lu, Sc, In을 포함한다. 음극은 리튬 기반입니다. 배리언트에는 LiCoO, LiNiCoMnO 1/3 1/3 1/3 2 , LiMnO 2 4 및 LiNiCoAlO가 0.8 0.15 0.05 2 있습니다 2 . 양극은 더 다양하며 전해액의 유형에 따라 영향을 받습니다. 예를 들어 In, Si, GeSi x 1−x , SnO–BO 2 3 , SnS–PS 2 5 , LiFeS 2 2 , FeS, NiP 2 및 LiSiS가 2 3 [44]있습니다. 유망한 음극 재료 중 하나는 Li-S입니다. Li-S는 (고체 2 리튬 양극/LiS 전지의 일부로) 이론상 비용량이 1670mAh g으로−1 "LiCoO의 2 유효값보다 10배 큽니다." 유황은 대부분의 액체 전해질에 용해되어 배터리 수명을 크게 단축하기 때문에 액체 전해질 용도에 적합하지 않은 음극을 만듭니다. 유황은 고체에서 [44]연구된다. 최근 Li-S 솔리드 스테이트 배터리의 가능성을 보여주는 세라믹 섬유가 개발되었습니다. 이 섬유는 예상 에너지 밀도에 도달하지 못했지만 유황 부하를 처리하는 동안 이온 전달을 촉진했습니다. "500μm 두께의 전해질 지지와 63%의 전해질 면적 활용"의 결과는 "71 Wh/kg"[45]이었고 예상 에너지 밀도는 500 Wh/kg이었다. Li-O는 2 또한 높은 이론 용량을 가지고 있다. 이러한 장치의 주요 문제는 양극이 주변 대기로부터 밀봉되어야 하고 음극이 음극과 [44]접촉해야 한다는 것입니다. ALi/LiFe PO 4 배터리는 전기차용 솔리드 스테이트 애플리케이션으로서의 가능성을 보여줍니다. 2010년 연구에서는 이 물질이 "USABC-DOE 목표를 초과"[46]하는 EV의 충전식 배터리에 대한 안전한 대안으로 제시되었다. Darren H.S Tan 등에 의해 순수 실리콘 μSi SSE NCM811 양극을 가진 셀을 조립했다. μSi 양극(순도 99.9 중량%), 고체 전해질(SSE), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NCM811) 음극 사용. 이러한 종류의 솔리드 스테이트 배터리는 최대 5mA−2 cm의 높은 전류 밀도, 광범위한 작동 온도(-20°C 및 80°C) 및 최대 11mAh−2 cm(2890mAh/g)의 면적 용량을 보였습니다. 동시에 5mAcm 이하의−2 500사이클 후에도 배터리의 용량 유지율은 80%로 지금까지 [47]보고된 모든 μSi 솔리드 스테이트 배터리 중 최고의 성능을 발휘합니다. 사용하다 솔리드 스테이트 배터리는 심박조율기, RFID, 웨어러블 기기 및 [48][49]전기 자동차에서 잠재적으로 유용합니다. 전기 자동차 다음 항목도 참조하십시오. 전기 자동차 하이브리드 및 플러그인 전기 자동차는 리튬 이온, 니켈-금속 수소화물(NiMH), 납-산 및 전기 이중층 캐패시터(또는 울트라 캐패시터)[50]를 포함한 다양한 배터리 기술을 사용하며,[51] 리튬 이온이 시장을 지배하고 있습니다. 2020년 8월, 토요타는 솔리드 스테이트 [52]배터리를 장착한 시제품 차량 「LQ Concept」의 도로 주행 테스트를 개시했다. 2021년 9월 도요타는 [53][54]자사의 특성을 살리기 위해 하이브리드 전기차 최초로 솔리드 스테이트 배터리를 채택하는 배터리 개발 및 공급 전략을 발표했다. 웨어러블 다음 항목도 참조하십시오. 웨어러블 테크놀로지 에너지 밀도가 높고 가혹한 환경에서도 높은 성능을 유지하는 특성이 그 [48][55]어느 때보다 작고 신뢰성이 높은 새로운 웨어러블 기기의 실현에 기대되고 있다. 우주정거장의 장비 2021년 3월, 산업 메이커 히타치 조센이, 업계 최고 용량이라고 하는 솔리드 스테이트 배터리를 개발해, 우주 환경에서의 가혹한 사용에 대해 설명했습니다. 그들은 이미 우주항공연구개발기구(JAXA)와 우주에서 고체 배터리를 테스트하기로 합의했으며, 배터리는 국제우주정거장에 있는 일본의 실험 모듈 키보의 카메라 장비에 전력을 공급하게 된다.[56][57] 과제들 비용. 솔리드 스테이트 배터리의 제조 및 채용에는 일반적으로 고가의 진공 증착 [8]장치가 필요하기 때문에 확장하기 어렵다고 생각되는 제조 공정을 도입하는 데 비용이[58] 많이 듭니다. 그 결과, 소비자 베이스의 애플리케이션에서는, 코스트가 매우 높아집니다. 2012년 당시 기술에 따르면 20Ah 솔리드 스테이트 배터리 셀의 가격은 미화 10만 달러이며, 장거리 전기 자동차에는 800-1,000개의 [8]셀이 필요할 것으로 추정되었다. 마찬가지로,[48] 스마트폰과 같은 다른 분야에서도 비용 때문에 솔리드 스테이트 배터리의 채택이 지연되고 있습니다. 온도 및 압력 감도 저온 작동은 [58]어려울 수 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리는 역사적으로 성능이 [11]좋지 않았습니다. 세라믹 전해질을 사용하는 솔리드 스테이트 배터리는 [59]전극과의 접촉을 유지하기 위해 고압이 필요합니다. 세라믹 분리기가 있는 솔리드 스테이트 배터리는 기계적 [8]응력으로 인해 파손될 수 있습니다. 계면 저항 음극과 고체 전해질 사이의 높은 계면 저항은 전고체 [60]배터리의 오랜 문제였습니다. 계면 불안정성 전극-전해질의 계면 불안정성은 솔리드 스테이트 [61]배터리에서 항상 심각한 문제였습니다. 고체 전해질이 전극과 접촉한 후 계면에서의 화학 및/또는 전기화학적 측면 반응은 일반적으로 소극화된 계면을 생성하며, 이는 전극-SSE 계면 전체에 걸쳐 Li의 확산을+ 방해한다. 고전압 사이클링 시 일부 SSE는 산화적 열화가 발생할 수 있습니다. 수상돌기 양극에서 나오는 리튬 금속 수상돌기가 분리기를 뚫고 음극 쪽으로 성장합니다. 고체 배터리의 고체 리튬(Li) 금속 양극은 높은 에너지 밀도, 안전성 및 빠른 충전 시간을 위해 리튬 이온 배터리의 대체 후보입니다. 이러한 양극은 Li 수상돌기의 [62]형성과 성장에 어려움을 겪는 경향이 있다. 덴드라이트는 양극과 음극 사이의 분리기에 침투하여 단락을 일으킵니다. 과열로 인해 열폭주로 [63]인한 화재 또는 폭발이 발생할 수 있습니다. 리 수상돌기는 쿨롱의 효율을 [64]감소시킨다. 덴드라이트는 일반적으로 충전 및 방전 중에 전착[65] 중에 형성됩니다. 리튬 이온은 배터리가 충전될 때 양극 표면에서 전자와 결합하여 리튬 금속 [66]층을 형성합니다. 이상적으로는 리튬 증착이 양극에서 균일하게 발생합니다. 그러나 성장이 고르지 않으면 수상돌기가 [67]형성된다. 2018년 Li dendrite의 [68]성분은 LiC, LiO 2 , LiCO로 x y z 확인되었다 x y . 안정적인 고체 전해질 간상(SEI)은 덴드라이트 성장을 억제하고 순환 [64]성능을 높이는 가장 효과적인 전략으로 밝혀졌다. 고체 전해질(SSE)은 덴드라이트의 성장을 방해할 수 있지만,[63] 이는 추측에 불과합니다. 2018년 연구에서는 임계 전류 [69]밀도까지 Li 덴드라이트 성장을 차단하는 나노폴러스 세라믹 분리기가 확인되었다. 기계적 고장 고체 배터리의 일반적인 고장 메커니즘은 호스트 [70]구조에서 리튬이온의 추가 및 제거로 인한 충방전 중 양극과 음극의 부피 변화에 의한 기계적 고장이다. 음극 음극은 일반적으로 이온 전도에 도움이 되도록 SSE 입자와 혼합된 활성 음극 입자로 구성됩니다. 배터리의 충전/방전에 따라 음극 입자의 부피는 일반적으로 몇 %[71]씩 변화합니다. 이러한 부피 변화는 입자 간 공극의 형성을 초래하여 음극 입자와 SSE 입자의 접촉을 악화시키고 이온 수송의 [70][72][73]제약으로 인해 상당한 용량 손실을 초래합니다. 이 문제에 대한 한 가지 제안된 해결책은 음극 입자의 부피 변화의 이방성을 이용하는 것입니다. 많은 음극재료는 특정 결정방향에만 부피가 변화하기 때문에 충방전으로 크게 팽창하지 않는 결정방향에 따라 2차 음극입자가 성장하면 입자의 부피변화를 [74][75]최소화할 수 있다. 또 다른 제안 솔루션은 음극의 순 부피 변화가 [71]0이 되도록 팽창 추세가 반대인 다른 음극 재료를 적절한 비율로 혼합하는 것입니다. 예를 들어 LiCoO 2 (LCO)와 LiNiMnCoO 0.9 0.05 0.05 2 (NMC)는 리튬이온배터리용으로 잘 알려진 음극재료입니다. LCO는 배출 시 체적 팽창이 발생하는 반면 NMC는 배출 시 체적 수축이 발생하는 것으로 나타났습니다. 따라서 정확한 비율의 LCO와 NMC의 복합음극은 LCO의 팽창에 의해 NMC의 수축이 보상되므로 방전 시 최소한의 부피 변화를 겪을 수 있다. 양극 솔리드 스테이트 배터리는 에너지 용량이 크기 때문에 순수한 리튬 금속 양극을 사용하는 것이 이상적입니다. 그러나 리튬은 충전 중에 도금 [70]Li의 1mAh/cm당2 약 5µm로 부피가 크게 증가한다. 이러한 팽창은 셀 압력을 증가시켜 시간이 지남에 따라 리튬 금속이 양극/[76]전해질 계면의 표면 균열로 인해 셀이 단락될 수 있습니다. 리튬 금속은 녹는점이 453K로 비교적 낮고 자기 확산 에너지가 50kJ/mol로 낮아 상온에서 상당히 [77][78]크립하는 경향이 높은 것으로 나타났습니다. 상온에서 리튬은 녹는점에 비해 온도가 충분히 높은 멱함수법칙 크립을 거치면서 금속의 전위가 활공면에서 기어 나와 장애물을 피할 수 있는 것으로 나타났습니다. 멱함수 크리프 하에서의 크리프 응력은 다음과 같이 주어진다. σ c r e e p = ( ε ˙ A c ) 1 / m exp ( Q c m R T ) \displaystyle _{c}=\leftfrac {dot {varepsilon }}{A_{c}\right}{1/m}\exp {left\frac {Q_{c}}}{m} RT}}\오른쪽) }} 여기 서 R (\displaystyle R ) 은 가스 상수, T (\ displaystyle T ) 는 온도, δ (\ displaystyle {\varepsilon}) 는 단축 변형률, δ r e p (\ displaystyle \displaystyle \silon })는 크리프 응력, 리튬 m = 6 . 6 (\displaystyle )은 C6 ), M나는 − 1{\displaystyle Q_{c}=37\,\mathrm{킬로줄}\cdot\mathrm{몰}^{)}}, Ac− 1/m=3× 105P불쌍히 여겼고, ⋅ s− 1{\displaystyle A_{c}^{-1/m}=3\times 10^{5}\,\mathrm{Pa}\cdot \mathrm{s}^{)}}.[77]또한,에서 낮은 온도 아래 248K에서 faster-strain율, 리튬 금속이 표시되는 것을 잡아당긴다. 어려운 en, 크리프 지배적 행동에서 활공 지배적 [77]행동으로의 전환을 나타냅니다. 리튬 금속을 양극으로 사용하려면 셀 압력을 0.8 MPa의 [79]항복 응력 정도로 상대적으로 낮은 값으로 최소화하도록 매우 주의해야 합니다. 리튬 금속 양극의 정상 작동 셀 압력은 1 ~7 MPa입니다. 리튬 금속에 가해지는 응력을 최소화하기 위한 몇 가지 가능한 전략은 선택된 스프링 상수 또는 전체 [70]셀의 제어된 가압을 가진 셀을 사용하는 것입니다. 또 다른 전략은 에너지 용량을 희생하고 일반적으로 순수한 리튬 금속보다 높은 용해 온도를 가진 리튬 금속 합금 양극을 사용하는 것입니다. 따라서 크리핑 [80][81][82]성향이 낮습니다. 이러한 합금은 석화하면 상당히 팽창하지만, 종종 리튬 금속보다 더 큰 수준으로 확장되지만, 또한 약 50 [83][84]MPa의 압력에서 작동할 수 있는 향상된 기계적 특성을 가지고 있습니다. 이러한 높은 셀 압력은 음극 [70]내 보이드 형성을 완화시킬 수 있는 추가적인 이점도 있습니다. 이점 솔리드 스테이트 배터리 테크놀로지는 높은 에너지 밀도(2.5배)[85]를 실현하는 것으로 알려져 있습니다. 유기 전해질 [86]등 시판용 배터리에서 발견되는 위험하거나 독성 물질의 사용을 피할 수 있습니다. 대부분의 액체 전해질은 인화성이며 고체 전해질은 불연성이기 때문에 고체 배터리는 화재 위험이 낮은 것으로 알려져 있습니다. 필요한 안전 시스템이 줄어들어 모듈 또는 셀 팩 [1][86]수준에서 에너지 밀도가 더욱 높아집니다. 최근 연구에 따르면 [87]열폭주 상태에서 액체 전해질을 사용하는 경우 내부 발열량은 기존 배터리의 20~30%에 불과한 것으로 나타났다. 솔리드 스테이트 배터리 기술은 더 빠른 [88][89]충전을 가능하게 하는 것으로 여겨진다. 더 높은 전압과 더 긴 사이클 수명도 가능합니다.[86][58] 박막 솔리드 스테이트 배터리 배경 최초의 박막 고체 배터리는 1986년 [90]가네호리 케이이치에 의해 발견되었으며, 이는 리튬 전해질을 기반으로 한다. 하지만 그 당시에는 대형 전자기기에 전력을 공급하기에는 기술이 부족했기 때문에 충분히 개발되지 않았다. 최근 몇 년 동안, 그 분야에서 많은 연구가 있었다. Garbayo는 2018년 [91]박막 Li-garnet 솔리드 스테이트 배터리의 결정 상태 외에도 "다형성"이 존재함을 입증했으며,[92] Moran은 2021년 앰플이 원하는 크기 범위인 1~20μm의 세라믹 필름을 제조할 수 있음을 입증했다. 구조. 양극재: Li는 저장성이 뛰어나며 Al, Si, Sn의 합금도 양극으로 적합하다. 음극 재료: 경량, 양호한 순환 용량 및 높은 에너지 밀도를 필요로 합니다. 보통 LiCoO2, LiFePO4, TiS2, V2O5, LiMnO2가 [93]포함됩니다. 준비 방법 몇 가지 방법은 다음과 같습니다.[94] 물리적인 방법: 마그네트론 스패터링(MS)은 물리 [95] 증착에 기반한 박막 제조에 가장 널리 사용되는 공정 중 하나입니다. 이온빔 증착(IBD)은 첫 번째 방법과 유사하지만, 이 [ citation needed ] 과정에서 타깃과 기판 사이에 바이어스가 가해지지 않고 플라즈마가 발생하지 않는다. 펄스 레이저 증착(PLD)은 최대 10Wcm의 8 −2 [ citation needed ] 고출력 펄스를 가진 레이저입니다. 진공증발(VE)은 α-Si 박막을 만드는 방법이다. 이 과정에서 Si는 증발해 금속기판 [96] 위에 퇴적된다. 화학적 방법: 전착(ED)은 Si필름을 제조하기 위한 것으로, 편리하고 경제적인 [97] 기술입니다. CVD(Chemical Vapor Deposition)는 고품질 및 [98] 순도의 박막을 만들 수 있는 증착 기술입니다. 글로우 방전 플라즈마 증착(GDPD)은 혼합 물리 화학적 과정입니다. 이 과정에서 합성온도를 높여 [99] 막의 수소함유량을 줄였다. 박막 시스템 개발 리튬-산소 및 질소계 고분자 박막 전해질은 솔리드 스테이트 배터리에 완전히 사용되었습니다. Ag-doped germanium chalcogenide 박막 고체 전해질 시스템과 [100] 같은 비 Li 기반 박막 고체 전해질 배터리가 연구되었습니다. 두께가 최소 [101] 2μm가 될 수 있는 바륨 도프 박막 시스템도 연구됐다. 또한 Ni는 박막의 [102] 성분이 될 수도 있다. 또한 박막 고체 배터리의 전해질을 제작하는 다른 방법으로는 1. 정전 분무 증착 기술, 2. DSM-Soulfill 공정 및 3. 방법이 있습니다. MoO3 나노벨트를 사용하여 리튬 기반 박막 고체 [103]배터리의 성능을 향상시킵니다. 이점 다른 배터리에 비해 박막 배터리는 높은 중력 에너지 밀도와 부피 에너지 밀도를 모두 갖습니다. 이들은 [104] 저장된 에너지의 배터리 성능을 측정하기 위한 중요한 지표입니다. 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 박막 고체 배터리는 수명이 길고 유연성이 뛰어나며 무게가 낮습니다. 이러한 특성으로 인해 박막 고체 배터리는 저탄소 자동차, 군사 시설, 의료 기기 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 과제들 그 성능과 효율은 기하학적 특성에 의해 제약을 받습니다. 박막 배터리에서 끌어오는 전류는 전해액/음극 및 전해액/양극 인터페이스의 형상 및 인터페이스 접점에 따라 크게 달라집니다. 전해질의 낮은 두께와 전극 및 전해질 계면 저항은 박막 시스템의 출력 및 통합에 영향을 미칩니다. 충방전 공정 중에 부피 측정이 크게 변화하면 [104]재료의 손실이 발생한다. 「 」를 참조해 주세요.
솔리드 스테이트 배터리 란 무엇이며 아직 사용되지 않는 이유
고체 배터리 미래로 간주됩니다 장치의 자율성 전기 자동차의 등장으로 인해 그 어느 때보 다 더 많이 아래에서 우리는 설명 할 것입니다 그들이 무엇인지, 어떻게 작동하는지 현재 시장에서 그 사용이 확산되는 것을 방해하는 것.
고체 배터리는 액체 전해질 기반 리튬 이온 배터리보다 작고 가벼우 며 높은 전력 밀도를 제공하므로 훨씬 더 안전합니다. 그렇다면 시장에서 대규모 사용을 차단하는 것은 무엇입니까? 이 기사에서는이를 자세히 설명하려고하지만이를 시작하기 전에 이러한 유형의 배터리가 무엇인지 그리고 어떻게 작동하는지 이해해야합니다.
솔리드 스테이트 배터리 란 무엇이며 어떻게 작동합니까?
오늘날 사용되는 고체 배터리와 리튬 이온 배터리의 큰 차이점은 액체 전해질을 사용하는 대신, 고체입니다 . 리튬 이온 배터리는 많은 기술 발전을 거쳤지만 전문가들은 이미 효율성 한계에 도달했으며 다음 단계에서는 완전히 다른 유형의 배터리가 필요하다고 생각합니다. 그것이 고체 배터리가 등장하는 곳입니다.
모든 배터리에는 세 가지 기본 부품이 있습니다. 양극, 음극 및 전해질 . 배터리는 전해질을 통해 캐소드에서 애노드로 이동하려는 하전 된 이온을 가지고 있기 때문에 작동하며, 이는 전지 내부에서 발생하고 자유 전자를 생성하는 화학 반응을 통해 발생합니다.
결과적으로 음극에서 양전하가 생성되어 유리 전자가 음극에서 음전하를 띠기 때문에 끌어 당기고이 전자가 이동하는 동안 장치에 전력을 공급하는 에너지가 생성됩니다.
문제는 일부 자료 만 유효합니다 배터리에 넣으려면 화학적 특성에 따라 구성 요소를 신중하게 선택해야합니다. 이러한 이유로, 배터리 기술의 발전에는 기존 재료의 효율을 개선하거나 더 잘 작동하는 새로운 재료를 발견하는 것이 포함됩니다. 그리고 그들은 이미 모든 기존 재료로 테스트 했으므로 이 기술은 더 이상 계속 개선 할 수 없습니다 .
솔리드 스테이트 배터리는이 프로세스에서 가장 많이 발견 된 발견 중 하나입니다. 다른 유형의 배터리와 동일한 목표를 달성하기 위해 다른 전해질을 사용하지만 더 빠르고 저렴하며 폭발하기 쉬운 그래서 그들은 또한 더 안전합니다.
리튬 이온 배터리를 대체하기 위해 가장 잘 준비된 전해질이 만들어 짐 나트륨 계 유리 . 연구원들에 따르면, 이러한 유형의 전해질은 현재의 것보다 XNUMX 배의 충전 밀도를 갖는 배터리를 생산하며 나트륨 (소금)은 지구상에서 매우 일반적인 재료라는 장점이 있으며, 이는 제조 비용이 저렴하며 또한 환경 영향 감소
따라서 고체 배터리는 배터리의 거의 모든 특성을 개선하는 액체 또는 폴리머 배터리 대신 고체 전해질을 사용합니다. 실제로, 모든 것이 장점이며, 실제로 오늘날 인류가 요구하는 것을 초과한다는 것입니다. 그렇다면 전 세계 어디에서나 사용되지 못하게하는 것은 무엇입니까?
그들이 아직 시장에 도달하지 못한 이유
우리가 말했듯이, 고체 배터리는 현재 리튬 이온 배터리와 비교할 때 장점과 단점을 제공하지 않기 때문에 매우 유망합니다. 제조 공정에서 유일한 문제는 여전히 남아 있기 때문입니다. 이러한 유형의 배터리를 저비용으로 대규모로 제조 할 수있는 방법을 연구하고 있습니다. 현재로서는 제조 비용으로 인해 너무 비싼 그들이 시장에서 채택되도록.
이것은 단순히 그러한 배터리의 개발이 시작되었음을 의미하며, 대규모로 저렴한 비용으로 배터리를 제조 할 수있는 방법을 찾을 때까지 오래 걸리지 않을 것입니다. 실제로 강력한 Tesla와 같은 회사는 전기 자동차 및 분석가에 따르면 이들을 구현하는 데 많은 노력을 기울이고 있습니다. 우리는이 배터리를 시장에서 볼 수 있습니다 전환점에 도달하면 전기 자동차가 자율성 측면에서 휘발유에 도달하는 순간이됩니다.
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