전기 자동차 배터리의 진화: 납축에서 리튬 이온으로: 전기 자동차 배터리의 진화
소개
전기 자동차(EV)의 발전은 수년에 걸쳐 놀라운 변화를 겪어 왔으며, 이러한 진화의 중심에는 이러한 자동차에 동력을 공급하는 배터리 기술이 있습니다. 이 글에서는 납축 배터리의 초기부터 리튬 이온 기술이 지배하는 현대에 이르기까지 전기 자동차 배터리의 진화를 시간 여행을 통해 살펴봅니다.
납축 배터리: 선구자
19세기 후반, 납축 배터리는 전기 자동차에 최초로 널리 사용된 배터리로 등장했습니다. 이 배터리는 이산화납(양극판), 스펀지 납(음극판), 황산 전해질 사이의 화학 반응을 이용해 전기 에너지를 생성했습니다. 초창기에는 다양한 애플리케이션에서 중요한 역할을 했습니다.
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그림 1. 납축 배터리의 일반적인 구조
하지만 이러한 초기 전기차는 당시의 기술로 인해 상당한 한계에 직면했습니다. 제한된 에너지 밀도와 주행 거리로 인해 장거리 여행이나 도시 간 이동에 실용성이 떨어졌습니다. 게다가 초창기에는 충전 인프라가 거의 존재하지 않았고 충전에 많은 시간이 소요되었습니다. 이러한 편의성 부족은 전기차의 실용성을 더욱 제한했습니다.
이러한 문제점에도 불구하고 납축 배터리는 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 납축 배터리는 자동차 시동 배터리, 무정전 전원 공급 장치 (UPS), 독립형 재생 에너지 시스템 등 다양한 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있습니다.
니켈-금속 수소 배터리: 한 걸음 더 나아가기
20세기 초, 토마스 에디슨은 니켈-철 배터리를 개발했습니다. 이 충전식 배터리는 양극 산화 니켈 수산화물 전극(NiOOH), 음극 금속 수 소화물 전극(MH), 알칼리성 전해질 사이의 전기 화학 반응에 의존합니다. 니켈-금속 수소 배터리 또는 NiMH 배터리는 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 주행 거리를 제공했지만, 전기차의 표준이 되지는 못했습니다.
리튬 이온 배터리: 게임 체인저
21세기는 리튬 이온 배터리의 광범위한 채택으로 전기차 배터리 기술에 괄목할 만한 변화가 일어났습니다. 더 높은 에너지 밀도, 더 긴 주행 거리, 더 빠른 충전 속도로 최신 전기 자동차의 표준이 되었습니다. 충전하는 동안 리튬 이온(Li+)은 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동하며 에너지를 저장합니다. 방전 단계에서는 이러한 리튬 이온이 음극으로 되돌아가 전류를 생성합니다.
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그림 2. 리튬 이온 배터리의 구조
리튬 이온 배터리를 차별화하는 요소는 뛰어난 기능과 다양성입니다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 지속 가능성, 낮은 자체 방전율을 자랑하며 시간이 지나도 충전 상태를 유지합니다. 리튬 이온 배터리 음극은 소비자 가전용 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 전기차용 리튬 철 인산염(LiFePO4), 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NCM) 또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA) 등 다양한 소재로 에너지와 전력 밀도 간의 균형을 맞출 수 있도록 제공됩니다.
이러한 다용도성 덕분에 리튬 이온 배터리는 소비자 가전에서 전기 자동차에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 연료를 공급할 수 있으며, 고체 배터리 및 코발트 감소 노력을 포함한 지속적인 혁신을 통해 기능과 지속 가능성을 더욱 확대할 수 있습니다.
전기차 배터리의 미래:
전기차 배터리의 진화는 아직 끝나지 않았으며, 미래는 흥미진진한 전망을 가지고 있습니다.
l전고체 배터리: 전고체 리튬 이온 배터리의 개발은 배터리 기술의 비약적인 발전을 의미합니다. 이 배터리는 기존의 액체 전해질 배터리에 비해 더 높은 에너지 밀도, 향상된 안전성, 연장된 수명을 약속합니다.
l코발트 감소: 코발트 채굴을 둘러싼 환경적, 윤리적 우려가 지속됨에 따라 리튬 이온 배터리에서 코발트를 줄이거나 제거하려는 노력이 진행 중입니다. 이러한 노력은 코발트 추출과 관련된 환경적, 사회적 영향을 최소화하여 보다 지속 가능하고 책임감 있는 배터리 화학을 만드는 것을 목표로 합니다.
l고속 충전: 급속 충전 기술의 급속한 발전은 기존 차량에 주유하는 것만큼이나 편리하게 충전할 수 있게 함으로써 전기차에 혁신을 가져오고 있습니다. 고속 충전 인프라는 지속적으로 확장되어 충전 시간을 크게 단축하고 전기차 도입의 주요 장벽 중 하나를 해결하고 있습니다.
결론
요약하자면, 전기자동차 배터리는 상당한 발전을 거듭해 왔으며, 현재 리튬 이온 기술이 시장을 지배하고 있습니다. 기술이 계속 발전함에 따라 전기차 배터리의 미래는 더 높은 에너지 밀도, 더 빠른 충전, 향상된 지속 가능성을 약속합니다.
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참조:
[1] 만하트, 안드레아스 & 마갈리니, 페데리코 & 힌클리프, 다니엘. (2018). 독립형 태양광 부문의 배터리 수명 종료 관리 개발도상국의 태양광 발전 프로젝트에서 발생하는 유해한 배터리 폐기물을 어떻게 처리할까요? 출판 의뢰: 지속 가능한 고형 폐기물 관리 및 순환 경제를 위한 GIZ 부문 프로젝트 개념; Energising Development(EnDev)와 공동으로 개발.
[2] Madian, M.; Eychmüller, A.; Giebeler, L. 고성능 리튬 이온 배터리를 위한 TiO2 기반 나노 구조 전극의 최신 발전. Batteries 2018, 4, 7. https://doi.org/10.3390/batteries4010007
