전기자동차(EV)용으로 겨우 5분 안에 충전할 수 있는 배터리를 개발했다고 이스라엘의 스타트업 'StoreDot'가 발표했습니다. StoreDot는 현재 배터리에 대한 많은 정보를 공개하고 있는데, 기술미디어 Ars Technica가 'StoreDot 어떻게 5분만에 충전할 수 있는 배터리를 개발할 수 있었나?'라는 수수께끼를 풀어갑니다.
StoreDot : ultra-fast charging batteries for EVs & more
https://www.store-dot.com/
StoreDot: ultra-fast charging batteries for EVs & more
StoreDot develops ground-breaking fast-charging battery technologies based on the design and synthesis of organic and inorganic compounds.
www.store-dot.com
What’s the technology behind a five-minute charge battery? | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2021/01/whats-the-technology-behind-a-five-minute-charge-battery/
What’s the technology behind a five-minute charge battery?
The company behind a new battery isn't saying much, but we figured a few things out.
arstechnica.com
Ars Technica에 따르면, StoreDot은 기존의 아이디어를 조금 모험적인 형태로 배터리 개발에 도입하고 있다고 합니다. StoreDot가 중시한 것은 '배터리를 얼마나 빨리 충전할 수 있는가'라는 점으로, 그 목표달성을 위해 리튬이온 배터리의 용량 등을 희생하고 있습니다. StoreDot의 아이디어를 쉽게 설명하면 '완전충전에 1시간 걸리는 600km 주행 가능한 EV용 배터리 대신에 5분으로 300km 주행 가능한 EV용 배터리로 만들었다'라는 식입니다.
무릎에서 노트북을 충전하면서 사용했던 경험이 있는 사람이라면 알 수 있듯이, 충전할 때 배터리는 대량의 열을 발생시킵니다. 그리고 더 빨리 충전하면 할수록 배터리가 발산하는 열은 커집니다. 이 열에 대처하기 위해 StoreDot은 배터리셀의 간격을 크게 확보하도록 EV용 배터리를 설계했습니다. 아래 그림에서 보이는 정렬된 판상의 물체가 배터리셀로, 셀 사이에는 분명히 간격이 존재합니다.
또한 배터리셀 사이에 큰 간격을 마련했을 뿐만 아니라 배터리 하우징도 셀 사이의 공기를 순환시키기 위한 구멍이 형성되어 있고, 충전기에는 배터리에 공기를 흐르게 하기 위한 팬도 갖추어져 있습니다.
기존의 배터리 기술도 StoreDot과 같은 아이디어를 채용할 수 있지만 이렇게 하려면 비용이 소요됩니다. 또한 배터리셀의 밀도를 낮게 하는 것은 에너지 밀도가 낮아진다는 것을 의미하기 때문에 기존의 것과 동일한 배터리 용량을 실현하면 배터리의 크기가 커집니다 .
그러나 StoreDot의 EV용 배터리는 배터리셀의 밀도가 낮은 것을 상쇄할 수 있는 훨씬 더 높은 전하밀도를 가능하게 하는 배터리셀 기술이 이용됩니다. 따라서 셀의 양이 동일한 크기의 배터리보다 적음에도 불구하고 동일한 배터리 용량을 실현하는 데 성공하고 있습니다.
모든 리튬이온 배터리는 한 전극에서 다른 전극에 전하를 운반하는 리튬이온을 저장할 수 있는 재료로 만들어진 전극을 갖추고 있습니다. 일반적으로 이 전극 부분에는 다층 그래핀시트로 구성된 흑연이 사용되고, 리튬이온을 시트 사이에 저장한다고 합니다. 하지만 유황이나 실리콘 등은 흑연보다 훨씬 많은 리튬이온을 저장할 수 있기 때문에 더욱 효율적인 배터리를 만들 수 있는 것으로 알려져 있습니다.
유황은 배터리 내부에서 화학반응을 일으킬 위험이 있지만, 기존의 리튬이온 배터리의 4배나 성능이 높은 리튬유황배터리가 이미 개발되어 있습니다.
Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries | Science Advances
https://doi.org/10.1126/sciadv.aay2757
Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries
Lithium-sulfur batteries can displace lithium-ion by delivering higher specific energy. Presently, however, the superior energy performance fades rapidly when the sulfur electrode is loaded to the required levels—5 to 10 mg cm−2— due to substantial v
advances.sciencemag.org
A new battery could keep your phone charged for five days | New Scientist
https://www.newscientist.com/article/2228681-a-new-battery-could-keep-your-phone-charged-for-five-days/
A new battery could keep your phone charged for five days
An ultra-high capacity lithium-sulphur battery that could keep a smartphone charged for five days may pave the way for cheaper electric cars
www.newscientist.com
New lithium-sulfur battery could charge your phone for five days - CNN
https://edition.cnn.com/2020/01/06/tech/lithium-sulfur-battery-scli-intl-scn/index.html
New lithium-sulfur battery could charge your phone for five days, researchers say
Australian researchers claim they have developed a battery that can keep a smartphone charged for five days or power an electric car for 1,000 kilometers (over 600 miles).
www.cnn.com
실리콘은 유황과 같은 위험은 없지만 대량의 리튬을 축적하면 팽창해 버린다는 문제가 있습니다. 충전과 방열에 따른 팽창 · 수축 사이클은 실리콘에 에칭(etching)된 작은 구조를 손상시키거나 배터리의 구조 자체가 손상될 수 있어서 실리콘을 이용한 리튬배터리가 제조되지 않는 이유입니다. 따라서 부피변화를 제대로 관리할 수 있다면 실리콘 기반의 리튬배터리를 만들 수 있다고 기대되어 왔습니다.
StoreDot의 EV용 배터리는 발열문제를 해결한 결과, 실리콘 기반의 리튬이온 배터리가 안고있는 문제의 일부를 해결하는 데에도 성공하고 있습니다. StoreDot의 EV용 배터리는 배터리셀이 매우 얇으며, 이에 따라 방열성능이 향상되었습니다. 배터리셀의 팽창속도를 이전보다 낮게 억제하는 것에 성공하고 있기 때문에 실리콘을 전극 부분에 사용하는 것이 현실화하고 있다는 것입니다.
그러나 팽창계수가 낮은 것만으로는 팽창과 수축이 전혀 일어나지 않는 것은 아니므로 StoreDot의 EV용 배터리가 전극 부분의 팽창 · 수축 문제를 완전히 해결한 것은 아닙니다. 또한 StoreDot이 전극 부분에 도입한 솔루션은 '실리콘을 나노입자로 만들고 전극을 나노입자의 층으로 구성한다'는 기존의 연구와 비슷한 방법입니다. 나노입자는 유연한 메쉬에 의해 전극에 유지되는데, 이 연구에서는 그래핀이 사용되어 있었고 StoreDot는 유연한 자가치유 폴리머를 사용하고 있습니다. 이로 인해 전하가 실리콘과 리튬화합물 사이를 출입이 가능해져 리튬이온 배터리로 작동하게 된다고 합니다.
또한 StoreDot는 이외에는 전극 및 전해질에 대한 세부사항을 공개하고 있지 않습니다. 그러나 대부분의 배터리 관련 기업이나 인터넷의 유용한 정보도 전극과 전해질에 대해서는 '독자적인 화합물로 구성되어 있다'고 모호한 설명으로 일관하고 있어, 더 자세한 것을 알기는 어렵다고 합니다.
StoreDot는 2018년에 배터리의 대량생산을 위탁받는 중국업체와의 제휴를 발표했습니다. 이미 시험적 단계의 배터리가 생산이 시작되었고 합니다만, 이 배터리는 최종적인 대량생산 버전의 성능과 일치하도록 설계되어 있지만, 화학적으로는 동일한 것이 아닌 모양. 따라서 현시점에서는 어느 정도의 과제가 StoreDot의 배터리에 남아있는지를 판단하는 것은 어렵다고 Ars Technica는 설명합니다.
또한 Ars Technica는 "StoreDot가 실리콘을 이용한 리튬이온 배터리를 개발하기 위해 사용하는 원리와 유사한 논문을 특정하는 데 성공했지만, 논문 및 StoreDot의 기술 사이에는 많은 차이점이 존재합니다. StoreDot의 배터리는 자가치유 폴리머와 같은 재료과학의 발전에 의존한 기술이며, 해당 연구는 배터리로 사용되는 것을 상정한 것이 아니라는 점에 주의가 필요합니다"라며 StoreDot의 배터리에 대해서는 아직도 많은 수수께끼가 남아있다고 지적합니다.
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