배터리 기술에 대한 심층 분석: LFP, NMC 및 새로운 솔리드 스테이트 배터리와 그 장점

테슬라의 4680 배터리 셀 중 일부를 이미 생산하고 있는 삼성SDI는 최근 새로운 고체 배터리를 테스트하기 시작했습니다.

고체 배터리는 전기 자동차에 사용되는 현재 셀 형식보다 더 작고 가볍고 시원하며 안전할 것으로 기대되고 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리에는 많은 잠재력과 가능성이 있습니다.

이 새로운 배터리가 정확히 무엇인지, 그리고 회사가 발표할 때마다 대형 뉴스 채널에서 모두가 이 배터리에 대해 열광하는 이유를 알아봅시다.

일반 배터리

고체 배터리에 대해 이해해야 할 가장 중요한 점은 재료와 디자인 측면에서 일반 배터리와 어떻게 다른지입니다. 일반 배터리를 먼저 살펴본 다음 솔리드 스테이트 배터리에 대해 알아보겠습니다.

오늘날 테슬라의 전기차와 일반적인 전기차는 두 가지 유형의 배터리인 LFP 또는 NMC 중 하나를 사용합니다. LFP 배터리는 리튬인산철(주기율표상 LiFP)로 구성되며, NMC 배터리는 니켈망간코발트(NiMnCo)로 구성됩니다. Tesla는 표준 주행거리 차량에 LFP 배터리를 사용하고, 주행거리가 더 길거나 성능이 뛰어난 차량에는 NMC 배터리 구성을 사용합니다.

가장 큰 차이점은 가격과 성능입니다. LFP는 화학적으로 더 안정적이고 열화가 적지만 에너지 밀도가 더 낮습니다. 반면 NMC는 더 나은 성능, 더 많은 에너지 출력, 더 높은 에너지 밀도를 갖지만 화학적으로 안정적이지 않고 더 빨리 분해됩니다.

이러한 화학적 차이는 온도에도 도움이 됩니다. NMC 배터리는 극한의 추위나 극한의 더위와 같은 더 극한의 기상 조건에서 LFP보다 훨씬 더 나은 성능을 발휘합니다.

이 두 가지 유형의 배터리에는 액체 전해질(전기 전도성이 있고 배터리 팩에서 이온의 이동을 가능하게 하지만 전기를 전도하지는 않는 습식 매체)도 포함되어 있습니다. 이 모든 것을 제쳐두고 전고체 배터리가 무엇인지 살펴보겠습니다.

전고체 배터리

전고체 배터리는 액체 전해질을 포함하지 않습니다. 일반 배터리 팩의 무게와 밀도 증가의 상당 부분이 실제로 무거운 액체에서 비롯되기 때문에 이는 이미 큰 변화입니다. 이 액체를 대체하는 것은 일반적으로 유리나 세라믹 형태의 안정적이고 고체 전해질입니다.

기본적으로 공간을 확보하고 배터리를 더 쉽게 냉각할 수 있기 때문에 오늘날 스마트워치와 기타 웨어러블 기기, 심지어 심박조율기에도 솔리드 스테이트 배터리가 사용되고 있습니다. 실제로 공간 절약 효과가 매우 커서 LFP 또는 NMC 배터리와 동등한 솔리드 스테이트 배터리는 비슷한 무게로 1/10 ^{수준의 공간을 차지합니다.}

또한 고체 배터리는 액체 전해질을 모니터링, 제어 및 냉각하기 위한 모든 추가 장비가 필요하지 않으며, 팩은 CPU와 같은 PC 부품처럼 냉각이 가능한 고체 블록입니다.

액체 전해질을 제거하면 차량 안전성도 향상될 수 있습니다. 배터리 팩에 절대 구멍을 뚫지 말라는 말을 들어보셨을 텐데요, 전해액이 제거되면 LFP 및 NMC 배터리는 열 폭주를 경험할 수 있으며, 냉각할 방법이 없어 이 열 반응이 배터리 전체로 확산되어 화재로 이어질 수 있기 때문입니다. 또한 전해액은 가연성 및 독성이 있는 경향이 있어 배터리 화재는 매우 위험하지만 여전히 드물게 발생하는 현상입니다.

전해질 액체는 이온을 이동시키는 중요한 역할을 하지만 실제로 배터리 구성 요소에 영구적인 손상을 입힐 수 있으며 매우 오랜 시간 동안 부식되거나 축적될 수 있습니다. 이것이 바로 배터리 성능 저하입니다!

고체 전해질은 이러한 모든 문제를 해결합니다. 대부분. 고체 전해질도 시간이 지남에 따라 성능이 저하될 수 있지만 예외적으로 오래 지속됩니다. 그래서 많은 회사들이 20년 수명과 상당한 에너지 밀도를 광고하는 것입니다.

삼성전자의 최근 고체 전해질 혁신은 500Wh/kg으로 20년 수명을 언급하고 있습니다. 테슬라의 최신 4680 셀은 현재 244~296Wh/kg입니다. 삼성은 또한 충전 속도를 9분으로 대폭 개선했다고 언급했습니다. 곡선 끝의 충전 속도는 배터리 보호를 위해 상당히 느려지는 경향이 있고 예외적으로 낮은 충전 상태는 드물기 때문에 0%에서 100%라는 수치가 아니라 20%에서 80%라는 수치일 것입니다.

고체 상태는 어디에 있습니까?

웨어러블 장치와 같은 다른 곳에서는 이미 고체 상태 배터리를 사용하고 있다고 말씀드렸죠. 하지만 왜 자동차는 아닐까요? 비싸기 때문입니다. 실제로 전기차에 전력을 공급하는 데 필요한 크기와 규모로 제조하려면 비용이 매우 많이 듭니다. Tesla와 삼성, CATL, LG를 비롯한 배터리 공급업체는 수년 동안 자체 솔리드 스테이트 배터리 프로젝트를 프로토타이핑하고 연구해 왔습니다.

이를 확장하는 방법을 알아낸다면 충전 시간 개선과 함께 차량 주행 거리와 수명이 크게 향상될 수 있습니다. 하지만 엔지니어와 과학자들이 모든 것을 해결하려면 몇 년이 걸릴 수 있고, 대량 생산까지 몇 년이 더 걸릴 수 있습니다.