전기 자동차(EV)가 약속하는 밝은 미래에는 먹구름이 드리워져 있습니다. 전기 자동차 기술의 핵심은 바로 충전식 리튬 이온(Li-ion) 배터리입니다. 이 배터리는 또한 현대 생활을 지탱하는 대부분의 다른 전자 기기의 중심에 있습니다.
리튬 이온 배터리에 대한 주요 우려 사항은 양극재(배터리의 양극 단자) 제조에 사용되는 두 가지 원소인 코발트와 니켈에서 비롯됩니다. 이러한 원소의 소싱은 취약하고 윤리적으로 문제가 있는 공급망에 달려 있습니다.
Li-S 대안
리튬 이온 배터리와 관련된 공급망, 비용 및 환경 문제를 최소화하기 위한 전략 중 하나는 수명이 다한 배터리에서 니켈, 코발트 및 기타 화학 물질을 효율적으로 회수하고 재활용하는 것입니다. 특히 재활용을 통해 원자재 채굴에 대한 부담을 줄일 수 있습니다.
당사의 간소화된 습식 제련 고급 재활용 공정(SHARP) 기술은 사용한 리튬 이온 배터리에서 중요한 금속을 회수할 수 있는 환경 친화적이고 비용 효율적인 방법을 제공합니다.
그림 2. 수명이 다한 리튬 이온 배터리에서 니켈과 코발트를 효율적으로 회수하고 재활용하는 것은 채굴된 원자재의 필요성을 줄이는 방법 중 하나입니다.
또 다른 접근 방식은 풍부하고 더 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하여 더 낮은 비용으로 더 높은 배터리 성능을 제공하는 리튬 이온 화학의 대안을 개발하는 것입니다. 이를 위해 배터리 연구 분야의 많은 선도 기업들이 열심히 노력하고 있습니다. 화학 물질을 바꾸면 공급망의 탄력성을 높이고 궁극적으로 전기 자동차를 더 저렴하고 소비자에게 매력적으로 만들 수 있는 잠재력이 생깁니다.
리튬-황(Li-S) 배터리 화학이 실행 가능한 미래 대안 중 하나로 부상했습니다. 이 기술은 리튬 이온 배터리에 사용되는 다양한 코발트, 니켈 및 기타 금속 산화물 대신 황을 양극활물질(CAM)로 사용합니다.
황은 여러 가지 이유에서 CAM으로 바람직합니다. 첫째, 쉽게 구할 수 있이서(지구상에서 다섯 번째로 풍부한 원소) 코발트나 니켈보다 본질적으로 비용이 저렴합니다. 또한 이미 배터리 제조 허브로 부상한 지정학적으로 문제가 적은 국가에서 널리 채굴되어 부산물로 생산되고 있습니다. 따라서 운송 비용이 절감됩니다. 이를 통해 킬로와트시당 배터리 가격을 크게 낮출 수 있습니다.
또한 Li-S 배터리는 리튬 이온 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. Li-S 배터리는 같은 무게의 리튬 이온 배터리보다 두 배의 에너지를 저장할 수 있는 것으로 추정됩니다. 즉, 주행 거리가 크게 확장되거나 무게가 훨씬 가벼운 전기 자동차의 구현이 가능할 수 있습니다.
따라서 Li-S는 리튬 이온에 비해 성능과 비용 면에서 이점을 제공하며, 본질적으로 더 안전한 공급망을 갖추고 있습니다. Li-S 배터리가 아직 전기 자동차에 널리 사용되지 않는 이유는 단 하나입니다. Li-S 배터리는 작동되지 않습니다.
획기적인 Li-S 배터리 기술
Li-S 배터리의 기술적 문제는 배터리 내부에서 일어나는 화학 반응에서 비롯됩니다. 특히 황은 충전 및 방전 주기 동안 고체에서 액체로 변했다가 다시 고체로 변하는 과정을 거칩니다. 일부 황은 전해질에 남아 돌이킬 수 없는 용량 손실을 일으킵니다. 이렇게 하면 각 사이클마다 충전 용량이 크게 줄어듭니다.
이 문제를 해결하는 것은 Li-S 배터리 연구자들이 수년 동안 집중해온 과제였습니다. Coherent는 10년 동안 내부적으로 이 문제를 연구해 왔습니다.
당사의 초기 연구는 Li-Se(셀레늄) 화학에 중점을 두었습니다. 셀레늄과 황은 모두 주기율표 VI족에 속하는 원소입니다. 또한 Coherent는 VI족 재료 작업에 대한 많은 전문 지식을 보유하고 있습니다. 그래서 원래 회사 이름이 II-VI였습니다!
당사 연구팀은 2020년에 셀레늄에서 황으로 초점을 변경했습니다. 그리고 이제 문제를 해결할 수 있는 중요한 돌파구를 마련했습니다. 이를 통해 당사는 물질의 이론적 한계에서 또는 그에 근접하여 전하를 보유할 수 있는 Li-S 배터리(또는 보다 구체적으로 '황 양극재')를 생산할 수 있습니다. 또한 당사의 양극재는 "순환 가능"합니다.
그림 3. Coherent가 개발한 획기적인 Li-S 배터리 기술은 회사 연구팀이 10년 동안 연구한 결과의 산물입니다.
물론 Li-S 배터리를 연구하는 다른 그룹들도 있습니다. 그들 중 일부는 당사와 유사한 성능 특성을 달성하기도 했습니다.
그러나 당사의 기술은 그들의 기술과 한 가지 큰 차이점이자 중요한 이점을 제공합니다. 당사의 혁신은 양극 복합재 및 슬러리 수준의 벌크 재료에 적용됩니다. 즉, 배터리 제조업체는 툴링 변경 없이 기존 양극재 생산 공정에서 당사의 소재를 활용할 수 있습니다.
당사는 리튬 이온 화학을 중심으로 배터리 제조 능력에 막대한 투자가 이루어지고 있는 상황에서 제조업체들이 Li-S로 원활하게 전환할 수 있도록 지원해야 한다고 생각합니다. Coherent의 Li-S 기술은 현재 이루어지고 있는 자본 지출의 수명을 연장합니다.
모두가 Li-S를 향해 나아가고 있습니다.
Li-S의 잠재력과 Coherent 등이 주도하는 최근의 기술 발전은 배터리 또는 전기 자동차 업계에 종사하는 사람이라면 누구나 알고 있는 사실입니다. Li-S가 결국 리튬 이온을 대체할 것이라는 사실은 이러한 커뮤니티에서 널리 알려져 있습니다. 미국 에너지부 역시 이러한 견해를 유지하고 있습니다. 미국 에너지부는 국립연구소에서 Li-S 기술을 개발하고 상업적 연구에 자금을 지원하고 있습니다.
Coherent는 VI족 소재에 대한 독보적인 경험과 지금까지의 긍정적인 결과를 바탕으로 Li-S 기술 배포에서 선도적인 역할을 수행할 수 있는 유리한 입지를 확보하고 있습니다. 현재 당사는 이 기술을 상용화하고 있으며, 제조업체를 위한 출발점을 마련하는 데 필요한 재료와 공정을 갖추고 있습니다. 여기에는 CAM 제조, 완성된 양극 부품 생산, 기술 라이선싱 등이 포함될 수 있습니다.
그러나 Li-S 배터리 시장에 어떻게 참여하든 상관없이, Coherent는 이미 비용과 질량 부담을 최소화하는 방식으로 황을 순환시킬 수 있는 주요 혁신 기술을 제공했습니다. 이는 배터리 산업이 공급망 보장이 훨씬 더 강화된 재료로 전환하는 데 도움이 될 것입니다. 이를 통해 모바일 전기화의 장벽을 낮추고 전기 자동차의 미래를 위한 길을 열 수 있습니다.
Coherent Li-S 기술에 대해 자세히 알아보십시오.
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