전력 전자의 기술 동향 - 에너지 저장 기술과 배터리-

 

에너지 변환 기술 중에 주요 트렌드 중의 하나인 에너지 저장기술과 배터리에 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

 

에너지 저장 창고 예시

 

- 에너지 저장기술의 정의 -

 

에너지 저장이란 한 번에 생산된 에너지를 나중에 필요할 때 사용할 수 있도록 포집하고 저장하는 과정을 말합니다. 태양열, 풍력 등 재생 에너지원은 간헐적이고 종종 예측할 수 없는 방식으로 에너지를 생산하기 때문에 전력망에 통합하는 데 중요한 기술입니다. 에너지 저장 기술에는 배터리, 양수식 수력 발전, 플라이휠등 여러 가지 유형의 기술들이 있으나 본 포스팅에서는 대표적이고 가장 많이 쓰는 배터리에 기술에 대해서만 정리해 보겠습니다.

 

- 배터리의 정의  -

 

배터리는 화학반응을 통해 전기 에너지를 저장하고 방출하는 장치입니다. 배터리는 일반적으로 휴대폰, 노트북, 카메라와 같은 휴대용 전자 기기는 물론 전기 자동차 및 백업 전원 시스템과 같은 대형 시스템에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 하나 이상의 전기화학 셀로 구성됩니다. 각 셀은 양극, 음극, 전해질로 구성되며, 전해질은 전극 사이에서 이온이 이동할 수 있도록 합니다. 배터리가 방전되면 화학반응으로 인해 음극에서 양극으로 전자가 흐르면서 장치에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 전류를 생성합니다. 알카라인, 납축, 니켈-카드뮴, 리튬 이온 등 다양한 유형의 배터리가 있습니다만 현재는 리튬 이온계열을 가장 많이 씁니다. 각 유형에는 전압, 용량, 방전 속도와 같은 고유한 특성이 있어 다양한 용도에 적합합니다. 배터리는 현대 생활에서 중요한 구성 요소로, 기기에 전원을 공급하고 연결성과 생산성을 유지하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 하지만 배터리는 올바르게 처리하지 않으면 환경에 해를 끼칠 수 있는 유해 화학 물질이 포함되어 있을 수 있으므로 더 이상 사용하지 않을 때는 올바르게 폐기하는 것이 중요합니다.

 

-  배터리기술의 역사와  현재 동향  -

배터리의 역사는 과학자들이 전기와 화학의 관계를 탐구하기 시작한 18세기로 거슬러 올라갑니다. 최초의 전기 배터리는 1800년 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타가 발명했습니다. '볼타 파일'로 알려진 볼타의 배터리는 소금물 용액에 담근 판지로 분리된 아연과 구리 원판을 번갈아 가며 쌓아 올린 것으로 구성되었습니다. 두 금속을 전선으로 연결하면 전선을 통해 전류가 흘렀습니다.
그 후 수십 년 동안 다른 과학자와 발명가들은 볼타의 연구를 바탕으로 새로운 유형의 배터리를 개발하고 새로운 응용 분야를 모색했습니다. 가장 중요한 발전 중 하나는 1859년 프랑스 물리학자 가스통 플랑테가 납축 배터리를 발명한 것입니다. 납축 배터리는 최초의 충전식 배터리로 초기 자동차뿐만 아니라 조명 및 통신과 같은 다른 응용 분야에서도 널리 사용되었습니다.
20세기에는 니켈 카드뮴 배터리와 리튬 이온 배터리를 비롯한 새로운 유형의 배터리가 개발되어 오늘날에도 널리 사용되고 있습니다. 이러한 배터리는 휴대용 전자 기기, 전기 자동차, 재생 에너지 시스템과 같은 새로운 기술의 개발을 가능하게 했습니다.  배터리의 역사는 과학적 발견과 혁신의 힘을 증명하는 증거입니다. 수세기 동안 과학자와 발명가들은 서로의 연구를 바탕으로 새로운 재료, 화학반응 및 응용 분야를 탐구하여 더 효율적이고 강력하며 환경 친화적인 배터리를
배터리 기술은 그 후에도 휴대용 전자 기기, 전기 자동차, 재생 에너지 시스템에 대한 수요 증가에 힘입어 빠르게 진화하였습니다. 현재 시대의 배터리 기술의 트렌드를 정리하면 다음과 같습니다.

1. 에너지 밀도 증가

배터리 기술이 직면한 주요 과제 중 하나는 배터리의 에너지 밀도, 즉 단위 무게 또는 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양을 개선하는 것입니다. 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 새로운 소재와 디자인이 개발되고 있으며, 이를 통해 배터리 수명을 늘리고 에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.

2. 리튬 이온 배터리의 발전

리튬 이온 배터리는 휴대용 전자기기와 전기 자동차에 가장 일반적으로 사용되는 배터리 유형입니다. 연구자들은 고체 전해질, 실리콘 양극, 리튬-황 배터리와 같은 새로운 소재와 디자인을 개발하여 리튬 이온 배터리의 성능과 안전성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

3. 전고체 배터리의 등장

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 유망한 신기술로, 배터리의 안전성, 에너지 밀도, 수명을 향상할 수 있습니다. 여러 기업이 전기 자동차 및 휴대용 전자 기기에 적용될 수 있는 전고체 배터리의 상용화를 위해 노력하고 있습니다.

4. 그리드 규모 에너지 저장의 확장

풍력, 태양광과 같은 재생 에너지원의 보급이 확대됨에 따라 그리드 규모의 에너지 저장이 점점 더 중요해지고 있습니다. 정전 시 전력망을 안정화하고 백업 전력을 공급하기 위해 대규모 배터리 및 기타 에너지 저장 시스템이 개발되고 있습니다.

5. 인공 지능의 통합

인공 지능은 배터리 성능을 최적화하고 배터리 수명을 연장하는 데 사용되고 있습니다. AI 알고리즘은 배터리의 데이터를 실시간으로 분석하여 충전 및 방전 패턴을 조정함으로써 효율성을 극대화하고 배터리 마모를 최소화할 수 있습니다.

이 이슈들은 배터리 기술의 최신 트렌드 중 일부에 불과합니다. 에너지 저장에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 소비자와 기업의 요구를 충족하기 위한 새로운 소재, 디자인, 기술이 등장할 가능성이 높습니다. 배터리 기술의 발전에도 불구하고 여전히 해결해야 할 몇 가지 과제와 한계가 있습니다: 현재 배터리 기술의 문제점을 정리하자면

1. 제한된 에너지 밀도

현재 배터리의 에너지 밀도는 제한되어 있어 무게 또는 부피 단위당 일정량의 에너지만 저장할 수 있습니다. 이로 인해 휴대용 전자 기기, 전기 자동차 및 기타 애플리케이션의 사용 범위와 성능이 제한됩니다.

2. 비용

배터리 비용은 여전히 상대적으로 높기 때문에 전기 자동차 및 재생 에너지 시스템의 광범위한 채택을 가로막는 장벽이 될 수 있습니다.

3. 환경 영향

배터리는 적절하게 처리하지 않으면 환경에 해를 끼칠 수 있는 독성 물질과 화학 물질을 포함하는 경우가 많기 때문에 배터리의 생산과 폐기는 환경에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다.

4. 안전

배터리를 올바르게 설계하고 사용하지 않으면 위험할 수 있습니다. 예를 들어 리튬 이온 배터리는 손상되거나 과열되면 화재가 발생하거나 폭발할 수 있습니다.

5. 충전 시간

배터리의 충전 시간은 상대적으로 길어 빠르게 기기를 충전해야 하는 사용자에게는 불편할 수 있습니다.

6. 제한된 수명

배터리는 수명이 제한되어 있으므로 주기적으로 교체해야 합니다. 이는 비용이 많이 들고 배터리가 환경에 미치는 영향에 기여할 수 있습니다.

 

-  배터리 기술의 미래   -

연구자와 엔지니어들은 이러한 문제를 해결하고 보다 효율적이고 비용 효율적이며 환경 친화적인 새로운 배터리 기술을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 배터리의 성능과 안전성을 개선하기 위해 고체 전해질과 같은 신소재가 개발되고 있습니다. 또한 배터리 성능을 최적화하고 배터리 수명을 연장하기 위해 인공 지능의 발전도 활용되고 있습니다. 현재 개발 중이거나 상용화 초기 단계에 있는 몇 가지 새로운 배터리 기술을 정리하면 다음과 같습니다.

1. 전고체 배터리

고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 배터리의 안전성, 에너지 밀도 및 수명을 향상할 수 있습니다. 전고체 배터리는 아직 개발 초기 단계에 있지만 여러 회사에서 이 기술을 상용화하기 위해 노력하고 있습니다. 개인적으로 저도 관심이 아주 많은 분야 입니다. 

2. 리튬-황 배터리

리튬-황 배터리는 리튬 이온 배터리보다 더 가볍고 저렴하며 에너지 밀도가 높을 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 리튬-황 배터리는 리튬 이온 배터리에 사용되는 기존의 금속 산화물 음극 대신 유황을 음극 재료로 사용합니다. 리튬-황 배터리는 아직 개발 초기 단계에 있지만, 연구자들은 성능과 내구성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

3. 플로우 배터리

플로우 배터리는 멤브레인을 통해 펌핑되는 두 개의 액체 전해질 탱크를 사용하여 전기를 생산합니다. 플로우 배터리는 많은 양의 에너지를 저장할 수 있고 애플리케이션에 따라 쉽게 확장하거나 축소할 수 있기 때문에 그리드 규모의 에너지 저장에 적합합니다.

4. 나트륨 이온 배터리

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 대신 나트륨 이온을 사용하여 에너지를 저장합니다. 나트륨은 풍부하고 저렴하기 때문에 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리의 유망한 대안이 될 수 있습니다. 그러나 나트륨 이온 배터리는 아직 개발 초기 단계에 있으며 몇 가지 기술적 과제에 직면해 있습니다.

5. 아연-공기 배터리

아연-공기 배터리는 아연을 양극 물질로, 공기 중의 산소를 음극 물질로 사용합니다. 아연-공기 배터리는 리튬 이온 배터리보다 저렴하고 에너지 밀도가 높으며 전기 자동차 및 그리드 규모의 에너지 저장에 적용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

이는 현재 개발 중인 새로운 배터리 기술의 몇 가지 예에 불과합니다. 에너지 저장에 대한 수요가 증가함에 따라 소비자와 기업의 요구를 충족하기 위한 새로운 소재, 디자인, 기술이 등장할 가능성이 높습니다.

 

이상, 에너지 변환 기술 중에 주요 트렌드 중의 하나인 에너지 저장기술의 정의와 배터리 기술에 대하여 포스팅해 보았습니다.