전력 전자의 기술 동향 - 차세대 배터리들 비교(1) 에너지 밀도와 수명-

 

배터리에서 가장 중요한 이슈가 되는 요소는 에너지밀도와 수명입니다.

각각의 최신 배터리 기술들의 에너지 밀도와 수명을 정리하는 포스팅을 해 보겠습니다.

 

 

다양한 배터리들의 에너지 밀도 비교

- 차세대 배터리들의 에너지 밀도 비교 소개 -

 

최신 배터리 기술은 질량 또는 부피 단위당 저장할 수 있는 에너지의 양을 측정하는 에너지 밀도 측면에서 비교할 수 있습니다. 에너지밀도는 배터리의 성능을 확인하는데 가장 중요한 요소라고 생각합니다. 다음은 몇 가지 주요 배터리 기술과 에너지 밀도입니다:

 

리튬 이온 배터리(LIB)

현재 소비자 가전제품, 전기 자동차, 재생 에너지 저장 시스템에서 가장 널리 사용되는 배터리입니다. LIB의 에너지 밀도는 특정 화학 및 설계에 따라 킬로그램당 100~265 와트시(Wh/kg) 범위입니다.

 

전고체 배터리(SSB)

액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 또 다른 유망한 차세대 배터리 기술로, 잠재적으로 에너지 밀도와 안전성을 높일 수 있습니다. SSB의 에너지 밀도는 현재 약 400Wh/kg이지만, 연구자들은 이를 더욱 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

 

리튬-황 배터리(LSB)

리튬-황 배터리는 잠재적으로 LIB보다 더 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있는 유망한 차세대 배터리 기술입니다. LSB의 에너지 밀도는 현재 약 400Wh/kg이지만 연구자들은 이를 더욱 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

나트륨 이온 배터리(SIB)는 일반적으로 리튬 이온에 비해 나트륨 이온의 크기가 더 커서 전극 재료에서 이온의 패킹 밀도가 낮아 리튬 이온 배터리(LIB)에 비해 에너지 밀도가 낮습니다. SIB의 에너지 밀도는 배터리의 특정 화학 및 설계에 따라 다르지만 일반적으로 80~120Wh/kg 범위입니다. 이는 100~300Wh/kg 범위인 대부분의 LIB의 에너지 밀도보다 낮습니다. 그러나 나트륨 자원이 풍부하고 리튬에 비해 나트륨의 독성이 낮기 때문에 SIB는 LIB에 비해 비용이 저렴하고 환경 친화적일 수 있습니다.

 

나트륨 이온 배터리(SIB)

나트륨 이온 배터리(SIB)의 에너지 밀도는 일반적으로 리튬 이온 배터리(LIB) 보다 낮습니다. 이는 나트륨 이온이 리튬 이온보다 크기 때문에 이를 수용하기 위해 더 큰 전극 재료가 필요하기 때문입니다. 그 결과, SIB는 LIB에 비해 체적 및 중량 측정 에너지 밀도가 낮습니다. 현재 SIB의 에너지 밀도는 100-150Wh/kg 범위로 추정되며, 이는 대부분의 상용 LIB의 에너지 밀도보다 낮습니다. 그러나 이는 납산 및 니켈 카드뮴 배터리와 같은 다른 배터리 기술에 비해 여전히 상대적으로 높은 에너지 밀도입니다.

 

아연-공기 배터리(ZAB)

아연-공기 배터리(ZAB)는 특히 비에너지(단위 질량당 에너지) 측면에서 다른 배터리 기술에 비해 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. ZAB의 이론적 에너지 밀도는 최대 1083Wh/kg으로 추정되며, 이는 리튬 이온 배터리(LIB) 및 기타 일반적인 배터리 유형의 에너지 밀도보다 몇 배 더 높습니다.

그러나 산소 공급의 필요성, 공기 음극의 효율성, 아연 전극의 한계 등 다양한 요인으로 인해 ZAB의 실제 에너지 밀도는 일반적으로 이론적 값보다 낮습니다. 현재 시중에서 판매되는 상용 ZAB의 에너지 밀도는 일반적으로 200~400Wh/kg 범위이며, 이는 대부분의 다른 배터리 유형의 에너지 밀도보다 여전히 높습니다.

 

플로우 배터리

플로우 배터리는 리튬 이온 배터리(LIB) 및 리튬-황 배터리(LSB)와 같은 다른 배터리 화학 물질에 비해 에너지 밀도가 낮습니다. 이는 플로우 배터리가 LIB 및 LSB에 사용되는 고체 전해질에 비해 에너지 밀도가 낮은 액체 전해질을 사용하기 때문입니다. 일반적으로 플로우 배터리의 에너지 밀도는 20~50Wh/kg으로, 대부분의 LIB 및 LSB의 에너지 밀도보다 낮습니다. 그러나 플로우 배터리는 높은 확장성, 긴 사이클 수명, 낮은 유지보수 요구 사항 등 다른 배터리 기술에 비해 몇 가지 장점이 있어 고정식 에너지 저장과 같은 특정 애플리케이션에 적합합니다.

 

 

   - 차세대 배터리들의 수명 비교 -

 

배터리 수명은 배터리의 용량이 상당량 손실되기 전에 거칠 수 있는 충전 및 방전 주기의 횟수를 의미합니다. 배터리 수명은 다양한 배터리 기술을 비교할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다. 다음은 몇 가지 최신 배터리 기술의 수명을 비교한 것입니다:

 

리튬 이온 배터리(LIB)

리튬 이온 배터리의 수명은 특정 화학과 설계에 따라 다르지만 일반적으로 500~1,000사이클입니다. 그러나 적절한 사용과 유지 관리를 통해 수명을 크게 연장할 수 있습니다.

 

전고체 배터리(SSB)

SSB의 수명은 1,000~10,000사이클로 추정되며, LIB보다 훨씬 더 길 것으로 예상됩니다. 이는 LIB에 사용되는 액체 전해질보다 더 안정적이고 성능이 저하되는 경향이 적은 고체 전해질을 사용하기 때문입니다.

 

리튬-황 배터리(LSB)

현재 LSB의 수명은 사이클링 중 황 전극이 용해되어 용량 손실로 이어지기 때문에 제한적입니다. 그러나 연구자들은 LSB의 수명을 개선하기 위해 새로운 소재와 구조를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

 

나트륨 이온 배터리(SIB)

나트륨 이온 배터리의 수명은 1,000~5,000사이클로 추정되며, LIB보다 더 길 것으로 예상됩니다. 이는 나트륨 이온의 크기가 더 커서 전극에 가해지는 스트레스가 적고 시간이 지남에 따라 성능이 저하되지 않기 때문입니다.

 

아연-공기 배터리(ZAB)

아연-공기 배터리(ZAB)의 수명은 사용된 재료의 품질, 셀 설계, 작동 조건, 방전 깊이 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

아연 공기 배터리의 주요 한계 중 하나는 아연 전극이 비가역적 패시베이션을 일으켜 배터리 용량과 사이클링 안정성이 감소할 수 있다는 점입니다. 이는 배터리가 심하게 방전되었거나 공기 음극이 높은 습도 또는 기타 오염 물질에 노출되었을 때 발생할 수 있습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 ZAB는 특정 범위의 방전 깊이와 방전 속도 내에서 작동할 경우 사이클 수명이 길어질 수 있습니다. 예를 들어, 한 연구에 따르면 고품질 아연 전극과 최적화된 공기 음극 설계를 갖춘 ZAB는 방전 깊이 20%에서 최대 5,000회 사이클을 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다.

 

플로우 배터리

플로우 배터리의 수명은 5,000회에서 20,000회 이상으로 추정될 정도로 매우 깁니다. 이는 전해질을 쉽게 교체할 수 있고 전극이 다른 배터리 기술에서와 같은 스트레스를 받지 않기 때문입니다.

 

전반적으로 배터리 수명은 특정 화학, 설계 및 사용 조건과 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다. SSB 및 플로우 배터리와 같은 일부 배터리 기술은 LIB보다 수명이 더 길 것으로 예상되지만, 적절한 사용 및 유지보수 관행을 통해 수명을 크게 연장할 수도 있습니다.

 

이상, 차세대 배터리들 간의 에너지밀도와 수명을 비교하는 포스팅을 해보았습니다.

다음 주제는 차세대 배터리들 간의 안정성(폭발 위험성), 개발용 이성 그리고 마지막으로 장단점을 총정리하는 포스팅을 가져보겠습니다. 읽어주셔서 감사드립니다.