전력 전자의 기술 동향 - 차세대 배터리들 비교(2) 안정성, 개발 용이성

 

지난 포스팅에 이어서 이번 포스팅은 차세대 배터리들 간의 안정성과 개발 용이성을 비교해 보고 마지막으로 각각의 배터리의 장단점을 한줄평으로 정리해 보는 포스팅을 해 보겠습니다.

 

 

 

  - 차세대 배터리들의 안정성(폭발 위험성) 비교 -

 

특히 최신 기기와 전기 자동차에 전력을 공급하려면 높은 에너지 밀도가 필요하기 때문에 배터리의 안전성은 다양한 배터리 기술을 비교할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다. 다음은 몇 가지 최신 배터리 기술의 안전성을 비교한 것입니다.

 

리튬 이온 배터리(LIB)

리튬이온 배터리는 일반적으로 안전한 것으로 간주되지만, 손상되거나 권장 온도 및 전압 범위를 벗어나 작동할 경우 안전 위험이 발생할 수 있습니다. LIB가 손상되면 열 폭주 반응을 일으켜 화재나 폭발로 이어질 수 있습니다.

 

전고체 배터리(SSB)

SSB는 LIB에 사용되는 액체 전해질보다 가연성이 낮고 누출 가능성이 적은 고체 전해질을 사용하기 때문에 LIB보다 더 안전할 것으로 예상됩니다. 그러나 SSB가 손상되거나 권장 매개변수를 벗어나 작동하는 경우 여전히 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

 

리튬-황 배터리(LSB)

LSB는 LIB에 사용되는 유기 용매 기반 전해질보다 가연성이 낮은 고체 황 전극을 사용하기 때문에 LIB보다 잠재적으로 더 안전할 수 있습니다. 그러나 LSB는 양극에 금속 리튬을 사용하기 때문에 여전히 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

 

나트륨 이온 배터리(SIB)

나트륨은 리튬보다 반응성이 낮고 단락을 일으킬 수 있는 수상 돌기를 형성하지 않기 때문에 일반적으로 나트륨 이온 배터리는 LIB보다 더 안전한 것으로 간주됩니다. 그러나 SIB가 손상되거나 권장 매개변수를 벗어나 작동하는 경우 여전히 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

 

아연-공기 배터리(ZAB)

아연 공기 배터리(ZAB)는 일반적으로 인화성 또는 폭발성 성분이 포함되어 있지 않기 때문에 리튬 이온 배터리(LIB)와 같은 다른 유형의 배터리보다 안전한 것으로 간주됩니다. 하지만 다른 전기 화학 장치와 마찬가지로 ZAB는 올바르게 취급하거나 작동하지 않으면 몇 가지 위험을 초래할 수 있습니다. ZAB와 관련된 주요 위험 중 하나는 배터리가 고온에 노출되거나 과충전 또는 손상된 경우 발생할 수 있는 열 폭주 가능성입니다. 이 경우 공기 음극의 산소가 아연 전극과 반응하여 열과 가스가 빠르게 방출되어 배터리가 부풀어 오르거나 파열되거나 폭발할 수 있습니다.

 

플로우 배터리: 플로우 배터리는 전해액을 쉽게 담을 수 있고 화재나 폭발의 위험이 없으므로 안전한 것으로 간주됩니다. 그러나 플로우 배터리는 전해질의 부식성 및 누출 가능성으로 인해 여전히 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

 

전반적으로 배터리의 안전성은 특정 화학 물질, 설계, 사용 조건 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. SSB 및 플로우 배터리와 같은 일부 배터리 기술은 LIB보다 안전할 것으로 예상되지만, 모든 배터리 기술에는 적절한 설계, 테스트 및 운영을 통해 해결해야 하는 고유한 안전 위험이 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

 

   - 차세대 배터리들의 개발 용이성 -

 

배터리 기술의 개발 용이성은 원자재의 가용성과 비용, 제조 공정의 복잡성, 상용화를 위한 기술의 준비 상태 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 다음은 몇 가지 최신 배터리 기술의 개발 용이성을 비교한 것입니다.

 

리튬 이온 배터리(LIB)

리튬이온 배터리는 수십 년 동안 개발되어 왔으며 시장에서 확고한 입지를 다지고 있습니다. 리튬이온 배터리의 제조 공정은 비교적 성숙되어 있으며, 리튬이온 배터리에 필요한 재료도 널리 구할 수 있습니다. 따라서 LIB는 상업적 생산을 위해 개발 및 확장하기가 비교적 쉽습니다.

 

솔리드 스테이트 배터리(SSB)

SSB는 아직 개발 초기 단계에 있으며, 상용화되기 전에 해결해야 할 기술적 과제가 많습니다. SSB의 제조 공정은 LIB보다 더 복잡하며, SSB의 재료 비용도 더 높습니다. 따라서 SSB는 상업적 생산을 위한 개발과 확장이 더 어렵습니다.

 

리튬-황 배터리(LSB)

LSB는 아직 개발 초기 단계에 있으며 상용화되기 전에 해결해야 할 기술적 과제가 많습니다. LSB의 제조 공정은 LIB보다 더 복잡하며, LSB에 필요한 재료의 가용성이 떨어집니다. 따라서 LSB는 상업적 생산을 위해 개발하고 규모를 확장하기가 더 어렵습니다.

 

나트륨 이온 배터리(SIB)

SIB는 아직 개발 초기 단계에 있으며 상용화되기 전에 해결해야 할 기술적 과제가 많습니다. SIB의 제조 공정은 리튬이온 배터리보다 더 복잡하고 SIB의 재료 비용이 더 높습니다. 따라서 SIB는 상업적 생산을 위해 개발 및 확장하기가 더 어렵습니다.

 

아연-공기 배터리(ZAB)

아연-공기 배터리(ZAB)의 개발은 활발한 연구 분야로, 아직 해결해야 할 과학 및 공학적 과제가 많습니다. 하지만 ZAB는 높은 에너지 밀도, 저렴한 비용, 상대적인 안전성 등 에너지 저장에 있어 매력적인 옵션이 될 수 있는 몇 가지 장점을 제공합니다. ZAB 개발의 주요 과제 중 하나는 시간이 지남에 따라 부동태화 및 성능 저하가 발생할 수 있는 아연 전극의 성능과 안정성을 개선하는 것입니다. 연구자들은 전극의 전기화학적 활성과 사이클링 안정성을 개선할 수 있는 나노 구조 아연 또는 아연 합금과 같은 새로운 전극 소재를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

 

플로우 배터리

플로우 배터리는 아직 개발 초기 단계에 있으며, 상용화되기 전에 해결해야 할 기술적 과제가 많습니다. 플로우 배터리의 제조 공정은 LIB보다 더 복잡하고 플로우 배터리에 필요한 재료도 널리 구할 수 없습니다. 따라서 플로우 배터리는 상업적 생산을 위한 개발과 확장이 더 어렵습니다.

 

전반적으로 배터리 기술의 개발 용이성은 여러 요인에 따라 달라지며, 서로 다른 배터리 기술을 직접 비교하기는 어렵습니다. 그러나 LIB와 같이 잘 정립된 배터리 기술은 일반적으로 SSB, LSB, SIB 및 플로우 배터리와 같은 최신 기술보다 상업 생산을 위한 개발 및 확장이 더 쉽다고 말할 수 있습니다.

 

   - 차세대 배터리들 장단점 총정리 -

 

최신 배터리 기술의 성능은 특정 애플리케이션, 작동 조건, 개발 단계 등 다양한 요인에 따라 달라지기 때문에 각 기술에 대한 명확한 점수를 제공하기는 어렵습니다. 그러나 다음은 각 기술의 주요 강점과 약점에 대한 정성적 평가입니다.

 

리튬 이온 배터리(LIB)

강점: 높은 에너지 밀도, 성숙한 기술, 광범위한 채택, 낮은 자가 방전율, 상대적으로 낮은 비용.

약점: 제한된 사이클 수명, 인화성 우려, 희소하고 값비싼 원자재에 대한 의존도, 고온에서의 성능 저하.

 

솔리드 스테이트 배터리(SSB)

장점: LIB에 비해 더 높은 에너지 밀도, 더 빠른 충전, 향상된 안전성, 분리막 필요 없음, 다양한 화학 물질과의 호환성 등의 잠재력이 있습니다.

약점: 안정적인 고체 전해질 개발의 기술적 어려움, 높은 제조 비용, 제한된 확장성.

 

리튬-황 배터리(LSB)

강점: LIB에 비해 높은 에너지 밀도와 낮은 비용, 풍부하고 저렴한 원자재, 다른 화학 물질에 비해 낮은 독성 가능성.

약점: 안정적인 황 음극 개발의 기술적 어려움, 제한된 사이클 수명, 습기에 대한 민감성.

 

나트륨 이온 배터리(SIB)

강점: 리튬이온 배터리 대비 비용 절감 및 안전성 향상 가능성, 풍부한 나트륨 자원, 기존 제조 인프라와의 호환성.

약점: LIB에 비해 에너지 밀도가 낮고 사이클 수명이 제한적이며 안정적인 나트륨 이온 전극을 개발하는 데 기술적 어려움이 있습니다.

 

아연-공기 배터리(ZAB)

장점: 다른 화학 물질에 비해 높은 에너지 밀도, 저렴한 비용, 향상된 안전성, 풍부한 아연 자원, 분리막이나 액체 전해질이 필요 없음.

약점: 제한된 사이클 수명, 안정적인 아연 전극 개발의 기술적 과제, 고전력 애플리케이션을 위한 확장성 제한.

 

플로우 배터리

장점: 다른 화학 물질에 비해 높은 확장성, 긴 사이클 수명, 낮은 유지보수, 충전 및 방전 속도의 유연성, 낮은 환경 영향 가능성.

약점: 다른 화학 물질에 비해 낮은 에너지 밀도, 높은 제조 비용, 안정적인 전해질 개발 및 교차 오염 위험 감소에 대한 기술적 과제.

 

전반적으로 각 배터리 기술에는 고유한 장단점이 있으며, 특정 애플리케이션에 대한 적합성은 에너지 요구 사항, 비용 제약, 안전 문제, 운영 조건 등 다양한 요인에 따라 달라집니다.

 

 

이상, 1편에 이어서 2편에서도 차세대 배터리들 간을 비교하는 포스팅을 해보았습니다.

읽어주셔서 감사드립니다.