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나트륨이온 배터리 양극재 층간 구조 안정화를 위한 도핑 전략 리튬의 그림자에서 벗어나려는 나트륨의 여정"나트륨이온 배터리? 그게 되겠어?" 10년 전만 해도 대부분의 배터리 전문가들이 고개를 젓던 기술이다. 나트륨이온(Na⁺)은 리튬이온(Li⁺)보다 덩치가 67%나 크고(이온 반지름: Na⁺ 1.02Å vs Li⁺ 0.76Å), 무게도 3배나 무겁다. 에너지밀도로만 따지면 리튬이온 배터리의 상대가 되지 않는다. 하지만 2020년대 들어 상황이 급반전됐다. 리튬 가격이 폭등하고(2021년 톤당 1만 달러 → 2022년 8만 달러), 공급망 불안정이 심각해지면서 '차선책'이던 나트륨이온 배터리가 갑자기 '필수 대안'으로 떠올랐다. 나트륨은 바닷물에서 무한정 얻을 수 있고, 가격도 리튬의 1/40 수준이다. CATL이 2021년 첫 상용 나트륨이온 배터리를 발표하면서 ..
고용량 리튬메탈 음극의 계면 안정화를 위한 인공 보호층 설계 리튬메탈 음극의 특성과 계면 불안정성 메커니즘리튬메탈은 가장 낮은 전기화학 전위(-3.04V vs SHE)와 최고의 이론 비용량(3860mAh/g)을 가진 궁극의 음극재료이다. 리튬의 밀도는 0.534g/cm³로 매우 낮아 부피 용량(2061mAh/cm³)도 실리콘(8334mAh/cm³)보다 낮지만, 전지 시스템 전체로 보면 집전체와 바인더가 불필요하여 실제 에너지밀도는 훨씬 높다. 기존 흑연 음극(372mAh/g) 대비 10배 이상의 용량으로, 500Wh/kg 이상의 고에너지밀도 배터리 구현이 가능하다. 또한 리튬메탈 음극을 사용하면 Li-S(2600Wh/kg), Li-air(11400Wh/kg) 등 차세대 배터리 시스템의 구현이 가능하여 전기항공기, 장거리 전기차 등의 응용이 열린다. 하지만 리튬메탈..
배터리 재활용에서 리튬 회수율 향상을 위한 선택적 용해 기술 폐배터리 조성 분석과 리튬 회수의 기술적 과제폐 리튬이온 배터리는 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등 고부가가치 금속을 다량 함유하고 있어 도시 광산으로 불린다. 전형적인 NCM811 배터리에서 리튬 함량은 배터리 중량의 1.2-1.5%로, 이는 천연 리튬광석(spodumene, 0.4-0.7% Li₂O)보다 2-3배 높은 농도이다. 하지만 리튬은 가장 가벼운 알칼리 금속(원자량 6.94)으로 다른 전이금속들(Co: 58.93, Ni: 58.69, Mn: 54.94)에 비해 경제적 가치가 상대적으로 낮아 회수 우선순위에서 밀리는 경우가 많았다. 그러나 최근 리튬 가격 급등(2021년 톤당 1만달러 → 2022년 8만달러)과 공급망 불안정으로 리튬 회수의 경제성이 크게 향상되었다. 폐배터리 내 리튬의 존재 형..
리튬이온 배터리 잔존수명(SOH) 예측을 위한 머신러닝 모델 개발 SOH 정의와 배터리 노화 메커니즘 분석배터리 건강상태(SOH, State of Health)는 배터리의 현재 성능을 초기 성능 대비 백분율로 나타낸 지표로, 일반적으로 용량 유지율로 정의된다. SOH = (Current Capacity / Initial Capacity) × 100%로 표현되며, 새 배터리는 100%, 사용 종료 기준인 80%까지 감소하는 과정을 추적한다. 하지만 용량뿐만 아니라 내부저항 증가, 출력 성능 저하도 SOH 평가에 포함될 수 있어, SOH_capacity = Qnow/Qnominal, SOH_power = Pnow/Pnominal, SOH_resistance = Rinitial/Rnow 등 다차원적 정의가 사용된다. 실제 응용에서는 용량 기준 SOH가 가장 널리 사용되며, ..
배터리 팩 냉각시스템의 열관리 효율 극대화 기술 배터리 열발생 메커니즘과 열관리의 중요성리튬이온 배터리에서 열발생은 주로 오믹 손실, 분극 손실, 엔트로피 변화, 부반응에 의해 발생한다. 오믹 손실은 배터리 내부저항으로 인한 줄 가열(Joule heating)로, Q = I²R 식에 따라 전류의 제곱에 비례한다. 1C 충전에서 약 2-3W의 열이 발생하지만, 3C 급속충전에서는 18-27W로 급격히 증가한다. 분극 손실은 활성화 과전압, 농도 과전압, 저항 과전압에 의한 것으로, 특히 고율 충방전 시 전체 열발생의 60-70%를 차지한다. 엔트로피 변화는 전극 반응에서의 자유에너지 변화로 인한 것으로, 가역적 열로 분류되지만 온도 상승에 기여한다. 부반응 열은 SEI 층 형성, 전해액 분해, 가스 발생 등으로 인한 것으로 배터리 노화와 함께 증가한다...
리튬인산철(LFP) 배터리의 저온 성능 향상을 위한 도전재 설계 LFP 양극재의 저온 특성과 전기전도도 한계 분석리튬인산철(LiFePO₄, LFP) 양극재는 우수한 열안정성과 긴 수명, 높은 안전성을 제공하지만 본질적으로 낮은 전기전도도와 리튬이온 확산속도로 인해 저온 성능에 치명적인 약점을 가진다. LFP의 전자 전도도는 상온에서 약 10⁻⁹ S/cm로 NCM(10⁻⁴ S/cm)이나 LCO(10⁻³ S/cm)보다 4-6배 차수가 낮다. 온도가 0°C로 낮아지면 전자 전도도는 10⁻¹¹ S/cm까지 감소하며, -20°C에서는 거의 절연체 수준인 10⁻¹³ S/cm에 도달한다. 이러한 극도로 낮은 전기전도도는 LFP의 olivine 결정구조에서 Fe²⁺-Fe³⁺ 간 전자 호핑(electron hopping) 메커니즘이 온도에 매우 민감하기 때문이다. LFP의 리튬이온 ..
급속충전 시 리튬 덴드라이트 형성 방지를 위한 충전 알고리즘 최적화 리튬 덴드라이트 형성 메커니즘과 급속충전 시 위험성 분석리튬 덴드라이트는 충전 과정에서 음극 표면에 수지상(樹枝狀)으로 성장하는 리튬금속 결정체로, 전기화학적 석출과 확산 제한 응집(diffusion limited aggregation) 메커니즘에 의해 형성된다. 덴드라이트 형성의 근본적인 원인은 리튬이온의 불균일한 석출로, 음극 표면의 국부적인 전류밀도 차이가 핵생성 속도의 차이를 만들어낸다. 전류밀도가 높은 지점에서는 리튬이온의 환원 속도가 표면 확산 속도를 초과하여 3차원적 핵성장이 시작되며, 이렇게 형성된 초기 핵은 더 높은 국부 전기장을 형성하여 추가적인 리튬 석출을 촉진한다. 이러한 양의 피드백 메커니즘으로 인해 덴드라이트는 가속적으로 성장하게 된다. 덴드라이트 성장 속도는 Sand's tim..
리튬이온 배터리 분리막의 기공구조가 이온 전도도에 미치는 영향 분리막 기공구조의 기본 특성과 이온 전도 메커니즘리튬이온 배터리 분리막은 양극과 음극 사이의 물리적 격리를 제공하면서 동시에 리튬이온의 선택적 투과를 가능하게 하는 핵심 부품이다. 분리막의 기공구조는 기공률(porosity), 기공 크기 분포, 기공 형태(morphology), 그리고 기공의 연결성(connectivity)으로 특성화되며, 이들 각각이 이온 전도도에 직접적인 영향을 미친다. 일반적인 폴리올레핀 분리막의 기공률은 35-50% 범위이며, 평균 기공 크기는 20-200nm 사이에 분포한다. 기공률이 높을수록 전해액을 더 많이 함침할 수 있어 이온 전도도가 증가하지만, 45% 이상에서는 기계적 강도가 급격히 감소하여 안전성 문제가 발생할 수 있다. 기공 크기는 이온 전도 메커니즘에 결정적인 영향..