7월 18일부터 허난(河南)성 정저우(鄭州)에는 엄청난 폭우가 쏟아졌다. 이 기간 동안 몸의 절반이 물에 잠긴 신에너지 자동차라는 소식이 많은 이들의 관심을 끌었다. .물속의 잠수함처럼 앞으로 나아갑니다. 결국 차량은 침수 지역을 성공적으로 빠져나왔습니다.
원소의 특성으로 인해 리튬이 인기를 끌고 있다
신에너지 자동차가 심해 지역을 이동할 수 있는 이유는 실제로 설명하기 쉽습니다. 왜냐하면 리튬을 바다에서 얻을 필요가 없기 때문입니다. 연료 차량과 같은 외부 공기는 에너지 방출 반응에 필요한 산화제로 산소를 얻습니다. 신에너지 자동차 배터리 팩 내부에서는 이온이 음극과 양극 사이를 오가며 전류를 생성하여 에너지를 방출합니다. 따라서 신에너지 자동차의 '고전압 시스템'은 외부 환경과 완전히 격리될 수 있으며 일반적으로 IP67 방수 표준을 충족합니다. 이는 수심 1m에서 30분 동안 누수를 보장할 수 없음을 의미합니다.
그러나 신에너지 자동차의 '저압 시스템'은 이만큼 우수한 방수 성능을 갖추지 못한 경우가 많고, 수중에서는 합선 등의 문제가 발생하기 쉽기 때문에 아직까지 적합하지 않습니다. 타이어가 덮이지 않은 깊은 물 지역에서 운전하십시오.
신에너지 자동차는 연료 자동차에 비해 월등한 물 도강 성능으로 대중 앞에 '과시'됐다. 그리고 '배터리를 가져가는 자가 세상을 이긴다'는 업계 속담처럼, 신에너지차 제조원가의 약 40%를 차지하는 핵심부품인 파워배터리 역시 큰 변화를 맞이할 위기에 처해 있다. .
이에 따라 4년 연속 세계 전력 배터리 시장 점유율 1위를 차지한 CATL은 최근 나트륨이온 배터리 최신 연구개발 결과를 발표하기도 했다. 그렇다면 리튬이온 배터리 거대기업인 CATL이 나트륨이온 배터리를 이때 출시하는 이유는 무엇일까? 기존 리튬이온 배터리에 비해 어떤 장점이 있나요? 전원 배터리의 미래는 어디에 있습니까?
실제로 나트륨 배터리에 대한 과학계의 연구는 리튬 배터리와 거의 동시에 시작되었습니다. 둘 다 1960년대 후반 냉전과 석유 위기 상황에서 새로운 에너지 저장 재료에 대한 긴급한 필요성에서 시작되었습니다.
1세대 리튬배터리는 리튬메탈 배터리로 현재의 리튬이온 배터리와는 달랐다. 충전 과정에서 결정화 현상이 매우 심각하고 쉽게 내부 단락이 발생할 수 있으므로 기본적으로 비충전식 배터리입니다.
이온 배터리의 핵심은 금속 원소가 이온 상태에서 양극과 음극 사이를 오가는 과정에서 전자를 얻고 방출해 전류를 형성한다는 점이다. 금속 이온은 전자의 "포터"일 뿐이므로 양극 및 음극 재료의 손실이 거의 없으며 매우 높은 사이클 수명을 달성합니다. 이것이 현재 충전식 배터리의 주요 아이디어입니다.
이상적인 충전용 배터리는 크기와 무게가 최대한 작아야 하며 더 많은 에너지를 저장하고 운반할 수 있어야 합니다. 따라서 원소 주기율표의 관점에서 볼 때, 좋은 에너지 운반체가 되기 위해서는 원자의 상대적 질량이 작아야 하고, 전자를 얻고 잃는 능력이 강해야 하며, 전자 전달 비율이 높아야 합니다. . 지구상에서 가장 가벼운 금속인 리튬은 배터리를 만드는 데 가장 이상적인 재료가 되었습니다.
동시에 리튬의 동족체인 나트륨과 칼륨도 연구 대상이 되었습니다. 그러나 나트륨 원자는 리튬 원자보다 전자가 8개 더 많기 때문에 나트륨의 원자 반경은 리튬의 원자 반경보다 훨씬 큽니다. 이는 양극재와 음극재 사이에 매립 및 추출될 때 더 많은 공간을 차지한다는 의미이며, 리튬이온전지의 양극과 음극보다 매립 구멍이 더 크고 강한 소재가 필요하다는 뜻이다.
그리고 리튬보다 훨씬 무겁기 때문에 나트륨 배터리는 리튬 배터리보다 에너지 저장 밀도가 낮습니다. 이러한 일련의 문제로 인해 나트륨 이온 배터리는 한때 배터리 연구의 물결 속에서 잊혀졌습니다. 리튬 배터리는 1980년대 후반에 기술 혁신을 일으켰습니다. 리튬 이온 기반의 "흔들 의자 배터리"는 이전 리튬 금속 배터리 시스템을 대체하여 불과 수십 년 만에 가전제품 시장을 완전히 점령했으며 오늘날의 신에너지를 위한 주류 솔루션이 되었습니다. 차량 전원 배터리.
'에너지 저장고 고갈' 걱정
하지만 50년 전 리튬전지를 연구한 최초의 과학자들은 아마도 지구가 리튬 자원이 풍부한 행성이 아니라고 생각하지 못했을 것이다. 지각의 리튬 함량은 0.0065%에 불과하며, 70%가 남아메리카에 있어 분포가 고르지 않습니다.
비슷한 문제는 리튬이온 배터리 양극재의 또 다른 필수 원소인 코발트의 상황도 낙관적이지 않다는 점이다.
주로 콩고민주공화국(52%)과 호주(17%)에 분포하며 지각질량의 0.001%를 차지한다. 전 세계적으로 리튬 배터리 생산량이 계속해서 최고치를 기록하고 있으며 리튬 배터리 전체 가격이 급락하고 있습니다. 그러나 리튬 배터리 전극을 생산하는 데 사용되는 원자재 가격이 급등하여 '비축량 고갈'이 큰 문제로 대두되고 있습니다. 업계의 많은 사람들에게 깊은 우려를 표합니다.
리튬 이온 배터리는 대부분의 상품이 결코 겪지 않을 문제에 직면해 있습니다. 즉, 생산량이 증가함에 따라 가격은 계속 하락하지 못할 뿐만 아니라 급격하게 상승할 수도 있습니다. 이러한 상황은 자동차 한 대를 만드는 데 수백 개의 휴대폰 배터리에 해당하는 원자재가 사용되기 때문에 신에너지 자동차 회사를 난처하게 만들었습니다.
그래서 최근 몇 년 동안 주요 신에너지 자동차 회사들이 자동차를 만드는 것 외에 가장 많이 한 일은 아마도 배터리 팩의 리튬과 코발트 함량을 줄이고, 업스트림 광물 채굴 회사의 지분을 인수하고, 차기 개발에 적극적으로 나서는 것일 것입니다. - "리튬" 이외의 발전 에너지 저장 시스템.
이런 배경에서 초기에는 방치됐던 나트륨이온전지가 2010년 이후 갑자기 연구 핫스팟이 됐다. 매장량이 부족한 리튬과 달리 나트륨은 지각 전체 질량의 2.75%를 차지해 리튬의 400배에 달한다. 우리 일상 식탁에 오르는 식염의 주성분인 염화나트륨의 가격은 탄산리튬의 1/10에도 미치지 못합니다.
“나트륨-리튬 하이브리드”
세계 최대의 신에너지 자동차 시장인 중국은 나트륨 이온 배터리 연구에서도 세계적인 선두주자입니다. 영덕시대 이전에는 중국과학원 물리학연구소 산하 종커하이나(Zhongke Haina)가 연구한 나트륨이온전지가 지난해 대량생산에 들어갔지만 에너지밀도는 여전히 145Wh/kg 안팎으로 낮았다.
CATL의 1세대 나트륨이온 배터리의 셀 에너지 밀도는 160Wh/kg에 달했다. 160Wh/kg의 에너지 밀도는 300Wh/kg까지 쉽게 도달할 수 있는 삼원리튬전지와 비교하면 높지 않고, 인산철리튬전지보다도 낮지만 이미 세계 나트륨이온전지 중 에너지 저장밀도가 가장 높다. . 수준.
또한 CATL의 나트륨 이온 배터리는 상온에서 15분 동안 충전하면 배터리의 80% 이상을 충전할 수 있으며, 섭씨 -20도의 저온 환경에서도 방전이 발생합니다. 90% 이상의 유지율은 훨씬 더 좋습니다. 이 조건에서 3원계 리튬 배터리의 수준은 70% 미만입니다.
나트륨 이온 배터리는 업계에서 가장 엄격한 침술 테스트도 통과할 수 있으며 기본적으로 인산철리튬 배터리의 '고속 충전' 및 '저온 성능 강화' 버전으로 간주될 수 있습니다. 나트륨이온전지는 안전성과 비용 측면에서 매우 높은 장점이 있어 인산철리튬전지를 대체할 수 있어 저가형 전기자동차, 상용 전기버스, 이륜차 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
기자간담회에서 CATL은 나트륨이온 배터리와 삼원계 리튬 배터리를 2:1 비율로 혼합하는 기술 솔루션도 제시했는데, 탁월한 BMS(배터리 관리 시스템) 로직을 이용해 두 배터리를 정확하게 제어할 수 있다. 배터리 방전 수준 곡선을 통해 나트륨 이온 배터리를 보다 엄격한 내구성 요구 사항을 갖춘 고급 전기 자동차에 설치할 수 있습니다.
다양한 기술 솔루션 등장
2030년에 탄소 배출량이 정점에 도달하고 2060년에 탄소 중립을 달성한다는 국가 비전에 따라 서구에서는 태양광, 풍력 에너지 등 청정 에너지에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 더욱 확대하고 있습니다. 하지만 화력발전과 달리 청정에너지는 부하에 따라 발전량을 동적으로 조절할 수 있다. 생성된 전력을 제때 사용하지 않으면 '폐기전력'으로 처리될 수밖에 없다.
2018년 우리나라는 총 1,022억kWh에 달하는 빛, 풍력, 수력 전력을 버린 것으로 파악되는데, 이는 정말 엄청난 낭비다. 청정에너지로 생산된 전력을 전력망에 안정적으로 연결하기 위해서는 대규모 '에너지저장 발전소'를 구축해야 한다.
얼마 전 광둥성 양장에 건설된 국내 최대 규모의 양수 발전소를 예로 들면, 그 기본 원리는 도시 전력 피크 기간에 물을 펌핑한 후 잉여 전력을 사용하는 것입니다. 높은 곳으로 펌핑된 물은 전력 소비가 가장 많은 시간대에 전력을 생산하기 위해 방출됩니다. 이는 전력망 내 피크 저감, 밸리 충진, 비상 백업 등의 작업을 수행하는 거대한 충전용 배터리라고 볼 수 있습니다.
이러한 작업은 가격이 저렴하고 에너지 밀도가 상대적으로 높으며 주변 온도에 민감하지 않은 나트륨 이온 배터리로도 수행할 수 있습니다.
그렇다면 나트륨이온 배터리가 신에너지 자동차의 미래일까요? 실제로 삼원계 리튬 배터리와 인산철 리튬 배터리를 포함한 신에너지 차량용 현재 주류 전력 배터리 솔루션은 모두 이온이 방해받지 않고 이동할 수 있는 매체로 액체 '전해질'이 필요한 '액체 배터리' 범주에 속합니다.
실제로 출시를 앞두고 있는 또 다른 전원 배터리용 '전고체 배터리' 솔루션이 있다. 이름에서 알 수 있듯이 상온에서 고체인 전해질을 배터리로 사용하는 것이다. 이온을 전달하는 매체. 일반적으로 액체 배터리의 에너지 저장 밀도 상한은 350Wh/kg인 반면, 전고체 배터리의 에너지 밀도는 1000Wh/kg에 이를 것으로 예상됩니다.
고체 전해질은 매우 안정적이며 기본적으로 열 폭주 폭발의 위험을 제거해 업계에서는 이를 미래 전력 배터리의 개발 방향으로 간주하고 있습니다. 많은 국내 배터리 제조업체도 수년 동안 이 트랙에 배치되었습니다. 현재 전고체전지 신소재에 관한 이론적인 연구 논문도 곳곳에서 피어나고 있다. 전고체전지 시대가 멀지 않았다고 생각합니다.
앞서 신에너지차 업계는 동력배터리의 에너지 밀도가 400Wh/kg에 도달하면 연료자동차를 완전히 대체하는 신에너지차의 전환점이 올 것이라고 과감한 예측을 내놨다. 현재 세계 여러 나라에서도 2030년이 연료자동차의 판매와 생산이 전면 금지되는 시점이 될 것이라고 발표했습니다.
나트륨 이온 배터리 출시 컨퍼런스에서 CATL 창립자이자 회장인 Zeng Yuqun이 한 말로 기사를 마무리하고 싶습니다. "우리는 전기화학의 세계가 에너지 루빅스 큐브와 같다고 믿습니다. “인류는 결국 동력전지 개발의 여러 어려움을 극복하고 청정에너지 시대로 나아가게 될 것이라고 믿습니다.
저자 | Ma Dianqiu
제작: Kanshijiazhi New Media