전기 자동차의 개발이 본격화되고 있으며, 전원 배터리는 가장 중요한 부품 중 하나입니다. 그 개발은 전기 자동차의 배터리 수명과 안전성에 결정적인 영향을 미칩니다. 최근에는 전고체 배터리, SVOLT의 젤리 배터리, NIO의 Nickel 55 ternary Cell, 리튬을 보충하기 위해 실리콘을 도핑한 IM 모터, CTP/CTC 기술과 같은 용어를 자주 듣습니다. 사실 기술적인 방향이 너무 많기 때문에 근본적인 목적은 배터리의 에너지 밀도와 안전성을 향상시키는 것입니다. 이 기사에서 편집자는 관련 기술 경로를 분류하도록 안내합니다.

에너지 밀도 및 안전성을 개선하는 방법

엔지니어들은 배터리 셀의 밀도를 높이는 것과 시스템(배터리 팩)의 밀도를 높이는 두 가지 유사한 경로를 사용하여 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 물론 에너지 밀도를 높이는 동시에 안전이 항상 최우선입니다. 배터리의 에너지 밀도와 안전성을 향상시키기 위해 대부분의 엔지니어들은 어떤 노력을 했으며 현재 어떤 신기술이 등장하고 있습니까? 이제 우리는 최신 뉴스와 함께 논의할 것입니다.

배터리의 에너지 밀도 증가

배터리 코어는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이의 전해질의 세 부분으로 구성됩니다. 에너지 밀도를 높이려면 이 세 가지 측면에서 시작합니다. 하나씩 살펴보겠습니다.

음극-니켈 55 단결정 소재

니오가 최근 출시한 100kWh 배터리팩은 기존 CATL이 발표한 '연기만 있고 불이 붙지 않는' 배터리로, 배터리 팩 쉘의 크기를 바꾸지 않고 무게 증가도 거의 없이 에너지 밀도를 37% 증가시켰다. 마일리지 충전. 새로운 배터리에 사용된 니켈 55 3원 전지는 에너지 밀도를 높이는 중요한 요소입니다. 양극 물질은 고전압 단결정 물질입니다. 단결정이란? 이 질문에 답하기 전에 양극재의 기술적 방향을 살펴보자.

소위 "삼원" 리튬 배터리는 양극 재료의 니켈, 코발트 및 망간(NCM)의 3가지 요소를 나타냅니다. 용량을 늘리기 위해 니켈을 사용하고, 구조를 안정화하기 위해 코발트를 사용합니다. 망간의 역할은 비용을 절감하고 재료의 구조적 안정성을 향상시키는 것입니다. 니켈 비율이 높을수록 코발트와 망간 비율이 낮을수록 에너지 밀도는 높아지지만 안전성은 떨어집니다.

에너지 밀도를 높이기 위해 NCM 비율이 "111(N:C:M=1:1:1)"에서 "523"으로, 그리고 "811"로 증가했습니다. 이 경로는 항상 3원 음극 재료 개발의 주류 방향이었습니다. 다른 방향은 단결정 루트에 해당합니다(요점은 여기). 새롭게 출시된 배터리 캐소드는 단결정 5계열 소재를 사용한다. 단결정 재료는 고전압에 더 적합합니다. 현재 상용화된 3원계 양극재는 대부분 나노 수준의 1차 입자가 뭉쳐 형성된 10마이크론 정도의 2차 구형 다결정질 물질이다. 다결정과 단결정의 개념이 없으신 분들은 석영모래와 유리를 참고하시기 바랍니다. 둘 다 실리카입니다. 석영 모래는 다결정 물질이며,

다결정질 NCM에는 많은 수의 결정립계가 있습니다. 배터리의 충방전 과정에서 이방성 결정 격자 변화로 인해 다결정 NCM은 결정립계 균열이 일어나기 쉬워 2차 입자가 파손되고 비표면적과 계면 쌍의 응답이 급격히 증가하여 이로 인해 배터리 임피던스가 증가하고 성능이 급격히 저하됩니다. 단결정 삼원 재료 내부에는 입계가 없으므로 입계 파괴 및 이로 인한 성능 저하 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 따라서 단결정 구조는 더 높은 전압을 얻을 수있을뿐만 아니라 삼원 물질의 사이클 안정성을 향상시키고 배터리의 안전성을 크게 향상시킵니다. 이것은 음극재이며,

"실리콘 도핑된 리튬 배터리 셀" 기술이란 무엇입니까?

기존 리튬 이온 배터리의 흑연 음극 밀도는 낮습니다. 고밀도를 추구하기 위해 새로운 음극 재료 실리콘 탄소와 실리콘 산소는 기업이 추구하는 새로운 핫스팟이되었습니다. 그러나 실리콘-산소는 처음으로 낮은 효율과 리튬을 보충해야 하는 문제가 있다. 액체 리튬 이온 배터리의 첫 번째 충전 및 방전 동안 전극 재료와 전해질은 고체-액체 계면에서 반응하여 전극 재료의 표면을 덮는 보호막을 형성합니다. 이 보호층은 고체 전해질의 특성을 갖는 계면층이다. 전자 절연체이지만 Li+의 우수한 전도체입니다. Li+는 패시베이션 레이어를 통해 자유롭게 삽입 및 추출될 수 있습니다. 따라서 이 패시베이션 필름을 " "고체 전해질 계면"(고체 전해질 계면)은 SEI 필름으로 약칭됩니다. 음극). 실리콘 탄소 음극 리튬 보충 공정은 실리콘 탄소 음극 표면에 리튬 금속 층을 사전 코팅하는 것입니다. 코팅은 음극과 밀접하게 접촉합니다. 전해질이 음극에 부어진 후 음극과 반응하여 음극 입자에 묻힙니다. 첫 번째 충전 및 방전 또는 주기 동안 SEI 막을 형성하거나 수리하는 데 필요한 리튬 이온을 보충합니다. 어렵고 많은 양의 음극 리튬 보충 공정과 비교할 때 양극 리튬 보충 공정은 훨씬 간단합니다. 일반적인 양극 리튬 보충 공정은 양극 균질화 공정에 소량의 고용량 양극 물질을 첨가하는 것입니다. 충전 과정에서 잉여 Li 원소는 리튬이 풍부한 양극 재료에서 추출되고 음극에 삽입되어 첫 번째 충방전의 비가역 용량을 보완합니다. 이러한 복잡한 리튬 보충 과정을 통해 음극재의 밀도를 높일 수 있다. 현재 IM Motors가 어떤 기술인지는 알려지지 않았지만 기본적으로 IM Motors가 이 고급형 리튬 배터리를 사용할 것이라는 것은 예견된 결론입니다.

전해질—고체 배터리

현지 시간으로 12월 8일, Quantum Scape는 최신 솔리드 스테이트 배터리에 대한 뉴스를 발표하고 배터리가 2024년에 생산에 들어갈 것이라고 밝혔습니다. 이러한 종류의 솔리드 스테이트 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 크게 개선되었습니다. 그들은 전기 자동차의 순항 범위를 80%까지 늘릴 수 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리가 무엇이며 어떤 이점이 있는지 논의해 보겠습니다.

배터리의 에너지 밀도를 높이는 동시에 배터리의 안전성도 고려해야 하는 문제입니다. 리튬 이온 배터리의 안전 위험을 근본적으로 제거하는 것은 여전히 ​​배터리 재료의 안전성 향상에 있습니다. 그러나 양극재의 경우 이 두 가지 측면이 상충됩니다. 예를 들어, 앞서 언급한 바와 같이 니켈 함량을 높이면 에너지 밀도가 증가할 수 있지만 니켈 함량이 증가하면 안전성이 낮아집니다. 에너지 밀도를 더 확실하게 높이기 위해 다른 측면에서 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있는 방법이 있습니까? 이때 전해질의 관점에서 고려할 필요가 있다. 많은 연구에 따르면 액체 전해질은 배터리의 열 폭주 과정에서 대부분의 반응에 참여하며, 배터리의 초기 반응 온도를 크게 낮추어 열 폭주의 임계값이 낮아집니다. 따라서 전해질 안전성을 개선하는 것은 배터리 안전성을 달성하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. 액체 전해질의 물리적 특성으로 인해 누출을 항상 피할 수는 없으며 배터리의 부피를 줄여 에너지 밀도를 높이는 데도 도움이 되지 않습니다. 따라서 에너지 밀도와 안전성을 향상시키기 위해 전해질의 응고가 추세가 되고 있다. 우리는 전극과 전해질이 모두 전고체 전지인 전지를 호출합니다. 고체 배터리 셀에는 액체가 포함되어 있지 않아 안전할 뿐만 아니라 직렬 및 병렬로 먼저 조립할 수 있어 포장 쉘에 사용되는 재료를 줄이고,

전고체 배터리는 기존의 리튬 배터리와 마찬가지로 양극, 음극 및 전해질로 구성됩니다. 그 구조는 기존의 리튬 배터리보다 간단하고 고체 전해질은 전해질과 분리막의 이중 기능으로 작용합니다. 양극 재료와 기존 리튬 배터리 사이에는 본질적인 차이가 없습니다. 음극재로는 리튬금속 음극재, 탄소계 음극재, 산화물 음극재가 있다. 전고체 전지의 경우 전고체 전해질의 연구 개발이 가장 중요합니다. 산화물, 황화물, 고분자 및 복합 고체 전해질을 포함한 많은 유형의 재료가 있습니다.

연구 중인 대규모 액체 리튬 배터리 및 고체 배터리 외에도 반고체 배터리 젤리 배터리가 사람들의 시야에 들어왔습니다. 2020년 12월 허니코 엠비에너지가 젤리 배터리 출시와 수주에 앞장서고 있다. 젤리 배터리는 새로운 유형의 젤리 같은 전해질을 사용하는 리튬 배터리입니다. 이 겔형 전해질은 전극 재료의 표면에 더 잘 맞습니다. 자체 치유 및 난연성의 특성을 가지고 있습니다. 동시에 열확산이 방지됩니다. 젤리 배터리는 액체 배터리에서 전고체 배터리로의 전환이라고 할 수 있습니다.

향상된 시스템 밀도 - 새로운 배터리 팩 기술

배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 것 외에도 동일한 크기와 무게의 배터리 팩에 더 많은 배터리를 넣어 배터리의 에너지 밀도를 높이는 방법이기도 하다. 다음은 현재 비교적 새로운 배터리 팩 기술에 대한 간략한 소개입니다.

내부 패키징 제거 - CTP(Cell to Pack) 기술:

일반적으로 배터리는 가장 바깥쪽에 배터리 팩이 있을 뿐만 아니라 내부에 셀 그룹이 형성하는 "모듈" 그룹도 있습니다. 소위 CTP는 모듈화되지 않고 셀이 직접 포장됩니다. 현재 기업이 에너지 밀도를 높이는 주요 선택입니다. CATL, BYD 및 Honeycomb Energy는 모두 모듈이 없는 배터리 팩 기술을 출시했습니다. 얼마 전 상대적으로 인기를 끌었던 BYD 블레이드 배터리는 리튬인산철 배터리를 기반으로 모듈이 없는 설계를 적용해 공간 활용도를 높였다.

모든 내부 패키징 및 아웃소싱 제거 - CTC(Cell to Chassis) 기술:

Tesla의 배터리 데이에는 배터리가 자동차 구조에 직접 내장되는 구조적 배터리 솔루션이 제안되었습니다(Long Ge의 이전 기사 "Tesla Battery Day Information의 해석" 참조). 이 구조화된 배터리 기술은 이전에 CATL에서 제안한 CTC 기술과 유사합니다. 이 기술은 배터리 셀과 섀시를 통합한 다음 혁신적인 아키텍처를 통해 모터, 전자 제어 및 차량 고전압 시스템을 통합합니다. 전력 도메인 컨트롤러는 전력 분배를 최적화하고 에너지 소비를 줄입니다.

끝 맺는 말

위의 소개를 통해 우리는 모든 사람들이 새로운 배터리 관련 기술에 대해 어느 정도 이해하고 있다고 믿습니다. 전고체 배터리의 상용화는 여전히 인내심을 필요로 하지만, 우리는 반고체 배터리, 양극 단결정 물질 및 실리콘 도핑 리튬 보충 기술을 가까운 장래에 경험하게 될 것이라고 믿습니다.