에너지 저장 분야에서 선두를 달리는 배터리

배터리는 에너지를 저장했다가 필요할 때 방출하는 장치입니다. 일상적인 배터리는 화학 에너지를 직접 변환하여 전기 에너지를 생성하지만, 에너지 저장 개념은 난드 드랑스 펌프식 저장 “물 배터리”로 잘 설명할 수 있습니다. 스위스 알프스 산맥의 높은 곳에 위치한 이 배터리는 전기 자동차 배터리 40만 개를 합친 것보다 더 많은 전기 저장 용량을 가지고 있습니다.

이 수력 발전소는 수력 발전기와 상하 2개의 저수지를 이용하여 작동합니다. 피크 시간대에는 고지대 저수지의 물이 방류되어 전기를 생산합니다. 에너지 과잉 생산이 발생하면, 물은 다시 펌핑되어 나중에 사용하기 위해 저장됩니다.

매력적인 모델이지만, 물 배터리는 현대 생활의 상당 부분을 움직이는 데 사용되는 일반적인 휴대용 배터리와는 다릅니다. 기존의 배터리는 전류를 생산하는 전기화학 전지 또는 일련의 전지입니다.

이산화탄소 배출을 줄이기 위한 업계의 노력에서 전기화학 배터리보다 더 중요한 기술은 거의 없습니다. 전기화학 배터리는 전기 자동차에 동력을 공급하고, 태양 전지판과 풍력 터빈에서 생산된 전기를 저장하며, 전력망을 안정화합니다. 후자의 두 가지 애플리케이션에서는 재생 에너지원의 경제적인 확장을 위해 배터리가 필수적입니다.

채굴, 폐기, 생산의 전체 수명 주기를 포함한 배터리의 독특한 환경 영향을 고려할 때 철저한 분석이 필요합니다. 이를 통해 에너지 전환이 환경에 미치는 한 가지 문제를 또 다른 똑같이 해로운 문제로 대체하지 않도록 할 수 있습니다.

전기화학 전지는 1차, 2차, 3차의 세 가지 주요 등급으로 분류되며, 이 광범위한 범주 내에서 다양한 전지 구조가 존재합니다. 이러한 분류 내에서 다양한 금속과 전해질을 사용함으로써 다양한 최종 용도에 적합한 특성을 제공합니다.

일회용 배터리라고도 알려진 1차 전지는 재충전이 불가능하며, 사용 후 폐기해야 합니다. 1차 전지는 손전등과 같은 휴대용 기기나 기타 대형 전자 기기에 자주 사용됩니다. 1차 전지의 예로는 건전지, 알칼리 전지, 아연-탄소 전지, 리튬 1차 전지 등이 있습니다.

알칼리 건전지는 가장 많이 사용되는 일회용 배터리입니다. 가장 경제적인 범주인 이 비충전식 배터리는 수명 기간 동안 일관된 방전 속도를 유지하고 안정적인 성능을 제공합니다. 그러나 알칼리 건전지는 편리하지만 일회용이라는 특성 때문에 환경친화적이지 않습니다.

충전식 배터리(2차 배터리라고도 함)는 여러 번 충전하여 재사용할 수 있습니다. 일회용으로 설계된 1차 전지와는 달리, 이 전지는 외부 전위를 사용하여 방전 화학 반응을 역전시켜 여러 번 사용할 수 있습니다. 이 전지는 납산, 니켈-카드뮴(Ni-Cd), 니켈-금속 수소화물(Ni-MH), 리튬이온(Li-ion) 등 다양한 화학 구조로 제공됩니다. 충전식 배터리는 일반적으로 1차 배터리보다 비싸고, 일부는 화재나 폭발을 일으킬 수 있는 과열을 방지하기 위해 적절한 취급이 필요합니다.

3차 전지는 가장 흔하지 않은 유형의 전지입니다. 1차 전지와 2차 전지와는 달리, 3차 전지의 전지는 활성화되기 직전까지 다른 구성 요소와 분리되어 있습니다. 전해질은 가장 자주 분리되는 구성 요소입니다.

비축 전지는 자기 방전 가능성을 효과적으로 제거하고 화학 물질의 열화를 최소화합니다. 대부분의 비축 전지는 열전지 유형이며, 거의 전적으로 군사 분야에서 사용됩니다.

이 글의 나머지 부분에서는 가장 일반적인 유형인 충전식 리튬이온(Li-ion) 배터리에 초점을 맞출 것입니다.

리튬이온 배터리는 긴 수명, 높은 에너지 밀도, 바람직한 전압 특성 때문에 다양한 애플리케이션에 사용하기 적합한 유형입니다. 그 목록은 아주 길어서, 아주 작은 보청기, 휴대폰, 컴퓨터, 전기 자전거, 전기 자동차, 심지어 대규모 그리드 규모의 에너지 저장 장치까지 포함합니다.

리튬 이온 배터리는 일반적으로 양극(음극)과 음극(양극)에 서로 다른 재료를 사용합니다. 금속, 반도체, 흑연 또는 전도성 고분자를 포함한 모든 전도성 물질은 전극으로 사용할 수 있습니다.

양극 전극 재료는 리튬 이온 전지의 성능, 사이클링, 수명에 큰 영향을 미칩니다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 양전하를 띤 리튬 이온을 운반하는 반면, 분리막은 배터리 내부에서 전자의 흐름을 차단하여 리튬 이온이 통과할 수 있도록 합니다.

음전하를 띤 양극에서 산화 반응이 일어나 전자를 방출하고, 이 전자는 회로의 외부로 이동합니다. 대부분의 리튬 이온 배터리는 양극 재료로 흑연 혼합물을 사용합니다. 이 혼합물은 지구에서 채굴된 천연 흑연과 석유 코크스를 가열하여 만든 합성 흑연의 조합입니다. 이렇게 만들어진 혼합물은 층 구조를 가지고 있어서, 리튬 이온이 충전 중에는 층으로 들어가 방전 중에는 빠져나올 수 있습니다.

음극은 환원성 화학 반응이 일어나는 전지의 양극입니다. 리튬 이온 배터리는 리튬 코발트 산화물, 리튬 인산철, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물을 포함한 다양한 음극 물질을 사용합니다. 이러한 물질은 충전 및 방전 사이클 동안 결정 구조 안팎으로 리튬 이온을 가역적으로 받아들이고 배출할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리 제조업체는 순도가 매우 높은 고품질의 광물을 확보해야 합니다. 따라서 리튬 이온 배터리 제조 비용의 절반 이상이 음극과 양극에 사용됩니다. 음극, 분리막, 양극, 전류 수집기를 조립하는 데도 개별 층의 배치와 포장 등 정밀한 조립 단계가 필요합니다.

리튬 이온 배터리는 약 30년 동안 사용되어 왔으며, 그 기간 동안 기하급수적으로 성장했습니다.

그러나 납산, 니켈 카드뮴, 니켈 수소 같은 다른 충전식 전지 화학 물질은 100년 이상 사용되어 왔습니다. 다음 섹션에서 언급된 바와 같이, 각각의 화학 물질은 장단점이 있습니다.

납축 배터리는 1800년대 후반부터 사용되어 왔으며, 오늘날에도 여전히 널리 사용되고 있습니다. 이 배터리는 비용 효율적이고 재활용 가능하며 유지 보수를 위해 복잡한 배터리 관리 시스템이 필요하지 않습니다. 그러나 다른 유형에 비해 비에너지가 낮고 사이클 수가 제한적입니다. 납축 배터리는 휠체어, 골프 카트, 비상 조명 및 내연 기관이 장착된 자동차에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 납은 알려진 독소이기 때문에 수명이 다하면 전문적으로 폐기해야 합니다.

니켈 카드뮴 전지는 니켈 산화물 수산화물, 금속 카드뮴 전극, 알칼리성 수산화칼륨 전해질로 구성되어 있습니다. 이 전지의 주요 장점 중 하나는 빠른 충전 속도이지만, 단점은 높은 자기 방전율입니다. 또한, 카드뮴은 납과 마찬가지로 독성이 있습니다.

Ni-MH 배터리는 부피당 충전 밀도가 30% 증가하고 자체 방전율이 훨씬 낮다는 점에서 Ni-Cd보다 개선된 제품입니다. 그러나 충전하는 데 시간이 더 걸리고, 특히 반복적인 충전시 용량이 감소하는 경향이 있습니다.

다른 이차 전지 화학 물질과 비교했을 때, 리튬 이온 전지는 현대적인 충전식 전지 개발품입니다. 이전의 세 가지 유형에 비해 높은 에너지 밀도와 전력 밀도의 탁월한 조합과 우수한 중량 대 에너지 비율을 보여줍니다. 그러나 리튬 이온 전지는 매우 가연성이 높기 때문에 보호 회로와 주의 깊은 취급이 필요합니다.

차세대 고급 리튬 이온 배터리가 가까운 시일 내에 출시될 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 리튬 음극이 소모되고 황이 다양한 화합물로 변환되는 리튬-황 배터리입니다. 고체 배터리도 잠재력이 있지만, 이 개념은 아직 실험실에서 상업적 실행 가능성으로 옮겨가야 합니다.

에너지 전환이 활발하게 이루어지는 가운데, 배터리의 미래는 우리 모두에게 영향을 미칩니다. 여기에는 사용되는 재료, 금속의 공급원 및 채굴 장소, 그리고 이러한 광물이 어떻게 폐기되거나 이상적으로는 재사용되는지가 포함됩니다. 지속 가능한 배터리 개발은 원자재의 중요성을 고려하고 이러한 광물의 공급, 폐기 및 궁극적인 재사용에 대해 충분히 고려해야 합니다.