전기 자동차의 급속한 발전과 함께 리튬 이온 배터리는 전기 사륜 자동차에 계속 등장하고 있습니다, 이륜 전기 자전거 그리고 전기 세발자전거그러나 고열의 시장에서도 위기가 조용히 나타나고 전기 자동차 주행 거리가 계속 증가하고 전력 배터리의 에너지 밀도, 요구 사항 비용이 점차 증가했습니다.
기존의 리튬 이온 배터리 에너지 밀도는 이미 이론적 한계에 가까워졌고, 리튬, 코발트, 니켈 등 원자재 가격 상승으로 리튬 이온 배터리 원가에 많은 압박이 가해졌습니다. 이러한 위기에 대처하기 위해서는 새로운 기술과 제품의 레이아웃이 유일한 선택입니다.
학계와 업계의 공동 노력으로 전고체 배터리, 리튬-공기 배터리 등 많은 새로운 기술이 시도되고 있습니다. 전고체 배터리, 리튬 공기 배터리 등 듀얼 이온 배터리 은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전하고 있으며 그 강점을 과소평가해서는 안 됩니다. 이 글에서는 듀얼 이온 배터리에 대한 이해와 연구 현황 및 발전 방향 등을 소개합니다.
목차
듀얼 이온 배터리란?
듀얼 이온 배터리(DIB)는 새로운 유형의 비용 효율적인 고전압 친환경 에너지 저장 장치로 많은 주목을 받고 있으며, 음이온과 양이온 시너지 산화 환원 에너지 저장 메커니즘으로 높은 전력과 에너지 밀도를 동시에 얻을 수 있으며 리튬 이온 배터리보다 안전성과 비용의 두 가지 장점을 가지고 있습니다.
리튬 이온 배터리에 비해 안전성과 비용이라는 두 가지 장점을 가지고 있으며, 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)에서 2020년 '10대 신흥 기술' 중 하나로 인정받았습니다.
이중 이온 배터리의 개념은 이중 탄소 배터리(DCB) 또는 이중 흑연 배터리(DGB)에서 개발되었으며 흑연 중간층 화합물(GIC) 연구에서 시작되었습니다. 이중 이온 배터리 시스템에서는 전기 화학 반응에 관여하는 이온이 하나도 없습니다.
이에 따라 리튬 이온 배터리에서는 양극과 음극 사이에는 단 하나의 이온, Li+만 이동하고 음극의 음이온은 리튬 이온 배터리 전해질 는 반응에 관여하지 않습니다. 이중 이온 배터리에서는 양이온뿐만 아니라 전해질에 음이온도 포함될 수 있으므로 이중 이온 배터리라는 이름이 붙었습니다.
듀얼 이온 배터리의 재료적 특징
이중 이온 배터리에 대한 초기 연구의 대부분은 흑연을 배터리의 음극과 양극 재료로 사용하는 흑연-흑연 배터리 시스템을 기반으로 했습니다.
음극재의 경우, 이중 이온 배터리 음극은 일반적으로 음이온 삽입/제거 과정을 통해 배터리 충전 및 방전을 실현하기 위해 흑연 기반 탄소 기반 소재를 채택합니다. 좋은 에너지 저장 재료인 흑연, 저렴하고 효과적인 에너지 저장 재료인 경질 탄소, 연질 탄소가 리튬 이온 배터리에 사용되었습니다, 나트륨 이온 배터리 및 기타 분야에서 산업화를 선도하고 있습니다.
전해질 측면에서 이중 이온 배터리 전해질은 이온 수송 매체로서의 역할 외에도 충전 및 방전 과정에서 활성 이온의 원천이 되므로 배터리 용량, 사이클 수명, 에너지 밀도 등과 같은 전기 화학적 성능에 중요한 영향을 미칩니다.
전해질 농도는 음이온 저장 거동에 영향을 미치며 고농도 전해질은 음이온 시작 임베딩 전위를 줄일 수 있지만 동역학은 상대적으로 느리고 저농도 전해질은 음이온 수송 동역학에 유리하지만 비 용량은 상대적으로 낮습니다.
따라서 연구자들은 흑연 음극층 사이에 전해질에 포함된 음이온의 저장 거동에 대한 체계적인 연구가 필요할 뿐만 아니라 양이온이 포함된 양극 물질과 전해질의 호환성을 고려하여 양극과 음극 에너지 저장에 모두 적합한 전해질 시스템을 구성해야 합니다.
양극 재료 측면에서 이중 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 양극 재료에는 주로 탄소 기반 재료, 전이 금속 산화물 / 황화물, 유기 음극 재료 및 합금 음극 재료가 포함됩니다. 특히, 높은 비 용량과 적당한 반응점의 장점을 가진 합금 음극은 서서히 사람들의 시야에 들어와 업계의 주목을 받고 있습니다.
합금 양극은 합금 원소 양극과 전해질의 금속 양이온 사이의 전기 화학적 합금 반응을 통해 작동합니다. 이러한 합금 양극 재료는 금속 양이온(예: AlLi)의 저장 능력이 우수하고 전기 전도도(예: Al)가 우수한 경향이 있습니다.
그러나 충전 및 방전 시 합금 음극의 급격한 부피 변화와 낮은 다중성 성능 및 사이클링 안정성은 실용화에 심각한 장애가 되어 학계와 산업계 모두에서 돌파구가 필요했습니다.
듀얼 이온 배터리 연구 현황
중국은 또한 이중 이온 배터리의 주요 영역에서 많은 연구를 수행했습니다. 예를 들어, 심천 첨단 기술 연구소가 대표하는 이중 이온 배터리 양극 연구에서 처음으로 양이온 합금 및 음이온 삽입 시너지 산화 환원 에너지 저장 새로운 메커니즘을 제시하고 새로운 알루미늄-흑연 이중 이온 배터리 시스템 구조를 완성하고 배터리 구조를 단순화하여 에너지 밀도, 승수 성능 및 안전성을 크게 향상 시켰습니다;
또한, SIAS 팀은 엠마와 듀얼 이온 배터리 및 기타 제품 및 기술에 대해 협력하고 아이디어를 교환하고 있으며 세부 설계 단계에 들어갔습니다.
쑨원대학교 얀싱빈 그룹이 대표하는 이중 이온 배터리 양극 연구에서는 탄소 기반 양극 재료의 미세 구조와 전자/이온 수송 특성의 영향 및 성능 조절 법칙 사이의 관계에 대한 체계적인 연구가 수행되었습니다.
이중 이온 배터리 전해질 연구와 관련하여 왕홍유가 이끄는 중국과학원(CAS) 창춘응용화학연구소의 왕홍유 그룹은 2016년 처음으로 높은 항산화 특성을 기반으로 한 시클로부탄설폰 전해질 시스템을 보고한 바 있습니다.
이중 이온 배터리 전극/전해질 계면 안정성 향상 측면에서 중국과학원 칭다오 바이오에너지 및 공정 연구소의 추이 광레이 박사 그룹은 처음으로 리튬 티타네이트를 사용하여 흑연 음극 표면 캡핑 레이어.
듀얼 이온 배터리의 산업화 적용
듀얼 이온 배터리 산업화 응용 분야에서 가장 먼저 듀얼 이온 배터리를 상용화한 국가인 일본은 파워 재팬 플러스 컴퍼니를 대표로 수많은 기업을 탄생시켰습니다. 최근 중국도 듀얼 이온 배터리의 산업화 과정을 시작하여 파일럿 R&D 및 양산 단계에 진입했습니다.
선전 첨단기술연구소(SATRI)와 그 인큐베이터인 선전 중커루이넝은 듀얼 이온 배터리 시범 연구 개발을 주도적으로 수행하여 지적 재산권의 완벽한 레이아웃을 형성하고 듀얼 이온 배터리 배터리 셀과 모듈의 시범 생산 라인을 완성했습니다.
단일 용량 20Ah, 에너지 밀도 160Wh/kg의 듀얼 이온 배터리 코어를 개발하여 승수 10C에서 8,000 사이클 동안 86.3%의 용량 유지율로 제3 기관의 테스트를 통과했으며, 60kWh 듀얼 이온 배터리 에너지 저장 시스템 적용 실증을 최초로 실현했습니다.
듀얼 이온 배터리의 개발 방향
이 단계에서 듀얼 이온 배터리는 부피 에너지 밀도 또는 무게 에너지 밀도 관점에서 모두 리튬 이온 배터리와 여전히 큰 격차가 있습니다.
주로 전해질 수요에 대한 이중 이온 배터리는 일반 리튬 이온 배터리보다 훨씬 높기 때문에 배터리 무게의 전해질이 전해질로 인한 에너지 밀도 감소의 큰 부분을 차지하고 전해질 양이 너무 많아서 현재 단계의 이중 이온 배터리가 리튬 이온 배터리보다 훨씬 높은 비용으로 이어지기 때문입니다.
한편, 전해질은 이중 이온 배터리의 유일한 활성 전하 운반체 공급원으로서 배터리 성능에 중요한 역할을 합니다. 따라서 충분한 이온 전도도와 우수한 전기화학적 안정성을 보장하는 좋은 전해질을 선택하는 것이 이중 이온 배터리 개발의 주요 방향입니다.
Lucky
안녕하세요, 저는 중국의 유명한 대학을 졸업하고 현재 주로 리튬 오토바이 배터리 및 배터리 교환 스테이션에 대한 기사 편집에 종사하고 있으며 다양한 산업을위한 배터리 교환 스테이션에 대한 서비스와 솔루션을 제공하기 위해 최선을 다하고있는 Lucky입니다.
듀얼 이온 배터리 연구 현황 및 발전 방향
전기 자동차의 급속한 발전과 함께 리튬 이온 배터리는 전기 사륜 자동차에 계속 등장하고 있습니다, 이륜 전기 자전거 그리고 전기 세발자전거그러나 고열의 시장에서도 위기가 조용히 나타나고 전기 자동차 주행 거리가 계속 증가하고 전력 배터리의 에너지 밀도, 요구 사항 비용이 점차 증가했습니다.
기존의 리튬 이온 배터리 에너지 밀도는 이미 이론적 한계에 가까워졌고, 리튬, 코발트, 니켈 등 원자재 가격 상승으로 리튬 이온 배터리 원가에 많은 압박이 가해졌습니다. 이러한 위기에 대처하기 위해서는 새로운 기술과 제품의 레이아웃이 유일한 선택입니다.
학계와 업계의 공동 노력으로 전고체 배터리, 리튬-공기 배터리 등 많은 새로운 기술이 시도되고 있습니다. 전고체 배터리, 리튬 공기 배터리 등 듀얼 이온 배터리 은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전하고 있으며 그 강점을 과소평가해서는 안 됩니다. 이 글에서는 듀얼 이온 배터리에 대한 이해와 연구 현황 및 발전 방향 등을 소개합니다.
듀얼 이온 배터리란?
듀얼 이온 배터리(DIB)는 새로운 유형의 비용 효율적인 고전압 친환경 에너지 저장 장치로 많은 주목을 받고 있으며, 음이온과 양이온 시너지 산화 환원 에너지 저장 메커니즘으로 높은 전력과 에너지 밀도를 동시에 얻을 수 있으며 리튬 이온 배터리보다 안전성과 비용의 두 가지 장점을 가지고 있습니다.
리튬 이온 배터리에 비해 안전성과 비용이라는 두 가지 장점을 가지고 있으며, 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)에서 2020년 '10대 신흥 기술' 중 하나로 인정받았습니다.
이중 이온 배터리의 개념은 이중 탄소 배터리(DCB) 또는 이중 흑연 배터리(DGB)에서 개발되었으며 흑연 중간층 화합물(GIC) 연구에서 시작되었습니다. 이중 이온 배터리 시스템에서는 전기 화학 반응에 관여하는 이온이 하나도 없습니다.
이에 따라 리튬 이온 배터리에서는 양극과 음극 사이에는 단 하나의 이온, Li+만 이동하고 음극의 음이온은 리튬 이온 배터리 전해질 는 반응에 관여하지 않습니다. 이중 이온 배터리에서는 양이온뿐만 아니라 전해질에 음이온도 포함될 수 있으므로 이중 이온 배터리라는 이름이 붙었습니다.
듀얼 이온 배터리의 재료적 특징
이중 이온 배터리에 대한 초기 연구의 대부분은 흑연을 배터리의 음극과 양극 재료로 사용하는 흑연-흑연 배터리 시스템을 기반으로 했습니다.
음극재의 경우, 이중 이온 배터리 음극은 일반적으로 음이온 삽입/제거 과정을 통해 배터리 충전 및 방전을 실현하기 위해 흑연 기반 탄소 기반 소재를 채택합니다. 좋은 에너지 저장 재료인 흑연, 저렴하고 효과적인 에너지 저장 재료인 경질 탄소, 연질 탄소가 리튬 이온 배터리에 사용되었습니다, 나트륨 이온 배터리 및 기타 분야에서 산업화를 선도하고 있습니다.
전해질 측면에서 이중 이온 배터리 전해질은 이온 수송 매체로서의 역할 외에도 충전 및 방전 과정에서 활성 이온의 원천이 되므로 배터리 용량, 사이클 수명, 에너지 밀도 등과 같은 전기 화학적 성능에 중요한 영향을 미칩니다.
전해질 농도는 음이온 저장 거동에 영향을 미치며 고농도 전해질은 음이온 시작 임베딩 전위를 줄일 수 있지만 동역학은 상대적으로 느리고 저농도 전해질은 음이온 수송 동역학에 유리하지만 비 용량은 상대적으로 낮습니다.
따라서 연구자들은 흑연 음극층 사이에 전해질에 포함된 음이온의 저장 거동에 대한 체계적인 연구가 필요할 뿐만 아니라 양이온이 포함된 양극 물질과 전해질의 호환성을 고려하여 양극과 음극 에너지 저장에 모두 적합한 전해질 시스템을 구성해야 합니다.
양극 재료 측면에서 이중 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 양극 재료에는 주로 탄소 기반 재료, 전이 금속 산화물 / 황화물, 유기 음극 재료 및 합금 음극 재료가 포함됩니다. 특히, 높은 비 용량과 적당한 반응점의 장점을 가진 합금 음극은 서서히 사람들의 시야에 들어와 업계의 주목을 받고 있습니다.
합금 양극은 합금 원소 양극과 전해질의 금속 양이온 사이의 전기 화학적 합금 반응을 통해 작동합니다. 이러한 합금 양극 재료는 금속 양이온(예: AlLi)의 저장 능력이 우수하고 전기 전도도(예: Al)가 우수한 경향이 있습니다.
그러나 충전 및 방전 시 합금 음극의 급격한 부피 변화와 낮은 다중성 성능 및 사이클링 안정성은 실용화에 심각한 장애가 되어 학계와 산업계 모두에서 돌파구가 필요했습니다.
듀얼 이온 배터리 연구 현황
중국은 또한 이중 이온 배터리의 주요 영역에서 많은 연구를 수행했습니다. 예를 들어, 심천 첨단 기술 연구소가 대표하는 이중 이온 배터리 양극 연구에서 처음으로 양이온 합금 및 음이온 삽입 시너지 산화 환원 에너지 저장 새로운 메커니즘을 제시하고 새로운 알루미늄-흑연 이중 이온 배터리 시스템 구조를 완성하고 배터리 구조를 단순화하여 에너지 밀도, 승수 성능 및 안전성을 크게 향상 시켰습니다;
또한, SIAS 팀은 엠마와 듀얼 이온 배터리 및 기타 제품 및 기술에 대해 협력하고 아이디어를 교환하고 있으며 세부 설계 단계에 들어갔습니다.
쑨원대학교 얀싱빈 그룹이 대표하는 이중 이온 배터리 양극 연구에서는 탄소 기반 양극 재료의 미세 구조와 전자/이온 수송 특성의 영향 및 성능 조절 법칙 사이의 관계에 대한 체계적인 연구가 수행되었습니다.
이중 이온 배터리 전해질 연구와 관련하여 왕홍유가 이끄는 중국과학원(CAS) 창춘응용화학연구소의 왕홍유 그룹은 2016년 처음으로 높은 항산화 특성을 기반으로 한 시클로부탄설폰 전해질 시스템을 보고한 바 있습니다.
이중 이온 배터리 전극/전해질 계면 안정성 향상 측면에서 중국과학원 칭다오 바이오에너지 및 공정 연구소의 추이 광레이 박사 그룹은 처음으로 리튬 티타네이트를 사용하여 흑연 음극 표면 캡핑 레이어.
듀얼 이온 배터리의 산업화 적용
듀얼 이온 배터리 산업화 응용 분야에서 가장 먼저 듀얼 이온 배터리를 상용화한 국가인 일본은 파워 재팬 플러스 컴퍼니를 대표로 수많은 기업을 탄생시켰습니다. 최근 중국도 듀얼 이온 배터리의 산업화 과정을 시작하여 파일럿 R&D 및 양산 단계에 진입했습니다.
선전 첨단기술연구소(SATRI)와 그 인큐베이터인 선전 중커루이넝은 듀얼 이온 배터리 시범 연구 개발을 주도적으로 수행하여 지적 재산권의 완벽한 레이아웃을 형성하고 듀얼 이온 배터리 배터리 셀과 모듈의 시범 생산 라인을 완성했습니다.
단일 용량 20Ah, 에너지 밀도 160Wh/kg의 듀얼 이온 배터리 코어를 개발하여 승수 10C에서 8,000 사이클 동안 86.3%의 용량 유지율로 제3 기관의 테스트를 통과했으며, 60kWh 듀얼 이온 배터리 에너지 저장 시스템 적용 실증을 최초로 실현했습니다.
듀얼 이온 배터리의 개발 방향
이 단계에서 듀얼 이온 배터리는 부피 에너지 밀도 또는 무게 에너지 밀도 관점에서 모두 리튬 이온 배터리와 여전히 큰 격차가 있습니다.
주로 전해질 수요에 대한 이중 이온 배터리는 일반 리튬 이온 배터리보다 훨씬 높기 때문에 배터리 무게의 전해질이 전해질로 인한 에너지 밀도 감소의 큰 부분을 차지하고 전해질 양이 너무 많아서 현재 단계의 이중 이온 배터리가 리튬 이온 배터리보다 훨씬 높은 비용으로 이어지기 때문입니다.
한편, 전해질은 이중 이온 배터리의 유일한 활성 전하 운반체 공급원으로서 배터리 성능에 중요한 역할을 합니다. 따라서 충분한 이온 전도도와 우수한 전기화학적 안정성을 보장하는 좋은 전해질을 선택하는 것이 이중 이온 배터리 개발의 주요 방향입니다.