[정보] 포르쉐 엔지니어, 리튬 이온 베스트 배터리 Today-Solid-State & 미래를 위한 새로운 전극 확인 세상과의 소통


포르쉐 엔지니어들은  입증된 리튬 이온 기술의 현재 상태와 새로운 접근법.

최신 차량 배터리는 이미 장거리 및 편리한 충전 시간을 가능하게 합니다.

그럼에도 불구하고 연구원들은 더 나은 에너지 저장 시스템을 연구하고 있습니다. 

포르쉐 엔지니어링은 검증된 리튬 이온 기술의 현재 상태와 새로운 접근 방식을 탐구합니다. 


오토 빌드의 테스터는 큰 감명을 받았습니다. 약 22분 만에 포르쉐 타이칸의 거의 빈 배터리를 80%로 충전할 수 있었습니다. 

포르쉐 엔지니어링 엔지니어 스테파니 에델버그 박사는 "특히 포르쉐의 경우 높은 충전 성능이 중요한 역할을 한다" 고 말한다. 
"스포티한 운전으로 배터리가 더 빨리 소모되고 고객은 배터리를 완전히 충전하기 위해 한 시간을 기다릴 필요가 없습니다."

"그러나 몇 가지 극단적인 속성을 결합할 수 없습니다. 한 번에 모든 것을 가질 수 없습니다." 고에너지 밀도와 결합된 초고속 충전과 서비스 수명 이 조합으로 인해 고통받을 것이기 때문에 불가능합니다. 

따라서 Sauer는 일반적으로 단일 매개 변수가 다른 사람의 비용으로 최적화되어 있기 때문에 기적의 배터리로 간주되는 언론 보도에 대해 회의적입니다. "보편적인 만능 배터리는 없을 것입니다.

리튬 이온 셀: 고에너지 밀도

전기 자동차용 에너지 저장 시스템은 항상 개선되고 있지만 리튬 이온 셀은 당분간 선택의 기술로 남을 것입니다. 
이는 리튬의 반응성과 세포의 높은 에너지 밀도가 작은 공간에 상대적으로 많은 양의 에너지를 저장할 수 있기 때문이다. 

또한 뛰어난 견고성과 견고성을 자랑하며, 이는 유틸리티를 잃기 전에 고심방비에서 전기차에서 약 2,000회 충전 사이클을 견딜 수 있습니다. 그러나 개발자는 여러 번 오래 지속될 수 있다고 믿습니다. 또한 리튬 배터리는 니켈 카드뮴 배터리가 앓고 있는 메모리 효과가 없습니다. 

또한 리튬 이온 기술은 여전히 세포 화학 및 세포 설계 측면에서 풍부한 개발 기회를 제공합니다. 

예를 들어, 에너지 밀도는 이점의 이점을 누릴 수 있습니다: 시스템 및 혁신 연구(ISI)를 위한 Fraunhofer 연구소의 연구원에 따르면, 에너지 밀도는 전기 자동차를 위한 대형 리튬 이온 배터리 셀에서 지난 10년 동안 거의 두 배로 증가했습니다 – 250 Wh/kg(또는 500 Wh/l 에너지 밀도)의 평균 특정 에너지로. 2030년까지 에너지 밀도는 2배 증가할 수 있습니다.

리튬 이온 세포의 다른 특성도 더 개선 될 수있다. 헬름홀츠 연구소의 배터리 전기화학 연구 그룹 이사인 스테파노 파세리니(Stefano Passerini) 교수는 "가장 큰 과제는 빠른 충전과 안전이다" 라고 말합니다. 

"15분 이내에 80%의 빠른 충전으로 전기 자동차가 더욱 매력적으로 만들 수 있습니다. 그러나 신속한 충전과 콘 접합에서도 안전 요구 사항이 증가하고 있습니다."

배터리의 용량과 성능은 지나치게 빠른 충전으로 감소합니다.

리튬 원자가 충전 중에 전극의 탄소 결정으로 이동하기 때문에 급속 충전은 과제입니다. 방전 시 거기에서 검색됩니다. 

"배터리가 충전될수록 충전 운반대가 결정 표면에 달라붙어 금속 층을 형성하여 셀이 손상될 위험이 커집니다." 따라서 각 급속 충전으로 용량과 전력이 감소합니다. 극단적인 경우 단락이 발생할 수 있습니다. 

"불행히도'너무 빠르다'는 것이 정확히 의미하는 바를 말하는 것은 쉽지 않습니다. "실험실에서 이를 감지하는 방법에 대한 집중적인 연구, 무엇보다도 차량 자체에서 많은 곳에서 진행되고 있습니다."

리튬 이온 배터리를 충전 및 배출: 리튬 이온 배터리에서 음극(일반적으로 흑연으로 제작) 및 양극(일반적으로 전이 금속 층 산화물로 만든)은 분리기로 나뉩니다. 양전하 리튬 이온은 양방향으로 자유롭게 통과할 수 있습니다. 

배출시 전자는 외부 회로를 통해 양극에서 음극으로 흐르고 동시에 양전하 리튬 이온도 분리기를 통과하여 음극 구조로 이동합니다. 충전 하는 동안, 외부 전압 다시 음극의 방향으로 리튬 이온을 구동. 리튬은 주기적인 테이블에서 가장 가벼운 금속이 
세 전자 중 하나를 포기하는 데 매우 촉각을 곤두 세우고 있기 때문에 배터리에 특히 적합합니다.

동시에, 그들의 높은 반응성 또한 쉽게 화학 결합을 형성 하는 리튬 원자 결과. 이를 방지하기 위해 배터리 내부의 공기와 물으로부터 보호되어야 합니다.


다른 기술적 장애물도 개발자를 기다리고 있습니다: 충전 플러그, 충전 케이블 및 차량 인프라도 높은 전류를 위해 설계되어야 합니다. 여기에 모토는 "암페레스가 무겁다"입니다. 다른 말로: 높은 전류는 두꺼운 케이블을 의미

그러나 고전압 배터리 시스템을 통해 보상할 수 있습니다. 포르쉐 타이칸은 전기자동차에서 흔히 볼 수 있는 
400볼트 대신 800볼트의 고전압 배터리 시스템을 장착했습니다. 

2020년 포르쉐 AG교수 스테파노 파세리니(Stefano Passerini) 박사는 헬름홀츠 연구소 울름(HIU)의 배터리 전기화학 연구 그룹
 이사입니다. 그의 팀은 배터리뿐만 아니라 자원, 환경 및 경제의 지속 가능한 사용을 연구합니다.

전기 자동차의 충전 시간을 배터리 용량과 비교하기 위해 C-rate(C는 "용량"을 의미)는 유용한 지표입니다. 암페어(A)에서 전기화학적 세포의 전하 또는 방전 전류의 비율을 암페어시간(Ah)에서 세포의 용량으로 나타낸다. 값이 1이라는 것은 완전한 재충전이 1시간이 걸린다는 것을 의미합니다. 2는 반 시간 동안, 20 분 동안 3 을 의미합니다.

개발자는 10의 C 속도를 목표로하고 있으며, 이는 급유와 유사한 약 6 분의 충전 시간을 의미합니다. 

우리는 여전히 오늘과 는 거리가 멀다. 그러나 패스트차지 연구 프로젝트에서 지멘스, 피닉스 컨택트 E-모빌리티, 포르쉐 등은 전기자동차의 에너지 공급 시스템 개선에 힘쓰고 있다. 산업 컨소시엄은 이미 큰 진전을 이루었습니다. 

약 90kWh의 배터리 용량을 갖춘 포르쉐 연구 차량은 400kW의 충전 용량을 달성하여 처음 100km 범위에서 3분 미만의 충전 시간을 가능하게 했습니다. 초고속 충전소에서 10~80%의 완벽한 충전 공정이 15분이 걸렸습니다. 따라서 4~5의 C 요금이 가능합니다.

 "결정적인 요인은 배터리, 차량 및 충전 시스템을 위한 혁신적인 냉각 시스템이었습니다."

솔리드 스테이트 배터리는 빠른 충전 및 안전 측면에서 진전을 가져올 것으로 예상됩니다. 이 경우, 중합체 또는 세라믹은 액체 전해질 대신에 사용된다. 액체가 사용되지 않으므로 배터리가 더 컴팩트해져 에너지 밀도가 크게 증가합니다. 동시에, 세포는 덜 인화성이다.

"고체 상태 전해질이 발사되기 쉽기 때문에 솔리드 스테이트 리튬 이온 배터리가 안전 문제를 줄일 것으로 예상됩니다." 이론적으로는 더 빨리 충전될 수도 있습니다. "그러나 실질적인 타당성은 아직 입증되지 않았습니다." 파세리니는 결론을 내린다.

경량 대체: 유황 리튬

그러나 리튬은 현재 집중적으로 연구되고있는 다른 변형뿐만 아니라 리튬 유황 배터리의 기초가 될 것입니다. 

이러한 세포에서 음극은 코발트, 망간 및 니켈의 종래의 그리드 구조를 완전히 대체하는 유황 메쉬로 구성됩니다. 따라서 기존 에너지 저장 장치보다 배터리가 훨씬 가볍습니다. 그러나 현재 그들은 또한 훨씬 더 비싸다, 

그래서 그들은 미래의 항공 택시에 대한 옵션으로 더 적합 할 수 있습니다. 그들의 내구성은 여전히 문제가있는 것으로 간주됩니다.

현재 연구 중이며 향후 몇 년 동안 출시될 수 있는 에너지 밀도를 높이기 위한 다른 기술로는 실리콘 탄소 복합재료로 만들어진 전극 재료, 니켈이 풍부한 음극 재료 또는 약 5볼트의 셀 전압을 가능하게 하는 고전압 재료가 포함됩니다. 

"이 지역에 있는 연구는 이미 실제적인 응용에 가깝습니다," Sauer는 말합니다. 그러나 다른 많은 접근법은 리튬 이온 이나 금속 산소 조합 대신 나트륨 이온과 같은 기본 연구 분야에서 여전히 있었습니다.


리튬 이온 배터리의 생산 능력, 2020,

리튬 이온 배터리의 포르쉐 AG 생산 용량: 중국은 리튬 이온 배터리의 가장 큰 생산 능력을 가지고 있지만, 특히 일부 거리, 유럽, 독일은 따라 잡기. 10년 말까지 연간 413.5GWh와 173GWh의 공장이 가동될 예정입니다.

Sauer는 모든 개발 방법, 즉 비용에 대한 하나의 결정적인 질문을 봅니다. 

"결국, 차량의 범위는 배터리의 무게에 의해 제한되지 않습니다, 하지만 가격에 의해." Horváth & Partners의 컨설턴트에 따르면 kWh당 리튬 이온 배터리가격은 2013년 400유로에서 2019년 107유로로 떨어졌지만 수요 증가로 인해 가격 하락은 이 속도로 계속되지 않을 것입니다. 이것은 주로 원료 에 기인한다: "원료는 배터리 비용의 최대 75 %를 차지,"Sauer는 말한다.

한 가지 분명한 사실은 향후 10년 동안 리튬 이온 배터리가 더욱 향상된 기능을 갖춘 기술이 지배적인 기술로 남을 것입니다. "진보는 혁명적이지 않고 진화할 것입니다." 사우어는 말한다. "우리가 말하는 것처럼 자연의 법칙의 한계가 이미 조사되고 있기 때문에 앞으로 큰 도약을 기대하지 않습니다." "이 기술의 특성이 너무 좋아서 다른 것으로 대체될 수 없습니다. 전기 이동성은 이미 오늘날 배터리가 제공할 수 있는 것과 향후 몇 년 동안 추가 개발 가능성과 매우 잘 작동하고 있습니다."
개요

오늘날 리튬 이온 배터리는 이미 전기 구동 차량에 대해 장거리 및 짧은 충전 시간을 제공합니다. 그러나 개발은 여전히 빠르게 진행되고 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리 및 새로운 전극 재료와 같은 새로운 기술은 향후 에너지 밀도를 더욱 높이고 충전 시간을 더욱 줄일 수 있습니다.



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