자체 가열 리튬 이온 배터리는 -42°C에서도 빠르게 충전되어 4,500회 사이클 및 12년 수명을 제공합니다.

• 새 자체 발열 배터리는 -42°C의 낮은 온도에서도 15분 안에 충전할 수 있습니다. 
• 단 20%의 용량 손실로 4,500회 충전 주기를 견딜 수 있습니다. 
• 이는 배터리 수명 주기 12년 또는 전기 자동차 수명 280,000마일에 해당합니다.

대형 자동차 제조사들 사이에서 고속 충전소의 전력과 수를 늘리기 위한 흥미진진한 경쟁이 진행되고 있습니다. 2017년 다임러, 폭스바겐, 포드, BMW는 2020년 말까지 유럽 전역에 400개의 '초고속' 충전소를 구축하기 위해 합작회사를 설립했습니다. 한편, 혼다는 2022년까지 15분 고속 충전 기능을 갖춘 전기 자동차를 출시할 계획입니다.

2018년 5월, 미국 에너지부는 충전 전력을 400kW까지 높이기 위한 첨단 배터리 및 전기화 연구를 지원하기 위해 1,900만 달러의 자금 지원을 발표했습니다.

기존 전기 자동차는 리튬 도금 위험을 증가시키기 때문에 극한의 저온 조건에서 고속 충전을 견딜 수 없습니다. 즉, 충전 중 양극 주위에 금속 리튬이 형성되어 시간이 지남에 따라 배터리가 오작동할 수 있습니다.

기존 리튬 배터리는 10°C 이하에서는 급속 충전이 불가능합니다. 이러한 배터리를 어는점 이하에서 충전하면 영구적인 용량 손실이 발생하고 내부 저항이 증가합니다.

이제 펜실베이니아 주립대학교 연구진은 외부 온도에 관계없이 리튬 도금 없이 고속 충전이 가능한 자체 발열 배터리를 개발했습니다.

이 배터리는 15분 만에 전기 자동차를 재충전할 수 있으며 이는 휘발유를 재충전하는 것과 거의 같습니다. 이는 추운 지역에 사는 사람들에게 큰 안도감을 줄 수 있습니다. 충전소가 넓게 설치되어 있다는 점을 고려하면 소유자는 차량 주행 거리에 대한 불안감을 버리고 더 먼 거리를 걱정 없이 이동할 수 있습니다.

이전에 과학자들은 자체 발열로 인해 영하 온도 이하에서 전력 소모가 발생하지 않는 배터리 시스템을 구축했습니다. 이제 동일한 기술이 적용되어 -42°C의 저온을 포함한 모든 기상 조건에서 배터리를 빠르게(15분 만에) 충전할 수 있습니다.

어떻게 작동하나요?

새로 설계된 배터리에는 한쪽 끝이 셀의 음극 단자로 연결되고 다른 쪽 끝은 외부로 확장되어 세 번째 단자를 만드는 얇은 니켈 호일이 있습니다. 회로를 완성하려면 온도가 20°C 미만일 때 니켈 호일을 통해 전자가 흐르도록 하는 온도 센서에 스위치가 부착되어 있습니다.

전자의 흐름으로 인해 니켈 포일에 저항 발열이 발생하여 궁극적으로 배터리 내부 온도가 상승합니다. 온도가 올라가면(20°C 이상) 스위치가 열리고 전류가 배터리로 흘러들어 빠르게 충전됩니다.

자체 발열 배터리 | 출처:왕차오양 / Penn State

참조:PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 | 펜 스테이트

배터리는 이 모든 작업을 자체적으로 수행합니다. 사람의 개입이 필요하지 않습니다. 게다가 기존 충전소를 변경할 필요도 없습니다. 가열과 충전 사이의 전환은 충전기가 아닌 셀 내에서 이루어집니다.

테스트

프로토타입 테스트 결과는 인상적이었습니다. 연구원들은 배터리가 12년 또는 전기 자동차 수명의 280,000마일 이상에 해당하는 놀라운 사이클 수명을 가지고 있음을 발견했습니다. 특히 배터리는 0°C에서 용량 손실이 20%에 불과하면서 4,500회의 고속 충전(15분)을 견딜 수 있었습니다.

반면 기존 배터리는 영하의 온도에서 단 50번의 충전 주기에도 20%의 용량이 손실될 수 있습니다. 이는 리튬 이온이 탄소 양극과 효율적으로 병합되는 대신 금속 리튬(과잉)이 양극 표면에 침전되기 때문에 발생합니다. 현재로서는 10°C 이하에서 이를 방지할 수 있는 유일한 방법은 완속 충전뿐입니다.

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연구원들에 따르면, 그들의 새로운 방법은 배터리 과학에서 방전과 전하 역학을 분리하고 새로운 재료나 화학 물질을 요구하지 않고도 충전을 향상시키는 방법을 제공합니다. 게다가 온도 걱정 없이 더욱 발전된 배터리 소재를 만들 수 있는 플랫폼도 제공한다.

애플리케이션 측면에서 이 기술은 자동차 제조업체가 더 작고 가벼운 배터리를 사용하는 데 도움이 될 것입니다. 또한 실외 로봇, 전천후 스마트폰, 드론, 높은 고도에서 작동하는 초소형 위성 등 다양한 전자 장치와 장치를 사용할 수 있습니다.