전기 자동차 혁명을 일으킬 새로운 자동차 배터리

전기차용 배터리에 혁명이 일어나고 있습니다. 일본 자동차 제조업체인 도요타는 액체 성분을 고체로 바꾸는 배터리 유형을 사용하여 2027~28년에 1,000킬로미터를 주행하고 10분 만에 충전할 수 있는 자동차를 출시하는 것이 목표라고 작년에 밝혔습니다. 중국 제조업체들은 오늘날 최고의 전기 자동차(EV)를 구동하는 리튬이 아니라 지각에서 가장 풍부한 원소 중 하나인 값싼 나트륨을 기반으로 하는 배터리를 탑재한 2024년형 저가형 자동차를 발표했습니다. 그리고 미국의 한 연구소는 부분적으로 에어1에서 작동하며 비행기에 동력을 공급하기에 충분한 에너지를 담을 수 있는 꿈의 전지로 세계를 놀라게 했습니다.

이러한 발표와 기타 여러 소식은 수십 년 동안 전기차를 지배해 온 기존 리튬 이온 배터리의 대안 설계에 의존하고 있습니다. 연구자들은 리튬 이온 배터리를 이기기 어렵지만, 곧 다양한 옵션이 시장의 틈새를 채울 것으로 예상합니다. 일부는 매우 저렴하고 다른 일부는 훨씬 더 많은 전력을 제공합니다. 버클리 캘리포니아 대학교의 재료 과학자인 거브랜드 세더는 "시장이 다변화될 것"이라고 말했습니다.

자동차 시장이 급성장하면서 더 나은 자동차 배터리를 찾는 경쟁이 치열해지고 있습니다. 12개 이상의 국가에서 2035년 또는 그 이전에 모든 신차를 전기자동차로 전환하겠다고 선언했습니다. 국제에너지기구는 전 세계 도로 위의 전기차 운행 대수가 2021년 1,650만 대에서 2030년에는 3억 5천만 대에 육박할 것으로 전망하며(go.nature.com/42mpkqy 참조), 2050년에는 전기차 배터리의 에너지 수요가 2020년의 90배에 달하는 14테라와트시(TWh)에 이를 것으로 예상하고 있습니다.

자동차 배터리에는 까다로운 요구 사항이 있습니다. 자동차가 한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있도록 가능한 한 적은 재료와 무게에 많은 에너지를 담아야 합니다. 가속을 위한 충분한 전력을 공급하고, 빠르게 충전하며, 수명이 길어야 하고(일반적인 표준은 1,000회 완전 충전 사이클을 견뎌야 하며, 이는 소비자가 10~20년 동안 사용할 수 있어야 함), 넓은 온도 범위에서 잘 작동하고, 안전하고 저렴해야 합니다. 캐나다 워털루 대학교의 배터리 연구원 린다 나자르는 "이 모든 것을 한꺼번에 최적화하기는 매우 어렵습니다."라고 설명했습니다.

따라서 연구자들은 다양한 목표를 염두에 두고 수많은 옵션을 추구하고 있습니다. 2017년에 시작된 미국 에너지부(DoE)의 배터리500 프로그램은 현재 최고 제품 대비 65% 향상된 킬로그램당 500와트시(Wh kg-1)의 셀 에너지 밀도를 목표로 하고 있습니다. 작년에 미국 고등연구계획국-에너지에서 시작한 PROPEL-1K 프로그램은 장기적으로 1,000Wh kg-1을 목표로 야심차게 추진하고 있습니다. 비용과 관련하여 미국 에너지부의 차량 기술 사무소는 2030년까지 킬로와트시당 60달러를 목표로 하고 있으며, 이는 현재 가격의 절반 수준으로 전기 자동차의 가격이 가솔린 엔진으로 구동되는 자동차의 가격과 같아질 것으로 예상하고 있습니다.

연구에 따르면 모든 배터리 유형에서 에너지 밀도가 점점 더 높아지고 있으며, 그 가능성도 매우 높아지고 있다. 하지만 가격 및 기타 성능 측면에서 약간의 트레이드오프가 있을 수 있다.

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현 상황을 정확히 파악하기는 어렵습니다. 아직 출시되지 않은 배터리나 자동차에 대한 상업적 발표는 때때로 한 가지 지표를 다른 지표보다 강조하는 경우가 있고, 독자적인 주장들은 실제 자동차에서 수년간 배터리를 테스트하기 전까지는 확인이 불가능할 수도 있습니다. 하지만 나자르는 전고체 및 나트륨 배터리와 같은 변형 배터리에 대한 수십 년간의 연구가 마침내 결실을 맺고 있는 것은 분명하다고 말합니다. 먼 미래에 관해서는 많은 배터리 화학이 여전히 매력적인 가능성으로 남아 있습니다. "이제 모든 사람이 배터리 개발이 정말 중요하다는 것을 인정했고, 모두가 배터리 개발을 위해 스스로에게 도전하고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.

전극의 진화

배터리는 전자가 외부 회로로 흐르는 동안 중간 물질(전해질)을 통해 충전된 이온을 한쪽(양극)에서 다른 쪽(음극)으로 이동시키는 방식으로 작동하는 화학적 샌드위치와 같습니다. 배터리를 재충전한다는 것은 이온을 양극으로 되돌려 보내는 것을 의미합니다('배터리 작동 원리' 참조).

기존의 리튬 이온 배터리는 몇 가지 공통된 특징과 재료를 공유한다. 리튬 이온은 양극에서 전해질을 통해 음극으로 이동하고, 재충전 중에는 다시 양극으로 이동한다. 연구자들은 여기에 제시된 6가지 옵션을 포함하여 배터리 설계를 개선할 수 있는 방법을 모색하고 있다.

오늘날 대부분의 전기차는 리튬 이온 배터리로 작동합니다. 리튬은 주기율표에서 세 번째로 가벼운 원소이며 반응성이 있는 외부 전자를 가지고 있어 이온이 훌륭한 에너지 운반체 역할을 합니다. 리튬 이온은 일반적으로 흑연으로 만든 양극과 금속 산화물로 만든 음극 사이를 이동하며, 두 전극은 원자 층 사이에 리튬 이온을 수용합니다. 전해질은 일반적으로 유기 액체입니다.

리튬 이온 배터리는 1991년 첫 상용 제품 출시 이후 셀 에너지 밀도가 3배 가까이 증가한 반면 가격은 크게 하락하는 등 많은 발전을 이루었습니다. "리튬 이온은 강력한 경쟁자입니다."라고 세더는 말했습니다. 그리고 개선의 여지가 더 많기 때문에 리튬 이온이 오랫동안 왕좌를 차지할 것이라는 의견도 있습니다. 2009년부터 2015년까지 IBM 리서치의 배터리 프로젝트를 이끌다가 최근 은퇴한 캘리포니아주 로스 알토스의 과학자 윈프리드 윌케는 "리튬 이온은 충분히 좋은 기술이기 때문에 수십 년 동안 전기 자동차의 동력이 될 것이라고 생각합니다."라고 말했습니다.

지금까지 리튬 이온의 개선은 대부분 음극 소재의 변화에서 비롯되었으며, 그 결과 여러 가지 상용 셀 유형이 탄생했습니다. 노트북에 널리 사용되는 리튬 코발트 산화물은 상대적으로 가볍지만 배터리가 비쌉니다. 많은 자동차에 사용되는 다른 배터리는 니켈과 코발트에 알루미늄 또는 망간을 안정제로 혼합하여 사용합니다(NCA 및 NCM). 그리고 값비싼 코발트와 니켈 없이도 작동하지만 에너지 밀도가 상대적으로 낮은 리튬인산철(LFP)이 있습니다('리튬 이온 배터리 유형' 참조). LFP의 가격은 매력적이어서 많은 연구자와 기업이 이를 개선하기 위해 노력하고 있으며, 특히 미국 전기차 제조업체인 테슬라는 2021년에 자사의 중급형 자동차를 LFP 배터리로 교체하기로 결정했습니다.

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음극에 더 많은 개선의 여지가 있습니다. NCM 배터리에서 연구자들은 더 높은 에너지 밀도를 제공하는 니켈을 선호하여 더 비싼 코발트를 줄여나가고 있습니다. 이러한 과정을 통해 80% 니켈을 사용한 상용 NCM811 배터리 음극이 개발되었으며, 현재 연구자들은 90% 니켈을 사용한 NCM955를 연구하고 있습니다.

한편 양극에서는 흑연을 무게당 10배 더 많은 리튬 원자를 저장할 수 있는 실리콘으로 교체하는 것이 일반적인 옵션 중 하나입니다. 문제는 실리콘은 충전-방전 주기 동안 약 300%까지 팽창 및 수축하여 배터리에 구조적 부담을 주고 수명을 제한한다는 것입니다.

실리콘 음극보다 더 좋은 것은 리튬 자체입니다. 버지니아주 알링턴에 있는 DoE의 차량 기술 사무소의 화학 엔지니어 브라이언 커닝햄은 "낭비되는 재료가 전혀 없습니다."라고 말합니다. 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 리튬 이온이 층 사이에 들어갈 때까지 기다릴 필요가 없기 때문에 충전 속도가 빨라집니다(기술적으로는 리튬 이온 배터리가 아닌 리튬-금속으로 설계가 변경됩니다). 하지만 이 전략의 가장 큰 문제점은 재충전 중에 리튬이 양극에 고르지 않게 재축적되는 경향이 있으며, 덴드라이트라고 하는 덩굴손을 형성하는 핫스팟이 생겨 전해질을 통과하여 배터리를 단락시킬 수 있다는 것입니다.

더 나은 전극을 가진 리튬 기반 배터리는 이론적으로는 엄청난 에너지 밀도를 달성할 수 있지만, 셀 수명이나 안전성 측면에서 종종 상충되는 부분이 있습니다. 작년에 중국의 한 연구 그룹은 실험실에서 리튬 금속 양극(및 리튬이 풍부한 음극의 일종)을 사용한 셀이 700Wh kg-1 이상을 기록했다고 보고했습니다. 이 그룹의 스타트업 회사인 베이징의 WeLion New Energy는 다른 옵션과 함께 이 배터리의 개발 및 상용화를 목표로 하고 있습니다. 높은 에너지 밀도를 제공하는 또 다른 야심 찬 아이디어는 리튬-금속 양극과 황 음극을 갖춘 리튬 황(LiS) 배터리입니다. 그러나 유황은 리튬과 반응하여 양극에 침전되어 배터리를 죽일 수 있는 용해성 생성물을 만듭니다. 세더는 "리튬이온 배터리는 30년 동안 시도되어 왔지만 여전히 큰 과제를 안고 있다"라고 말했습니다.

더 나은 전극을 가진 배터리가 이러한 문제를 겪고 있는 가운데, 많은 사람들이 액체 전해질을 고체로 교체하는 것이 가장 매력적인 해결책이라고 말합니다.

고체 아이디어

고체 배터리의 아이디어는 리튬 이온의 통과를 수용하지만 수상 돌기 형성을 막는 데 도움이 되는 세라믹 또는 고체 폴리머를 전해질로 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 에너지 밀도의 이점과 함께 완전 리튬 양극을 더 쉽게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 인화성 유기 액체를 제거하면 화재를 일으킬 수 있는 위험 요소도 제거할 수 있습니다. 나자르는 고체 배터리의 셀 구조는 액체 기반 셀보다 더 간단하다고 말합니다. 그리고 이론적으로 고체 배터리는 저온(추울 때 점성이 높아지는 액체가 없기 때문에)과 고온(뜨거울 때 전극과의 인터페이스가 크게 손상되지 않기 때문에) 모두에서 더 잘 작동합니다.

하지만 레이어 사이에 매끄럽고 완벽한 인터페이스를 만드는 방법에 대한 도전 과제가 있습니다. 또한 고체를 통한 이온의 이동은 액체보다 느리기 때문에 전력이 제한되는 경향이 있습니다. 그리고 전고체 배터리는 완전히 새로운 제조 공정이 필요합니다. "우리가 보기에 고체 배터리는 더 비쌀 것입니다."라고 세더는 말했습니다.

"솔리드 스테이트는 큰 미래를 가지고 있습니다. 의심의 여지가 없습니다. 하지만 이를 실현하는 것은 정말 어렵습니다."라고 윌케는 말합니다.

일부 배터리 회사는 전고체 전지로 나아가고 있습니다. 예를 들어, 콜로라도주 루이빌에 위치한 솔리드 파워(자동차 제조업체인 BMW 및 Ford와 제휴)는 실리콘 기반 음극을 갖춘 전고체 전지를 파일럿 규모로 생산하기 시작했으며, 캘리포니아에 위치한 퀀텀스케이프(폭스바겐 등 제조업체와 계약을 체결한)는 리튬 음극의 장점을 살리면서 무게는 훨씬 가볍고 음극이 없는 전고체 전지를 보유하고 있습니다. 리튬 금속이 양극 쪽에 모여 있지만, 애초에 리튬 플레이트가 필요하지 않습니다. 이러한 배터리 세부 사항 중 일부는 독점적입니다. 퀀텀스케이프는 일부 프로토타입 성능 데이터를 공개했지만, 전해질이 무엇으로 만들어졌는지 또는 첫 번째 상용 제품의 에너지 밀도가 얼마인지는 밝히지 않았습니다. 일반적으로 전고체 배터리의 높은 에너지 밀도는 "오늘날 어떤 종류의 상업적 규모에서도 입증되지 않았다"라고 세더는 말했습니다.

퀀텀스케이프 단층 전고체 파우치 셀.

전고체 배터리로 구동되는 실제 자동차의 시대가 머지않은 것처럼 보입니다. 예를 들어, 2020년대 초에 상용화를 목표로 했던 도요타의 당초 목표는 2020년대 후반으로 미뤄졌습니다. 세더는 배터리와 관련하여 "지난 10년 동안 도요타가 많은 말을 했지만 실현된 것은 하나도 없다"라고 경고합니다. 하지만 나자르는 일반적으로 그 시기가 현실적이라고 생각합니다. "특히 야심찬 중국 기업들이 이 분야에 뛰어들고 있다는 점을 감안하면 2025년에는 일부 셀의 시장 침투가 있을 것으로 예상됩니다."라고 그녀는 말합니다. 여기에는 닝더에 본사를 둔 세계 최대 배터리 제조업체인 CATL(Contemporary Amperex Technology)이 포함됩니다.

한편, 많은 연구자들이 고체 상태를 개선하기 위한 방법을 모색하고 있습니다. 독일 뮌헨 공과대학교의 화학자 제니퍼 루프는 뮌헨에 세라믹 전해질을 일반적인 1,000°C의 절반 온도에서 제조하는 QKera라는 회사를 설립했습니다. 이는 제조 공정에 사용되는 용광로에서 발생하는 이산화탄소 배출을 제한하고 전해질을 음극에 결합하는 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 나자르는 또 다른 유망한 분야로 고체 배터리를 위한 새로운 종류의 옥시할라이드 전해질을 꼽습니다. 이들 중 일부는 '끈적끈적'하고 유연성이 뛰어나 제조가 용이하고 균열에 덜 취약할 것으로 보입니다. 또한 일부는 전도성이 매우 높아 리튬 이온이 고체가 아닌 액체를 통과하듯 통과할 수 있어 전력 이점이 있습니다. 커닝햄은 다른 기업들도 고체 버전의 리튬이온을 개발하고 있다고 말합니다.

이 고체 상태의 무지개 끝에 있는 이 '황금의 항아리' 배터리는 리튬-공기 디자인이라고 말하는 사람들이 많습니다. 이러한 종류의 배터리는 리튬-금속 양극을 사용하고 음극은 리튬이 공기에서 끌어당겨졌다가 배터리가 재충전될 때 다시 방출되는 산소와 결합하는 것을 기반으로 합니다. 핵심 음극 성분이 배터리에 저장되지 않기 때문에 이 설계는 킬로그램당 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 하지만 이 아이디어는 오랫동안 추측성 아이디어로 여겨져 왔습니다. 나자르는 "제 동료들 중 일부는 이를 동화 속 화학이라고 부르기도 합니다."라고 말합니다.

일리노이주 레몬트에 있는 아르곤 국립연구소의 재료 과학자 래리 커티스(Larry Curtiss)와 그의 동료들은 2023년에 실험실에서 1,000회 이상 테스트한 고체 상태의 실험용 리튬 공기 배터리를 보여주는 놀라운 논문을 발표하여 화제가 되었습니다. 연구팀은 동전 크기의 테스트 셀이 약 685Wh kg-1에서 작동하며, 현재 리튬 이온으로 달성할 수 있는 에너지 밀도의 4배인 1,200Wh kg-1에 도달할 수 있고 자동차의 휘발유와 거의 비슷할 것이라고 말합니다. 이 실험 시스템은 연구팀도 놀랄 만큼 새로운 화학 원리를 사용하여 작동합니다. 일반적으로 액체 전해질을 사용하는 이전의 리튬-공기 배터리 프로젝트는 음극에 산소 분자당 하나 또는 두 개의 전자를 저장하는 초과산화리튬(LiO2) 또는 과산화리튬(Li2O2)을 만들었습니다. 새로운 전지는 대신 4개를 저장할 수 있는 리튬 산화물(Li2O)을 만듭니다. 이러한 추가 전자는 더 높은 에너지 밀도를 의미하며, 시스템은 이전보다 훨씬 더 안정적이므로 배터리 수명이 더 길어질 것으로 보입니다.

중국 난징의 한 작업장에서 직원이 전기차 배터리 시스템을 작업하고 있다. Credit: Xu Congjun/VCG/Getty

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"그들이 한 일은 믿을 수 없을 정도입니다."라고 윌케는 말합니다. "그들은 습기와 이산화탄소, 그리고 여과되지 않은 공기에서 발견되는 다른 모든 쓰레기가 포함된 일반 더러운 공기를 사용할 수 있습니다. 문제 없습니다."라고 윌케는 말합니다. 그러나 많은 사람들은 너무 흥분하기 전에 이러한 노력이 재현되는 것을 보고 싶다고 말합니다. 훌륭한 에너지 저장 시스템이지만 실제로 어떻게 작동할지, 예를 들어 공기를 어떻게 들여보내고 내보낼 수 있는지, 더 크게 만들고 더 높은 전류로 작동하도록 만들 수 있는지 여부는 불분명합니다. 커닝햄은 "리튬 황보다 훨씬 더 오랜 시간이 걸릴 것"이라고 말합니다.

커티스는 에너지 밀도가 높은 항공 분야를 이 기술을 가장 잘 적용할 수 있는 분야로 생각하고 있다고 말합니다. 윌케도 동의합니다. 특히 '하늘을 나는 택시'로 사용될 것으로 예상되는 전기 수직 이착륙 비행체에 대해 낙관적인 전망을 내놓은 윌케는 에너지 밀도가 "항공기에 있어 매우 중요한 요소"라고 말합니다. 공상 과학 소설처럼 들리겠지만, 2023년 10월 중국에서 전기 에어택시가 조종사 없이도 비행할 수 있는 허가를 받았으며, 여러 회사에서 리튬 이온 배터리로 수백 킬로미터를 갈 수 있는 비행체를 만들고 있습니다. 공항에서 호텔까지 교통 체증을 피할 수 있는 에어택시는 이제 막 떠오르는 신흥 산업이라고 윌케는 말합니다.

가격 하락

더 많은 에너지를 담을 수 있는 기적의 배터리를 찾기 위한 탐구가 계속되는 가운데, 일부 과학자들은 장기적으로 저렴하고 지속 가능한 배터리 화학 물질을 선택하는 것이 가장 시급한 과제라고 주장합니다.

"가장 큰 문제는 자원과 관련된 문제입니다." 2050년까지 자동차에 필요한 14TWh를 생산하려면 총 1400만 톤의 금속이 필요할 것으로 예상된다고 세더는 예측합니다. 오늘날 전 세계 리튬 채굴량은 연간 약 13만 톤인 반면, 코발트는 약 20만 톤, 니켈은 330만 톤이며, 이는 비전기차 배터리와 니켈의 경우 스테인리스강을 포함한 모든 용도를 고려한 것입니다. 필요한 양이 많기 때문에 희소하거나 비싸지 않고 채굴 시 과도한 환경 피해를 일으키지 않는 금속을 선택하는 것이 중요합니다.

많은 연구자와 기업이 니켈, 코발트 또는 기타 값비싼 금속을 사용하지 않는 배터리를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 퀀텀스케이프는 리튬-공기 개념, LiS(작동이 가능하다면), 기타 실험 재료, 이미 상용화된 LFP 음극(LFP 기술이 많이 확장되면 인 자원에 부담을 줄 수 있지만)과 마찬가지로 자사의 배터리가 이러한 이점을 가지고 있다고 말합니다. 세더는 무질서한 암염(DRX)8이라는 대체 음극을 검토하고 있습니다. 이는 리튬 이온이 층을 통해 정해진 경로를 따르지 않고 결정질 음극을 통과할 수 있다는 아이디어에 기반하며, 따라서 거의 모든 전이 금속으로 음극을 만들 수 있습니다. 세더의 팀은 망간과 티타늄을 선호합니다. 그는 DRX 음극을 사용하는 최초의 배터리가 현재의 리튬 이온 전지보다 저렴하고 비슷한 에너지 밀도를 달성할 수 있을 것으로 예상합니다.

아마도 궁극적인 목표는 수요와 공급의 급팽창으로 인해 가격 변동이 심한 금속인 리튬 자체를 없애는 것일 것입니다. 예를 들어, 2022~23년 배터리용 탄산 리튬 가격은 평소보다 6배나 높은 가격으로 잠시 급등하기도 했습니다.

연구자들은 리튬을 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 아연 등 다양한 전하 운반체로 대체하는 연구를 해왔지만 나트륨에 대한 연구가 가장 많이 진행되었습니다. 나트륨은 주기율표에서 리튬 바로 아래에 위치하여 원자가 더 무겁고 크지만 화학적 성질은 비슷합니다. 즉, 리튬 배터리 개발 및 제조에서 얻은 많은 교훈을 나트륨에도 적용할 수 있습니다. 또한 나트륨은 리튬보다 지각에 약 1,000배 더 풍부하기 때문에 조달하기가 훨씬 쉽습니다. "나트륨은 믿을 수 없을 정도로 풍부합니다."라고 세더는 말하며 나트륨 배터리의 가격이 킬로와트시당 약 50달러가 될 것으로 예상합니다.

나트륨 배터리는 이미 생산 중입니다(go.nature.com/3tnwdgt 참조). 2024년 초 세계 최대 전기차 제조업체로 테슬라를 제치고 세계 최대 전기차 제조업체로 부상한 중국 대기업 BYD가 첫 번째 나트륨 이온 배터리 공장을 착공했습니다. 그리고 중국 자동차 제조업체인 체리, JMEV, JAC는 모두 올해 중국용 라인업에 나트륨 이온 배터리로 구동되는 저가형 자동차를 발표했습니다. 이 소형 자동차의 가격은 약 10,000달러가 될 것으로 예상됩니다.

긍정적인 측면은 나트륨의 원자 크기가 더 크기 때문에 음극의 금속 산화물 층에 사용할 수 있는 금속에 대한 선택의 폭이 더 넓어진다는 점이라고 세더는 설명합니다: "훨씬 더 많은 화학적 유연성이 있습니다." 또한 연구자들은 나트륨으로 음극이 없는 고체 배터리를 만들 수도 있는데, 이는 매우 매력적인 가능성이라고 나자르는 말합니다.

하지만 리튬에 비해 나트륨의 무게가 무겁기 때문에 높은 에너지 밀도를 달성하기가 근본적으로 더 어렵습니다. 또한 최고의 전극과 전해질을 개발할 시간이 많지 않았기 때문에 나트륨 이온 배터리 에너지 밀도는 10년 전의 최고 리튬 이온 배터리와 거의 비슷해졌습니다. CATL은 2021년에 킬로와트시당 77달러의 가격으로 160Wh kg-1의 에너지 밀도를 달성한 나트륨 배터리를 보유하고 있으며, 다음 모델에서는 200Wh kg-1까지 끌어올릴 예정이라고 밝혔습니다. 이러한 낮은 에너지 밀도는 주행거리가 제한된다는 것을 의미하며, 나트륨 배터리로 작동할 것으로 예상되는 초소형 자동차의 주행거리는 약 250-300km로, 리튬 배터리로 구동되는 테슬라 모델 S의 주행거리는 거의 600km에 달합니다.

커닝햄은 "미국 자동차 시장에 필요한 수준에 도달하기 위해서는 화학 기술의 발전이 필요할 것"이라며 "소비자들이 더 긴 주행거리와 더 큰 자동차에 익숙해져 있기 때문"이라고 말합니다.

영국에 본사를 둔 패러디온과 스웨덴의 노스볼트를 비롯한 일부 회사는 나트륨의 무게 문제가 덜한 전력망에 과잉 재생 에너지를 저장하기 위해 나트륨 배터리(둘 다 160Wh kg-1로 광고)를 개발하고 있습니다.

추측 및 테스트

재료의 특성을 항상 예측할 수 있는 것은 아니기 때문에 배터리 개발은 까다로운 작업입니다. 예를 들어, 현재 연구원들이 새로운 고체 전해질 설계를 내놓고 어떤 첨가제를 사용할지, 고밀도의 리튬을 어떻게 포장할지 등 사양을 최적화하는 데 8~15년이 걸린다고 루프는 말합니다. "은퇴하기 전에 재료 과학자로서 연구할 재료가 두 개 반 더 늘어난 셈"이라고 루프는 말합니다. "그건 너무 느립니다."

더 많은 옵션을 더 빨리 탐색하는 데 도움이 될 수 있는 인공 지능(AI)과 자동 합성의 지원이 제공되고 있습니다. 예를 들어 워싱턴주 리치랜드에 있는 미국 에너지부의 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소는 새로운 배터리 소재를 신속하게 개발하기 위해 마이크로소프트와 협력하고 있으며, 이렇게 개발된 리튬 나트륨 고체 전해질은 현재 초기 테스트 단계에 있습니다.

하지만 이러한 AI 전략은 화학자가 입력해야 하는 정보에 의해 제한된다고 나자르는 말합니다. 전극과 전해질 물질의 인터페이스에서 원자 수준에서 실제로 어떤 일이 벌어지고 있는지에 대해서는 아직 알려지지 않은 것이 많다고 그녀는 말합니다.

결국 전문가들은 오늘날 2기통, 4기통, 6기통 엔진을 사용하는 것과 마찬가지로 미래 자동차에 다양한 배터리를 사용할 수 있을 것이라고 말합니다. 예를 들어, 저배기량 자동차, 지게차 또는 특수 차량에 나트륨 배터리나 LFP가 사용될 수 있습니다. 그다음에는 실리콘 음극이나 암염 음극을 사용하는 개선된 리튬 이온 배터리가 중급 차량용으로 등장하거나 전고체 리튬 배터리가 그 자리를 차지할 수도 있습니다. 그다음에는 고급 자동차나 비행 택시에 사용되는 리튬이온 배터리나 리튬-공기 전지가 등장할 수도 있습니다. 하지만 아직 해야 할 일이 많이 남아 있습니다. 커닝햄은 "현재 상용화되지 않은 다양한 화학 물질에는 모두 장단점이 있습니다."라고 말합니다. "우리의 임무는 이러한 단점을 모두 제거하는 것입니다."

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00325-z