흑연이 필요 없는 실리콘 EV 배터리 출시 예정

작년에 중국이 전기차 배터리의 주원료인 흑연에 대한 새로운 수출 규제를 발표하면서 미국의 자동차 제조업체들이 불안에 떨었습니다. 중국이 흑연의 주요 공급처인 만큼 이는 큰 문제입니다. 하지만 오래가지 않을 것입니다. 자동차 업계 관계자들은 흑연을 실리콘으로 대체하는 새로운 전기차 배터리를 준비해 왔으며, 합성 흑연 산업도 활발히 움직이고 있습니다.

스토어닷에서 선보이는 실리콘 EV 배터리, 곧 출시 예정

실리콘 전기차 배터리 분야의 빠른 발전을 보여주는 좋은 예로 이스라엘의 스타트업인 스토어닷을 들 수 있습니다. 이 회사는 2018년에 BP로부터 2,000만 달러의 투자를 유치했습니다. 다임러, 빈패스트, 볼보자동차, 폴스타, 올라 일렉트릭, 삼성, TDK 등이 스토어닷의 초고속 충전 실리콘 EV 배터리 계획에 주목하고 있습니다.

실리콘으로의 전환은 단순히 공급망 문제를 해결하는 것 이상의 의미가 있습니다. 스토어닷의 기술에서 알 수 있듯이 실리콘 EV 배터리는 기존 흑연 배터리보다 향상된 성능과 빠른 충전 속도를 제공할 수 있습니다.

스토어닷의 단기 목표는 5분 만에 100마일을 충전하는 것입니다. 약 2년 후에는 EV 배터리의 충전 시간을 4분으로 단축하여 2032년까지 2분이라는 최종 목표를 달성할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

올해 초, 스토어닷은 자동차 제조업체가 배터리 셀을 보다 효율적으로 팩에 조립할 수 있도록 지원하는 새로운 배터리 셀 아키텍처를 발표했는데, 이는 생산 속도를 높이고 비용을 절감하는 것을 목표로 하는 개선 사항입니다.

가장 최근의 개발로, 이번 주 초 스토어닷은 실리콘 XFC 배터리의 상업적 생산을 목표로 중국 배터리 제조업체인 EVE 에너지와 전략적 파트너십을 체결했습니다. 이 새로운 계약은 두 회사 간의 기존 협력을 기반으로 합니다.

스토어닷은 "이번 계약을 통해 향후 EVE의 첨단 생산 라인에서 생산되는 스토어닷의 셀을 글로벌 전기 자동차 제조업체의 고객 포트폴리오에 직접 공급할 수 있을 것"이라고 설명합니다.

"또한 스토어닷은 EVE에 기술을 라이선스 하고 자체 글로벌 캡티브 역량을 구축하는 것과 함께 다른 제3자와 라이선스 계약을 계속 추진할 것입니다."라고 덧붙였습니다.

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EVE는 스스로를 "세계 10대 전기차 배터리 공급업체 중 하나이며, 세계 유수의 자동차 제조업체와 긴밀한 관계를 맺고 전 세계로 사업을 확장하고 있다"라고 홍보합니다. 농담이 아닙니다. 클린테크니카가 마지막으로 EVE를 발견했을 때, 이 회사는 미국 미시시피 주에 있는 전기차 배터리 합작 벤처에 기술 자문 및 소수 주주로 참여할 계획을 세우고 있었습니다. 다른 참여자는 커민스의 Accelera 지사, 다임러 트럭 & 버스, 켄워스와 피터빌트 브랜드를 소유한 팩카 등 세 곳의 A급 트럭 제조업체입니다.

이 실리콘은 그냥 단순한 실리콘이 아닙니다. 스토어닷은 실리콘에 대해 "독점적인 저분자 유기 화합물과 함께 합성한 것"이라고 설명합니다.

그 결과 "배터리 충전 중 부피 팽창, 에너지 페이드 문제, 탁월한 방전용량비 한계, 향상된 안전성과 같은 실리콘의 변형을 견딜 수 있는 매우 강력한 활성 소재"가 탄생했다고 스토어닷은 덧붙입니다.

미래의 실리콘 전기차 배터리를 향한 또 다른 발걸음

이번 주 초에 또 다른 흥미로운 소식이 전해졌는데, 바로 선도적인 글로벌 기업인 페로글로브가 미국 배터리 혁신 기업인 코어쉘과 손잡고 실리콘 금속 전기차 배터리를 개발하여 미국에서도 생산한다는 소식입니다.

"페로글로브와 코어쉘은 미국 인플레이션 저감법에 따라 저비용, 장거리 전기차 배터리 개발을 위한 최초의 배터리용 금속 실리콘을 함께 생산할 계획입니다."라고 두 파트너는 발표했습니다.

이 조합은 코어쉘의 독점적인 전기차 배터리 기술과 페로글로브의 독점적인 저비용 실리콘 정제 공정을 결합한 것입니다. "이러한 혁신을 통해 처음으로 다양한 애플리케이션에서 제품 수명에 대한 요구 사항을 충족하는 금속 실리콘 음극을 사용하는 리튬 이온 배터리를 개발할 수 있게 되었습니다."라고 설명합니다.

"실리콘은 흑연보다 10배의 에너지를 더 많이 저장하며, 충분한 양과 품질로 공급할 수 있습니다. 이는 100% 국내 공급망을 사용하여 빠르게 확장할 수 있는 저비용 장거리 전기차 배터리의 유일한 실행 가능한 방법입니다."라고 코어쉘의 CEO 조나단 탄은 언론 성명에서 말했습니다.

"우리는 실리콘을 단순화하고 비용을 제거하여 현존하는 가장 저렴한 장거리 전기차 배터리를 제공할 수 있습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

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그리고 더 먼 미래로

한국 포항공과대학교 화학과 연구팀이 제안한 실리콘 전기차 배터리에 대한 새로운 젤 기반 접근 방식을 다룬 최근 뉴스입니다.

"연구팀은 마이크로 실리콘 입자와 젤 폴리머 전해질을 사용하여 포켓 친화적이고 견고한 차세대 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리 시스템을 개발하여 암호를 해독했습니다."라고 포스텍 커뮤니케이션 부서는 힘주어 설명합니다.

이들이 말하는 핵심은 실리콘 전기차 배터리의 비용과 실리콘 입자의 크기 사이의 균형입니다. 나노 크기의 입자는 충전 주기 동안 실리콘 배터리의 성능 저하를 방지하지만 비용이 많이 듭니다. 입자를 마이크로 크기로 늘리면 에너지 밀도는 향상되고 비용은 절감되지만 배터리는 성능 저하에 취약해집니다.

성능 저하 없이 더 큰 입자를 배치하기 위해 포스텍 연구팀은 마이크로 실리콘 입자와 결합하는 젤 형태의 전해질을 고안해 냈습니다.

"젤 전해질은 기존의 액체 전해질과 달리 고체 또는 젤 상태로 존재하며, 액체 전해질보다 안정성이 뛰어난 탄성 고분자 구조가 특징입니다."라고 포스텍은 설명합니다.

"결과는 놀라웠습니다: 기존 나노 실리콘 음극에 사용된 것보다 100배나 큰 마이크로 실리콘 입자(5μm)를 사용해도 배터리가 안정적인 성능을 보였다"라고 포스텍은 밝혔습니다.

포스텍은 또한 가장 중요한 제조 측면에 주목하며 새로운 마이크로 실리콘 접근 방식이 "즉시 적용 가능한 간단한 제조 공정"에 적합하다는 점에 주목했습니다.

흑연이든 아니든, 더 많은 전기차 배터리가 출시되고 있다.

흑연 문제와 관련하여 중국은 지난가을에 새롭고 더 제한적인 흑연 수출 승인 절차를 발표했습니다. 현재까지는 이 조치는 서류 작업으로 보입니다. 그러나 업계 전문가들은 미국과 동맹국에 대한 보복 조치로 이어질 가능성이 있는 만큼, 이 문제가 빠르게 공격 모드로 전환될 수 있다고 우려하고 있습니다.

"중국은 거의 모든 전기차 배터리 음극에 필수적인 소재인 전 세계 흑연의 거의 90%를 정제합니다. 작년에 중국은 전 세계 흑연 공급량의 79%를 생산한 반면 북미는 1.2%에 불과했습니다."라고 선도적인 글로벌 공급망 관리 회사인 GEP는 지적합니다.

중국이 모든 곳에서 흑연 공급을 한꺼번에 끊는다면 배터리 이해관계자들에게 엄청난 고통을 안겨줄 것입니다. 하지만 대체 공급원이 있다면 심각한 피해를 막을 수 있고, 실리콘 생산이 증가할 때까지 흑연 전기차 배터리 생산이 계속될 수 있습니다.

GEP는 흑연의 대체 공급원이 지리적으로 제한되어 있다고 경고하지만, 멕시코, 캐나다, 인도가 공급망의 공백을 메우는 데 도움이 될 수 있는 국가 중 하나라고 지적합니다.

GEP는 또한 전기차 배터리를 재활용할 수 있어 흑연 공급망에 더 많은 옵션을 구축할 수 있다고 지적합니다. "구매팀은 수명이 다한 배터리와 배터리 생산에서 나오는 스크랩 및 폐기물에서 흑연을 재활용하고 재사용할 수 있는 가능성을 모색해야 합니다."라고 GEP는 조언합니다.

"이렇게 하면 1차 흑연에 대한 의존도를 낮추고 배터리 제조 및 폐기에 따른 환경 영향을 줄일 수 있습니다."라고 덧붙입니다.

합성 흑연은 또 다른 옵션입니다. GEP는 2030년까지 유럽과 미국 시장을 목표로 전기차 배터리용 합성 흑연을 본격적으로 생산하기 위해 노력하고 있는 노르웨이 스타트업 비아노드(Vianode)에 주목합니다.

미국에서는 일리노이주의 스타트업인 아노비온이 2021년 초당적 인프라 법안에서 1억 1,700만 달러의 지원을 받아 조지아주에 전기차 배터리용 합성 흑연 음극을 생산하기 위한 8억 달러 규모의 새로운 공장 계획을 이미 세우고 있습니다.

https://cleantechnica.com/2024/03/12/no-graphite-no-problem-silicon-ev-batteries-really-are-coming/

No Graphite? No Problem, Silicon EV Batteries Are Really Coming