글로벌 에너지 구조의 지속적인 조정과 재생에너지의 급속한 발전으로에너지 저장기술은 점차 에너지 전환을 위한 중요한 지원이 되고 있으며 미래 경제 발전을 주도하고 있습니다.
에너지 저장 배터리 기술 소개
에너지는 세상을 움직이는 원동력이자 인류사회의 발전을 위해 의존하는 핵심자원입니다. 불의 초기 사용부터 오늘날의 전기에 이르기까지 에너지의 개발과 활용은 문명의 진보를 촉진하고 현재의 사회 구조를 형성해 왔습니다.
글로벌 에너지 수요의 지속적인 증가와 재생에너지의 급속한 발전으로 인해 에너지 저장 배터리 기술이 등장하여 에너지 부문의 중요한 기둥이 되었습니다. 에너지저장전지는 풍력, 태양광 등 간헐적인 에너지원을 효과적으로 저장했다가 피크 수요 시간대에 방출해 전력 공급의 안정성을 확보할 수 있다. 이 기술은 전통적인 화석 연료에 대한 의존도를 줄일 뿐만 아니라 저탄소 및 지속 가능한 에너지 시스템 달성을 위한 중요한 보장을 제공합니다.-
기존의 납{0}}축전지에서 최신 리튬{1}}이온 배터리, 그리고 새로운 고체 배터리와 나트륨{3}}이온 배터리에 이르기까지 에너지 저장 배터리 기술의 개발은 끊임없이 기술적 병목 현상을 극복하고 있습니다. 에너지 밀도를 향상시키고 수명을 연장하며 안전성을 강화함으로써 에너지 저장 배터리는 가정 에너지 저장, 운송 및 그리드 규제와 같은 분야에서 광범위한 응용 가능성을 보여주었습니다. 에너지저장전지 기술은 현재 에너지 구조 변혁의 핵심일 뿐만 아니라 미래 스마트그리드와 분산에너지 시스템의 핵심이라고 할 수 있다.
리튬-기반 배터리 에너지 저장 기술
1970년에 ExxonMobil의 MS Whittingham이 최초의 리튬{3}}이온 배터리를 만들었습니다. 그는 이황화티타늄과 금속 리튬을 각각 양극과 음극으로 사용했습니다. 충방전 시 음극에서는 금속리튬이 지속적으로 소모 및 생성되는 반면, 이황화티타늄은 양극에서 리튬이온을 지속적으로 삽입 및 방출합니다. 이 두 과정은 배터리 수명 내내 가역적이므로 전압이 2V인 2차 리튬{7}}이온 배터리가 형성됩니다. 1982년 Illinois Institute of Technology의 RR Agarwal과 JR Selman은 리튬 이온이 흑연에 삽입되는 특성이 있다는 사실을 발견했습니다. 이 과정은 빠르고 가역적입니다. 리튬{16}}이온 배터리는 출시 이후 연구, 개발 및 발전 과정을 거쳤습니다. 우수하고 편리한 성능을 바탕으로 휴대폰, 태블릿과 같은 3C 제품부터 전기 자동차와 같은 전력 에너지 분야, 태양광 발전, 풍력 발전과 같은 대규모 에너지 저장 분야에 이르기까지 다양한 분야에 점점 더 많이 침투하여 사회 생활에 큰 영향을 미치고 있습니다.
배터리란 무엇입니까?
▲배터리 개발 연혁
▲리튬-이온 배터리 소개
▲리튬-이온 배터리의 특징
▲리튬-이온 배터리의 핵심 소재
배터리는 일종의 전원입니다. 전원은 일반적으로 물리적 전원과 화학적 전원으로 구분된다. 물리적 전원에는 태양광 발전 장치, 열전 발전 장치, 화력 및 수력 발전기 등이 포함됩니다. 반면, 화학동력원이란 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있는 발전장치, 즉 일반적인 의미의 화학전지, 간단히 말해서 배터리를 말한다.
배터리 시스템은 납-배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈{2}}금속수소화물 배터리, 리튬{3}}이온 배터리 등 4세대를 거쳐 발전해 왔습니다. 배터리 성능은 지속적으로 향상되었으며 배터리 시스템에 대한 인간의 이해도 깊어졌습니다. 현재 리튬-이온 배터리는 가장 효율적이고 에너지-효율적인 충전용 배터리 시스템으로, 최고 수준의 인간 배터리 연구 및 기술을 대표합니다.
리튬인산철재료 연구개발 이력
▲인산철리튬 소재 개발 이력
▲인산철리튬 특허현황
▲인산철리튬 소재의 구조 및 성능 연구
인산철리튬(LiFeP, LFP, 인산철리튬 또는 인산철리튬이라고도 함)은 리튬{0}}이온 배터리에 사용되는 양극 재료입니다. 코발트, 니켈 등 귀중한 원소가 없고 원자재 가격이 낮으며 지각에 인, 리튬, 철 자원이 풍부해 연간 100만 톤이 넘는 시장 수요를 충족할 수 있는 것이 특징입니다. 양극재인 인산철리튬은 적당한 작동 전압(3.2V), 높은 비용량(170mA·h/g), 높은 방전 전력, 빠른 충전 성능, 긴 사이클 수명, 고온 및 고열 환경에서 우수한 안정성을 갖추고 있습니다.
인산철리튬 원료 제조에 사용되는 생산설비
▲생산 장비 요구 사항: 혼합 장비, 건조 장비, 소결 장비, 분쇄 장비, 스크리닝 장비; 질소 발생기, 포장 장비.
리튬{0}}이온 배터리 제조에 인산철리튬(LFP) 양극재를 사용하는 경우 순도, 상 및 불순물에 대한 요구사항이 매우 엄격합니다. 예를 들어 LFP에서 2가 철의 산화도가 1%에 도달하면 비용량은 30% 이상 감소할 수 있습니다. 이는 새로 생성된 3가 철이 LFP 표면을 코팅하여 추가 내부 반응을 방지하는 반응층을 형성하기 때문입니다. LFP가 이미 산화된 경우 원료의 리튬 이온이 이미 손실되었기 때문에 후속 환원 방법에서는 LFP를 생성할 수 없습니다.
수산철법에 의한 인산철리튬 원료의 제조
▲합성 원리
▲주요 합성원료
▲합성과정
▲합성재료의 성능
옥살산제1철을 원료로 하여 인산철리튬을 합성하는 공정을 옥살산제1철법(혹은 간단히 제1철법)이라 한다. 현재 옥살산철법은 중국에서 가장 널리 사용되는 공정 및 방법으로 국내 제조업체의 절반 이상이 이 방법을 사용하고 있다. 주요 장점은 원자재 비용이 저렴하고 공정이 간단하며 성분 비율을 쉽게 제어할 수 있다는 점입니다.
탄소열환원에 의한 인산철리튬재료의 제조
▲합성 원리
▲주요 합성원료
▲합성과정
▲합성재료의 성능
인산철리튬(LiFePO4) 소재를 생산하는 제조사들 사이에서 탄열환원법은 현재 옥살산철법에 이어 두 번째로 널리 사용되는 기술이다. 주요 원료는 인산철(Fe2PO4)과 산화철(Fe2O3)을 포함한 제2철(Fe2PO4)이다. 반응 중에 탄소(C)와 일산화탄소(C2O3)가 제2철(Fe2PO4)을 제1철(Fe2+)로 환원시킨 후 결정 격자에 들어가 인산철리튬(LiFePO4)의 결정 구조를 형성합니다.
탄소열 환원법의 장점은 가공 중에 원료의 산화를 고려할 필요가 없다는 것입니다. 다양한 혼합 방법을 사용하여 원료를 처리하여 원하는 분산 상태를 얻을 수 있습니다. 고온 단계에서만 탄소가 제2철을 제1철로 환원시켜 인산철리튬을 형성하므로 탄소열 환원법이라고 합니다. 탄소열 환원 방법은 한-단계 감소를 달성하고 가스 출력을 줄이며 수율 향상에 유리합니다. 동시에 합성 과정이 간단하고 제어가 용이해 탄소열 환원 방식을 채택하는 기업이 늘어나고 있다.
인산철리튬 재료의 열수 제조
▲합성 원리
▲주요 합성원료
▲합성과정
▲합성재료의 성능
수열법은 인산철리튬 양극재를 제조하는 비교적 진보된 방법이다. 주요 공정은 초임계 열수 시스템을 활용하여 황산제1철, 수산화리튬 및 인산을 물에 용해시키고 밀봉된 환경에서 용액을 100도 이상 가열하여 고온-온도, 고압{3}}수용액을 형성합니다. 반응은 이온 확산을 통해 진행되어 인산철리튬 결정 입자가 생성됩니다. 그런 다음 순수한 인산철리튬 물질을 여과, 건조 및 탄소- 코팅하여 인산철리튬/탄소 복합체를 형성합니다.
인산철리튬 재료의 기존 시험 및 분석 방법
▲인산철리튬재료의 화학성분 분석 및 시험방법
▲인산철리튬재료의 물성시험방법
▲인산철리튬재료의 전기화학적 성능시험 방법
▲리튬인산철 소재의 실용화 평가
인산철리튬(LFP) 소재의 경우 테스트는 합성 공정 제어보다 더욱 중요한 핵심 기술입니다. 정밀하고 정확한 테스트 데이터가 없으면 안정적인 공정 조건을 얻을 수 없으므로 사용 요구 사항을 충족하는 적격 LFP 제품을 생산할 수 없습니다. 원자재 조달 및 합성부터 완제품 평가까지 전체 생산 과정에서 엄격한 재료 테스트가 필수적입니다. 따라서 LFP를 연구하고 생산하는 모든 단위에서는 테스트 시스템 구축에 중점을 두어야 합니다. 정교한 테스트 장비, 엄격한 테스트 방법, 잘 훈련된 테스트 인력을 고용하는 것은 회사가 업계에서 입지를 유지하기 위한 기본 조건입니다.
인산철리튬 재료의 기타 특성 분석
▲인산철리튬 소재의 전기화학적 성능 분석
▲인산철리튬 물질의 전자현미경 형태 분석
▲인산철리튬 소재의 표면에너지
▲리튬인산철 재료의 철 용해도 측정
▲인산철리튬 소재의 분광학적 특성
인산철리튬 재료의 실제 적용에서는 일상적인 성능 테스트 외에도 재료 성능 평가 및 배터리 제조 공정에 대한 참고 자료를 제공하기 위해 몇 가지 특정 특성을 측정하는 것도 필요합니다. 기술이 발전함에 따라 이전에는 전체 셀을 통해서만 측정할 수 있었던 일부 매개변수를 이제 간단한 방법을 사용하여 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 인산철리튬 재료의 사이클 성능, 특히 탄소 사이클 성능은 이제 특별히 설계된 코인 셀을 사용하여 평가할 수 있으므로 측정 프로세스가 크게 단순화됩니다.
리튬인산철 소재를 이용한 배터리 제조기술
▲인산철리튬 배터리 시스템 설계 사양
▲인산철리튬 원료 슬러리 제조 기술
▲인산철리튬 슬러리 코팅
▲인산철리튬 전극 압연
▲변혁과 분할
▲다른 배터리 제조 사례
모든 리튬-이온 배터리의 경우 초기 설계가 주요 작업입니다. 설계 작업에는 리튬{2}}이온 배터리의 제조 공정을 결정하는 작업이 포함됩니다. 배터리 성능은 주로 전극에 의해 결정되기 때문에 전극 설계는 배터리 제조 공정의 핵심입니다. 이는 인산철리튬 배터리의 경우에도 마찬가지입니다.
인산철리튬전지의 주요 응용 분야
▲인산철리튬전지의 전기운송장치 응용
▲에너지 저장 전원 공급 장치에 인산철리튬 배터리 적용
▲인산철리튬전지의 전동공구 응용
▲인산철리튬전지의 응용
리튬인산철(LFP)은 리튬{0}}이온 배터리의 양극재로 높은 안전성이 가장 큰 장점입니다. 또한 리튬망간산화물과 니켈-망간-코발트 삼원계 물질이 부족한 긴 사이클 수명, 낮은 재료비, 풍부한 원료 공급원 등의 장점도 갖고 있습니다. LFP 배터리는 안정적인 전압, 적당한 작동 전압, 전해질 시스템과의 우수한 호환성을 가지며 무독성이며 메모리 효과가 없으며 환경을 오염시키지 않습니다. 비에너지는 100~130Wh/kg에 달할 수 있는데, 이는 납산 배터리의 0.3~5배, 니켈{13}}금속 수소화물 배터리의 1.5배입니다. 수많은 장점을 고려할 때 전기 자동차, 풍력 및 태양 에너지 저장 장치, 가정용 안전한 백업 배터리에 이상적인 배터리로 간주됩니다.
리튬-이온 배터리용 기타 양극재에 대한 전망
▲리튬바나듐인산염 양극재-
▲리튬망간인산염 양극재
▲리튬철규산염 양극재
▲리튬철붕산염 양극재
▲리튬-이 풍부한 층상 양극재
인산철리튬(LFP) 소재의 출현은 대규모-리튬-이온 배터리의 광범위한 적용을 위한 소재과학 기반을 마련했습니다.
잘 알려진 바와 같이 리튬-이온 배터리의 안전성은 항상 업계 발전을 제한하는 핵심적이고 중요한 문제였습니다. 안정적인 재료 특성과 정교한 처리 장비를 갖춘 선진국에서도 리튬{2}}이온 배터리의 안전성을 완전히 보장할 수는 없습니다. 현재 우리 나라의 리튬-이온 배터리 처리 수준이 상대적으로 낮다는 점을 고려할 때 LFP는-우리 나라의 국가 상황에 매우 적합하여 배터리 안전성을 크게 향상시킵니다.