리튬이온 저장장치의 현주소

 

PV매거진에 게재된 EMILIANO BELLINI씨의 2020년 5월 8일 글을 통해 현재 리튬이 저장장치의 현주소에 대한 이야기를 들어봅니다. 

 

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Image: Klaus Ableiter, wikimedia commons

독일-이스라엘 연구 그룹이 3일 동안 모여 향후 리튬이온 배터리를 능가할 스토리지 기술을 논의했습니다. 그들은 "post Li-ion" 시대 같은 것은 보이지 않는다고 결론지었습니다. 이들은 서로 다른 애플리케이션의 여러 기술에 대해 "측면" 접근 방식과 기술의 하이브리드화를 권장했습니다. 특히, redox flow storage의 강력한 잠재력을 강조했는데, 이는 고정형 애플리케이션에서만 Li-ion을 능가할 수 있다고 생각합니다.


독일  Helmholtz Institute Ulm (HIU) 과 Technion – Israel 공과대학의 연구원들은 "이 보고서에서는 차세대 Li-ion과 리튬 배터리 기술에 대한 탐구가 본질적으로 부정확하다는 것을 보여준다."는 기본적인 가정 하에 최근 3일간의 에너지 저장장치의 미래에 대한 논의를 시작했습니다.

이들은 Li-ion 스토리지의 확실한 대안으로 여겨질 수 있는 스토리지 기술의 종류에 대해 논의했고 결론은 분명했습니다. Post Li-ion시대는 끝이 보이지 않습니다.

연구진은 "광범위한 심의 끝에, 이 그룹은 리튬 시대 이후의 미래 기술의 필요성과 따라서 새로운 기술이 리튬 기반 배터리 기술을 대체할 수 있는 탐구가 각각 다소 부적절하고 오해의 소지가 있다는 결론을 내렸습니다." 

대신 모든 스토리지 기술에 대해 "측면" 접근 방식을 권장했습니다. 그들은 또한 미래에 더 유망하다고 생각하는 기술들을 알아냈습니다.

 

Photo by  Thomas Kelley  on  Unsplash

Sodium‐ion 배터리

리튬 이온 기술의 동일한 이온 저장 원리에 의존하는 Sodium-oin 배터리(Na-Ion)는 리튬 및 코발트의 잠재적 부족 또는 가격 급등으로 인해 경제적인 솔루션을 제공할 수 있기 때문에 흥미로운 대안으로 보여집니다. 또한 운송에 용이하고 추가적인 원자재 비용 절감의 잠재력이 높습니다. "사실, 지금까지 제안된 층 산화 음극 재료의 비용과 환경 친화성은 나트륨 배터리의 주요 장점인 것으로 보입니다."라고 이 그룹은 말했습니다.

Na-ion 배터리는 대규모 애플리케이션에서 Li-ion 배터리와 유사한 안전 문제에 직면하지만, 개발은 여전히 제한적이며 전체 Cell 레벨에서 고장 모드, 메커니즘 및 분석에 대해 충분히 알려져 있지 않다고 덧붙였습니다. 이러한 기능은 단거리 운송을 위한 고정형 에너지 저장 시스템 및 경량 차량에 사용하는 것이 좋습니다.

Photo by Biel MorroFollowMessage on  Unsplash

Redox flow 배터리

리독스 플로우 스토리지의 주요 이점은 스토리지 용량의 확장성, 대부분의 환경 온도에서 운영되는 기능, 장기 스토리지 기능입니다. 상업용 바나듐 레독스 플로우 스토리지 시스템의 저장 용량은 전체 비용 $200/k 이상과 비교했을때 $550/k 반면 현재 4 MWh ~ 40 MWh 입니다. Li-ion 안전 문제는 주로 유해 물질 유출과 관련이 있습니다. 이 기술은 또한 금속 이온의 비-호전성 침전, 형태 변화 및 덴드라이트 성장, 반응의 느린 운동역학, 전극의 부식, 비효율적인 전기 촉매, 전극의 전도도, 흐름 프레임의 영향 등으로 이어질 수 있습니다.

"리독스 플로우 배터리는 외부 저장소에 정력적인 화학 물질을 저장하는 주요 기능을 통해 피크 생산 시간 동안 재생 가능한 소스의 대규모 에너지 저장 및 생산 감소 시 공급할 수 있는 고정형 애플리케이션에서만 Li-ion을 능가할 것으로 예상됩니다."라고 이 그룹은 설명했습니다. 동시에, 현재의 개념의 한계를 극복하고 시스템 성능을 향상시키기 위해서는 첨단 재료와 화학의 개발이 필요하다고 합니다.

Photo by Appolinary Kalashnikova on  Unsplash

Storage quest

금속 공기 배터리와 다품종 금속 양극 기반 저장장치도 분석한 연구팀은 리튬이온 배터리 기술이 앞으로 수년 동안 중요할 것이라고 결론 내렸습니다. 그들은 리튬 이후의 기술에 대한 검색이 개념적으로 부정확하다고 말했습니다.

"다양한 애플리케이션과 기술의 하이브리드화를 위한 멀티테크놀로지를 모색해야 한다."고 그들은 설명했습니다.

이 회의의 결과는 리튬을 사용한 Side by Side Battery Technologies에 제시되었습니다. 최근 Advanced Energy Materials에 발표된 이온 기반 배터리입니다.

 

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태양광 패널의 가격은 급격히 지속적으로 하락하며 Grid-Parity를 달성했다고들 했다. 하지만 아직도 완전한 형태인 Off-Grid의 저장장치를 구성한 자가발전시스템으로는 가길이 멀어보인다. 

 

우리가 말하는 최근의 배터리는 자동차 동력용 형태와 더불어 에너지 저장장치 시스템이라는 구분되는 독립된 분야로서 접근해야한다. 왜냐하면 이 다른 어플리케션에서는 같은 정답을 갖을 필요가 없기 때문이다.

 

진정한 상업화까지는 아직 갈 길이 먼 PV+ESS분야가 아닌지...