나트륨 이온 대 리튬 이온을 대체 할 솔리드 스테이트 배터리

재생 에너지의 증가 (RE)와 전기 자동차의 급속한 성장은 효율성, 안전성 증가, 에너지 밀도 증가 및 이상적으로 비용을 포함하여 에너지 저장 산업에 대한 기대치를 높였습니다. 나트륨 이온 및 고형 상태 배터리는 대체 솔루션을 제공하는 것을 목표로합니다. 각각 고유 한 장점이 있으며 향후 몇 년 동안 기존 리튬 이온 스토리지 기술을 대체 할 수 있습니다.

이 기사에서는 왜 리튬 이온 배터리가 단계적으로 폐지 될 위험에 처할 수 있는지 탐구합니다. 우리는 에너지 저장의 미래를 지배 할 수있는 가장 강력한 잠재력을 가진 두 가지 신흥 기술, 즉 나트륨-이온 배터리 및 솔리드 스테이트 배터리에 중점을 둡니다.

리튬 이온 배터리는 현재 에너지 저장 부문을 지배하며 중기 적 으로이 위치를 유지할 것으로 예상됩니다. 휴대용 장치에서 대규모 재생 가능 에너지 + 저장 프로젝트에 이르기까지 리튬 이온 기술은 모든 주요 트렌드를 이끌고 있습니다.

최근 보고서에 따르면, 리튬 이온 배터리 재료 시장은 여러 산업의 수요 증가로 인해 빠르게 확대되고 있습니다. 2024 년 미화 419 억 달러에서 2029 년까지 1,200 억 달러 이상으로 성장할 것으로 예상되며, 연간 연간 성장률 (CAGR)은 약 23.6%입니다.

오늘날 리튬 이온 배터리 시장은 Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL 및 Byd와 같은 주요 업체가 주도합니다. 특히, 후자의 두 중국 회사는 지난 2 년 동안 상당한 진전을 보였습니다.

전기 자동차의 부상은이 성장의 주요 원동력이지만고정 에너지 저장시장은 앞으로 몇 년 동안 더 큰 수요를 창출 할 것으로 예상됩니다.

리튬 이온 배터리는 리튬과 같은 임계 광물에 크게 의존하고 종종 코발트와 니켈에 크게 의존하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 공급 제약으로 인해 상당한 가격 변동성이 이루어졌습니다. 예를 들어, 배터리 등급 리튬 탄산염 비용은 최근 몇 년 동안 킬로그램 당 5.8 달러에서 80 달러로 변동했습니다. 이러한 변동성과 부족은 리튬 이온 배터리 비용을 높이고 장기 공급 위험을 초래했습니다.

한 가지 긴급한 문제는 중국 이외의 주요 시장에서 강력한 리튬 공급망이 없다는 것입니다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연의 약 77%가 중국에서 공급됩니다. 이는 전 세계 무역 긴장 시대의 중국 공급에 대한 의존도를 강조하고 공급 다각화의 중요성을 강조합니다.

열 런 어웨이로 인한 전기 자동차의 배터리 화재와 같은 안전 위험은 또 다른 우려를 더합니다.

이러한 요인들은 새로운 세대의 에너지 저장 기술을위한 길을 열고 있습니다. 중국 이외의 회사는 리튬에 의존하지 않는 대안을 적극적으로 찾고 있지만 중국 시장 리더들은 또한 그들의 지배가 위험에 처할 수 있음을 알고 있습니다. 실제로, 그들 중 많은 사람들이 이미 곡선보다 앞서 나가기 위해 이미 나트륨 이온 및 솔리드 스테이트 배터리 개발로 빠르게 이동했습니다.

고체 배터리 (SSB)는 리튬 이온 배터리에 사용되는 액체 전해질을 세라믹, 유리 또는 고형 중합체와 같은 고체 전해질로 교체합니다. 부피가 큰 흑연 양극을 제거하고 밀집된 고체 재료를 사용함으로써 SSB는 동일한 부피로 훨씬 더 많은 에너지를 저장하여 잠재적으로 전기 자동차 (EV) 범위를 넓은 마진으로 확장 할 수 있습니다.

몇몇 주요 업계 선수들은 이미이 기술의 혁신적 잠재력을 인식했습니다. 예를 들어, 2024 년에 QuantumScape는 844 WH/L- 상용 리튬 이온 배터리의 전형적인 300-700 WH/L보다 실질적으로 높은 에너지 밀도로 프로토 타입 솔리드 스테이트 배터리 (QSE -5)를 공개했습니다. 이 회사는 2025 년에 첫 번째 상용 100+ 층 셀 (QSE -5)을 제공 할 계획입니다.이 에너지 밀도는 최상의 리튬 이온 셀의 약 1.5 배이며 배터리 크기 나 무게를 늘리지 않고 운전 범위가 20-50% 증가 할 수 있습니다.

중국의 배터리 대기업 인 CATL (현대 Amperex Technology Co. Ltd.)은 SSB 개발에 대한 투자를 크게 늘리고 전용 R & D 팀을 1, {1}} 사람들로 확장했습니다. CATL은 2027 년까지 모든 고체 상태 배터리의 소규모 생산을 목표로하고 있습니다.

Toyota는 2027 년에서 2028 년 사이에 솔리드 스테이트 배터리가 장착 된 승객 EV에 대한 상용화 타임 라인을 발표했습니다.이 혁신은이 혁신이 운전 범위를 최대 20%증가시킬 수 있다고 주장합니다. 2023 년에 Solid Power는 데모 차량 프로그램에 사용하기 위해 A- 샘플 셀을 BMW에 공급했습니다. 폭스 바겐, 현대, 닛산, BMW 및 도요타를 포함한 다른 주요 업계 리더들도 솔리드 스테이트 배터리 공간에 전략적 투자를했습니다.

범위가 높아지는 것 외에도 솔리드 스테이트 배터리는 또한 우수한 빠른 충전 기능을 보여줍니다. 우수한 열 안정성 및 이온 전도도 덕분에 SSB는 세포를 손상시키지 않고 초고속 충전 속도를 지원할 수 있습니다. 예를 들어, Toyota는 Solid-State Battery 기술이 15 분 안에 300km 범위의 재충전을 가능하게하여 대부분의 리튬 이온 EV의 현재 빠른 충전 속도보다 2 ~ 3 배 더 빠르며 일반적으로 10%에서 80%로 충전하는 데 약 30 분이 걸립니다.

불변성 인 고체 전해질의 사용은 전통적인 배터리 셀의 주요 안전 위험 중 하나를 제거합니다. 고체 세라믹 또는 유리 전해질은 화재를 일으키지 않으며 더 넓은 온도 범위에서 작동 할 수 있습니다. 또한 고전압에서 안정적으로 유지하여 고용량 캐소드 재료를 사용하고 리튬 수상 돌기 성장을 억제하여 사이클 수명과 안전성을 향상시킵니다.

또한, SSB는 복잡한 용매 및 바인더 혼합물이 필요하지 않고 더 간단한 설계로 인해 재활용이 쉬울 수 있으며 문제가있는 첨가제 및 접착제를 사용하지 않을 수 있습니다.

많은 장점으로 고체 배터리가 리튬 이온 배터리를 쉽고 빠르게 교체 할 수 있다고 가정 할 수 있습니다. 그러나 그렇지 않은 경우높은 비용, SSB는 이미 인수했을 수 있습니다.

비용은 광범위한 채택에 가장 중요한 장벽으로 남아 있습니다. 예를 들어 BMW 그룹은이 도전을 인정했습니다. 이 회사는 올해 말 솔리드 스테이트 배터리가 장착 된 프로토 타입 차량을 공개 할 것으로 예상되지만 SSB 구동 전기 자동차의 상업적 출시는 향후 10 년 내에 가능하지 않다고 밝혔다.

중국 배터리 제조업체 인 SunwodakWh 당 $ 275반 고체 상태 배터리와 비슷합니다. 그러나 때문입니다높은 재료 처리 비용그리고낮은 제조 수율실제 비용은 실제로 상당히 높을 수 있습니다.

이러한 과제가 특히 생산을 확장하고 재료 비용을 줄이는 데 문제가 해결 될 때까지, 솔리드 스테이트 배터리는 광범위한 상업용 배치를 달성하기보다는 시장의 초기 단계 또는 프리미엄 부문에 남아있을 가능성이 높습니다.

이에 비해 2024 년 12 월 현재 중국의 리튬 이온 배터리 팩의 평균 가격이 하락했습니다.kWh 당 $ 94. 미국과 유럽의 가격은 여전히 ​​남아 있습니다30% ~ 50% 더 높습니다그러나 여전히 상당히솔리드 스테이트 배터리보다 낮습니다.

따라서비용은 주요 병목 현상으로 남아 있습니다에너지 저장 시장을 진정으로 방해하기 위해서는 솔리드 스테이트 배터리 기술의 지지자들이 극복해야합니다. 이와 관련하여나트륨 이온과 리튬 이온 배터리가 훨씬 앞서 있습니다솔리드 스테이트 배터리.

다른 중요한 과제에는 다음과 같습니다생산 확장특히세라믹 전해질의 대량 제조그리고신뢰할 수있는 조립고체 세포의. 관리고체 전해질과 전극 사이의 인터페이스또한 다중 전하 차지주기에 걸쳐 높은 계면 저항 또는 균열을 초래할 수 있기 때문에 우려가 있습니다. 둘 다 본격적인 상용화를 방해합니다.

또한 보장합니다실제 스트레스 조건에서 내구성진동, 온도 변동 및 빠른 충전과 같은 것은 가장 시급한 기술 장애물 중 하나입니다.

솔리드 스테이트 배터리는 전해질을 변화시키고 에너지 밀도를 증가시켜 리튬 이온 기술을 향상시킬 수 있지만 높은 비용은 여전히 ​​큰 과제입니다. 대조적으로, 나트륨 이온 (NA- 이온) 배터리는 반대 문제에 직면 해 있습니다. 리튬 이온 배터리에 사용되는 요소를보다 일반적인 재료로 교체하려고 시도함으로써 나트륨 이온 배터리의 비용은 크게 떨어질 수 있지만 에너지 밀도 측면에서 문제에 직면 해 있습니다.

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리 (캐소드와 양극 사이의 이온 셔틀)와 거의 같은 방식으로 작동하지만 리튬 이온 대신 나트륨 이온을 사용합니다. 이 교대는 모든 것을 바꿉니다원료 소싱의 용이성에경제성- 미래의 주류 배터리 기술을 결정할 주요 요인 중 하나입니다.

나트륨 이온 배터리의 저렴한 비용은 2030 년까지전기 자동차 배터리의 10% 미만그러나 그들의 몫에너지 저장응용 프로그램은 크게 증가 할 것으로 예상됩니다. 나트륨 이온 배터리 사용저렴한 재료리튬이 필요하지 않으므로 생산 비용이리튬 철 포스페이트 (LFP)보다 30% 낮습니다.배터리.

나트륨 이온 기술의 가장 큰 매력은 활용 능력에 있습니다.풍부하고 저렴한 재료더 부족한 것들을 대체합니다. 지각의 나트륨 매장량이 있습니다1, 000 시간이 더 큽니다리튬보다. 나트륨은 심지어 싸게 추출 될 수 있습니다상대적으로 무한한 해수.

현장의 혁신 덕분에 상업용 등급 나트륨 이온 (NA- 이온) 배터리는 이제 주변의 에너지 밀도를 달성했습니다.130-160 wh/kg, 그게옵니다3 분의 2전형적인 리튬 이온 NMC (니켈 망간 코발트) 배터리의 것. 그러나 그들은 이미 에너지 밀도에 도달했거나 심지어 능가했습니다.납산 배터리, 그리고 그에 접근하고 있습니다리튬 철 포스페이트 (LFP)배터리.

전문가들은 차세대 나트륨 이온 배터리가 달성 할 것이라고 주장합니다.200 wh/kg 이상, 잠재적으로 이론적 에너지 밀도 한계를 능가 할 수 있습니다LFP 배터리. 나트륨 이온 배터리의 전형적인 수명은 다양합니다100 ~ 1, 000 사이클인도 개발자 KPIT는 배터리가 유지 관리한다고 주장합니다6 후 80% 용량 유지, 000 사이클리튬 이온 배터리 성능과 비교할 수 있습니다.

나트륨 이온 배터리도 뛰어납니다전력 및 저온 성능. 일부 디자인은 가능합니다약 1kW/kg 전력 밀도, 그보다 훨씬 뛰어납니다리튬 이온 NMC 또는 LFP 배터리. 또한, 나트륨 이온 배터리가 나타납니다최소 성능 저하낮은 온도에서-20 학위리튬 이온 배터리는 이러한 추운 조건에서 충전을 유지하거나 효율적으로 충전하기 위해 고군분투합니다.

나트륨 이온 배터리도 가능합니다0 v로 완전히 배출되었습니다손상을 일으키지 않고 매우 안전합니다운송 및 보관. 열 생성이 낮고 많은 설계에서 불량성 재료의 사용으로 인해 나트륨 이온 배터리도우수한 열 안정성. 사실,화재 위험나트륨-이온 배터리 팩 중 예상됩니다상당히 낮습니다리튬 이온 배터리 팩보다 강화안전전기 자동차 및 그리드 스토리지와 같은 응용 분야에서.

이러한 기능은 중국의 리튬 이온 배터리 리더에게도 나트륨 이온 배터리를 매력적인 옵션으로 만듭니다. 작년에 중국 최초의 대규모 나트륨 이온 배터리 에너지 저장소 스테이션은 운영을 시작했습니다.10 MWH 나트륨 이온 배터리 저장 시설, 100mWh 프로젝트의 일부. China Southern Power Grid가 건설 한이 시설은 사용합니다210 AH 나트륨 이온 세포인상적인 데이터가 있습니다. 배터리는 가능합니다단 12 분 안에 90%로 청구되었습니다.

글로벌 배터리 제조 거인현대 Amperex Technology Co. Limited (CATL)나트륨-이온 배터리의 잠재력을 탐색하고자합니다. 예를 들어, 나트륨 이온 배터리를 그것에 통합하고 있습니다리튬 이온 배터리 인프라 및 제품. 회사는 그것을 공개했습니다2023, 중국 자동차 제조업체체리CATL의 나트륨 이온 배터리를 사용한 최초의 회사가되었습니다.

~ 안에2024 년 1 월, 중앙 아시아에서 가장 큰 자동차 제조업체이자 가장 큰 배터리 공급 업체 중 하나입니다.바이드, 건설 계획을 발표했다14 억 달러연간 생산 능력을 갖춘 나트륨 이온 배터리 공장30 gwh.

유럽 ​​기업들은 또한이 기술을 탐색하고 있습니다. 파산 한 배터리 제조업체노스 볼트출시 a160 wh/kg 나트륨-이온 배터리2023 년 11 월, 성능을 확인한 것으로 확인되었습니다. 영국에서파라 디온10 년 넘게 나트륨-이온 배터리 기술의 선구자였습니다. 인도에 의해 인수되었습니다의존 산업2021 년에 Faradion은 a160 wh/kg 배터리그리고 이제 자랑하는 개선 된 버전을 출시하고 있습니다.20% 더 높은 에너지 밀도그리고30% 더 긴 사이클 수명. Reliance Industries는 또한 건설 계획을 발표했습니다다중 공장 나트륨 이온 배터리 공장인도에서는 생산이 시작될 가능성이 높습니다2025.

이러한 개발은 나트륨 이온 배터리가 리튬 이온 배터리의 우세에 도전 할 수있는 기술이 될 수 있음을 강력하게 나타냅니다.

새로운 배터리 기술을 사용하면서 -나트륨 이온 배터리그리고솔리드 스테이트 배터리- 유망한 잠재력을 보여 주면 궁극적으로 지배 할 예측이 어렵습니다. 각각의 장점을 감안할 때 두 기술 모두 발전에 중요한 역할을 수행 할 수 있습니다.청정 에너지그리고깨끗한 교통미래에.

솔리드 스테이트 배터리 비용이 감소하면 - 잠재적으로 현재에서 떨어질 수 있습니다.$ 150+/kwh리튬 이온 배터리 용$ 80- $ 100/kWh- 솔리드 스테이트 배터리가 지배 할 수 있습니다고성능 세그먼트앞으로 10 년 내에 전기 자동차와 같은. 이것은 그럴듯한 시나리오입니다. 그만큼국제 에너지 기관 (IEA)에 대한 낙관적 견해를 가지고 있습니다고체 배터리 비용 포스트 -2030, 솔리드 스테이트 기술이 상업적 생존력을 달성 할 가능성이 있음을 강조합니다.

반면, 나트륨 이온 배터리가 더 많습니다비용 경쟁, 그것들을 잘 적합하게 만듭니다그리드 스토리지그리고신흥 시장그리고 그들은 더 빨리 성공을 달성 할 것으로 예상됩니다. 많은 지지자들이 건설을 추진하고 있습니다대규모 프로젝트다음에2 ~ 3 년. 2024 년에배터리 에너지 저장 시스템 (BESS) 시장자랐습니다44%용량 및 방전량에 도달하는 설치69 GW/161 GWH. 특히2030, 배터리는 구동 될 것으로 예상됩니다저장 성장의 90%만나기 위해순 제로 목표.

결과적으로 다양한 배터리 기술이 향후에 등장 할 것입니다.솔리드 스테이트그리고나트륨 이온 배터리길을 이끌 가능성이 높습니다.