왜 우리는 800km를 목표로해야합니까? 이 값은 대부분의 사람들의 순항 범위에서 가장 높은 예상 값이기 때문에 전기 자동차의 순항 범위가 800km에 도달 할 수없고 대부분의 사람들이 비용을 받아 들일 수 있다면 전기 자동차는 인기가 적을 것입니다. 따라서이 값을 배터리 500 프로젝트 목표로 설정했습니다. 이 프로젝트는 2009 년에 시작되어 Almaden Research Center가 지배하고 있습니다. 그 이후로 IBM은 유럽, 아시아 및 미국의 여러 비즈니스 파트너 및 연구 기관과 함께이 연구를 수행했습니다. 배터리 500 프로젝트는 금속 공기 기술을 기반으로합니다. 리튬 배터리에 비해 금속 공기 배터리는 단위 질량 당 에너지가 더 많습니다. 프로젝트 연구는 여전히 상용화되는 데 몇 년이 걸립니다. 그러나이 7 년간의 실험을 통해 미래의 금속 공기 배터리가 실제로 전기 자동차에 유용하다고 생각할 수 있습니다. 금속 공기 배터리 인 이유는 무엇입니까? 이 문제를 이해하기 위해 리튬 공기 배터리를 예를 들어 리튬 이온 배터리 (현재 일반적인 리튬 배터리)와 리튬 공기 배터리의 차이점을 먼저 살펴 보겠습니다. 아래 그림은 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 중에 배터리의 내부 상태를 보여줍니다. 기존의 리튬 이온 배터리에서, 양의 전극은 탄소이며, 음성 전극은 코발트, 니켈, 망간 등과 같은 상이한 전이 금속 산화물로 구성된다. 두 전극 모두를 전해질에 침지시켜 리튬 염이 용해되었다. 전하 및 배출 동안 리튬 이온은 한 전극에서 다른 전극으로 이동합니다. 배터리 상태에 따라 배터리가 충전되는지 또는 방전되는지에 따라 이동 방향이 다릅니다. 충전 및 배출시, 리튬 이온은 최종적으로 전극 재료의 원자 층에 내장되므로 최종 배터리의 용량은 리튬 이온, 즉 부피 및 품질에 의해 결정된 리튬 이온을 수용 할 수있는 물질의 양에 따라 다릅니다. 전극. 
lithium- 이온 배터리 충전 및 방전 공정
리튬 공기 배터리는 다양합니다. 금속 공기 배터리에서 전기 화학 반응이 발생합니다. 배출 공정 동안, 리튬-함유 양성 전극은 리튬 이온을 방출하고, 리튬 이온은 음성 전극을 향해 이동하여 음극 전극의 표면에서 산소와 반응하여 리튬 리튬을 형성한다 (Li 2 O 2). 화학 반응이 음의 전극에서 발생하지 않기 때문에 다공성 탄소에 의해 형성된 음성 전극의 표면에서 리튬 이온, 전자 및 산소 반응. 따라서, 배터리의 용량과 음의 전극 재료의 부피 또는 질량은 너무 높지 않다. 표면적이 충분한 한 큰 관계. 즉, 리튬 공기 배터리의 용량은 전극의 부피와 품질에 의해 결정되는 것이 아니라 전극의 표면적에 의해 결정됩니다. 그렇기 때문에 리튬 공기 배터리에서 작은 질량 전극이 많은 에너지를 저장하여 에너지 밀도가 높아질 수 있습니다. 
△ 리튬 공기 배터리 충전 및 배출 공정
물론 에너지 밀도 외에도 비용도 중요한 고려 사항입니다. 배터리 가격은 현재 200-300 달러 / kWh 범위에 있으며, kWh 당 5-6km를 실행할 수 있다면 800km에 150kWh 배터리가 필요하며 30,000-45 백만이 필요합니다. BMW 2 시리즈 자동차에는 $ 33,000 만 있으면됩니다. 따라서 대량 생산을 원한다면 KWH 당 가격은 $ 100 미만으로 하락해야합니다. 리튬 공기 배터리 상용화를 위해 어떤 문제를 해결해야합니까? 리튬과 산소가 단순히 산화 환원 반응을 겪을 때, 생산할 수있는 이론적 최대 에너지 밀도는 3,460 WH/kg이다. 화학적 반응을 겪지 않는 세포의 일부 외에도, 궁극적으로 달성 할 수있는 에너지 밀도의 가치도 매우 바람직하다. 물론, 당신은 또한 문제에 직면하게 될 것입니다. 리튬 공기 배터리의 충전 공정은 외부로 가압되는 한 기존 리튬 이온 배터리의 충전 공정과 유사합니다. 차이점은 리튬 공기 배터리에서 외부 전압이있을 때 리튬 퍼 옥사이드의 구조가 파괴되고 산소 및 리튬 이온으로 감소되고 리튬 이온이 양극 전극으로 되돌아갑니다. 전통적인 리튬 배터리와 같은 리튬 공기 배터리는 충전 및 방전 사이클이 더 많으며 배터리 내부에 더 많은 부작용이 있습니다. 이러한 부작용은 대량 생산 및 상업화의 기본입니다. 배터리에 대한 이러한 부작용의 영향을 이해하기 위해 연구 센터의 전기 화학 질량 분석기를 사용하여 각 충전 및 배출주기 동안 소비 및 생산되는 가스의 양을 정확하게 측정했습니다. 결과적으로 문제가 발견되었습니다. 리튬 공기 배터리는 배출 중에 소비되는 산소보다 충전 중에 산소가 훨씬 적습니다. (테스트에서 건조 산소가 공기 대신 사용됩니다.) 
IBM Research Center의 전기 화학량 질량 분석기 (: IBM)
이상적인 배터리 셀에서, 배출 중에 소비되는 산소는 충전 중에 방출 된 산소 질량과 동일하다. 그러나이 연구에 따르면 방출 된 산소의 양은 적다는 것을 발견했습니다. 즉, 방출되지 않은 산소가 배터리 유닛의 구성 요소와 반응 할 가능성이 있으며, 예를 들어 전해질에 녹는 등 배터리가 내부에 있음을 의미합니다. 소비. 취리히의 또 다른 IBM 실험실에서, 우리는이 자기 파괴적인 화학 반응을 추적하고 전산화하기위한 새로운 실험을 수행했습니다. 마지막으로, 그 이유는 유기 전해질에서 발견되었습니다. 그런 다음이 문제를 연구했습니다. 최신 배터리 장치에서 새로운 전해질을 사용한 후 배출 중에 흡수 된 대부분의 산소를 방출 할 수 있습니다. 또한,이 두 물질의 존재는 배터리 내부에 적어도 하나의 자기 소비 화학 반응이있을 가능성이 있기 때문에 전하 및 배출 중 수소와 물의 소비 및 생산을 추적합니다. 현재의 배터리 장치는 200 개의 충전 및 방전주기를 달성 할 수 있었지만 실제 충전 프로세스가 이론적 최대보다 훨씬 적습니다. 이 문제 외에도 리튬 공기 배터리의 다양한 구성 요소에 대한 몇 가지 주요 결과가 있습니다. 1. 양의 전극은 전통적인 리튬 이온 배터리에서 흑연으로 만들어진 양의 전극과 다릅니다. 리튬 공기 배터리에서, 리튬을 함유 한 양의 전극은 충전 과정에서 일부 표면을 변화시키고, 이끼 같은 또는 나무와 같은 구조가 자랍니다. 수상 돌기입니다. 이 수상 돌기는 포지티브 전극과 음극 사이에 전도성 루프를 형성하여 단락을 생성 할 수 있기 때문에 매우 위험합니다. 
lithium-air 배터리 양성 전극, 수십 회 사이클 후 표면은 수지상 구조를 생성합니다.
수상 돌기의 발생을 줄이기 위해 특별한 분리 막을 사용했습니다. 이 분리기는 리튬 이온의 통과를 허용하고 수지상 생성을 억제하기 위해 막을 전체에 충분히 작고 균일하게 분포하는 많은 나노 스케일 기공을 함유하는 물질 층으로 구성됩니다. 이 분리기의 존재로 인해, 양극은 수백 개의 전하주기 후에 매끄럽게 유지됩니다. 전통적인 분리기를 사용하는 경우 여러주기 후에 수상 돌기가 발생합니다. 전도성 이온이있는 유리 폴리머를 사용하면 효과가 더 좋습니다. 
lithium-air 배터리 양성 전극, 나노 분리 필름을 사용한 후 표면은 매끄럽게 유지됩니다.
2. 전해질에 현재 사용되는 전해질은 여전히 충전 및 배출주기에서 생성 된 산소 또는 다른 화합물과 반응하여 소비된다. 지금까지 리튬 공기 배터리가 상업용 단계로 들어갈 수있을 정도로 안정적 인 용매를 찾지 못했습니다. 3. 충전 공정 동안, 리튬 이온은 네거티브 전극과 반응하여 리튬 질산염을 생성 할 수있다. 질산 리튬은 또한 전해질과 반응하여 전해질을 소비하고 이산화탄소를 생산합니다. 테스트에서 우리는 또한 생산 된 리튬의 양을 추적하고 생산을 줄이기위한 몇 가지 조치를 취했습니다. 그러나 필요한 충전 전압은 배터리의 작동 전압보다 700mV 이상이어야합니다. 과전압은 배터리의 충전 효율을 줄입니다. 우리는 탄소를 다른 금속 산화물로 변환하려고 시도했으며 그 결과는 크게 변하지 않았습니다. 4. 금속 공기 배터리에서 촉매를 사용할지 여부에 관한 촉매, 전문가와 상대방 사이에는 많은 논쟁이 있었다. 촉매의 사용은 과압 조건의 발생을 크게 줄일 수 있지만, 동일한 촉매는 일반적으로 전해질의 소비를 가속화시킬 것이다. 이론적 연구에서 활성화 에너지는 리튬의 산화 및 감소에서 매우 낮습니다. 따라서 리튬 공기 배터리에서 촉매는 필요하지 않습니다. 5. 공기 준비 배터리를 리튬 공기 배터리라고하지만 실제로는 건조 산소를 사용합니다. 공기 중의 수증기와 이산화탄소의 성분을 제거하면 "건조"에 중점을 둡니다. 상업용 배터리에서 이러한 공기를 대량 생산하려면 가볍고 효율적이며 안정적인 공기 정화 시스템이 필요합니다. 이러한 관점에서, 리튬 공기 배터리의 실제 적용은 버스, 트럭 및 기타 대형 차량에있을 수 있습니다. 이 대형 차량 만 공기 정화 장비를 수용 할 수 있습니다. 현재 테스트에 사용되는 배터리 장치의 크기는 여전히 작고 직경이 76mm, 길이 13mm이며 전기 자동차 표준에는 충분하지 않습니다. 따라서 수행 해야하는 가장 중요한 작업 중 하나는 더 큰 배터리 셀을 만들고 많은 배터리 셀을 하나의 배터리 팩에 포장하고 포장 한 다음 배터리 관리 시스템을 갖는 방법입니다. 우리는 또한 100 x 100mm (100mm 직경, 100mm 길이)와 같은 몇 가지 크기를 테스트하고 있습니다. 현재이 프로젝트는 여전히 재료 및 화학 반응에 대한 초기 기본 과학 단계에 있지만 얻은 결과는 긍정적입니다. 우리의 연구에서, 현재 달성 할 수있는 에너지 밀도는 15 kWh/kg의 리튬 산화 구조 반응이다 (원시 탄소 캐소드, 5700 mAh x 2.7 v/g)는 셀의 에너지 밀도는 약 800WH/kg이다. . 나트륨 배터리 : 에너지 밀도가 낮지 만 안정된 금속 공기 배터리에는 리튬, 나트륨 및 칼륨 외에도 사용할 수있는 많은 금속이 있습니다. 이 금속의 역 반응은 더 쉽고, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철 등과 같은 상대적으로 무거운 금속이 재충전하기 어려운 것으로 입증되었으므로 배터리 500 프로젝트는 리튬과 나트륨을 모두 연구하기로 선택했습니다. 금속. 나트륨 배터리는 또 다른 흥미로운 조합이지만, 달성 할 수있는 에너지 밀도는 리튬 공기 배터리에 비해 낮지 만 그 이점은 더 안정적입니다. 에너지 밀도가 낮은 이유는 생성 된 화학 반응이 다르기 때문입니다. 위에서 언급 한 바와 같이, 리튬 공기 배터리에서, 리튬은 산소와 반응하여 과산화물 리튬 (LI2O2)을 생성하지만 나트륨 배터리에서 나트륨은 하나의 전자 만 사용하여 산소와 반응하여 과산화 나트륨 NAO2를 초래한다. 과산화 나트륨 대신 Na2O2. 이에 비해, 나트륨 공기 배터리가 생산할 수있는 에너지 밀도는 이론적으로 절반으로 감소하고 에너지 밀도의 이론적 상한은 1100Wh/kg이다. 반면, 나트륨 공기 배터리는 리튬 공기 배터리보다 효율적이며 과전압은 20mV 미만 (리튬의 경우 700MV) 미만입니다. 이를 고려하여 배터리 장치의 작동 전압을 3V로 줄일 수있어 배터리 내부의 다른 구성 요소의 자체 소비가 전해질과 같이 많이 줄어들 수 있습니다. 실험으로 측정하고 확인했습니다. 이는 배터리의 안정성이 상당히 높으며 50 충전 및 배출주기 후에 배터리의 용량이 거의 변하지 않는다는 이점이 있습니다. 나트륨 공기 배터리의 상업적 사용에는 몇 가지 어려움이 있습니다. 예를 들어, 나트륨 공기 배터리는 반응에 반응하여 리튬 공기 배터리보다 두 배나 많은 산소를 소비하며, 동일한 전력의 피스톤 엔진을 생산하는 데 필요한 공기의 양과 같습니다. 또한, 나트륨 금속의 화학 활동은 상당히 높으며 많은 사람들이 고등학교 교실에서 화학 교사가 만든 시연을 기억할 것입니다. 작은 나트륨 조각이 물에 던져지고 폭력적인 화학 반응이 발생합니다. 그러나 리튬은 희귀 금속이며 싸지 않습니다. 그러나 나트륨은 일반적인 금속이며 비용은 매우 낮습니다. 동일한 크기의 나트륨 공기 배터리 배터리의 재료 비용은 리튬 공기 배터리에서 10 분의 1 미만입니다. 장기적으로는 리튬 공기 배터리가 성능이 향상되지만 안정성과 비용을 고려하면 에너지만큼 낮지 않은 나트륨 공기 배터리는 현재 배터리에서 미래에 더 나은 선택이 될 것입니다. 0 번
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