8월 24일부터 26일까지 탄소 중립 에너지 정상 포럼, 제3회 중국 국제 신에너지 저장 기술 및 엔지니어링 응용 컨퍼런스, 신에너지 저장 기술 청년 과학자 포럼이 선전 개발 및 개혁위원회의 지도 하에 선전에서 개최되었으며, 중국 화학 및 물리 전력 산업 협회와 남부 과학 기술 대학 탄소 중립 에너지 연구소가 공동으로 주최하고 100개 이상의 기관이 지원했습니다. 이 컨퍼런스의 주제는 "새로운 생산성을 개발하고 에너지 저장 산업의 고품질 개발을 촉진합니다."
이번 학술대회 주최측은 6명의 학자와 100명의 업계 전문가를 초대하여 새로운 에너지 저장 시스템 통합 솔루션, 장기 에너지 저장 기술 및 응용 프로그램, 가상 발전소, 산업 및 상업용 에너지 저장, 새로운 에너지 저장 배터리, 새로운 에너지 저장 및 전기 시장, 스마트 마이크로그리드, 에너지 저장 표준 홍보, 새로운 에너지 저장 기술 젊은 과학자 포럼 등 12개 특별 세션에 대해 심도 있는 토론과 교류를 진행했습니다.
8월 25일 오전, 시안 교통대 재료 과학 및 공학부의 닝 샤오후이 교수가 "신에너지 저장 배터리 특별 세션"에서 기조 연설을 하도록 초대되었습니다. 보고서의 제목은 "신액체 금속 에너지 저장 배터리 기술의 진전"이었습니다.
안녕하세요 여러분! 저는 시안 교통 대학의 닝 샤오후이입니다. 카오 교수님이 방금 말씀하신 나트륨 이온 전지와 얀 교수님이 소개하신 유동 전지와 비교하면 저희 기술은 매우 틈새 시장입니다. 새로운 유형의 액체 금속 에너지 저장 전지라고 합니다. 저희의 것은 액체 금속으로 더 정확하게 정의할 수 있습니다. 이 전지는 여러분의 휴대전화에 사용되는 리튬 이온 전지, 유동 전지, 나트륨 이온 전지와 다릅니다. 고온 전지입니다. 이 분야에서 저희 연구 그룹의 진행 상황을 소개할 수 있는 기회를 주셔서 대단히 감사합니다.
배경과 중요성은 방금 모든 선생님들이 소개했습니다. 가장 중요한 요점은 현재의 탄소 피크와 탄소 중립 목표가 우리에게 에너지 구조를 전환할 것을 요구한다는 것입니다. 화석 에너지가 지배하는 현재의 에너지 구조에서 신에너지가 지배하는 미래의 구조로 말입니다. 이 전환은 전력망 시스템에 더 큰 요구가 됩니다. 왜냐하면 우리의 현재 전력망은 수력 발전과 원자력을 포함한 화력 발전에 기반을 두고 있기 때문입니다. 이 세 가지 에너지원은 매우 안정적이며 전기를 생성하도록 제어할 수 있습니다. 전력 소비 측면에서 공장과 가정의 전력 소비 법칙은 다루기 쉽습니다. 이제 우리는 국가 전력망과 남부 전력망, 대규모 송전 및 배전, 대규모 파견 기능을 통해 발전 측면과 전력 소비 측면 간의 동적 균형을 충분히 충족할 수 있습니다. 하지만 미래에는 에너지 구조를 전환해야 합니다. 풍력과 태양광 발전을 발전 측면에 추가해야 합니다. 이 에너지가 매우 불안정하고 무작위적이라는 것은 누구나 알고 있습니다. 그래서 발전측에 추가한 후, 이 측면도 크게 변동할 것이고, 전기 자동차, 신에너지와 같은 마이크로그리드 전력 소비 측면의 사용자 측면의 변화가 증가함에 따라 사용자 측면의 무작위성과 제어 불가능성이 점점 더 어려워질 것입니다. 이 경우 대규모 전력 저장 기술은 우리에게 매우 중요합니다.
보시다시피, "14차 5개년 계획"의 새로운 에너지 저장 개발 실행 계획에서 우리 국가발전개혁위원회와 에너지국도 새로운 에너지 저장을 위한 새로운 혁신 시스템을 구축하고 다양한 기술 개발을 늘리기를 희망한다고 분명히 밝혔습니다. 이러한 맥락에서 우리의 틈새 에너지 저장 기술은 살아남을 여지가 거의 없습니다.
에너지 저장 배터리를 만들고 싶다면, 좀 더 혁신적인 시스템을 만들고 이전의 설계 아이디어 중 일부를 버려야 합니다. 새로운 전극 재료 시스템을 찾고 새로운 배터리 구조를 설계해야 새로운 에너지 저장 배터리 기술을 생각해 낼 수 있습니다.
MIT에서 제 전 멘토였던 사도웨이 교수는 야금학을 전공하셨고, 알루미늄 전기분해 셀에 매료되셨습니다. 나폴레옹의 왕관에 사용된 금속은 알루미늄으로 만들어졌고, 워싱턴 기념비 꼭대기에 사용된 금속도 알루미늄이었습니다. 당시 알루미늄은 매우 비쌌지만, 전기분해를 통해 생산된 후 알루미늄은 매우 저렴해져서 수천 가구에 들어갔고, 그래서 그는 알루미늄 전기분해 기술에 매료되었습니다.
전기분해 공정은 현재 우리가 사용하는 배터리의 역공정입니다. 우리의 전기분해 공정은 주로 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 반면 배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 전기분해의 원리는 배터리를 충전할 때 사용됩니다. 알루미늄 전기분해 셀은 매우 크고 길이가 수백 미터이며 많은 전기를 소모합니다. 500,000 암페어 4볼트 시스템이며 매일 많은 전기를 소모합니다. 그 당시 우리의 가장 기본적인 아이디어 중 하나는 전기분해 공정을 역전시키고 전기를 소모하는 것들을 전기 저장물로 바꾸어 에너지를 저장하는 거대한 배터리로 만드는 것이었습니다. 어떻게 할까요? 우리는 알루미늄 전기분해 정제 공정, 즉 조알루미늄에서 정제된 알루미늄으로 전기화학적 정제 공정을 생각해냈습니다. 3층 액체 구조를 사용하고, 바닥은 조알루미늄이고, 가운데의 전해질은 우리가 일상생활에서 보는 식탁소금과 비슷한 용융염 시스템입니다. 이 물건은 고온에서 녹아 물과 비슷한 액체가 되는데, 이온을 전도할 수 있으므로 전해질은 용융염이고, 윗부분은 정제된 알루미늄 재료를 얻을 수 있습니다. 왜 액체 재료의 세 겹이 생성될 수 있을까요? 이 세 가지 재료의 밀도가 다르기 때문에 자연스럽게 위, 중간, 아래의 세 겹으로 나뉩니다. 게다가 전기 분해 공정은 고온에서 작동하고 큰 전류를 통과시킬 수 있습니다.
이러한 생각으로, 우리는 알루미늄 전해 정련의 원리를 사용하여 3층 액체 배터리, 액체 금속 배터리를 설계할 수 있을지 궁금해했습니다. 액체 금속 배터리의 세 가지 재료인 양극, 음극 재료 및 전해질 재료는 밀도가 다르므로 자연스럽게 상, 중, 하의 세 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 가벼운 금속은 맨 위에 있는데, 이것이 배터리의 음극이고, 밀도가 가장 높은 금속은 맨 아래에 있는데, 이것이 배터리의 양극입니다. 가운데에는 용융염 시스템이 있습니다. 배터리가 방전되면 음극은 이온이 되어 전해질 용융염을 통해 양극 표면으로 확산되어 합금을 형성합니다. 충전은 그 반대 과정입니다. 충전 및 방전 과정에서는 액체 전극 재료의 부피 변화만 있을 뿐 고체 재료의 구조나 재료 구조의 붕괴 문제는 없습니다. 따라서 이론적으로 사이클 수명이 매우 길어질 수 있습니다. 액체 금속은 비교적 풍부한 매장량을 가진 비교적 저렴한 금속을 사용하므로 비용이 비교적 낮습니다. 동시에 중간의 전해질은 무기 용융염으로 만들어져 격막이 필요 없고 비용이 비교적 낮습니다. 또한 고온에서 이온 전도도가 매우 높습니다. 더욱이 3층 액체 구조는 배터리를 더 크게 만들 때 매우 간단하므로 수백 암페어 시간의 단일 셀을 만드는 것이 매우 쉽습니다. 우리 연구실은 200암페어 시간 이상의 용량을 가진 배터리 셀을 만들 수 있습니다. 유일한 문제는 고온 시스템이므로 처음 작동할 때 가열해야 한다는 것입니다. 그러나 배터리를 쌓고 절연 작업을 더 잘 수행한 후에는 충전 및 방전 과정에서 많은 양의 열이 발생하여 열 손실과 동적 균형을 달성하여 액체 금속 배터리를 그렇게 높은 온도에서 작동시키기에 충분하므로 자체 가열 시스템으로 만들 수 있습니다.
여기 그림에서 볼 수 있듯이, 모든 사람이 액체 금속 배터리의 개념을 더 명확하게 이해할 수 있도록 실험실에서 실온 액체 배터리 데모를 만들었습니다. 물론 양극이 독성 수은 금속을 사용하기 때문에 실제로 사용할 수는 없습니다. 우리는 모든 사람이 3층 액체 구조를 더 명확하게 볼 수 있도록 이 배터리를 만들었습니다. 이 배터리는 전압이 있고 쉽게 충전 및 방전할 수 있지만 성능은 실제 고온 작동 배터리보다 좋지 않습니다. 모든 사람이 3층 액체의 개념을 이해하도록 하기 위한 것입니다.
그리고 배터리 사이클 동안 수지상 성장. 액체이기 때문에 충전 및 방전 과정에서 스트레스가 없으므로 스트레스 없이 분쇄가 발생하지 않습니다. 동시에 액체 금속과 액체 전해질 사이의 계면은 접촉이 매우 좋은 액체-액체 계면이므로 고체 전극과 전해질 사이의 접촉 계면 문제를 해결합니다.
액체 금속 배터리도 몇 가지 장점이 있습니다. 3층 액체 구조는 다른 재료 밀도에 따라 자동으로 층이 지어지기 때문에 전체 배터리 구조가 매우 간단하고 더 크게 만들기가 매우 쉽습니다. 저희 연구실은 200암페어시, 300암페어시, 심지어 500암페어시 또는 600암페어시의 용량을 가진 배터리를 만들 수 있습니다. 두 번째는 액체 전극은 배터리 용량 감소를 일으키는 고체 전극 구조에 약간의 변화가 없다는 것입니다. 저희 고체 배터리와 비교할 때, 긴 사이클 후에 전극 재료 구조가 붕괴되어 용량 감소를 일으킵니다. 이 문제는 저희 시스템에는 존재하지 않으므로 저희 배터리는 비교적 긴 수명을 가지고 있습니다. 또한, 중간에 있는 전해질 용융염은 에너지 저장 기술에서 열 저장 기술을 가지고 있습니다. 용융염 자체는 열 저장 재료로 사용됩니다. 열을 생성한 후 배터리가 단락되어 열을 생성하면 용융염에 흡수되어 화재 및 폭발의 위험이 없습니다. 동시에, 횡격막이 필요 없으므로 비용이 비교적 낮습니다.
"제14차 5개년 신에너지 저장 발전 계획"에서도 액체 금속 배터리를 신기술이자 미래의 방향이라고 제시하고, 향후 에너지 저장 분야에 응용되기를 기대하고 있습니다.
다음은 단일 셀과 에너지 저장 시스템을 포함한 배터리 소재 시스템에서의 연구 그룹의 진행 상황에 대한 소개입니다. 이는 액체 금속 배터리 소재 시스템 설계에 대한 연구 결과 중 일부입니다.
우리 모두가 알다시피, 재료를 선택하는 가장 기본적인 방법은 주기율표로 돌아가는 것입니다. 배터리는 특정 전압을 가져야 하기 때문에 음극은 더 가벼운 금속으로 만들어야 합니다. 우리는 주기율표에서 비교적 가볍고 특정 활동성을 가진 알칼리 금속과 알칼리 토금속을 찾고 있습니다. 양극은 더 무거운 밀도와 더 낮은 녹는점을 가진 것으로 만들어야 하므로 우리의 범위는 금속 원소와 비금속 원소 사이의 단계인 더 강한 비금속적 특성을 가진 금속 원소에 있습니다.
일반적으로 전극 재료 시스템의 설계는 간단한 것에서 복잡한 것으로 진행되므로, 우리는 처음에 비교적 간단한 시스템을 구축했습니다. 음극에 사용된 금속 원소는 리튬으로, 녹는점이 약 180도 섭씨입니다. 양극은 비스무트로, 녹는점이 270도 이상입니다. 가운데의 용융염은 리튬 기반이며, 녹는점은 약 400도 섭씨입니다. 따라서 배터리가 500도 섭씨에서 작동하면 3층 액체 구조가 됩니다.
우리는 이 리튬/비스무트 액체 금속 전지 시스템에서 흥미로운 메커니즘을 발견했습니다. 처음에는 전극이 충전 및 방전 과정 동안 항상 액체 상태를 유지한다고 생각했지만 사실 양극은 그렇지 않습니다. 음극은 항상 액체 상태를 유지하지만 양극 측의 방전 과정 동안 방전 과정 중간에 일부 고체상 금속간 화합물이 생성됩니다. 그러나 이 고체상은 방전 과정에서만 존재하며 충전 시 액체상으로 돌아갑니다. 즉, 양극은 실제로 치유 가능합니다. 방전 중에는 고체상이 생성되지만 충전 중에는 고체상이 사라지고 충전 중에는 3층 액체 구조로 돌아갑니다.
실제 배터리는 어떻게 생겼을까요?오른쪽 하단 모서리에 있는 그림입니다(PPT 참조).지금 보시는 배터리와는 다릅니다.더 크고 무겁고 스테인리스 스틸 쉘을 사용합니다.이 시스템에서 우리는 다양한 용량에서 배터리의 안정성을 검증했습니다.가장 작은 배터리는 매우 작아서 가장 오른쪽에 지름이 1.3cm이고 용량은 약 수백 mAh입니다.가장 큰 배터리는 지름이 약 15cm이고 143암페어시의 용량을 달성했습니다.용량 감소 없이 300회 사이클 동안 작동했습니다.
이 시스템은 잘 작동하지만 내부 저항이 비교적 크고 전극과 전해질 사이의 계면이 약간 불균형합니다. 나중에 배터리 케이스가 스테인리스 스틸로 만들어졌기 때문에 액체 금속 Bi가 스테인리스 스틸을 완전히 적시지 않아 내부 저항이 비교적 크다는 것을 발견했습니다. 젖음성을 개선하기 위해 Bi에 매우 소량의 Se 원소를 첨가했습니다. Se 원소를 첨가한 후 양극과 스테인리스 스틸이 완전히 젖어 배터리의 내부 저항이 감소합니다. 그래서 용량이 20암페어시인 배터리를 만들어 1,200사이클 동안 작동시켰고 용량 유지율은 98.4%에 도달했습니다.
그런 다음 Li|Bi 배터리의 전압이 비교적 낮다는 것을 발견했으므로 양극에 합금 원소 Sb를 추가할 수 있는지 생각했습니다. Sb의 전압은 Bi보다 높지만 녹는점도 높아서 600도 이상에 도달하므로 Bi와 Sb를 합금하여 녹는점을 낮추고 전압을 높일 수 있습니다. Sb를 추가한 후 방전 전압 플랫폼이 개선된 것을 볼 수 있습니다. 이런 식으로 5암페어시 용량의 배터리를 만들고 용량 감소 없이 160회 이상 작동시켰습니다.
하지만 이 BiSb 양극의 문제점은 고속 성능이 좋지 않다는 것입니다. 고속 성능을 개선할 수 있는지 알고 싶습니다. 주기율표의 Te 원소를 살펴보겠습니다. Te는 비교적 비싸므로 첨가 원소로도 사용합니다. 약간 첨가하면 Te의 방전 전압은 Bi 및 Sb와 매우 다릅니다. 따라서 먼저 Te가 표면에 일부 고체 상을 형성하도록 합니다. 방전하는 동안 양극 다성분 합금이 형성되는 동안 발생하는 응력으로 인해 Te의 고체 상 층에서 많은 균열이 눌려 많은 리튬 이온의 채널이 눈에 띄지 않게 증가할 수 있습니다. 약간의 Te를 첨가한 후에는 배터리의 속도 성능도 개선되는 것을 발견했습니다. 제곱 센티미터당 100mAh에서 제곱 센티미터당 1000mAh로 갔을 때 가역적 용량 손실은 매우 작았습니다.
우리는 양극에 합금 원소를 첨가하면 배터리 성능을 제한적으로 개선할 수 있다는 것을 발견했지만, 우리의 경험이나 실험적 시행착오에만 의존한다면 시간과 비용이 비교적 많이 들기 때문에 AI 기술을 사용할 수 있을지 궁금했습니다.그래서 우리는 몇 가지 머신 러닝 방법을 사용하여 데이터베이스를 구축했습니다.머신 러닝을 통해 다중 원소 합금 양극을 설계할 수 있었습니다.머신 러닝을 통해 4원 합금 양극을 설계하여 성능을 개선했습니다.동시에 우리의 이전 전극 시스템은 리튬을 음극으로 사용했지만 리튬은 비교적 비싸기 때문에 칼슘 기반 합금 음극을 설계했는데, 이는 용량 손실 없이 500회 사이클 동안 안정적으로 사이클되었습니다.머신 러닝을 사용하면 실제로 전극 재료 시스템을 설계하는 데 도움이 되어 많은 시간과 비용을 절약할 수 있다는 것을 발견했습니다.
액체 금속 전지의 전극 재료 시스템에 대한 연구 외에도 우리는 액체 금속 전지 단량체를 설계하고 최적화했습니다. 우리는 먼저 실험실에서 작업했기 때문에 몇 년 동안 테스트하는 것이 불가능했기 때문에 작은 배터리를 만들었습니다. 그래서 우리는 5 암페어-시간 액체 금속 배터리를 만들고 15 암페어의 방전 전류에서 테스트했습니다. 충전 및 방전 전류는 모두 15 암페어, 100% 심충전 및 심방전, 3C 속도였습니다. 이 배터리는 4,100회 이상 작동했으며 방전 용량은 약 4.92 암페어-시간이었고 재료 이용률은 98.4%에 도달했으며 쿨롱 효율은 99.52%였습니다.
우리는 또한 더 큰 용량의 200 암페어-시간 배터리를 만들었습니다. 실험실 충전 및 방전 전류 장비의 한계로 인해 50 암페어, 0.25C의 전류에서만 충전 및 방전할 수 있으며 100% 깊이 충전 및 방전도 가능합니다. 방전 용량은 199.4 암페어 시간에 도달할 수 있으며 재료 활용률은 96.79%에 도달할 수 있습니다. 9개월 동안 700회 이상 안정적으로 작동했으며 눈에 띄는 용량 감소는 발견되지 않았습니다. 이는 우리의 액체 금속 배터리가 양호한 사이클 안정성을 가지고 있음을 실제로 증명합니다.
사람들이 액체 금속 배터리에 대해 더 우려하는 또 다른 점은 3개의 액체 층이 서로 섞이거나 배터리가 뒤집히면 어떻게 되는가입니다.그래서 우리는 테스트를 위해 200암페어시 배터리를 가져와 회전하는 가열 테이블에 놓았습니다.우리의 배터리는 고온에서 작동하기 때문에 테스트를 하려면 회전할 수 있는 고온 시스템에 보관해야 합니다.31.9도까지 기울이면 배터리의 3층 액체 구조가 여전히 유지되므로 배터리는 여전히 정상적으로 충전 및 방전할 수 있지만 완전히 뒤집어서 90도까지 돌리면 양극과 음극이 단락되어 서로 섞이고 이때 열이 발생합니다.우리는 또한 오른쪽 하단 모서리에 있는 보라색과 노란색 곡선을 측정했습니다.이 두 개의 열전대는 배터리 벽에 부착되어 회로의 한 구간을 통과한 후 배터리의 온도 상승을 측정할 수 있습니다.섭씨 550도에서 섭씨 590도, 즉 약 섭씨 45도입니다. 즉, 생성된 많은 양의 열이 용융염 시스템에 의해 흡수되므로 본질적으로 가스화 및 폭발 가능성이 없습니다.
동시에, 우리의 배터리가 미래에 실제 에너지 저장 상황에서 사용된다면 지진과 같은 극한 상황에 직면할 수 있습니다. 그래서 우리는 또한 수직 진동과 수평 진동을 포함하여 20Hz 지진 주파수에서 몇 가지 안전 테스트를 수행했습니다. 이 경우 배터리 곡선의 버는 배선 위치의 진동으로 인해 발생하지만 수직 진동 중에 배터리는 정상적으로 작동할 수 있습니다. 수평 진동 중에 짧은 단락이 있었지만 배터리 진동이 멈췄을 때 배터리는 작동을 멈추고 일정 시간 동안 정지한 다음 배터리를 다시 정상적으로 충전 및 방전할 수 있었습니다. 이는 이 수준에서 20Hz10Hz의 지진 주파수가 배터리에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 증명합니다.
13차 5개년 계획 기간 동안 우리는 핵심 R&D 프로젝트를 수행하여 배터리 팩을 만들었습니다. 이 과정에서 우리는 먼저 배터리 일관성과 같은 시스템의 핵심 문제를 극복했습니다. 우리는 배터리 구조, 성분, 조립 공정, 구조적 매개변수 등을 최적화하고 배터리 일관성을 개선했습니다. 200 암페어-시간 이상의 배터리 용량 차이는 2 암페어-시간 미만이며 내부 저항 차이는 2 밀리옴 미만입니다. 배터리 일관성은 비교적 높습니다. 0.2C 단일 셀은 86% 이상의 평균 에너지 효율을 달성할 수 있습니다.
우리의 액체 금속 배터리의 전압은 현재의 리튬 및 나트륨 배터리와 달리 비교적 낮기 때문에 우리도 우리만의 BMS를 설계해야 합니다. 따라서 대전류 및 저전압의 특성을 기반으로 2층 밸런싱 시스템을 설계했습니다. 밸런싱 후 배터리의 일관성은 매우 높으며 전압 차이는 40.6mV이고 밸런싱 전류는 1.4암페어입니다.
이를 기반으로 가열 모듈도 결합해야 합니다. 고온 배터리이기 때문에 시스템에서 열풍 대류 원리를 사용하여 가열을 설계하고 온도 폭주에 대한 예방 조치도 취합니다. 오른쪽 아래 모서리의 그림에서 약 12개의 배터리를 직렬로 연결한 후 0.5C의 속도로 작동하는 것을 볼 수 있습니다. 파란색 곡선은 외부 전원의 전류입니다. 0.5C에서 작동할 때 이 배터리에서 생성되는 열은 배터리가 자체적으로 작동하기에 충분하다는 것을 알 수 있습니다. 그 자체로 500도 섭씨이므로 외부 가열이 필요 없고 자체 가열을 달성할 수 있습니다. 물론 이 배터리는 처음 작동할 때 여전히 약간의 열을 공급해야 하지만 정상적인 작동 중에는 필요하지 않습니다.
이를 바탕으로, 우리는 화중과학기술대학의 장카이 교수와 협력하여 액체금속 배터리의 3차원 열전달 결합 모델을 구축하고, 전기-열 결합 서비스 특성 조절 전략을 제안하였으며, 다단계 배터리 효율 관리 시스템을 실현하고, 국내 최초의 5KW 및 30KWH 리튬 기반 액체금속 배터리 시스템을 구축하였으며, 이는 제3자 테스트도 통과했습니다.
이를 바탕으로 우리는 수년간 기술을 축적해 왔습니다. 2023년 6월, 헝후이 케위안(시안) 신에너지기술유한공사가 시안에서 설립되어 액체금속 배터리 기술의 산업화를 촉진하는 데 전념하고 있습니다. 엔젤 라운드는 장위안 투자로부터 수천만 달러의 자금을 지원받았습니다. 전문가와 교사들이 시안으로 와서 우리의 작업을 지도해 주시기를 환영합니다.