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엔지니어 Martin Eberhard 이후 XNUMX년이 지났습니다. 공개 산타 모니카 공항 격납고에서 투자자, 언론인 및 잠재적 구매자의 군중 앞에서 그의 미래형 맞춤 설계 스포츠카. 로드스터라고 불리는 이 차량에는 혁신적인 엔지니어링이 많이 포함되어 있지만 차량의 범위와 속도를 제공하는 후면 구획에 포장된 6,831개의 리튬 이온 배터리 셀보다 더 중요한 것은 없습니다. "배터리 시스템은 비밀입니다." Eberhard 설명 당시 "0-60mph 가속 XNUMX초 뒤"였습니다.

Eberhard와 그의 공동 작업자인 Marc Tarpenning은 Nikola Tesla의 이름을 따서 새로운 전기 자동차 회사를 명명했으며 2008년 후인 XNUMX년에 Tesla는 자동차 시장에 출시된 최초의 상업용 리튬 이온 자동차가 되었습니다. 리튬 이온 또는 리튬 이온은 매우 인기 있는 Prius를 포함하여 대부분의 하이브리드 및 전기 자동차에 동력을 공급해 온 Ni-MH(니켈-금속 수소화물) 배터리에서 크게 발전한 것입니다. 리튬의 더 나은 에너지 밀도는 리튬 이온 배터리가 Ni-MH 배터리보다 킬로그램당 XNUMX/XNUMX 더 많은 와트시를 저장할 수 있음을 의미합니다. 즉, 더 오래 지속되고 무게가 더 가볍습니다.

그러나 리튬 배터리에는 여전히 심각한 단점이 있습니다. 그것은 리튬뿐만 아니라 코발트, 구리, 흑연 및 니켈과 같은 수입된 중요한 광물에 의존합니다. 이 광물은 산을 해킹하거나 부족한 사막 지하수를 연못으로 펌핑하여 얻은 다음 물이 증발하고 광물을 남길 때까지 기다립니다. 콩고민주공화국은 세계 코발트의 70% 이상을 생산합니다. 아동 노동 착취 안전하지 않은 작업 조건에서. 다른 광물은 감소하는 세계 니켈 매장량의 20%를 제공하는 러시아와 EV 배터리에 사용되는 거의 모든 흑연을 국제적으로 공급하는 중국을 포함하여 미국이 경제 관계를 완화하기를 선호하는 국가에서 나옵니다.

2029년까지 광물의 80%가 미국 또는 동맹국에서 공급되는 전기 자동차만이 전액 세금 공제를 받을 수 있습니다.

"허용되지 않는 것으로 정의된 장소에 가지 않는 한 우리는 일부 광물을 얻을 수 있는 능력이 반드시 있는 것은 아닙니다."라고 화석 연료에서 교통수단을 옮기기 위해 노력하는 비영리 단체인 전기화 연합(Electrification Coalition)의 전무이사인 Ben Prochazka는 말합니다. 머지 않아 우리는 특정 광물을 전혀 얻을 수 없게 될 수도 있습니다. 예를 들어 중국은 엄청난 배터리 산업을 위해 흑연을 유지하겠다고 위협했습니다. 시장 분석가들은 2030년까지 리튬에 대한 전 세계 수요가 공급을 초과할 것으로 예측합니다. Prochazka는 "우리는 배터리를 만드는 다른 방법을 알아내야 합니다.

주 및 연방 정부의 명령과 인센티브로 인해 자동차 회사는 차량에서 배터리 구동 차량의 우선 순위를 정하고 불안정한 휘발유 가격으로 인해 더 많은 소비자가 무배출 운송으로 이동하고 있으므로 자동차 제조업체와 배터리 회사는 이를 위해 서두르고 있습니다. 그들은 배터리를 만드는 다양한 방법을 개발하면서 비용을 줄이고 에너지 밀도를 높이며(이는 가장 중요한 주행 거리 연장으로 해석됨) 미국 정부가 "관심 대상 외국 기업"이라고 부르는 산업에서 벗어나기 위해 노력하고 있습니다.

이른바 분쟁광물을 국산 광물로 대체하는 배터리는 연구개발을 넘어 테스트 단계까지 발전했다. 니켈, 망간 및 알루미늄을 위해 코발트를 줄이는 배터리는 이미 상업 생산 중입니다. 몇몇 회사는 잠재적으로 인화성 액체를 사용하지 않는 고체 배터리를 연구하고 있으며 미국에서 배터리 제조 전용 기가팩토리에 대한 계획이 많습니다.

2022년 IRA(Inflation Reduction Act)와 2021년 인프라 투자 및 고용법(Infrastructure Investment and Jobs Act)이라는 두 가지 새로운 연방법의 통과로 업계가 함께 움직일 것으로 예상됩니다. 미국은 7,500년 말부터 대부분의 새 EV 구매자에게 2009달러의 세금 공제를 제공했습니다. 그러나 2023년부터 IRA는 중요한 광물 소싱 및 배터리 제조에 대한 특정 요구 사항에 세금 공제를 연결합니다. 2029년까지 광물의 80%가 미국 또는 동맹국에서 공급되고 북미에서 제조 또는 조립된 부품이 100%인 EV만 자격 완전한 신용을 위해.

종합하면, 이 법안은 Tesla가 Modern S 세단 개발을 완료하고 공장을 열기 위해 2010억 465만 달러의 연방 대출을 확보한 2025년대 미국 회복 및 재투자법(American Recovery and Reinvestment Act)과 마찬가지로 전기 자동차 배터리 산업을 변화시키고 혁신을 추진할 것입니다. 캘리포니아 프리몬트에서. Prochazka는 코발트와 니켈을 구하기 어렵다면 “코발트를 덜 사용하거나 코발트를 사용하지 않는 배터리를 만들자. 아니면 니켈을 적게 사용하는 배터리를 만들자.” Prochazka는 중국이 배터리 제조업체에서 사용하는 거의 모든 광물을 정제한다고 덧붙였습니다. “그래서 이제 미국에 처리 시설을 갖게 될 것입니다.” 그 상태.

GM의 EV 및 에너지 정책 수석 전략가인 Michael Maten은 의회가 조치를 취했는지 여부에 관계없이 변화가 오고 있다고 말했습니다. 2021년 GM CEO Mary Barra가 100년까지 2035% 전기로 전환하겠다고 약속했을 때 Maten은 "우리가 처음으로 말한 것은 '오 이런, 우리는 많은 배터리가 필요할 것입니다.'"라고 말했습니다. 공급망을 면밀히 살펴보고 "공급망이 지속 가능한지 확인하기 위해 해당 공급망의 육상 또는 근해에 대한 일치된 노력"을 합니다. 이제 그는 "매달 우리는 중요한 광물을 확보하기 위해 다른 파트너를 데려옵니다"라고 말합니다.

우리의 배터리 셀을 프렌치 딥이라고 생각할 수 있습니다. 전해질은 전체에 침투합니다.

실패는 선택 사항이 아니라고 Maten은 말합니다. “우리는 내연기관을 기반으로 한 100년 된 사업을 완전 전기차 사업으로 전환하고 있습니다. 우리는 앞으로 100년 동안 우리 주변에 있는지 확인하고 싶습니다.”

화상 통화에서 산호세에 본사를 둔 배터리용 복합재 제조 전문 회사인 Lyten의 분석 이사인 George Liddle이 가장자리가 바깥쪽을 향하도록 종이 한 장을 들고 있습니다. "그것은 3차원 그래핀입니다." 그는 "나노 형태로만" 평평하게 놓인 축구 그물과 구조적으로 유사하다고 말합니다. 그런 다음 Liddle은 종이를 구겨 공 모양으로 만듭니다. "이렇게 하면 플랫 버전보다 전기적, 화학적으로 반응성이 1,000배 더 높은 XNUMXD 그래핀으로 끝납니다."

Lyten은 유전에서 폐 메탄을 수집하여 불활성 탄소로 변환하고 지하 깊숙이 격리하려는 상업적 노력으로 시작되었습니다. "경제학이 전혀 작동하지 않는다는 것이 밝혀졌습니다."라고 Liddle이 말했습니다. 연구원이 탄소에서 파생된 그래핀이 새로운 종류의 배터리 내부에서 리튬과 황 사이의 완충제로 사용될 수 있다는 사실을 발견했을 때 회사는 배터리로 선회했습니다.

"유황은 니켈, 망간 또는 코발트보다 약 XNUMX배의 잠재 에너지 저장 능력을 가지고 있습니다."라고 Liddle은 말합니다. 석유 굴착기는 톤 단위로 제공합니다. 상업적 용도로 리튬-황 배터리를 만든 사람은 아무도 없습니다(비록 일부는 시도) 하는 것이 얼마나 어려운지를 말합니다. 배터리 내의 셀이 충전 및 방전되면서 리튬은 황과 결합하여 리튬 이온으로 방출됩니다. 각 사이클에서 화합물은 리튬이나 황이 사용 가능한 형태로 남지 않을 때까지 일련의 복잡한 화학적 전환을 거칩니다. Liddle은 "배터리가 약 100번 순환한 다음 죽습니다. 기본적으로 자체적으로 중독되기 때문입니다."라고 설명합니다.

이제 Liddle은 그래핀의 대용품인 뭉친 종이의 공간에 유황이라는 물질을 삽입하는 마임을 합니다. "황을 가져다가 그래핀의 나노 틈에 깊숙이 삽입하면 리튬-황이 리튬과 황으로 변환됩니다."라고 그는 말합니다. 그래핀은 두 화학 물질을 분리하므로 황 원자와 리튬 이온이 배터리를 파괴하지 않습니다.

배터리 셀은 샌드위치로 생각할 수 있습니다. 양전하를 띤 음극과 음전하를 띤 양극이 이온을 한 쪽에서 다른 쪽으로 통과시키는 전해질 주위에 있습니다. 전해질은 거의 항상 점성이 있는 유기 용매입니다. Lyten 배터리의 셀에는 이러한 구성 요소가 모두 포함되어 있지만 구조가 약간 다릅니다. "우리 배터리 셀을 프렌치 딥이라고 생각할 수 있습니다."라고 Liddle은 말합니다. "전해질이 전체에 스며듭니다."

Ford와 Mercedes-Benz는 솔리드 스테이트 기술을 탐구하기 위해 배터리 제조업체와 파트너십을 맺었습니다.

이와는 대조적으로 전고체 배터리는 전해질을 전혀 사용하지 않고 동일한 기능을 수행하지만 유기 용매의 가연성 위험이 없는 폴리머 또는 세라믹으로 교체합니다. 휘발유 자동차는 리튬 이온 배터리가 장착된 EV보다 더 쉽게 그리고 더 자주 불이 붙습니다. 그러나 리튬 이온 배터리는 "열폭주"라고 알려진 현상에 특히 취약합니다. 이 현상에서는 연소 중인 셀이 생성하는 것보다 더 빨리 열을 발산할 수 없습니다. 플로리다의 소방관들은 허리케인 이안의 폭풍 해일 이후 바닷물에 잠긴 테슬라에 화재가 발생한 후 알게 된 것처럼 화학 화재를 진압하는 데 엄청나게 많은 물이 필요합니다.

Ford와 Mercedes-Benz를 포함한 소수의 자동차 제조업체는 솔리드 스테이트 기술을 탐구하기 위해 배터리 제조업체와 파트너십을 맺고 있습니다. 매사추세츠주 메투엔에 새 공장을 열 예정인 팩토리얼 에너지는 2028년에서 2030년 사이에 고체 EV 배터리를 출시할 것으로 예상하고 있습니다.

대부분의 배터리는 합당한 이유로 액체 전해질을 사용한다고 National Renewable Energy Laboratories의 수석 에너지 저장 엔지니어인 Ahmad Pesaran은 설명합니다. 유체는 양극과 음극 사이의 접촉을 유지하기 위해 모든 빈 공간으로 흐를 수 있습니다. 그러나 고체 전해질이 작동하려면 "함께 합쳐질 수 있는 정말 좋은 표면이 있어야 합니다"라고 Pesaran은 말합니다. 재료는 또한 균열 없이 압력을 견뎌야 합니다. 이는 일부 고체 응용 분야에 사용되는 부서지기 쉬운 세라믹에 대한 어려운 주문입니다.

실제로 배터리 연구원들은 고체 기술을 완성하는 것보다 실리콘 양극을 상용화하는 데 성공할 가능성이 더 높다고 일부 전문가들은 말합니다. 실리콘은 일반적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 에너지 밀도의 잠재적으로 두 배이며 훨씬 더 광범위하게 사용할 수 있습니다. (실리콘의 공급원료는 모래입니다.) 실리콘 양극 배터리는 가능 불과 몇 년 만에. 주요 문제는 실리콘이 충전 및 방전될 때 팽창하는 경향이 있다는 것입니다. 미국 에너지부의 기술 개발 관리자인 Brian Cunningham은 "최대 용량까지 하면 부피가 거의 300% 변합니다. 그러면 전체 구조에 많은 기계적 부담이 가해집니다."라고 말합니다. 배터리가 상업용 차량의 필수 충전-방전 주기에서 살아남을 가능성은 거의 없습니다. "우리는 이러한 스트레스와 부담을 줄이기 위한 솔루션을 엔지니어링하고 있습니다."라고 그는 말합니다.

최첨단 기술에 대해 토론하는 것보다 더 나은 아이디어는 최소한의 비용으로 가장 많은 에너지를 저장하는 재료를 단순히 살펴보는 것이며 인도네시아 해안 마을을 니켈을 위해 찢어버리거나 권위주의 정권에 의존하지 않고 얻을 수 있다고 말합니다. 리튬 이온 배터리 가격은 변동이 심하지만 지금은 어딘가에서 비용이 듭니다. 킬로와트시당 $ 150. 휘발유 엔진과의 비용 패리티를 위해 일부 자동차 제조업체는 킬로와트시당 $100를 목표로 하고 있지만 그 가격은 킬로와트시당 최소 $60로 낮아져야 합니다. 그곳에 가는 방법은 여러 가지가 있지만 그것이 언제 일어날지는 아무도 모릅니다. "이 모든 것은 여전히 ​​실험실 환경에 있습니다."라고 Maten은 말합니다.

미국의 모든 니켈 매장량의 97%는 아메리카 원주민 커뮤니티에서 35마일 이내에 있습니다.

현실 세계에서 차량을 구입하는 사람들은 성공적인 배터리 기술의 궁극적인 중재자가 될 것이라고 DOE의 Cunningham은 말합니다. 중요한 것은 전기 대 가스 구동 토론을 논박하게 만드는 비용으로 범위와 가속에 대한 운전자의 기대치를 능가하는 배터리를 만드는 것입니다. "어느 시점에서 우리는 배터리 전기 자동차가 기존 자동차보다 저렴한 이 교차점에 도달할 것입니다."라고 그는 말합니다. 그는 우리가 솔리드 스테이트, 실리콘 또는 기타 혁신적인 배터리 디자인에 도달하는 방법에 대해 크게 신경 쓰지 않습니다. 미국 에너지부는 "화학 불가지론자"라고 그는 지적합니다.

2.8월에 DOE는 미국에서 중요한 광물의 생산 및 처리를 강화하기 위해 노력하는 20개 회사에 40억 달러의 보조금을 발표했습니다. 특정 벤처를 위한 또 다른 자금 조달은 12월에 발표될 예정입니다. DOE의 대출 프로그램 사무국장인 Jigar Shah는 연구원과 제조업체를 대상으로 한 비디오에서 IRA가 첨단 차량 제조 프로그램을 지원하기 위해 기관의 대출 권한에 XNUMX억 달러를 추가했다고 말했습니다. "이 프로그램의 목표는 우리가 여기 이 나라에서 탄소를 제거함에 따라 자동차 부문의 공급망을 육지로 끌어올리는 것입니다."라고 그는 말했습니다. XNUMX월 XNUMX일 DOE는 2.5 억 달러 대출 GM과 LG 에너지 솔루션의 합작 투자 회사인 Ultium Cells에 미국 XNUMX개 시설에서 코발트 함량이 낮은 배터리를 생산할 예정입니다.

미국과 그 동맹국 내에서 단순히 전기 자동차 공급망을 구축하는 것은 적어도 생태학적 및 공중 보건 측면에서 지속 가능하지 않다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 칠레는 기술적으로는 미국에 우호적인 국가이지만 아타카마 사막에서 리튬을 채굴하고 있습니다. 지하수를 위협한다 지역 사회와 야생 동물이 의존하는 석호를 배수합니다. 미국의 모든 니켈 매장량의 35%는 아메리카 원주민 커뮤니티에서 89마일 이내에 있으며 구리 매장량의 XNUMX%도 마찬가지입니다.

이미 11개의 지열 발전소로 펌핑되고 ​​있는 소금물에서 리튬 추출이 어려움을 겪고 있는 농업 공동체에 잠재적인 경제적 이익으로 예고된 남부 캘리포니아의 임페리얼 밸리에서도 환경 정의 옹호자들은 잠재적인 부정적인 영향에 대해 우려하고 있습니다. 179,000명의 인구가 거주하는 임페리얼 밸리는 85% 이상이 라틴계이며 농장에서 흘러나오는 살충제와 죽어가는 솔턴해의 공기 중 미립자로 인해 건강에 오랫동안 영향을 미쳤습니다. 리튬 채굴이 공중 보건에 미치는 영향은 아직 조사되지 않았습니다.

캘리포니아 에너지 위원회는 임페리얼 밸리 프로젝트라고 부르는 "리튬 밸리"가 세계 리튬 수요의 40%를 공급할 수 있을 것으로 추정하고 이미 자원 개발에 16.5만 달러를 투자했습니다. 이는 리튬 생산이 무슨 일이 있어도 계속 진행될 것임을 의미합니다. Elon Musk가 즐겨 말하듯이 리튬은 참으로 새로운 석유입니다.

단점이 무엇이든 간에 리튬의 획득은 어디서 발견되든 속도가 느려지지 않을 것입니다. 전기화 연합의 Prochazka는 가스 및 디젤 엔진에 대한 우리의 의존도가 기후와 폐에 해를 끼칠 뿐만 아니라 주요 국가 안보 위험이라고 말합니다. "우리는 우리의 이상을 공유하지 않는 국가에 매년 수십억 달러를 계속해서 수출하고 있습니다."라고 그는 지적합니다. 배터리 기술은 모든 면에서 온건하지 않을 수 있지만 "우리는 석유를 얻는 위치보다 전자를 생성하는 방법을 훨씬 더 잘 제어할 수 있습니다." 그는 “운송의 미래는 전기화입니다. 그 논쟁은 끝났다.”

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• 출처: https://www.greenbiz.com/article/us-companies-race-new-ev-battery