소비자의 관심과 지속가능성 목표는 전기차에 대한 수요를 급증시키고 있습니다. 미국은 2030년까지 전기차 판매를 전체 시장의 50%까지 끌어올리려 하고 있지만, 전기차 배터리의 소재와 부품 자재의 99%는 아직 외국에서 생산되고 있습니다.^{1, 2} 외국산 자재 및 배터리 대외구매는 이미 업계에 어려움을 불러왔습니다. 러시아의 우크라이나 침공은 시장 불안정성을 야기하여 배터리의 핵심 소재인 니켈의 가격이 2022년 3월, 하늘높이 치솟았습니다.³

전기차 제조업체들은 전 세계적으로 무역이 곧 안정화되리라고 낙관하지 않습니다. Volkswagen의 Audi 사업부 CEO인 Markus Duesmann은 뉴욕 타임즈에서 “앞으로 수 년간 원자재가 문제가 될 것”이라고 말했습니다.⁴

미국 정부는 지속 가능한 국내 배터리 공급을 위한 새로운 접근 방식을 지원할 준비가 되어 있습니다. 2022년 초당적 인프라 법안은 비용을 낮추고 중단을 줄이며 생산을 가속화하는 미국 배터리 공급망을 구축하는 데 70억 달러 이상을 할당했습니다.⁵

이제, 국내 배터리 생산의 미래는 배터리 연구원들과 제조업체의 손에 달려 있습니다. 전기차 배터리 산업에서는 해외 무역에 의존하지 않고 신뢰할 수 있는 배터리를 만드는, 불가능해 보이는 일을 해 내기 위해 새로운 기법과 기술을 채택하고 있습니다. 현재 주요 전기차 배터리 제조업체가 지속 가능한 국내 배터리 생산을 발전시키는 방법 및 이러한 여정에서 분석 기술이 수행하는 중요한 역할은 다음과 같습니다.

최고 전기차 OEM들은 공급망 문제를 우회하고 비용을 줄이기 위해, 자체 배터리를 생산하는 방향으로 나아가고 있습니다. General Motors R&D의 배터리 셀 시스템 연구 이사인 Mei Cai 박사는, 플로리다주 올랜도에서 열린 국제 배터리 세미나 및 전시회 2020(International Battery Seminar and Exhibit 2020)에서 GM의 배터리 제조 업무에 관해 이야기했습니다.

Cai 박사는 GM 내장 배터리 개발의 최우선 순위는 에너지 밀도, 즉 가벼운 형태로 저장할 수 있는 에너지의 양이라고 설명했습니다. 에너지 밀도를 높이면 비용이 절감됩니다. 팀은 에너지 밀도는 최대한 높이면서 가격은 최소한으로 낮추기 위해, 고체 리튬 애노드 및 고체 전해질 계면상을 연구하고 있습니다. GM은 배터리 개발에 성공하면 전기차 외 분야의 배터리 설계로 수익을 창출할 계획입니다.

비용 효율적이며 에너지 밀도가 높은 배터리를 국내에서 생산하기 위한 경쟁에서 배터리 제조업체가 어떻게 승리할 수 있습니까? 열분석은 효과적인 소재 선택 및 배터리 설계에 중요한 통찰력을 제공합니다. 열분석을 통해 다양한 조건에서 배터리 안전성과 성능을 보장하는 것이 기능적이며 혁신적인 배터리를 설계하는 첫 번째 단계입니다. 유변학은 전극 제조의 안정성과 가공성을 보장하기 위한 중요한 단계인, 배터리 슬러리 제형을 최적화하는 데 사용됩니다.

기존 리튬 이온 배터리 소재(리튬, 코발트, 니켈, 흑연)에 대한 수요가 높아지면서, 배터리 연구원들은 지속 가능한 대체재를 찾고 있습니다. Group14 Technologies 및 Sila Nanotechnologies는 현재 흑연 소재를 능가하는 잠재력을 제공하는 실리콘 기반 애노드 소재에 관한 작업을 확장하고 있습니다.⁶

새로운 배터리 소재를 활용하면, 국내 생산이 보다 원활해지는 동시에 안전성과 성능을 향상시킬 수 있습니다. 연구원들은 열분석 기법을 이용하여 실제 작동 조건에서 혁신 소재를 사용하여 배터리 설계를 연구합니다. 예를 들어, National Renewable Energy Laboratory의 M. C. Schultz et al은 TA Instruments DSC 및 TGA를 사용하여 실리콘 애노드 소재에 대한 코팅 효과를 연구했습니다.⁷ DSC 및 TGA는 일반적으로 배터리 연구에서 신소재가 배터리 작동 및 안전성을 향상시키는지 확인하는 데 사용됩니다.

리튬 이온 배터리의 수명이 다 되었을 때, 왜 귀중한 자원을 낭비하겠습니까? 배터리 소재의 부족은, 오래된 배터리의 원재료를 재사용하여 해결할 수 있습니다. 국내 배터리를 재활용하면, 국내 배터리 소재 공급망을 강화하는 동시에 배출가스 및 운송 비용을 낮출 수 있으므로 가장 효율적입니다.⁸

다른 재활용 시스템과 마찬가지로, 재활용 소재를 신제품에 사용하려면 소재 특성을 규명하는 것이 중요합니다. 해당 소재는 배터리 내에서 전기화학적인 과정을 통해 어떻게 변화되었습니까? 배터리가 오용이나 손상으로 인해 변형되었습니까? 소재 분석 기법을 통해 배터리 개발진은 재활용 소재가 신기능 배터리를 지원하는 데 필요한 열 및 물리적 특성을 제공하는지 확인할 수 있습니다.

극복해야 할 어려움이 있는 반면, 좋은 기회이기도 합니다. 전기차 제조업체들은 배터리를 자체적으로 생산할 수 있는 기회를 갖게 되어, 공급망 불안정성을 극복하고 배터리 생산의 모든 측면을 감독할 수 있습니다. 신규 소재와 재활용된 소재를 함께 사용하는 배터리 제조업체는 이제 향후 수십년 동안 생산 공정에서 지속 가능성과 신뢰성을 확보하게 될 것입니다.

모든 주요 공급망의 변화에는 엄격한 품질 관리와 테스트가 필요합니다. 앞서 언급했던 예시와 같이, 배터리 소재 테스트는 지속 가능한 국내 배터리 생산의 중요한 단계입니다. 소재 선정에서부터 배터리 안전성 테스트에 이르기까지, 이러한 기법은 국내 배터리 설계 및 제조의 중추가 될 것입니다. 여기에서 배터리 소재 테스트에 관하여 더 알아보시고 이들 기법이 어떻게 지속 가능한 국내 배터리 생산의 미래를지원하는지에 대해 자세히 알아보십시오.