지난 25년 동안 전기 자동차의 단일 충전으로 주행 가능한 최장 거리는 약 260 킬로미터 800km가 조금 넘습니다. 이러한 고급 배터리 팩은 점점 더 그리드 또는 재생 가능 에너지원에서 에너지를 저장하여 가정이나 사업장에 전력을 공급하기 시작했습니다. 따라서 글로벌 자동차 배터리 시장이 연간 500억 달러 그리고 더욱 우수한 배터리를 더 많이 생산해야 한다는 압력이 점점 커지고 있습니다.
이제 여러 회사에서 원자층 증착(ALD)이라는 잘 확립된 화학 기술을 적용하여 배터리 전극을 금속 산화물이나 질화물로 코팅하고 있으며, 이를 통해 리튬 이온 배터리의 에너지 용량과 수명이 모두 향상된다고 주장합니다. 콜로라도주 쏜튼에 있는 회사가 여기에 포함됩니다. 포지 나노, 피코선 (캘리포니아주 산타클라라에 본사를 둔 완전 자회사) 응용 재료), 그리고 베네크핀란드 에스푸에서는 원래 이 기술을 활용하고 있습니다. 1960년대에 개발됨. 이들 회사는 수년간 각자의 공정을 개선해 온 끝에 이제 EV 및 스마트폰 배터리 시장에서 거대 기업이 주도하는 시장에서 발판을 마련하고자 합니다. CATL, 파나소닉그리고 삼성.
세 가지 중에서 Forge Nano가 가장 발달된 기술을 보유한 것으로 보입니다. 최근 자회사인 Forge Battery가 ALD 코팅 소재로 만든 프로토타입 배터리 셀 샘플을 고객에게 보내 테스트하기 시작했다고 발표했습니다. 이 회사는 Atomic Armor라고 불리는 독점적인 ALD 제형이 배터리 전극의 에너지 저장을 개선하고 수명을 늘리는 데 도움이 된다고 말합니다.
리튬 이온 배터리에는 무엇이 들어가나요?
오늘날의 전기 자동차와 스마트폰에 사용되는 배터리는 세 가지 주요 구성 요소로 구성되어 있습니다. 일반적으로 흑연으로 만들어진 양극 또는 음극은 충전 과정에서 리튬 이온이 저장되는 곳입니다. 양극(양극)은 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 철 인산과 같은 리튬 금속 산화물로 만들어집니다. 그런 다음 전해질이 있는데, 이는 유기 용매에 용해된 리튬 염으로, 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 합니다. 또한 중요한 것은 분리막입니다. 이는 충전 및 방전 중에 양극과 양극 사이에서 이온이 이동할 수 있도록 하지만 두 전극 사이의 전자 흐름을 직접 차단하는 반다공성 재료입니다. 이는 배터리를 빠르게 단락시킵니다.
Forge Nano에서 R&D 배터리 셀에 양극 코팅을 증착합니다.포지 나노
이들 회사들은 양극, 음극, 분리막을 구성하는 재료를 분자 수준에서 코팅하면 배터리의 무게나 부피가 눈에 띄게 늘어나지 않고도 배터리의 성능과 내구성이 향상된다고 말합니다.
. 필름은 두 개의 기체 전구체 물질 간의 화학 반응에 의해 형성되며, 차례로 기판에 도입됩니다. 첫 번째 전구체는 활성 부위, 전구체 분자의 지점 및 두 물질이 화학적으로 결합하는 기판 표면에서 기판 표면과 반응합니다. 그런 다음 모든 미반응 전구체 가스가 펌핑된 후 다음 전구체가 도입되어 각각의 활성 부위에서 첫 번째 전구체와 결합합니다. ALD 기술은 자체 종료되므로 모든 활성 부위가 채워지면 반응이 중단됩니다. 필름은 한 번에 하나의 원자층만 형성하므로 원하는 코팅 두께에 도달하면 기판이 전구체에 노출되는 것을 차단하기만 하면 두께를 몇 1/10나노미터만큼 정밀하게 설정할 수 있습니다.
흑연 양극을 사용하는 기존 리튬 이온 배터리에서는 흑연에 실리콘(때로는 다른 물질)을 추가하여 양극의 이온 저장 능력을 개선합니다. 이 방법은 에너지 밀도를 높이지만 실리콘은 전해질과 부반응을 일으키기 쉽고 충전 및 방전 중에 팽창 및 수축이 발생하기 쉬워 전극이 약해집니다. 결국 기계적 열화로 인해 배터리의 저장 용량이 감소합니다. ALD 기술은 양극 분자를 보호층으로 코팅하여 양극에 실리콘 비율을 높이는 동시에 팽창-수축 주기를 억제하여 기계적 열화를 늦춥니다. 그 결과 기존 리튬 이온 배터리보다 더 가볍고 에너지 밀도가 높은 배터리가 만들어지고 내구성이 더 뛰어납니다.
Picosun은 ALD 기술이 코팅된 제품을 만드는 데 사용되었다고 말합니다. 니켈산화물 양극 기존 흑연에 의존하는 태양전지보다 에너지 저장 용량이 2배 이상, 에너지 밀도가 3배 높습니다.
이점은 얼마나 큰가요? Forge Nano는 제3자 테스트 및 검증이 진행 중이지만 코팅 강화 배터리의 수명에 대한 확실한 진술을 하기에는 너무 이르다고 말합니다. 그러나 회사 대변인은 IEEE 스펙트럼 지금까지 수집된 데이터에 따르면 현재 시장에 출시된 유사 배터리와 비교했을 때 특정 에너지가 15% 향상된 것으로 나타났습니다.
이 회사는 양극 및 음극 제조업체부터 Tier 1 배터리 공급업체, 심지어 전기 자동차 제조업체에 이르기까지 배터리 생산 체인의 모든 플레이어가 ALD에 대한 자사의 견해를 배터리 제조의 필수 단계로 볼 것이라는 큰 도박을 했습니다. Forge Battery는 25,700제곱미터 규모의 기가팩토리 회사는 2026년 가동을 시작하면 Atomic Armor로 강화된 리튬 이온 셀과 완제품을 1기가와트시 규모로 생산할 것이라고 노스캐롤라이나주에서 밝혔습니다.
