액체

Jul 15, 2023

비용은 그리드에서 재생 에너지 저장을 위한 실행 가능한 옵션 역할을 할 수 있는 배터리에 있어 중요한 변수입니다. MIT 연구진의 분석에 따르면 에너지 저장 비용은 킬로와트시당 미화 20달러만 있으면 풍력과 태양열로 전력을 공급받는 그리드를 완벽하게 구동할 수 있는 것으로 나타났습니다. Pacific Northwest National Laboratory 보고서에 따르면 완전히 설치된 100메가와트, 10시간 그리드 저장 리튬 이온 배터리 시스템의 비용은 현재 약 405달러/kWh입니다. 그러나 이제 2024년에 실제 배치가 예정된 액체 금속 배터리는 에너지 저장 비용을 상당히 낮출 수 있습니다.

재료 화학자이자 MIT 명예 교수인 Donald Sadoway는 최근 알루미늄-황 배터리를 포함하여 수년에 걸쳐 많은 배터리 발명에 대해 경제성을 최우선으로 생각해 왔습니다. 또한 저렴한 가격은 용융 금속 전극과 용융 염 전해질을 포함하는 액체 금속 배터리를 발명하고 2010년 스타트업 Ambri를 공동 창립하여 상용화에 착수한 동기이기도 했습니다.

Ambri의 그리드 배터리 가격은 크기와 기간에 따라 kWh당 180달러 ~ 250달러라고 회사는 밝혔습니다. 그러나 Sadoway와 동료들이 2021년 10월 Renewable and Sustainable Energy Reviews 저널에 발표한 논문에 따르면 예상 비용은 2030년까지 약 21달러/kWh입니다. 그리고 매사추세츠주 말보로에 있는 회사는 이제 최초의 유틸리티 설치를 준비하고 있습니다. Ambri와 유틸리티 회사인 Xcel Energy는 2024년 초에 콜로라도주 오로라에 300kWh 시스템 설치를 시작할 예정입니다. 시스템은 해당 연도 말까지 완전히 작동되어야 합니다.

액체 금속 배터리의 저렴한 비용은 리튬 이온에 비해 재료, 화학 및 시스템 설계가 더 간단하고 수명이 길기 때문이라고 Sadoway는 말합니다. “액체 금속 배터리라는 개념은 고정식 보관에 독특합니다. 리튬과 달리 가연성이 아닙니다. 그리고 용량 감소에 강합니다. 우리는 수년간의 작동에 해당하는 수천 번의 충전 주기에 대한 데이터를 얻었습니다. 이것은 20년이 지나도 여전히 용량의 95%를 유지해야 합니다. 20년 된 리튬이온 배터리를 가지고 있는 분을 찾아보시길 바랍니다.”

기존 배터리는 일반적으로 분리막, 멤브레인 및 기타 비용 추가 요소와 함께 두 개의 고체 전극(리튬 이온 배터리의 경우 흑연 및 리튬 금속 산화물)과 액체 전해질로 만들어집니다. 충전 및 방전 주기 동안 전해질의 이온이 전극 안팎으로 흐르면서 고체 물질이 팽창하고 수축합니다. 반복되는 볼륨 변화는 시간이 지남에 따라 입자를 분해하여 배터리 용량을 감소시킵니다.

Ambri의 액체 금속 배터리는 밀도에 따라 적층된 3개의 액체 층으로 구성됩니다. 가장 밀도가 높은 용융 안티몬 음극이 바닥에 있고 경질 칼슘 합금 양극이 위쪽에 있으며 중간 밀도 염화칼슘 염 전해질이 중앙에 있습니다. Sadoway는 "샐러드 오일과 식초를 생각해 보세요. 여기만 제외하면 3개의 층이 있고 서로 섞이지 않기 때문에 분리됩니다."라고 말합니다.

액체 금속 설계에는 더 적은 수의 구성 요소가 필요하고 화학은 합금에 의존하므로 고체 물질이 파손되지 않는다고 Sadoway는 말합니다. 방전 중에 칼슘 양극은 전해질을 통해 음극으로 이동하는 칼슘 이온을 방출하여 칼슘-안티몬 합금을 형성합니다. 충전 중에는 이 과정이 반대로 진행됩니다. Sadoway는 “막이나 분리기가 없습니다.”라고 말합니다. "단순함의 이러한 모든 요소는 탄력성과 밀접하게 연관되어 있습니다."

10년 전 IEEE Spectrum이 Ambri를 처음 다루었을 때 회사는 리튬이나 마그네슘을 양극으로 사용하려고 했습니다. 칼슘으로의 전환은 비용을 낮게 유지하는 것이라고 Sadoway는 말합니다.

하지만 배터리의 새로운 화학적 성질의 한 가지 단점은 배포까지의 긴 여정이었습니다. Sadoway는 “상업화 여정을 시작했을 때 의지할 사람이 아무도 없었습니다.”라고 말합니다. “리튬이온 제조에서 이루어진 모든 놀라운 발전은 이 경우에는 거의 적용할 수 없습니다. 화학적 성질이 다르고 폼 팩터도 다릅니다. 그래서 우리는 제조 기계를 포함한 모든 것을 발명해야 했습니다.”