에너지 밀도란 무엇인가?
에너지 밀도는 특정 공간 또는 물질의 질량 단위에 저장된 에너지의 양을 의미합니다. 배터리의 에너지 밀도는 배터리의 평균 단위 부피 또는 질량에서 방출되는 전기의 양입니다. 배터리의 에너지 밀도는 일반적으로 무게 에너지 밀도와 부피 에너지 밀도의 두 가지 차원으로 나뉩니다.
배터리 무게 에너지 밀도 = 배터리 용량 × 방전 플랫폼/무게, 기본 단위는 Wh/kg (와트시/kg)
배터리 부피 에너지 밀도 = 배터리 용량 × 방전 플랫폼/부피, 기본 단위는 Wh/L (와트시/리터)
배터리의 에너지 밀도가 높을수록 단위 부피 또는 무게당 더 많은 전력을 저장할 수 있습니다.
단량체 에너지 밀도란 무엇인가?
배터리의 에너지 밀도는 종종 두 가지 다른 개념을 의미합니다. 하나는 단일 셀의 에너지 밀도이고, 다른 하나는 배터리 시스템의 에너지 밀도입니다.
배터리 셀은 배터리 시스템의 가장 작은 단위입니다. M개의 셀이 모듈을 형성하고, N개의 모듈이 배터리 팩을 형성하며, 이는 자동차용 전력 배터리의 기본 구조입니다.
단일 셀의 에너지 밀도는 이름에서 알 수 있듯이 단일 셀 수준의 에너지 밀도입니다.
"중국 제조 2025"에 따르면, 전력 배터리의 개발 계획이 명확해졌습니다. 2020년에는 배터리의 에너지 밀도가 300Wh/kg에 도달할 것입니다. 2025년에는 배터리의 에너지 밀도가 400Wh/kg에 도달할 것입니다. 2030년에는 배터리의 에너지 밀도가 500Wh/kg에 도달할 것입니다. 이는 단일 셀 수준의 에너지 밀도를 의미합니다.
시스템 에너지 밀도란 무엇인가?
시스템 에너지 밀도는 단량체를 결합한 후 전체 배터리 시스템의 무게 또는 부피를 전체 배터리 시스템의 무게 또는 부피로 나타냅니다. 배터리 시스템에는 배터리 관리 시스템, 열 관리 시스템, 고전압 및 저전압 회로 등이 포함되어 있어 배터리 시스템의 무게와 내부 공간의 일부를 차지하기 때문에 배터리 시스템의 에너지 밀도는 단일 본체보다 낮습니다.
시스템 에너지 밀도 = 배터리 시스템 전력 / 배터리 시스템 무게 OR 배터리 시스템 부피
리튬 배터리의 에너지 밀도를 정확히 무엇이 제한하는가?
배터리 뒤에 숨겨진 화학이 주요 이유입니다.
일반적으로 리튬 배터리의 네 부분은 매우 중요합니다. 양극, 음극, 전해질 및 격막입니다. 양극과 음극은 화학 반응이 일어나는 곳으로, Ren Du의 두 번째 펄스와 같으며, 그 중요한 위치를 알 수 있습니다. 우리는 모두 양극으로 삼원 리튬을 사용하는 배터리 팩 시스템의 에너지 밀도가 양극으로 인산철 리튬을 사용하는 배터리 팩 시스템보다 높다는 것을 알고 있습니다. 왜 그럴까요?
리튬 이온 배터리의 기존 양극 재료는 주로 흑연이며, 흑연의 이론적 그램 용량은 372mAh/g입니다. 양극 재료인 인산철 리튬의 이론적 그램 용량은 160mAh/g에 불과하며, 삼원 재료 니켈-코발트-망간(NCM)은 약 200mAh/g입니다.
배럴 이론에 따르면, 수위는 배럴의 가장 짧은 지점에 의해 결정되며, 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도의 하한은 양극 재료에 따라 달라집니다.
인산철 리튬의 전압 플랫폼은 3.2V이고, 삼원 지수는 3.7V이며, 두 위상과 비교하여 에너지 밀도가 높습니다. 16%의 차이가 있습니다.
물론 화학 시스템 외에도 압축 밀도, 포일 두께 등과 같은 생산 공정 수준도 에너지 밀도에 영향을 미칩니다. 일반적으로 압축 밀도가 클수록 제한된 공간에서 배터리 용량이 높아지므로 주재료의 압축 밀도도 배터리 에너지 밀도의 참조 지표 중 하나로 간주됩니다.
"강력한 중장비 II"의 네 번째 에피소드에서 CATL은 6미크론 구리 포일을 사용하여 첨단 기술을 통해 에너지 밀도를 향상시킵니다.
각 줄에 충실하여 이 지점까지 읽을 수 있다면 축하합니다. 배터리에 대한 이해도가 다음 단계로 올라갔습니다.
에너지 밀도를 어떻게 높일 수 있을까요?
새로운 재료 시스템의 채택, 리튬 배터리 구조의 미세 조정, 제조 능력의 향상은 R&D 엔지니어가 "긴 소매로 춤을 추는" 세 단계입니다. 아래에서는 단량체와 시스템의 두 가지 차원에서 설명하겠습니다.
——단량체의 에너지 밀도는 주로 화학 시스템의 돌파구에 달려 있습니다.
1. 배터리 크기 증가
배터리 제조업체는 원래 배터리 크기를 늘려 전력 확장의 효과를 얻을 수 있습니다. 가장 친숙한 예는 파나소닉 18650 배터리 사용을 개척한 유명한 전기 자동차 회사인 테슬라가 이를 새로운 21700 배터리로 교체할 것입니다.
그러나 배터리 셀의 "비대화" 또는 "성장"은 증상일 뿐 치료법이 아닙니다. 가마솥 바닥에서 임금을 인출하는 방법은 배터리 셀을 구성하는 양극 및 음극 재료와 전해질 성분에서 에너지 밀도를 개선하는 핵심 기술을 찾는 것입니다.
2. 화학 시스템 개혁
앞서 언급했듯이 배터리의 에너지 밀도는 배터리의 양극과 음극에 의해 제한됩니다. 현재 양극 재료의 에너지 밀도가 음극보다 훨씬 크기 때문에 에너지 밀도를 개선하기 위해 음극 재료를 지속적으로 업그레이드해야 합니다.
고니켈 양극
삼원 재료는 일반적으로 니켈-코발트-망간 산화물의 대가족을 지칭하며, 니켈, 코발트 및 망간의 비율을 변경하여 배터리의 성능을 변경할 수 있습니다.
그림 속 실리콘 탄소 음극
실리콘 기반 음극 재료의 비정전 용량은 4200mAh/g에 도달할 수 있으며, 이는 372mAh/g의 흑연 음극의 이론적 비정전 용량보다 훨씬 높으므로 흑연 음극의 강력한 대체재가 되었습니다.
현재, 실리콘-탄소 복합 재료를 사용하여 배터리의 에너지 밀도를 개선하는 것이 업계에서 리튬 이온 배터리 음극 재료의 개발 방향 중 하나로 인정받고 있습니다. 테슬라의 모델 3는 실리콘 탄소 음극을 사용합니다.
향후 한 단계 더 나아가 단일 셀의 350Wh/kg 임계값을 돌파하려면 업계 동료들은 리튬 금속 음극 배터리 시스템에 집중해야 할 수 있지만, 이는 전체 배터리 제조 공정의 변화와 개선을 의미하기도 합니다. 니켈의 비율이 점점 높아지고 코발트의 비율이 점점 낮아지는 것을 볼 수 있습니다. 니켈 함량이 높을수록 셀의 비정전 용량이 높아집니다. 또한 코발트 자원의 희소성으로 인해 니켈의 비율을 높이면 코발트 사용량이 줄어듭니다.
3. 시스템 에너지 밀도: 배터리 팩의 그룹화 효율성 향상
배터리 팩 그룹은 단일 셀과 모듈을 배열하는 배터리 "공성 사자"의 능력을 테스트하며, 안전을 전제로 모든 공간을 최대한 활용해야 합니다.
에너지 밀도란 무엇인가?
에너지 밀도는 특정 공간 또는 물질의 질량 단위에 저장된 에너지의 양을 의미합니다. 배터리의 에너지 밀도는 배터리의 평균 단위 부피 또는 질량에서 방출되는 전기의 양입니다. 배터리의 에너지 밀도는 일반적으로 무게 에너지 밀도와 부피 에너지 밀도의 두 가지 차원으로 나뉩니다.
배터리 무게 에너지 밀도 = 배터리 용량 × 방전 플랫폼/무게, 기본 단위는 Wh/kg (와트시/kg)
배터리 부피 에너지 밀도 = 배터리 용량 × 방전 플랫폼/부피, 기본 단위는 Wh/L (와트시/리터)
배터리의 에너지 밀도가 높을수록 단위 부피 또는 무게당 더 많은 전력을 저장할 수 있습니다.
단량체 에너지 밀도란 무엇인가?
배터리의 에너지 밀도는 종종 두 가지 다른 개념을 의미합니다. 하나는 단일 셀의 에너지 밀도이고, 다른 하나는 배터리 시스템의 에너지 밀도입니다.
배터리 셀은 배터리 시스템의 가장 작은 단위입니다. M개의 셀이 모듈을 형성하고, N개의 모듈이 배터리 팩을 형성하며, 이는 자동차용 전력 배터리의 기본 구조입니다.
단일 셀의 에너지 밀도는 이름에서 알 수 있듯이 단일 셀 수준의 에너지 밀도입니다.
"중국 제조 2025"에 따르면, 전력 배터리의 개발 계획이 명확해졌습니다. 2020년에는 배터리의 에너지 밀도가 300Wh/kg에 도달할 것입니다. 2025년에는 배터리의 에너지 밀도가 400Wh/kg에 도달할 것입니다. 2030년에는 배터리의 에너지 밀도가 500Wh/kg에 도달할 것입니다. 이는 단일 셀 수준의 에너지 밀도를 의미합니다.
시스템 에너지 밀도란 무엇인가?
시스템 에너지 밀도는 단량체를 결합한 후 전체 배터리 시스템의 무게 또는 부피를 전체 배터리 시스템의 무게 또는 부피로 나타냅니다. 배터리 시스템에는 배터리 관리 시스템, 열 관리 시스템, 고전압 및 저전압 회로 등이 포함되어 있어 배터리 시스템의 무게와 내부 공간의 일부를 차지하기 때문에 배터리 시스템의 에너지 밀도는 단일 본체보다 낮습니다.
시스템 에너지 밀도 = 배터리 시스템 전력 / 배터리 시스템 무게 OR 배터리 시스템 부피
리튬 배터리의 에너지 밀도를 정확히 무엇이 제한하는가?
배터리 뒤에 숨겨진 화학이 주요 이유입니다.
일반적으로 리튬 배터리의 네 부분은 매우 중요합니다. 양극, 음극, 전해질 및 격막입니다. 양극과 음극은 화학 반응이 일어나는 곳으로, Ren Du의 두 번째 펄스와 같으며, 그 중요한 위치를 알 수 있습니다. 우리는 모두 양극으로 삼원 리튬을 사용하는 배터리 팩 시스템의 에너지 밀도가 양극으로 인산철 리튬을 사용하는 배터리 팩 시스템보다 높다는 것을 알고 있습니다. 왜 그럴까요?
리튬 이온 배터리의 기존 양극 재료는 주로 흑연이며, 흑연의 이론적 그램 용량은 372mAh/g입니다. 양극 재료인 인산철 리튬의 이론적 그램 용량은 160mAh/g에 불과하며, 삼원 재료 니켈-코발트-망간(NCM)은 약 200mAh/g입니다.
배럴 이론에 따르면, 수위는 배럴의 가장 짧은 지점에 의해 결정되며, 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도의 하한은 양극 재료에 따라 달라집니다.
인산철 리튬의 전압 플랫폼은 3.2V이고, 삼원 지수는 3.7V이며, 두 위상과 비교하여 에너지 밀도가 높습니다. 16%의 차이가 있습니다.
물론 화학 시스템 외에도 압축 밀도, 포일 두께 등과 같은 생산 공정 수준도 에너지 밀도에 영향을 미칩니다. 일반적으로 압축 밀도가 클수록 제한된 공간에서 배터리 용량이 높아지므로 주재료의 압축 밀도도 배터리 에너지 밀도의 참조 지표 중 하나로 간주됩니다.
"강력한 중장비 II"의 네 번째 에피소드에서 CATL은 6미크론 구리 포일을 사용하여 첨단 기술을 통해 에너지 밀도를 향상시킵니다.
각 줄에 충실하여 이 지점까지 읽을 수 있다면 축하합니다. 배터리에 대한 이해도가 다음 단계로 올라갔습니다.
에너지 밀도를 어떻게 높일 수 있을까요?
새로운 재료 시스템의 채택, 리튬 배터리 구조의 미세 조정, 제조 능력의 향상은 R&D 엔지니어가 "긴 소매로 춤을 추는" 세 단계입니다. 아래에서는 단량체와 시스템의 두 가지 차원에서 설명하겠습니다.
——단량체의 에너지 밀도는 주로 화학 시스템의 돌파구에 달려 있습니다.
1. 배터리 크기 증가
배터리 제조업체는 원래 배터리 크기를 늘려 전력 확장의 효과를 얻을 수 있습니다. 가장 친숙한 예는 파나소닉 18650 배터리 사용을 개척한 유명한 전기 자동차 회사인 테슬라가 이를 새로운 21700 배터리로 교체할 것입니다.
그러나 배터리 셀의 "비대화" 또는 "성장"은 증상일 뿐 치료법이 아닙니다. 가마솥 바닥에서 임금을 인출하는 방법은 배터리 셀을 구성하는 양극 및 음극 재료와 전해질 성분에서 에너지 밀도를 개선하는 핵심 기술을 찾는 것입니다.
2. 화학 시스템 개혁
앞서 언급했듯이 배터리의 에너지 밀도는 배터리의 양극과 음극에 의해 제한됩니다. 현재 양극 재료의 에너지 밀도가 음극보다 훨씬 크기 때문에 에너지 밀도를 개선하기 위해 음극 재료를 지속적으로 업그레이드해야 합니다.
고니켈 양극
삼원 재료는 일반적으로 니켈-코발트-망간 산화물의 대가족을 지칭하며, 니켈, 코발트 및 망간의 비율을 변경하여 배터리의 성능을 변경할 수 있습니다.
그림 속 실리콘 탄소 음극
실리콘 기반 음극 재료의 비정전 용량은 4200mAh/g에 도달할 수 있으며, 이는 372mAh/g의 흑연 음극의 이론적 비정전 용량보다 훨씬 높으므로 흑연 음극의 강력한 대체재가 되었습니다.
현재, 실리콘-탄소 복합 재료를 사용하여 배터리의 에너지 밀도를 개선하는 것이 업계에서 리튬 이온 배터리 음극 재료의 개발 방향 중 하나로 인정받고 있습니다. 테슬라의 모델 3는 실리콘 탄소 음극을 사용합니다.
향후 한 단계 더 나아가 단일 셀의 350Wh/kg 임계값을 돌파하려면 업계 동료들은 리튬 금속 음극 배터리 시스템에 집중해야 할 수 있지만, 이는 전체 배터리 제조 공정의 변화와 개선을 의미하기도 합니다. 니켈의 비율이 점점 높아지고 코발트의 비율이 점점 낮아지는 것을 볼 수 있습니다. 니켈 함량이 높을수록 셀의 비정전 용량이 높아집니다. 또한 코발트 자원의 희소성으로 인해 니켈의 비율을 높이면 코발트 사용량이 줄어듭니다.
3. 시스템 에너지 밀도: 배터리 팩의 그룹화 효율성 향상
배터리 팩 그룹은 단일 셀과 모듈을 배열하는 배터리 "공성 사자"의 능력을 테스트하며, 안전을 전제로 모든 공간을 최대한 활용해야 합니다.
