전 세계 리튬 공급이 줄어들고 있지만 리튬을 덜 사용하고 대신 다른 재료를 선택함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있다고 합니다.
전기 자동차 시스템은 일반적으로 실리콘 반도체를 사용하지만 유일한 옵션은 아닙니다.
예를 들어 질화갈륨은 더 높은 에너지 밀도를 제공하고 무게를 줄입니다.
테슬라가 세계 2위의 금속 및 광산 기업인 리오틴토의 탐사 지질학자를 고용한 4월부터 Tesla가 리튬 광산 사업에 진출한다는 소문이 돌기 시작했습니다.
엘론 머스크는 4월 8일 트윗에서 다음과 같이 가능성을 암시했습니다.
“리튬 가격이 미쳤다! 비용이 개선되지 않는 한 Tesla는 실제로 규모에 따라 직접 광업 및 정제에 뛰어들어야 할 수도 있습니다.
리튬은 지구 상의 거의 모든 곳에 존재하기 때문에 원소 자체는 부족하지 않지만 추출/정제 속도는 느립니다.”라고 Musk는 트윗했다.
정말 리튬 금속 비용이 엄청나게 치솟고 있습니다.
2021년 12월 S&P Global Commodities Insight 보고서에 따르면 해상 탄산 리튬 가격은 2021년 1월과 12월 사이에 413% 상승했습니다.
수산화리튬 가격은 같은 기간 동안 254% 상승했습니다.
S&P Global은 이러한 비용이 2022년까지 계속해서 치솟을 것으로 예상하고 있으며, 어떻게 비용 대비 효율적인 방식으로 재생 가능한 재료로 전기차(EV) 배터리를 만드는 방법에 대해서 질문을 던지고 있다.
그 비밀은 완전히 다른 물질에 있을 수 있으며, 우리가 리튬을 덜 사용할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 1990년대부터 발광다이오드의 반도체로 많이 사용되어온 화합물인 질화갈륨(GaN)을 소개합니다.
먼저 리튬 이온 배터리는 어떻게 작동할까?
일반적으로 전지에는 양극, 음극, 전해질이 있다.
전류는 양극을 통해 흘르고, 순환하고, 배터리에 연결된 장치는 음극을 통해 다시 흐르기 전에 그 전류를 사용한다. 거기에서 충전된 이온은 다시 순환하기 위해 전해질 물질을 통해 당겨집니다.
오늘날 우리가 볼 수 있는 거의 유비쿼터스 디자인의 리튬 이온 배터리에서 음극 물질은 자연적으로 가장 많이 발생하는 탄소 형태인 흑연과 가볍고 전도성이 높은 물질입니다.
전해질은 가연성이 높은 리튬-염 액체입니다. 음극은 선택된 다른 원소와 함께 리튬으로 만들어진 다양한 화합물 중 하나입니다.
다양한 부품들이 부피를 차지한다 그리고 이것은 리튬 이온 배터리에 부담을 준다.
이는 줄어드는 리튬에 대한 의존도를 줄이는 방식으로 성능을 개선할 수 있는 기회가 많다는 것을 의미합니다.
예를 들면, 매운탕을 끓여야 하는데 냉장고에 땡초 2개만 남았을 때, 어떻게 하시겠습니까?
대부분 요리 시 가장 효과적으로 사용하는 방법에 대해 생각할 것입니다.
이와 같이 지금 우리에게는 리튬 재고량이 거의 비어 있습니다.
질화갈륨이 차세대 배터리 소재로 핫한 이유는 무엇일까?
GaN(Gallium Nitride) 이란
질소와 갈륨의 화합물. LED 업계의 성배로 불리던 청색 LED와 청색 레이저를 만드는 재료.
실리콘보다 우수한 반도체가 될 수 있는 이유는 전자의 밴드갭이 커서 전자 결합 에너지가 크기 때문에 청색이나 자외선 발광도 가능하고 전자 이동 도도 높아서 저항이 낮고 실리콘보다 녹는점이 높아서 고온에도 안정적으로 반도체 성질을 유지할 수 있기 때문이다.
블루레이 기술도 청색 레이저 다이오드 덕에 가능해졌다. 자외선 영역도 발광할 수 있다.
전자의 이동성이 높아 초고주파용 고성능 트랜지스터도 GaN으로 만드는데 예를 들어 최신 AESA 레이다에 쓰이는 T/R 모듈 같은데 쓰인다.
GaN 결정은 종래에 많이 쓰이던 GaAs(갈륨비소) 소자보다 더 고속 동작이 가능하고 고온의 열에도 강해 더 큰 출력을 낼 수 있다. 다만 아직은 GaN 웨이퍼에 면적당 결정 결함 수가 많아 집적도가 높은 IC 회로를 만드는 데는 한계가 있어 고속 스위칭 소자나 고주파 고출력 소자 제품 중심으로 채택되고 있다.
GaN 웨이퍼의 가격이 매우 비싸서 GaN 트랜지스터 등 소자는 레이더 같은 고급 고가 장비에 주로 쓰였지만 대량생산기술이 점차 발전하며 통신장비 등 일반적 고성능 전자제품에도 점차 이용도가 늘고 있다.
2019년 후반부터는 GaN 소자를 쓴 전원장치도 나오고 있다.
종래의 스위칭 파워 전원은 주로 금속산화물 전계효과 트랜지스터인 MOSFET을 스위칭 소자로 썼는데 이를 GaN 소자로 바꾸면 전자 이동 속도가 빨라지고 스위칭 주파수를 대폭 올릴 수 있고 저항도 적어져서 열도 적게 나기 때문에 회로 크기도 줄일 수 있고, 발열이 줄어 변환 효율도 올라가 전체 에너지 소모도 줄일 수 있다.
그래서 GaN을 이용해 고출력, 고효율이면서도 크기는 40%나 줄이고 USB-PD 충전 규격을 채택한 노트북 및 스마트폰 충전기 제품이 나오고 있다.
USB-PD 3.0 규격의 최대 출력인 100W 급 충전기도 나오는 등 고급 충전기 제품으로 빠르게 보급되고 있다. 2020년에는 65W급 GaN 충전기가 3-5만 원대에 출시되며 많이 저렴해졌다.
2021년 삼성전자는 65W 출력의 GaN 충전기를 공식 출시했으며, 애플도 자사 노트북의 정품 충전기로 65W GaN 충전기를 채택할 움직임을 보이는 등 고출력 충전기의 메인 스트림으로 정착하고 있다.
헷갈리기 쉽겠지만 질화 칼륨(K3N)과는 다른 물질이다. 질산칼륨(KNO3)은 화약이나 비료의 재료이다.
갈륨 원소
전기차 배터리 산업 내에서 다음 위대한 일이 무엇인지에 대해 많은 논쟁이 있다.
그것은 자체적으로 어려움을 겪는 고체 리튬일 수 있지만, 휘발성 액체 전해질에 비해 더 많은 안정성을 제공한다.
또는 업계의 수십 개의 리튬 혼합물 중 하나일 수도 있고, 완전히 새로운 것일 수도 있다. 하지만 반도체만큼 간단한 것일 수도 있다.
Navitas 반도체는 전기차(EV) 배터리 분야에 영향을 미치고자 하는 이 분야의 많은 회사 중 하나입니다.
실리콘을 질화갈륨(GaN)으로 간단히 교체함으로써 전기차 배터리의 임계 무게를 줄이고 더 빠르게 충전할 수 있다고 합니다.
이는 모두 실리콘과 비교하여 GaN의 화학적 및 물리적 구성 때문에 더 적은 재료로 더 큰 용량을 배터리에 제공한다고 합니다.
갈륨은 알루미늄과 같은 계열의 부드러운 금속입니다.
실온에서는 단단하지만 녹는점이 화씨 약 85도에 불과합니다. 그러나 대기 중에 있는 풍부한 질소와 결합하면 암석처럼 단단한 반도체 물질인 GaN이 됩니다. - 위 그림 참고
GaN은 수축하는 보라색이 아닙니다.
2017년 중국 Shandong University의 연구에서 양극 물질로 GaN을 관찰한 결과 유사한 전도체 AlN(알루미늄) 및 InN(인듐)과 비교하여 "가장 많이 연구된 III-질화물"이라고 했습니다.
GaN은 이미 발광 다이오드(LED) 전구에 사용됨
기존 텅스텐 필라멘트 백열전구의 효율이 5%에 불과한 반면 GaN LED 전구는 60%의 효율에 도달할 수 있습니다.
그리고 그렇게 극적이지는 않더라도 일반적으로 반도체로 사용되는 실리콘에 비해 유사한 개선 사항을 가질 수 있습니다.
바로 "밴드갭"라고 하는 것 때문이다.
밴드갭(Band Gap).
화학에서 밴드갭은 전도대와 물질 원자의 가전 자대 사이의 거리입니다.
이것은 전자가 들어오고 나갈 수 있는 두 곳을 말하며 과학자들이 서로 다른 물질의 전도성을 계산하는 데 도움이 됩니다. 이 두 밴드 사이의 거리인 밴드갭은 반도체의 다른 측면에서 중요합니다.
실리콘은 협대역(1.1 전자볼트)을 갖고 GaN은 훨씬 넓은 대역(3.4 전자볼트)을 갖는다.
이것은 물질이 더 많은 통과 전자 입자를 보유할 수 있음을 의미하며, 이는 동일한 양의 전류를 전달할 수 있는 더 밀도가 높은 물질로 해석됩니다.
우리는 반도체 자체를 축소하고 무게를 줄이고 충전 중 전자의 통과를 증가시켜 재료를 절약하고 있습니다.
Navitas는 GaN이 놀랍게도 전기 자동차의 트랙션 시스템을 개선할 수 있는 방법이기도 하며 말 그대로 에너지를 차량의 바퀴 구동력으로 변환한다고 말합니다.
이는 "바퀴를 돌리는" 에너지 소모가 더 적기 때문에 더 적은 에너지로 더 많은 구동력을 의미합니다.
실제로 GaN은 전기차 반도체와 관련하여더 적은 비용으로 더 많은 일을 할 수 있는 것으로 보입니다.
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