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[리튬 배터리 혁명] 리튬 이온 배터리 기술은 21세기 라이프스타일의 기초 중 하나이며 친환경 에너지 저장에 대한 큰 희망이다. 그러나 그들의 개발과 개선은 다른 기술의 발전 속도를 따라가지 못했다. 양자 시뮬레이션이 리튬 배터리에 혁명을 일으키도록 설정한다. 양자 규모에서 전기화학적 거동을 시뮬레이션할 수 있는 능력은 배터리 설계의 새로운 시대를 예고한다.

https://www.discovermagazine.com/technology/how-quantum-simulations-are-set-to-revolutionize-lithium-batteries

JM Kim | 기사입력 2022/05/20 [00:00]

[리튬 배터리 혁명] 리튬 이온 배터리 기술은 21세기 라이프스타일의 기초 중 하나이며 친환경 에너지 저장에 대한 큰 희망이다. 그러나 그들의 개발과 개선은 다른 기술의 발전 속도를 따라가지 못했다. 양자 시뮬레이션이 리튬 배터리에 혁명을 일으키도록 설정한다. 양자 규모에서 전기화학적 거동을 시뮬레이션할 수 있는 능력은 배터리 설계의 새로운 시대를 예고한다.

https://www.discovermagazine.com/technology/how-quantum-simulations-are-set-to-revolutionize-lithium-batteries

JM Kim | 입력 : 2022/05/20 [00:00]

이상적인 세계에서 더 나은 배터리는 더 긴 수명, 더 빠른 충전 시간, 더 큰 용량 및 저렴한 비용을 제공한다. 그러나 작동 중인 복잡한 전기화학은 성능의 한 측면을 개선하기 위한 조정이 종종 다른 영역의 성능을 감소시킨다는 것을 의미한다. 이는 부분적으로 화학적 및 재료 조정의 효과가 선택하기에는 너무 복잡할 수 있기 때문이다.  

양자 시뮬레이션이라는 새로운 기술은 이 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 양자 시뮬레이션은 가장 기본적인 화학적 수준에서 물질의 거동을 재현한다. 이론상으로 리튬 이온 배터리를 완벽하게 이해하는 것이 가능해야 하며 모든 조정의 효과도 있어야 한다.

 

그러나 현실은 조금 다르다. 양자 시뮬레이션은 양자 컴퓨팅의 새로운 기술에 의해 구동되며 현재로서는 사용 가능한 컴퓨팅 성능이 제한되어 있다. 동시에 이러한 종류의 작업을 위한 양자 알고리즘은 소수에 불과하다. 따라서 양자 시뮬레이션을 활용하는 가장 유망한 방법을 결정하는 것은 전기화학자들에게 어렵다.

 

양자 스타트업

 

토론토에 기반을 둔 양자 컴퓨팅 스타트업인 Xanadu의 Alain Delgado와 동료들은 더 나은 성능에 대한 최고의 통찰력을 제공하는 방식으로 리튬 이온 배터리 성능의 가장 어려운 측면을 시뮬레이션하는 접근 방식을 설정했다. 그들의 작업은 광범위한 재료 성능을 개선할 수 있는 능력을 가진 양자 수준에서 산업 시뮬레이션의 새로운 시대를 위한 무대를 설정한다.

 

리튬 이온 배터리는 다양한 조건에서 다양한 재료에 다양한 요소를 포함하고 있기 때문에 이러한 접근 방식을 테스트하는 데 적합하다. 배터리는 전기와 리튬 이온과 같은 전하 운반체를 모으는 음극이라고 하는 양극, 일반적으로 전하 운반체를 생성하는 탄소로 만들어진 음극이라고 하는 음극, 전극 사이에서 이온을 운반하는 전해질 물질로 구성된다.

 

배터리가 방전되면 양극에서의 반응으로 리튬 원자에서 전자가 방출되어 리튬 이온이 형성된다. 전자는 회로의 외부 부분을 통해 음극으로 이동하는 반면 리튬 이온은 내부 전해질을 통해 음극으로 이동하여 전자와 결합하여 결정 구조의 일부가 된다.

 

배터리가 충전되면 이 과정이 반대로 된다.

 

일반적으로 양극은 음극보다 더 많은 리튬을 저장한다. "양극 재료는 배터리 성능의 주요 제한 요소이며 전체 배터리 비용의 최대 50%를 차지한다."라고 Delgado와 공동 연구진은 말한다. 따라서 음극 개선이 많이 요구된다.

 

잠재적인 배터리 재료에 대한 좋은 출발점은 배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양을 결정하는 평형 전압을 이해하는 것이다. 그러나 이 전압은 음극의 원자 구조와 음극 내부에서 형성되는 다양한 물질에 따라 달라진다.

 

Delgado와 공동 연구진은 리튬 이온이 이동할 때 CoO2를 형성하는 양극 물질인 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)의 예를 제공한다. 따라서 평형 전압은 이 둘 사이의 균형에 따라 달라진다. 그리고 이것은 차례로 각 분자의 전자 구조에 달려 있다.

 

또 다른 중요한 특성은 이온 이동도(리튬 이온이 재료 구조를 통해 이동할 수 있는 속도)이다. 이것은 다시 전자 구조 재료에 의해 결정된다.

 

다음으로 배터리의 안전성을 결정하는 매우 복잡하지만 중요한 특성인 음극의 열 안정성이 있다. 캐소드 물질은 종종 리튬 산화물이기 때문에 리튬 이온이 안팎으로 움직일 때 산소가 방출될 수 있다.

 

동시에 리튬 이온은 전해질을 가로질러 늘어나는 수상 돌기를 형성할 수 있다. 이것은 리튬 이온을 소모하여 배터리의 용량을 감소시킨다. 리튬이 가열될 수 있다. 그리고 덴드라이트가 틈을 가로질러 늘어나면 배터리가 단락될 수 있다. 이 모든 것은 열 폭주 및 궁극적으로 화재에 대한 위험한 조건을 생성할 수 있다.

 

이 모든 일이 정확히 어떻게 발생하는지 이해하는 것은 배터리 제조업체에게 중요하지만 원자 수준에서 재료의 정확한 구조에 따라 다르다.

 

미래 시뮬레이션

 

Delgado와 공동 연구진은 이러한 모든 속성이 가까운 장래에 양자 시뮬레이션에 액세스할 수 있어야 하며 이러한 계산에 필요한 알고리즘과 컴퓨팅 속성을 설정해야 한다고 말한다.

 

이러한 계산은 시뮬레이션에 포함된 모든 전자의 동작을 결정한다. 그러나 시뮬레이션의 크기는 전자의 수에 따라 기하급수적으로 증가한다. 따라서 이것은 중요한 제한 요소가 된다.

 

시뮬레이션은 각 큐비트가 전자의 궤도 상태와 같은 관심 있는 양자 상태 중 하나를 나타내는 방식으로 양자 시스템을 조작하여 작동한다.

 

청사진 접근 방식을 개발하기 위해 Delgado와 공동 연구진은 규산이리튬(Li2FeSiO4)이라는 음극 물질에 중점을 둔다. 이 물질의 단위 셀은 16개의 원자(리튬 원자 4개, 철 원자 2개, 규소 원자 2개, 산소 8개)와 156개의 전자로 구성된다.

 

이러한 전자 각각의 동작을 시뮬레이션하는 것은 현재 오늘날의 양자 컴퓨터의 능력을 넘어서는 것이다. 그러나 Delgado와 공동 연구진은 유용한 예측을 생성하기 위해 계산을 최적화하는 방법을 보여준다.

 

결과는 가까운 장래에 계산을 수행할 수 있을 만큼 충분히 강력한 양자 컴퓨터를 예상하여 이러한 계산에 접근하기 위한 상세한 청사진이다. 연구진은 “우리가 아는 한, 이것은 현실적인 양극 물질의 고정밀 바닥 상태 에너지 계산을 수행하기 위한 양자 알고리즘을 실행하는 데 필요한 자원을 추정하려는 첫 번째 시도”라고 말했다.

 

양자 시뮬레이션이 얼마나 멀리 왔고 가까운 장래에 어떻게 진화할 것인지 보여주는 흥미로운 작업이다. 초기 결과는 이것이 무엇이든 지나갈 수 있다면 차세대 장치에 전원을 공급하는 데 더 나은 리튬 이온 배터리가 될 것이다.

 

그러나 그 의미는 훨씬 더 심오하다. 양자 시뮬레이션은 오늘날 우리가 가지고 있는 모든 것의 한계를 뛰어넘는 성능을 발휘할 양자 수준 이상으로 설계된 재료의 새로운 시대를 예고한다. 오히려 흥미 진진해야 한다.

    

 

 
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