현대차_양자 컴퓨터로 배터리 개선

현대차 그룹은 전기차의 핵심 부품인 배터리 개발을 위해 현재의 슈퍼 컴퓨터보다 수백만 배 연산 속도가 빠른 양자 컴퓨터 기술을 도입하기로 하였습니다. 이를 위해서는 현대 자동차는 미국의 양자컴퓨터 전문 기업인 아이온큐(IonQ)와 배터리 개선을 위한 파트너십 계약을 체결하였습니다. 다음은 배터리 개선이 향후 전기차 시장에 어떠한 영향을 미치는지와 현대차와의 협업에 대한 내용을 IonQ의 Coleman  Collins의 사설 요약을 통해 알아보기로 하겠습니다. 

1. 전기차에서 배터리의 중요성
2. 전기차 배터리 화학 개선 연구
3. 배터리 연구의 한계점
4. 배터리 연구를 위한 양자 컴퓨팅
5. IonQ와 현대차의 협업

1. 전기차 배터리의 중요성

• 전기차에서 가장 중요하면서도 비용을 가장 많이 차지하는 부분이 배터리 팩 분야입니다. Financial Times의 Oliver Wyman에 의한 2020년 연구에 따르면, 배터리 팩은 전기차 생산 비용의 40%를 차지하고 있으며 이로 인하여 전기차의 전체 비용이 높게 책정 된다고 합니다. 또한 내연 기관차와 비슷한 수준의 전기차를 생산하기 위해서는 45%의 추가 비용이 발생한다고 말하고 있습니다.    
  
• 이처럼 높은 비용은 배터리를 생산을 위해 사용되는 원재료에서 비롯되고 있습니다. 에너지 저장과 방출과 관련해서, 모든 배터리는 대부분의 무거운 작업을 수행하는 음극(Cathode)을 가지고 있습니다. 이 음극(Cathode)은 사용하기 전에 최고의 순도로 정제되어야 하며 반드시 채굴된 리튬, 니켈, 코발트 등의 희소 금속으로 만들어져야 합니다. 또한 보다 많은 에너지를 배터리 팩에 넣기 위해서는 좀 더 희귀한 금속을 포함하는 복잡한 조합이 종 종 사용되고 있기도 합니다. 
• 전기차가 비용 효율적이면서도 증가하는 소비 수요를 충족 시키기 위해서 모든 자동차 회사들은 배터리 화학 연구에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이들 자동차 회사들은 배터리가 좀 더 값싸면서도 좀 더 오랫동안 지속될 수 있는 방법을 찾기 위해 많은 노력을 하고 있습니다. 

2. 배터리 화학 개선 연구

• 비용 측면 외에도, 보다 좋은 배터리 원료를 찾는 몇 가지  이유가 있습니다. 에너지 밀도 (100% 충전된 배터리가 보유하는 힘의 양)의 개선은 주행거리를 늘리고 차량 내에 배터리 배치를 자유롭게 할 수 있게 합니다. 
  
• 배터리의 충전과 방전 싸이클 횟수를 개선하는 것은 자동차 수명을 연장하고 초기 전기차를 운전하는 사람들이 값비싼 배터리 교체를 피할 수 있게 해 주는 역할을 합니다. 또한 충전 속도, 방전 시 발열, 신리성, 가연성, 안전성 등의 개선도 가능하게 합니다. 
• Bloomberg NEF에 따르면, 이러한 배터리 연구에 대한 결실로써 전기차 배터리 팩의 전체 비용이 2010과 비교해서 거의 90%까지 감소되었습니다. 하지만, 내연기관차와 가격 경쟁력을 가지기 위해서는 KWH 당 약 100$까지 추가적인 비용 절감이 필요합니다. 
• 하지만, 새로운 배터리 화학을 찾거나 현재 보유 중인 아키텍처를 개선하는 것은 아주 어려운 작업에 해당한다고 합니다. 이를 위해서는 두 분자가 어떻게 상호작용을 하는지 아주 깊은 이해가 필요합니다. 
• 상호 작용을 할 경우, 얼마나 빨리 작용하는지, 어떠한 부산물이 생성되는지, 이 반응이 어떻게 전해질과 같은 다른 물질과 조정되는지 등을 알아햐 한다. 
• 잠재적 분자를 찾는 가장 오래된 방법은 실험실에서 화학 물질의 합성을 통해 그것들이 어떻게 작동되는지를 알아 보는 것입니다. 

3. 배터리 화학 연구의 한계점

• 분자 테스팅은 느리고 비용이 많이 들어 가기 때문에 배터리 화학은 현재 컴퓨터로 전환되고 있습니다. 그러나 전통적인 컴퓨터는 양자 행동 방식을 모델링하는데 적합하지 않습니다.  이산화리튬과 같은 적당한 크기의 분자라도 슈레딩거 방정식 (양자역학적 관점에서 물질의 상태를 기술하는 방정식)을 완전히 해결하는 것도 불가능합니다.
• 따라서, 화학자들은 "Born-Oppenheimer"근사치에 의존하는 계산 기술들에 의존합니다.
• 이것은 시뮬레이션의 정확도에 한계가 있으며 가장 유망한 후보자들을 한정해 진행하는 동안 화합물질들이 실제로 합성되면서 전혀 예기치 못한 현상들이 발생하게 됩니다. 

4. 배터리 연구를 위한 양자 컴퓨팅

• Daimler, Toyota, Hyundai등의 많은 자동차 제조업체들은 배터리 연구의 가속 제로 양자 컴퓨팅에 눈을 돌리고 있습니다.
• IonQ는 현대자동차와 배터리 화학과 관련된 리튬 화합물 및 화학 반응을 연구하기 위한 새로운 VQE알고리즘을 개발하기 위해 협력하고 있습니다. 
• 현대차는 2025년까지 12개 이상의 전기차 모델 발표를 통해 56만대의 전기차 판매목표로 하고 있습니다. 또한 스마트 모빌리티 솔루션 제공자가 되기 위한 2025 비전 전략을 세웠습니다.
• 양자 컴퓨터가 초기 화학 문제를 해결하기 위해 만들어졌다는 점을 고려한다면 양자 컴퓨터에 대한 기대는 아주 흥미롭습니다. 
• 1981년에 유명한 MIT의 물리학 및 계산 1차 회의에서 리처드 파인만은 우리가 현재 양자 컴퓨팅이라고 부르는 것을 제안하며 양자역학 현상의 정확한 시뮬레이션은 양자 역학 시스템에서만 성공적으로 수행될 수 있다고 설명했습니다.
• 그의 말에 따르면, "nature isn't classical, dammit! and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical." (자연은 전통적이지 않아, 자연을 시뮬레이션하기를 원한다면  양자 역학적으로 만드는 것이 나을 거야".
• IonQ는 VQE 알고리즘의 경우  어떻게 시스템의 한 분자가 타 분자와 상호작용을 하는지 이해하기 위해 가장 중요한 정보인 ground - state energy를 찾고 있습니다.
• 이러한 기술은 고전적 계산 기술로는 절대로 불가능 하며 고전적 근사치 보다 훨씬 더 높은 정확도를 제공합니다.

5. IonQ와 현대차와의 협업

• 현대차는 배터리 화학 문제와 구성 분자간의 심도 깊은 전문성을 가지고 있으며  IonQ는 산업을 선도하는 양자 하드웨어와 대형 분자 물 분자 시연을 위한 양자 화학에 있어 오랜 양자 혁신의 역사를 가지고 있습니다. 
• 이러한 협력을 통해 IonQ의 기술과 HW성능이 개선되며 이산화 리튬으로부터 시작하여 더 크고 더 복잡한 화합물 상호작용으로 범위를 확장할 수 있을 것으로 예측하고 있습니다.
•  또한 미래에 잠재적인 전고체 배터리나 리튬 이후의 배터리 기술과 같이 오랫동안 추구해온 혁신을 가능하게 할 것으로 내다보고 있습니다. 
• 궁극적으로 이러한 작은 양자 시뮬레이션이 앞으로 마주할  큰 문제들에 영향을 줄 수 있을것으로 생각하고 있습니다.
• 비용 측면에서 효율적일뿐만 아니라 효율적인 전기 자동차 기술 (전기차의 주행거리, 효율성, 충전시간, 안전성을 개선하는 것)이 개발되어야 화석 연료에 대한 의존도를 줄이며 미래의 인공 기후 변화에  적절하게 대처 할 수 있을 것입니다.

https://ionq.com/posts/january-21-2022-improving-battery-chemistry-quantum-computing