전지(배터리, battery)의 종류

자동차 정비/전기/전자 2020. 4. 28. 08:31 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

전지(배터리, battery)의 종류

현대는 전기전자의 시대이기 때문에 수 많은 전기에 대한 수요가 있다. 특히 휴대용 전자기기와 같은 랩톱 컴퓨터, 노트북, 탭북, 휴대용 게임기기와 같은 수 많은 전기는 전원으로서 배터리를 필요로 한다. 배터리는 당연히 한번 쓰고 버리는 1회용과 충전해서 사용이 가능한 2차 전지가 있다.

전지의 종류

전지의 종류

 봍타의 전퇴(voltaic pile)에서 발전한 것이 건전지인데, 요즘 가장 이용이 쉬운 건전지이다. 몇 십 전만 하더라도 건전지는 손 전등 등에서 사용하여 활용 가치가 거의 없었지만, 최근에는 거의 모든 다양한 휴대용 전자기기 및 가정용 기기에 배터리를 사용하고 있다. 일반적으로 전지 1개에서 나오는 에너지는 1.5볼트짜리 건전지는 외부저항 5에서 500분간 사용할 수 있는 능력을 가지고 있다. 평균 1.3V의 전압으로 방전했다고 계산하면 역학적으로 에너지로 환산하여 1kg의 물체를 1000m 높이로 들어 올리는 에너지이다.

 건전지는 1878년 프랑스의 르크랑셰란 사람이 발명한 르크랑셰 전지를 휴대용으로 편리하게 간소화한 것으로 망간전지라고도 한다.

건전지의 구조

 건전지의 구조는 중앙의 탄소봉을 (+)(양극)에 바깥쪽의 아연통을 (-)(음극)으로 하고 있다. 탄소봉의 둘레를 염화암모늄의 포화수용액에 이산화망간의 분말과 흑연의 분말을 반죽한 것으로 싼 다음, 이것을 다시 염화암모늄의 포화용액을 전분질로 풀처럼 만들어 굳힌 것으로 싸서 아연통속에 넣은 것이다.

건전지의 전기 발생 원리

 염화암모늄은 용액 속에서 전리해서 암모늄 이온과 염소 이온이 된다. 음극인 아연 Zn 은 아연 이온이 되어 용액 속에 녹고 아연통에 전자를 남긴다. 이런 이유로 아연통은 마이너스 극이 된다. 액 속의 암모늄 이온은 아영 이온에 의해 쫓겨나 탄소봉에 모이게 되고, 탄소봉에서 전자를 얻어 암모니아와 수소로 분해된다. 따라서 탄소봉은 전자가 부족해지므로 플러스극이 된다. 탄소봉 주위에서 발생한 수소는 그대로 두면 탄소전극에 밀착되어 버리므로 전지의 능률이 떨어진다. 그 때문에 이산화망간의 산화작용을 이용하여 수소를 물로 변화시켜 버린다. 이런 작용이 일어나도록 사용하는 이산화망간과 같은 물질을 소극제라고 한다. 탄소봉과 아연통과의 사이에 전위차가 있으므로, 두 극 사이를 연결하면 전류가 흐른다.

 요즈음의 전지 가운데 가장 오래된 전지는 양극활물질로 이산화망간(MnO2)을 사용하고 음극 재료로 아연(Zn)을 쓰고 전해약으로 NH4Cl ZnCl2를 혼합하나 중성염수용액을 사용한 망간전지이다.

 이 전지는 18689년에 개발되어 1880년에 상용화 되어 이후 외장재질 및 봉구 방법이나 양, 음극 활물질의 개선을 통해 현재까지 사용되고 있는데 소비전력이 적은 용도에서 가격대비 사용시간 특성이 우수해 현재도 1차 전지 생산량의 60% 가량을 차치하고 있을 정도로 광범위하게 사용되고 있다.

전지의 역사

년 도

특 징

1789

개구리 다리로부터 전지 현상 발견(Galbani : Italy)

1799

구리-아연 전지 발명(Cu/H2SO4/Zn Volta : Italy)

1860

연축전지 발명(PbO2/H2SO4/Pb, Plante : France)

1867

망간 건전지의 원형 발명(MnO2/NH4ClZnCl2/Zn, Lechlanche France)

1880

Faure’, paste식 극판에 의한 연축전지 제조법 특허, 연축 전지 산업생산 개시

1888

망간 건전지 발명(Gassener: Germany, 헤레센서 : Denmark)

1899

니켈-카드뮴 전지 발명(NiOOH/KOH/Cd, Jungner(Sweden)

1899

니켈-아연 전지 발명(NiOOH/KOH/Zn)

1900

니켈-철 전지 발명(NiOOH/KOH/Fe, Edison : USA)

1909

알카리 망간전지 발명(MnO2/KOH/Zn)

1917

공기 아연 축전지 발명(O2 in Air/KOH/Zn)

1942

수은전지 발명(HgO/KOH/Zn)

1947

밀폐형 니켈-카드뮴 전지 발명

1949

알카리 망간전지 실용화

1962

밀폐형 수소전지 발명

1970

리튬 1차 전지 실용화

1970

미국 GM Delko 칼슘 MF 연축 전지 개발

1973

이산화망간-리튬 1차 전지 실용화(MnO2/LiC1O4/Li)

1981

리튬 이온 2차 전지 발명

1990

리튬 이온 2차 전지 실용화, 생산개시(일본 SONY)

1990

밀폐형 니켈-수소전지 실용화(NiOOH/KOH/MH)

1990

전기자동차용 전지 본격 개발착수

1995

수은 전지 생산 중지

2002

LIPB, ALB, Smart Battery, Li-Polymer, 초박형 리튬이온전지(파워셀) 개발

 

원리별 전지의 구분

1. 물리 전지

1.1 태양 전지

-반도체의 p-n 접합을 이용하여 광전효과에 의해 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치

1.2 열전소자

-반도체의 p-n 접합을 이용하여 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치

1.3 원자력 전자

-방사성 동위원소의 에너지를 전기에너지로 변환

2. 화학 전지

2.1 1차 전지

- 화학 에너지를 전기에너지로 변환시키는 전지로서 화학변화 과정이 비가역적이거나 가역적이라도 충전이 용이하지 않음

2.2 2차 전지

- 화학에너지와 전기에너지간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지

2.3 연료 전지

- 연료(천연 GAS, 메탄올, 석탄)의 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 화학발전 장치로서, 외부에서 반응물이 연속 공급되어 발전이 가능한 전지

 

전지별 특성

구분

종류

특 징

1

전지

망간 전지

1868년 프랑스 르클량셰에 의해 발명된 역사가 오래된 전지로서, 고부하, 고용화용에 적합한 전지

정극재료: 아산화 망간

부극재료 : 아연

전해액 :

전해질 : 염화암모늄, 염화 아연

격리판 : 크라프트지

알카리망간

전지

전지용량이 크고 내부저항이 적어 부하가 큰 장시간 사용에 적합 한 전지이며, 원통형과 코인형을 분류

정극재료 : 이산화망간

부근재료 : 아연

전해액 : 수산화칼륨, 수용액

전해질 : 수산화칼륨, 수산화나트륨

격리판 : 부직포(폴리오레핀, 폴리아미드계)

 

수은전지

1942년 미국의 루벤에 의해 발명되었고, 미국의 PR 말로리사에 의해 생산된 아연을 음극으로 하는 일차전지 가운데서 대단히 높은 에너지 밀도와 전압 안정성으로 60~70년대 소형전자기기의 주전원으로 사용되었으나, 수은의 유해성으로 80년대 이후 사용을 억제하고 있다.

정극 재료 : 산화수은

음극재료  : 아연

전해액    : 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 수용액

격리판    : 비닐론이나 알파화 펄프계

산화은전지

1883년 프랑스의 클라크와 독일의 돈, 하스랏샤에 의해 발표되고, 1940년대 군사용 1960년 민간용으로 개발된 전지이다. 평탄한 방전 전압과 소형화와 뛰어난 부하특성으로 손목시계의 전원으로 사용되고 있다.

정극재료 : 산화은(Ag2O)

부극재료 : 아연

전해액    : 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 수용액

격리판    : 비닐론이나 알파화 펄프계

리튬1

전지

리튬 1차 전지는 60년대 들어 미국의 NASA에서 우주개발용 전원으로 연구 개발된 고에너지 밀도의 전지로서, 오늘날 본격적으로 실용화 되고 있는 플루오르화 흑연 리튬전지와 이산화망간 리튬전지이다.

정극 재료 : 플루오르화 흑연, 이산화망간에 탄소 결착

부극 재료 : 리튬

전해액    : γ-부칠락톤, 1,2 디메특시 에탄의 혼합 유기용매에 보론플루오 로와 리튬의 전해질을 용해시킨 액체

격리판 : 플리프로필렌, 올레핀계 부직포

공기아연축

전지

19세기말부터 20세기 초에 걸쳐 거치형 공기전지가 개발되어 항로 표지용 전원이나 각종 통신기기에 사용되었으며, 단축형으로는 의료기(보청기)용도로 사용하고 있으며, 고에너지 밀도와 큰 전기용량, 평탄한 방전 특성을 갖고 있다.

정극재료 : 공기 중의 산소

부극재료 : 아연

전해액   : 수산화칼륨 수용액

격리판   : 폴리오레핀, 폴리아미드계 부직포

2차 전지

납축전지

1859년에 발명된 전지로서, 대부분의 자동차 기초전원으로 이용되고 있으며, 싼값으로 제조 가능하고 넓은 온도 조건에서 고출력을 낼 수 있다. 납축전지는 안정된 성능을 발휘하나 비교적 무겁고 에너지 저장밀도가 높지 않다.

 

 

정극재료 : PbO2

부극재료 : Pb

전해질 : H2SO4(수용액)

니켈카드뮴

전지

1899년에 발명에 1960년대에 밀폐형 니켈카드뮴 전지 양산기술이 확립되어, 철도차량용, 비행기 엔진 시동용 등을 비롯하여 고출력이 요구되는 산업 및 군사용으로 널리 이용되고 있으며, 밀폐형의 경우에는 전동공구 및 휴대용 전자기기의 전원으로 사용되었으나, 메모리 효과와 유해한 카드뮴 사용으로 널리 사용되지는 않고 있다.

정극 재료 : NiooH

부극 재료 : Cd

전해질    : KOH(수용액)

니켈수소

전지

‘90년에 실용화하여 ‘92년에 대량 생산이 개시된 2차 전지이며, 니켈 카드뮴 전지와 동작전압이 같고 구조적으로도 비슷하지만 부극에 수소흡장합금을 채용하고 있어, 에너지 밀도가 높다. 현재 전기자동차용으로 무겁고 출력이 낮아 현재는 거의 사용되지 않고 있다.

정극재료  : NiooH

부극재료  : MH

전해질    : KOH(수용액)

리튬이온

전지

‘91년 소니 에너지테크가 개발한 2차 전지로서, 리튬 금속을 전극에 도입한 관계로 안전성면에서는 불완전하여 보호회로를 채용해야 한다. 리튬이온 전지는 높은 에너지 저장밀도와 소형, 박형화가 가능하며, 소형 휴대용 기기의 전원으로 채용이 본격화되고 있다.

주요 1/2차 전지의 특성

구 분

종 류

구성

공칭

전압

에너지밀도

양극

전해질

음극

1

전지

망간 전지

MnO2

ZnCl2NH4Cl

Zn

1.5

200

알카리 전지

MnO2

KOH(ZnO)

Zn

1.5

320

산화은전지

Ag2O

KOH

NaOH

Zn

1.55

450

공기아연 축전지

O2

KOH

Zn

1.4

1,235

플루오르흑연리튬전지

(CF)n

LiBF4/YBL

Li

3

400

 

아산화망간리튬전지

MnO2

LiCF3SO3/PC+DME

Li

3

75

2

전지

납축전지

PbO2

H2SO4

Pb

2

100

니켈 카드뮴 전지

NiOOH

KOH

Cd

1.2

200

니켈수소전지

NiOOH

KOH

MH(H)

1.2

240

바나튬리튬전지

V2O5

LiBF4/PC+DME

Li-Al

3

140

리튬이온 전지

LiCoo2

LiPF6/EC+DEC

C

4

280

 

 

 

댓글을 달아 주세요

자동차용 리튬 폴리머 전지(Lithium polymer battery)

자동차 학습/전기자동차 2020. 4. 21. 08:22 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

리튬 폴리머 전지(Lithium polymer battery)

리튬 폴리머 전지의 소개

 리튬폴리머 전지는 리튬이온 전지와 작동 원리와 구조와 거의 동일하나 리튬 이온 전지의 전해액을 고분자물질로 대체하여 안정성을 높인 전지이다. 또한 리튬폴리머 전지는 음극으로 리튬금속을 사용하는 경우와 카본을 사용하는 경우가 있는데 카본음극을 사용하는 경우와 구별하여 리튬이온폴리머 전지도 부르나, 통상 리튬폴리머 전지로 통용된다.

리튬폴리머 전지의 특성

 리튬폴리머 전지는 전해질이 고체이기 때문에 전해질의 누수염려가 없어 안전성이 확보되고, 또한 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 전지팩을 제조할 수 있어 기존의 리튬이온 전지에서 원통형 및 각형전지로 전지팩을 제작할 경우 전지와 전지 사이의 불필요한 공간을 절약 할 수 있어 에너지 밀도가 높은 전지를 제조 할 수 있다.

 자기방전율 문제, 환경 오염문제, 메모리 효과 문제가 거의 없는 차세대 전지로서 2020년 이후의 대부분의 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 보편적으로 사용되고 있다. 전지 제조공정이 리튬이온 전지에 비하여 비교적 용이할 것으로 예상 되어 대량 생산 및 대형전지기 제조가 가능하여, 전지 제조 비용이 낮아 질 것으로 예상된다.

 리튬폴리머 전지의 기술적 과제

- 전기 화학적으로 안정해야 한다.(과충방전에 견디기 위해 넓은 전압범위에서 안정)

- 전기전도도가 높아야 한다.(상온에서 1mS/cm 이상)

- 전극물질이나 전지내의 다른 조성들과 화학적, 전기화학적 호환성이 요구된다.

- 열안정성이 우수해야 하다.

- 원재료의 수급이 원활해야 한다..

개발 동향

 상온에서 높은 이온전도도를 나타내는 고체 고분자 전해질의 개발에 집중하고 있으며, -고분자 전해질 및 하이브리드 고분자 전해질이 개발 되었다. 이들 고분자 전해질은 액체와 고체 고분자 전해질의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 하이브리드 고분자 전해질은 고분자 매트릭스 내에 유기용매 전해질을 주입시켜 제조한 것으로 전기화학적, 열적, 전기적 특성이 우수하며, 또한 제 3의 물질을 첨가하여 기계적 특성을 증대 시켰다.

리튬폴리머 전지의 종류

 리튬이온 전지의 (+)극과 (-)극 사이에는 액체로 된 전해액이 유기성인데 휘발유 보다 잘 타는 물질로서 연소성이 높아 폭발의 위험성이 있다. 최근의 리튬이온 전지 배터리의 자동차에서 일어나는 배터리의 화재는 대부분 전해액이 유기용매로 되어 있어 발화성이 극히 높기 때문이다. 리튬폴리머는 전해액 대신에 고분자 물질로 채워 안정성을 높였다. 리튬이온 중합체 전지(리튬이온 폴리머 전지, 폴리머 전지)는 중합체(폴리머)를 사용한 리튬이온 전지인 것이다.

 협의의 폴리머 전지는 폴리머를 전해질로 사용한 것이다. 광의의 폴리머 전지는 전해질 이외에 음극과 양극의 활성 물질에 전도성 고분자 등을 이용한 것이다. 고체나 젤 상태의 중합체를 전해질로 사용하기 때문에 안전성이 높고 무게도 가벼우며 제조과정도 간단하여 컴퓨터를 포함한 소형 전자기기에 사용된다.

리튬롤리머 전지는 리튬이온 전지와 동작원리는 같으나 전해액에 유기 용매와 겔상의 고분자를 사용하여 누액의 위험이 적고 안전성이 뛰어나며 필름 형태의 재료를 중첩시켜 구성하므로 형상의 자유도 높아 다양한 형태의 전지를 만들 수 있다. 그러나 리튬이온 전지에 비해 리튬이온 전지에 비해 체적 에너지 밀도가 떨어지며 제조공정이 비교적 복잡하여 가격이 비교적 높다.

현재의 리튬폴리머 전지는 폴리에틸렌 그리콜(Polyethylene glycol)이니 폴리에틸렌 플로라이드(Polyethylene fluoride)으로 구성된 폴리머에 전기분해액을 포함시켜 교질화(겔화)하여, 리튬이온 전지와 비슷하다. 그렇지만 전해질이 준고체상태이기 때문에, 용액이 잘 새어 나오지 않는다. 2차 전지에 비해 상당히 가볍고, 메모리 효과도 매우 적다. 모양도 비교적 자유롭게 만든다.

 리튬폴리머 전지는 음극과 양극 사이의 분리막이 리튬이온 전지에서 전극의 분리역할 외에 이온전도의 매개체, 즉 전해질의 역할을 하는 것이다. 리튬폴리머 전지는 전극재료 및 고분자 분리막의 종류에 따라 구분할 수 있다.

리튬 폴리머 전지의 구조

고분자 전해질

고분자 전해질은 세가지 분류할 수 있다.

1) 순수 고체 고분자 전해질계

2) -고분자 전해질계

3) Hybrid 고분자 전해질계

 순수 고분자 전해질계는 Hydro-Quebec사에서 처음 시도한 것으로 약간의 액체가소제를 혼합하여 제조한다. 이런 전해질은 용매증발 피복법으로 박막을 제조한다.

 -고분자 전해질은 순수-고분자 전해질에 비해 상온에서의 높은 이온전도도가 불량한 기계적 성질을 나타내어 많은 양의 액체가소제와 혹은 용매를 폴리머 매트릭스에 첨가하여 폴리머 호스트구조와 안정한 젤을 형성하도록 한다. -고분자 전해질은 높은 이온 이동도와 높은 저하 수송물질 농도를 만들어 성능 개선이 이루어졌고, 또한 저온특성도 우수하다.

 Hybrid 고분자 전해질은 고분자 매트릭스를 1미크론 미만(submicron)으로 다공성으로 제조하여 유기용매 전해질을 이 작은 기공에 주입시켜 제조한다. 이 작은 기공에 들어간 유기 용매 전해질은 누액이 되지 않고 아주 안전한 전해질로 사용할 수 있다. 이 전해질은 이온 전도도가 유기용매 전해질의 이온 전도도와 같은 특성을 갖고 있고, 용이하게 제작 할 수 있어 장점이다.

전기 화학적 원리

음극과 양극의 활물질(active material)이 리튬이온 전지와 유사하기 때문 전지화학적 원리는 같다. 전지의 작동은 충방전에 의해 리튬이온 양극과 음극 사이를 이동하여 된다. 전지작동에 의해 전극의 변화는 없기 때문에 안정적인 충방전이 가능하다.

 

LIPB는 리튬이온 전지(LIB)의 전극구성과 비슷하며, 단지 전해질만 고분자 전해질을 사용하는 것이 다르다. 전해질은 고체고분자전해질, 유기용매와 염을 고분자에 혼합한 하이브리드 gel 전해질이 있다.

 

 

고분자 분리막

 고분자 분리막은 리튬의 결정성장에 의한 양 전극의 단락을 방지함과 동시에 리튬이온 이동의 통로를 제공하는 역할을 한다. 고분자 전해질의 이온전도도는 과거 10-7S/cm에서 최고 10-5~10-4S/cm 정도로 향상되고 있으나 실용화하기 위한 값인 10-3S/cm에는 못 미치고 있다. 이를 개선하기 위해 전해액을 고분자에 침전된 상태에서 전지를 구동하는 겔형 리튬폴러머 전지의 개발에 집중하고 있다.

 

겔형 고분 전해질의 장점

향상된 이온전도도와 우수한 전극과의 접합성, 기계적 물성, 그리고 제조의 용이함을 들 수 있다.

겔형 고분자는

- poly(ethylene oxide)(PEO)

- poly(acrylonitrile)(PAN)

- poly(methyl methacrylate) (PMMA)

- poly(vinylidene fluoride) (PVDF)이다.

 대표적인 겔형 고분자전해질로서 Bellcore사의 PVDF계 전해질은 vinylidene fluoride(VDF) hexafluoroeethyene(HFP)의 공중합체와 가소제, 그리고 무기첨가제를 혼합하여 필름 성형 후 전해액을 합하여 겔화시키는 공정으로 제조된다.

 

전해질에 의한 전지의 구분

리튬폴리머 전지의 종류

 리튬폴리머 전지는 기존 리튬이온 전지의 양극, 전해액, 음극 중 하나에 폴리머 성분을 사용한 것이며 4가지 종류가 있다.

- 폴리머 전해질 전지 진성 폴리머 전해질 전지

- 폴리머 전해질 전지 겔폴리머 전해질 전지

- 폴리머 양극 전지 도전성 고분자 양극전기

- 폴리리 양극 전지 황산 폴리머계 양극 전지

 현재 양산되는 폴리머전지는 B.(GEL) 폴리머 전해질 전지를 말하며 두 종류로 분류된다.

- 가교 폴리머형(진정한 의미 폴리머전지, 고온에서도 겔 구조 유지 가능)

- 비가교 폴러머형(폴리머 사이의 결합이 물리적인 얽힘이나 약한 수소 결합으로 겔 구조가 해체되기 쉽다)

비가교형 폴리머가 고온에 쉽게 부풀거나 하는 것이 이런 특성을 가지고 있다. 리튬폴리머 전지의 공통적인 특징은 얇은 외장재에 있다. 실제로 폴리머가 들어가서 내부물질의 무게는 기존의 리튬이온 전지보다 무겁지만 외장재가 훨씬 가벼워 전체적으로는 더 가볍다. 그러나 실제 용량은 리튬이온 보다 훨씬 떨어진다. 리튬이온 전지는 부피당 에너지 밀도가 300~350mAh/L, 폴리머전지는 250~300 mAh/L이다. 같은 외형 크기-부피일 때 리튬이온이 용량이 커서 오래 쓸 수 있다. 폴러머 전지에 첨가된 폴리머 전해질의 이온전도도가 액체 전해질보다 훨씬 낮고 반응성이 떨어지기 때문이다.

 그런 이유로 폴리머 전지는 온도가 낮아지면 반응성 더 나빠져서 전지로서의 기능을 발휘하지 못한다. 반대로 고온에서는 리튬이온 전지에 쓰인 액체 전해질의 이온전도도가 폴리머 전해질 보다 높기 때문에 반응속도가 빨라져 폴리머 전지가 조금 더 안전하다.

 특히 90 이상의 고온에서는 어떤 전지든 내부 단락현상이 일어나는데 폴리머전지는 외장재가 약해 옆면에 터져 자연적으로 새는 식으로 폭발이 일어나지만 리튬이온 전지는 외장재가 두꺼워 견딜 수 있는 압력까지 견디지 못해 폭발할 위험 있다. 그러나 현재 시판되는 리튬이온 전지는 고온(90, 130, 150)에서 각종 안전성 테스트, 기계적인 충격에 대한 강도 테스트 등을 거쳐 판매되기 때문에 안전상 문제는 없다. 이런 안전성 테스트는 보호회로 없는 상태에서 시행되며, 보호회로를 부착하는 이유는 사용자의 실수를 다시 한번 방지하기 위함이다. 이 보호회로는 내부단락이 일어나기 전에 모든 반응을 정지시키며 전지를 보호한다.

 외장재가 폴리머전지와 같은 얇은 필름 형태이지만 내부물질은 100% 리튬이온 전지와 같이 ABL-type의 전지가 있다. 이 전지는 폴리머의 가장 큰 장점인 안전성은 보장되지 않는다. 다만 외장재가 가볍기 때문에 전체 중량이 폴리머보다도 조금 더 가볍다. 그러나 반응성이 큰 액체 전해질을 사용한 반면 기존 리튬이논 전지와는 달리 얇은 필름형 외장재를 사용하여 고온에서의 내부압력을 버티지 못하고 공처럼 부풀다가 누설이 발생하는 경우가 있으면 사용상에 안정적이지 못하다. 따라서 고온에서의 반응성을 낮추기 위해 끊는점이 높은 전해질을 사용하기도 하는데 그런 경우 저온에서의 성능이 떨어지게 된다.

리튬 폴리머 전지의 충방전

리튬 폴리머 전지의 특성

고전압(High Voltage)

Lithium ion battery와 같이 평균 전압이 3.7V nickel-cadmium이나 nickel-metal hydride와 같은 다른 2차 전지에 비해 3배 정도 높다.

급속충전 특성(Fast Charge capability)

Constant-current/constant-voltage(CC/CV) 방법으로 충전하는 경우 1~2 시간 이내에 완전 충전이 가능하다.

무공해(Pollution-Free)

소재 물질 중에 환경 오염 물질인 cadmium, lead mercury 등이 들어 있지 않다.

장수명(long cycle life)

정상적인 조건에서 300회 이상의 충방전 특성을 보인다.

메모리 효과 제로(No memory effect)

Nickel-cadmium 전지에서 나타나는 것과 같이 완전 충방전이 되지 않았을 때 용량감소가 생기는 현상이 없다.

리튬이온 대비 안전성 강화

Cell 외부로 전해액이 누액 될 염려가 없고 Polymer양이 상대적으로 Lithium ion battery 보다 많으므로 더 안전하다.

내부 저항이 작음

전극과 격리판이 일체형으로 되어 있기 때문에 표면에서의 저항이 그 만큼 줄어 들어 상대적으로 작은 내부저항을 갖는다.

얇은 배터리 제조

얇은 판상 구조를 가지고 있기 때문에 얇은 cell을 만들기 적당하며 또한 bag을 사용해 package하기 용이하기 때문에 얇은 battery 제조가 가능하다.

유연성

Polymer 함량이 상대적으로 많아 전극 자체만으로도 film의 특성을 가질 수 있다. Cell의 경우도 이러한 film적 특성으로 인해 형상의 자유도가 높다.

제조 형상 자연도 높다

리튬이온 배터리에서의 winding 작업이 없고 여러 장의 film을 겹치는 과정이 존재하므로 film만 원하는 모양으로 자르면 원하는 모양으로 제조가 가능하다.

 

리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지의 형상제조 차이점

1. 리튬폴리머 전지는 판상구조이기 때문에 리튬이온 전지의 공정에서 나오는 구불구불한 작업이 불필요하며, 각형의 구조에 알맞은 모양을 얻을 수 있다.

2. 전해액이 모두 일체화된 셀 내부에 주입되어 있기 때문에 와부에 노출하는 전해액은 존재하지 않는다.

3. 자체가 판상 구조로 되어 있기 때문에 각형을 만들 때 압력이 필요 없다. 그래서 캔(can)을 사용한 것 보다 팩을 사용하는 것이 용이하다.

리튬  폴리머 전지의 구조

<리튬폴리머 전지의 장단점>

장점

초경량 고에너지 밀도

무게 당 에너지 밀도가 기존전지에 비해 월등하여 초경량 전지를 구현

안정성

고분자 전해질을 사용하여 Hard Case가 별도로 필요치 않으며 1mm 이하의 초 slim 전지를 만들 수 있으며 어떠한 크기 및 모양도 가능한 유연성이 있다.

고출력 전압

셀당 평균 전압은 3.6V로 니카드 전지나 니켈수소 전지의 평균전압이 1.2V이므로 3배의 Compact 효과

낮은 자가 방전율

자가방전율은 20에서 한달에 약 5% 미만으로 니카드 전지나 니켈수소 전지보다 약 1/3 수준

환경 친화적 배터리

환경을 오염시키는 카드뮴 및 수은을 사용하지 않음

긴수명

정상적인 상태에서 500회 이상의 충방전이 가능하다.

<리튬이온 전지 및 리튬폴리머 전지의 장단점 비교>

종 류

장 점

단 점

리튬이온 전지

-고용량/고에너지 밀도

-좋은 저온 성능

-외장재의 견고함/기계적 충격 등에 강하다.

-폴리머 전지보다 무겁다.

-금속 외장재의 특성상 일반적으로 4~5mm 이하의 박형 얇은 전지와 넓은 면적 전지를 제조하기 어렵다.

리튬폴리머 전지

-고온 안전성 확보

-얇은 외장재로 인해 경량화 가능

-얇은 외장재-기계적 충격에 약하다.

-저온 성능 저하

용량/에너지 밀도가 매우 낮다

 

리튬폴리머 전지의 이용 분야

- 휴대용 전자기기인 핸드폰, 휴대용 PC, 스마트 기기 등

-  향후 고출력 전지로 설계하여 전기 자전거, 전기 자동차용으로 응용 개발

- 산업-군사용 MAV(micro air vehicle), 의료처치용 분야에서 마이크로 수술 시스템 및 진단 시스템

- 마이크로 로보틱스 분야

리튬 폴리머 전지의 용도

종류

비 고

통신용

휴대폰, PCS, 무선 시스템 등

정보처리용

노트북, PDA(Personal Digital Assistants), Handy terminal

오디오/비디오용

캠코더, 디지털 카메라, 휴대용 오디오 전원용

기타

측정장치, 휴대용 전장품, 전기 자동차 등

 

 리튬폴리머 전지는 휴대용 정보기기의 전력의 심장부로서 폭발 위험성이 없고, 저렴한 가격의 폴리머를 사용하여 전지의 생산단가가 저렴할 뿐만 아니라 필름과 같은 박막형태로 제작이 가능하여 크기나 모양을 다양한 조절할 수 있는 장점이 있기 때문에 앞으로 리튬폴리머 전지의 사용용도 더욱 다양해 질 것이다.

 

리튬폴리머 전지의 개선점

1) 과충방전에 견디기 위해 넓은 전압 범위에서 안정해야 한다.

2) 전지전도도가 높아야 한다.

3) 전극물질이나 전지내의 다른 조성들과 화학적, 전기 화학적 호환성이 요구 된다.

4) 열 안전성이 우수해야 한다(특히 리튬전극과 접촉 시 중요)

리튬 폴리머 전지의 종류

전지 설계 문제의 해결 과제

 음극 용량 및 전지전압 즉 에너지밀도의 저하 없이 리튬음극을 대체 할 수 있는 리튬 함유 음극 물질이 아직까지 뚜렷하게 나타나지 않고 있으며, 단지 유기용매 전해질형 전지에서 사용되고 있는 카본음극이 리튬폴리머 전지에서 대체전극으로 사용되고 있다.

 양극 물질로는 전지 전압이 낮은 TiS2, V6O13, LiV3O8 등과 전지전압이 높은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등이 있다. 이러한 층간 화합물의 고체상에서의 전기전도도와 리튬 확산계수는 복합양극 설계의 최적화에 영향을 크게 미친다.

 더구나 복합양극제조에 있어서 고점 페이스트의 혼합과 피복에 문제가 있다. 이러한 문제는 연속공정으로 전극 두께를 50~100 um 범위로 하고 표면을 매우 매끄럽게 해야 하기 때문에 더욱 심각하게 대부된다. 양극 표면의 불균일성은 전해질의 피복을 나쁘게 하여 전지 내 결합 부위를 형성하게 된다.

 일반적으로 아래의 두 가지 방법이 복합양극제조에 사용되고 있다.

- 용매증발 피복법

- -젤형성 피복법

 용매증발 피복법은 모든 양극 조성물질을 용매에 혼합시킨 후 기판 위에 피복하고 용매를 증발시켜 제조하는 것으로 보통 용매 대 양극 조성 물질 비는 5:1~10:1 정도가 된다. 일반적으로 피복 두께는 용매 증발 속도에 제한을 받는다.

 -젤형성 피복법은 젤-전구체를 사용하기 때문에 더욱 제조가 어렵다. -전구체는 뜨겁고 액체성분의 증발을 제어하기 어렵고, 복사-유도 경화(Radiation-induced curing)가 요구 된다. 카본복합음극인 경우도 복합양극제조와 거의 동일하나, 단지 카본 종류 및 양극 용량에 따른 전극 활물질양, 즉 전극 두께를 설계해야 한다.

 복합음양극의 최적화는 복합음양극 구성 물질, 조성비, 제조공정 등의 조절에 의해 가능하다. 일반적으로 고분자 전해질의 저항은 전체 전지저항의 작은 부분을 차지하며, 전극/전해질 사이의 계면 저항이 전지에 있어서 가장 큰 저항 성분이다.

 비록 이온수송도를 증가시키기 위해 고분자 전해질의 두께를 줄여도 전지저항은 별로 변화하지 않는데 이는 계면 저항이 고분자 전해질의 두께에 관계 없이 존재하기 때문에 계면 저항은 오직 표면적에 관계된다.

리튬폴리머 전지의 향후 개발 과제

 현재 Hybrid 고분자 전해질과 젤-고분자 전해질을 이용한 리튬폴리머 전지가 상용화 단계에 와 있으나 이러한 전지시스템은 전해질로 액체 전해질과 고체 고분자 전해질의 중간형태를 사용하는 것으로 진정한 의미의 전 고체형 전지는 아니다.

 그리하여 향후 복합 고분자 형태의 고체고분자 전해질에 대한 연구가 많이 이루어 질 것으로 예상되는데, 예를 들면 고분자-합금개념의 고체고분자 전해질이다.

 고분자-합금개념은 각 성분들이 서로 화학적으로 작용하는 다성분계 고분자를 의미하는 것으로 이러한 상호작용은 상분리 및 결정화가 일어나지 않도록 충분히 강해야 한다.

 더구나 고분자합금은 고 이온전도도를 유지하면서 전해질 내에 있는 이온들의 이동도를 더 잘 조절할 가능성이 있다. 이외에도 고분자 전해질의 제조공정 및 전지 제조 공정상에서 더욱 많은 진전이 요구되며, 아울러 계면 특성에 대한 연구가 더욱 이루어져야 한다.

 

리튬폴리머 배터리 충방전 과정

LiPo는 기본의 리튬이온 기술을 기반으로 1991년 소니에서 최초 개발. 1995년부터 LiPo라는 이름으로 널리 판매되기 시작했다. 리튬이온 배터리와 마찬가지로, LiPo 전지의 전압은 화학에 의존하는데, LiCoO2와 같은 리튬산화 금속의 경우 최저 2.7V -3.0V(방전), 최고 4.20V-4.35V(완충). 리튬인산화철(LiFePO4)을 기반으로 한경우 1.8-20V (방전)- 3.6-3.8V(완충) 과충전/과방전되면 안된다. 반드시 보호회로를 장착해야 한다.

여러 개가 연결된 LiPo 팩의 경우, 각각의 셀이 동일한 충전상태(SOC - State of Charge)가 되도록 감시할 수 있는 특별한 충전기가 필요하다. LiPo는 케이스가 약하나, 리튬이온 전지 대비 20% 정도 가볍다. 적절한 압력을 가하면 용량유지를 향상시킨다. 부품간의 접촉이 최대화되고 저항과 품질저하의 원인이 되는 층간박리나 변형이 방지되기 때문이다.

원하는 모양으로 가공할 수 있고 용량이 높아서 핸드폰이나 노트북 컴퓨터등에 널리 사용된다.

리튬폴리머 전지의 용도

R/C 항공기나 모형자동차 등에 널리 사용된다. 2013부터 13,000mAh LiPo 팩이 판매중이다.(45C continuous discharge, and short-time 90C bursts.) 4600mAh도 있다. 전기자동차에도 적용 중이다.

 

리튬폴리머 안전도

LiPo 배터리는 리튬이온 배터리와 마찬가지로, 과충전, 과방전, 과열, 회로 과열, 관통 등에 의해 화재를 포함해 엄청난 문제가 야기될 수 있다. 과충전되면 전해질이 약간 증기화되어 부풀어오른다. 이로 인해 층간 박리가 발생. 신뢰성이 저하되고 배터리 수명이 짧아지고, 특히 LiPo의 경우 케이스가 약해서 눈으로도 쉽게 확인 가능하다..

LiPo 배터리에 표시된 숫자 기능 표시

- 전압/셀의 수(Voltage /Cell Count)

LiPo 배터리의 명목적인 전압은 3.7V . 7.4V 2개의 셀을 직렬로 연결(2S : 2 cells in Series)했다는 뜻. 따라서 3S 11.1 V가 된다.

배터리의 전압에 따라 드론의 속도가 결정된다. 전압은 전기모터의 RPM과 비례한다(브러쉬리스 모터는 kV로 표시되는데, Volt RPM을 뜻함). 3500 kV짜리 브러쉬리스 모터는 1볼트당 3500RPM 이 나온다. , 2S 배터리는 25,900 RPM(3500 x 7.4) 이 나온다.

- 용량(Capacity)

총전력량. 휘발유통 크기와 비할 수 있다. 보통 mAh로 나타냄. 한시간에 얼마만큼의 전기를 뽑아낼(drain) 수 있는가 하는 뜻. 보통 모터시스템의 drain Ampere를 기준으로 한다. 숫자가 클 수록 오래 날릴 수 있음. 보통 R/C 카의 경우 5000 mAh 정도를 사용한다. 12,000 mAh 짜리도 시판디고 있다. 다만, 용량이 크면 무게도 무거워지고 열이 많이 나서 화재가 날 수 있다.

 

- 방전률(Discharge Rating, C-Rating)

전압과 용량은 직접적인 효과가 있음. 하지만, C-Rating은 이해하기 힘듦. C-Rating 이란, 배터리에 해를 입히지 않는 범위 내에서 얼마나 빨리 전기를 뽑아낼 수 있는가 하는 기준.

배터리는 20C = 20 x Capacity = 100A 이다. 즉 최대 연속적으로는 100A까지 뽑아낼 수 있음. 요즘에는 Burst Rating 이란 숫자도 있음. 이는 10초동안 뽑아낼 수 있는 최대 총량이다. 대부분 Burst Rating 숫자가 크다. 배터리를 비교할 때는 C-Rating 이 더 중요하다. 대부분의 경우 20-25C 정도면 충분하다.

 

- 내부저항(Internal Resistance)

매우 중요하지만, 어디에도 표기되어 있지 않다. 그 이유는 시간에 따라 변하기 때문이다. 조건에따라온도에 따라 변하기도 한다. 이 값이 높으면 에너지가 모터 등에 도달하기 힘들다. 열손실이 일어난다. (배터리 효율로 볼 수 있음)

 

충전기로 측정가능. 셀별로 따로 측정하는 것도 있으나, 어차피 직렬이므로 모두 더하면 총 내부저항이다. 내부저항은 배터리의 상태와 연관 있다. 배터리를 사용하면 내부에 LiO2가 축적된다. 나중에는 충전이 거의 안되고 열로 빠지는 상태가 된다. 충전하자 마자 방전이 되는 배터리는 바로 이 때문이다. 예를 들어 내부저항이 0.012 옴이라고 할 때, 모터가 65A를 사용한다면 0.78V 나 줄어드는 효과. 이로 인해 RPM 이 떨어지게 됨.

0-6 mΩ 정도면 Good. 7-12mΩ 이면 평균이고, 20mΩ 이상이면 교체를 고려해야 한다.

 

LiPo 배터리 충전(Charging) 방법

반드시 LiPo 용 충전기를 사용해야 함. CC/CV (Constant Current/Constant Voltage)충전이라는 시스템을 사용한다. 최고수준(셀당 4.2볼트)에 오를 때까지 전류(충전률)을 일정하게 유지하는 방식이다.

또한 LiPo용 충전기는 Balancing을 적용한다. 각각의 셀의 전압을 일정하게 유지하는 것이다. 모든 셀의 방전량이 동일하도록 하기 위함이다. 배터리의 성능에 중요하고. 또한 안전에도 중요하다. Balancing 기능이 내장된 충전기를 구입하는 게 좋다.

대부분의 LiPo 배터리는 Balance tab JST-XH 라는 코넥터가 달려있다. 잡을 수 있는 면적이 작다는 단점인데, 플러그를 뽑기 어려워서 코넥트가 뽑히고 쇼트가 발생해서 배터리 망가지는 사고 발생하기도 한다. Balance Protector Clips(AB Clip)를 사용하는 것이 좋다.

대부분의 LiPo 배터리는 NiMH 배터리보다 늦게 충전된다. 보통 3A 이하. 충전에 대해서도 C-Rating 이 있음. 보통 1C이다. 4000mAh 의 배터리라면 4A 이하로 충전해야 함. 요즘엔 충전속도가 빠른 LiPo 배터리가 많이 나와서, 3C까지 있다.

항상 화재 발생 가능성에 대비해야 한다. 소화기로 LiPo 배터리 불을 끌 수 없으나(화학적 반응이기 때문에)불이 번지는 건 막을 수 있다. 이산화탄소 소화기가 효과가 있다. 산소차단 및 온도를 낮추는 효과가 있다. LIPO GUARD 와 같은 전용 백을 준비하는 것도 좋음. 사람 없는 곳에서 충전하지 말아야 한다.

 

LiPo 배터리 방전(Discharging)

배터리를 사용하다 보면 LiO2가 축적되고, 이것이 내부저항을 일으키고 열을 발생시킨다. 요즘 충전기에는 내부저항 측정기능이 있으므로, 이를 관찰, 기록하면 배터리 상태를 관리할 수 있다. 온도가 올라가면 LiO2가 더 많이 쌓이게 된다. 이런 이유로 배터리가 부풀어 오른다. 부풀어오른 배터리를 사용하면 열이 더 많이 나게 되어, 결국 Thermal Runway 라는 과정이 시작된다. ->O2->저항->열이 계속 반복. 결국 산소+수증기+리튬 반응하여 화재 발생하는 한다. 폐기 배터리에 구멍을 내면 위험하다.

대부분 300-400번 충전-방전하면 수명을 다하는데, 과열되었거나 3.0V 이하로 과방전 되었거나, 물리적 손상을 입었거나 습기를 흡수를 하게 되면 훨씬 빨리 수명을 다하게 된다. 절대로 3.0V 이하로 내려가면 안된다.

드론 등의 기기에는 LVC(Low Voltage Cutoff) 회로가 있어서, 일정전압 3.2V 이하가 되면 전원을 차단시킨다. 3S 짜리 배터리라면 9.4V에서 작동됨. 더 작동시키면 배터리를 망가뜨리게 됨. 특히 배터리의 Balancing 이 안되어 있을 경우, 총 전압은 9.4 일지라도 일부는 3.0 이하로 떨어질 수 있어 배터리 수명을 망가 뜨린다. 그래서 Balancing 이 매우 중요하다.

 

LiPo 배터리 보관(Storage) 방법

예전에는 그냥 배터리가 방전 후 보관했지만, LiPo는 절대 그렇게 하면 안된다. 완충된 상태로 보관해서도 안된다. 상온상태에서 3.8V 로 보관해야 함. 요즘 충전기에는 이 상태가 되도록 충전시키거나 방전시키는 기능이 있다.

매번 사용하고 나서는 반드시 보관모드로 두면 좋다. 완충상태로 일주일만 지나도 LiPo배터리는 망가질 수 있다.

배터리 문제는 대부분 잘못 보관하기 때문에 발생한다. 그냥 오랫동안 방치하면 3.0V 이하로 떨어져서 수명 다하게 된다.

 

LiPo 배터리 폐기(Disposal) 방법

1.         가능한 한 전부 방전 후 전압을 낮출 것. 기기에 실어서 끝까지 돌리면 좋다

2.         욕조에 소금물을 풀고, 전기선을 담금. 바로 합선이 된다.

3.         전압측정. 0.0V 인지 확인 후.

4.         폐기해도 된다..

 

 

 

댓글을 달아 주세요

니켈 수소 전지(Ni-MH)

자동차 학습/전기자동차 2020. 4. 12. 22:00 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

니켈 수소 전지(Ni-MH)

나켈-수소 전지는 니켈-금속수소화물 전지(MHmetal hydride의 약자임)의 약칭으로 기존의 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지에 카드뮴 음극의 중금속 오염을 개선하여 수소저장합금을 사용하였다.

1990년 이후 전자 기기들의 소형, 경량화에 따라 전자기기의 전원으로 전지의 요구 조건은 고에너지 밀도화, 소형 경량화, 수명 연장 등 요구되나 기존의 광범위하게 사용 되었던 니켈-카드뮴 전지나 납축전지로서는 이상 새로운 성능을 개선하는데 한계가 명확하였다. 특히 환경오염 문제로 니켈-카드뮴 전지와 납 전지로서 더 이상 대응 하기가 어려워졌다.

최근의 대부분의 하이브리드 및 전기 자동차는 리륨이온 전지 및 리듐폴리머 전기가 광범위하게 사용되나, 2000년대에는 미국과 일본을 중심으로 판매되고 있는 하이브리드 및 전기 자동차에는 대부분 Ni-MH 전지를 사용하였다. 현재는 거의 대부분의 하이브리드 및 전기 자동차는 리륨이온 혹은 리듐 폴리머 전지를 사용하고 있다.

 

니켈-수소(Ni-MH) 전지의 구성과 반응

Ni-MH 전지는 음극에 수소저장합금(M), 양극에 수산화니켈(Ni(OH)2/NiOOH)이 사용되며, 분리막으로는 Ni-Cd 전지와 같은 내알카리성의 나일론 부직포, 폴리프로필렌 부직포 및 폴리아미드 부직포 등이 사용되고 있다. 또한 전해액은 이온전도성이 최대로 되는 5~8 M KOH 수용액이 사용되고 있다. 충전 시 음극에서는 물이 전기 분해되어 생기는 수소이온이 수소저장합금에 저장되는 환원 반응이, 양극에서는 Ni(OH)2 NiOOH로 산화되는 반응이 일어난다. 방전시에는 역으로 음극에서는 수소화합물의 수소원자가 산회되어 물이 되고, 양극에서는 NiOOH Ni(OH)2로 환원되는 반응이 일어난다. 니켈양극이 완전히 충전된 후에도 전류가 계속 흐르면, 즉 과충전 되면, 양극에서는 산소가 발생된다.

그러나 음극의 용량이 양극보다 크면, 발생된 산소가 음극 표면으로 확산되어 산소 재결합 반응이 일어나게 된다. 음극에서는 산소를 소비시키기 위하여 수소가 감소하게 되어 동일한 전기량이 충전되므로 전체적으로는 변화가 없다. 역으로 과방전이 되면, 양극에서는 수소가 생성되고 이 수소는 음극에서 산화되므로 전체적으로 전지내압은 상승하지 않는다. 이와 같이 Ni-MH 전지는 원리적으로 과충전과 방전 시 전지내압이 증가하지 않고, 전해액의 농도가 변하지 않는 신뢰성이 높은 전지이다. 그러나 실질적으로는 충전효율의 문제로 인하여 전지 내압이 어느 정도 상승하게 된다.

니켈 수소(NiMH) 전지의 구조

니켈-수소(Ni-MH) 전지의 장점 및 단점

장점

1) 전지전압이 1.2~1.3V Ni-Cd 전지와 동일하여 호환성이 있다.

2) 에너지 밀도가 Ni-Cd 전지의 1.5~2배이다

3) 급속 충방전이 가능하고 저온특성이 우수하다.

4) 밀폐화가 가능하여 과충전 및 과방전에 강하다.

5) 환경 오염이 물질을 거의 사용하지 않는다.

6) 수지상(dendrite) 성장에 기인하는 단락이나 기억효과가 없다.

7) 수소이온 전도성의 고체전해질을 사용하면 고체형 전지로도 가능하다.

8) 충방전 싸이클 수명이 길다.

단점

1) Ni-Cd 전지와 비슷하게 고율방전 특성이 안 좋다.

2) 자기방전율이 크다.

3) 메모리효과(Memory effect)가 약간 있다.

 

전극용 수소 저장 합금의 특성

전극용 수소저장합금의 선택에 있어 합금의 조성은 전지의 용량, 전지내압, 급속 충방전 특성, 수명, 저온특성, 자기방전특성 등과 같은 전지의 성능을 결정할 수 있는 가장 요인으로 합금의 요구 특성은 다음과 같다.

가역적인 수소저장능력

 단순 수소저장용량이 아니라 적정 수준의 수소 결합력을 가진 가역적인 수소저장량이 커야 한다. 따라서 수소 결합의 척도인 수소화물 생성엔탈피가 보통 8~10 kcal/mole이거나 수소 평형압력이 10-3~수 기압이어야 한다.

내산화성

 과충전시 양극에서 발생되는 산소가 음극표면에서 재결합하는 반응을 이용하여 과충전시 전지내 압상승을 억제한다. 이러한 전지의 조건에서 전극이 산화되면 전지성능의 저하를 발생시킨다. 즉 전극의 충전효율이 저하되어 수소가스가 발생되면, 전극의 촉매능력이나 가스 재결합 능력이 감소한다. 또한, 방전 시 과전압이 커져서 방전효율이 감소한다. 과도한 산화는 전체적인 전기전도도의 감소를 가져오게 되어 전극수명을 저하시킨다.

알칼리 용액에서의 내식성

 과도한 산화 또는 부식은 전해액의 소모를 가져와 전지 성능 저하 및 전지수명을 감소시키며, 부식반응에 의하여 생성되는 합금부식생성물은 양극을 피독시켜 양극의 산소발생 과전압을 감소시켜서 충전효율저하 및 양극의 자기방젼율을 증대시킨다. 전해액에 용해되기 쉬운 부식생성물( ;VOx)의 산화상태가 변할 때에는 산화환원반응의 순화 메커니즘을 형성하여 자기방전을 증대시킨다. 그러나 부식을 억제하는 부동택막이 수소의 투과성을 저해하여서는 안 된다.

촉매능력

 고율방전능력이 크려면 합금내부에서 전극반응이 일어나는 합금/전해액 계면으로의 수소 확산 속도가 커야 하며, 또한 이 계면에서의 수소산화에 대한 표면 촉매능력이 커야 한다. 합금/전해액 계면에서 수소와 OH- 이온의 반응은 합금 표면에 존재하는 산화물의 특성, 즉 산화물의 기공도, 두께, 전기전도도, 촉매능력 등에 영향을 받으므로 산화물의 특성이 고율 방전능력에 커다란 영향을 미치게 된다.

수소가스+수소화물 형성 능력

 과방전시 양극에서 발생하게 되는 수소가스를 원자 상태의 수소로 분해하여 음극 내로 흡수시켜야 한다. 또한 과충전 시 산소재결합이 매우 빠를지라도 특히 급속 충전시에는 음극에서의 수소발생을 피할 수 없다. 충전이 끝났을 때, 발생된 수소압력을 감소시키기 위해서는 전극표면에서 분자수소가 원자수소로 쉽게 분해되어 음극에 흡수 되어야 한다.

초기 활성화

 조립된 상태의 전극표면에는 사용합금의 산소친화력이 크기 때문에 대기 중에서 제조공정 도중에 치밀한 산화막이 생길 수 있다. 충방전시 합금의 팽창과 수축이 일어나 합금분말에 균열이 생겨 산화물이 적은 새로운 표면의 생성과 함께 전극의 표면적이 늘어나게 되어 전극이 활성화 된다. 또한 V산화물이 같이 전해액에 쉽게 용해되는 합금성분이 있는 경우에는 일부러 산화물을 용해시킴으로써 전극표면의 산화물의 구조가 수소가 더 잘 투과할 수 있는 극소다공성의 구조로 되어 초기활성화가 쉬워지는 것으로 알려졌다.

 

전극제조의 용이성

 합금의 제조, 합금분말의 제조 및 전극제조의 용이성을 고려해야 한다. 소형전지용 전극 개발 시 양산성을 고려하여 전극제조시의 양산성은 전지의 가격을 결정하는 중요한 인자이다. 따라서 현재의 제조공정인 소결식을 대체 할 수 있는 간편한 공정을 사용할 수 있는 페이스트식 전극제조법으로 전극의 제조가 가능하다면, 경제적 측면에서 매우 유리하게 된다.

 

니켈 수소 배터리 충전방식

니카드와 니켈수소는 충전전류를 일정하게 하고 충전전압을 서서히 올려주면서 충전하는 방식을 따르고 있다. 니카드와 니켈수소의 특징상 충전이 다되면 순간적으로 전압이 띠게 되는데 이 시점을 충전기에서 check하여 충전종료를 하게 된다. 보통 델타피크라 하여 니켈수소는 5mV~10mV정도 된다.

 

니켈수소 전지의 용도

Ni-MH 전지는 Ni-Cd 전지에 비해 에너지 밀도가 크고 공해물질이 없어서 하이브리드 자동차용과 전기자동차용 전원 그리고 전기스쿠터용과 기타 소형전자기기 및 RC 등에 적용되고 있다.

NiMH 수소 전지

 

니켈 수소 전지의 특성

1)에너지의 용량이 크다.(Ni-Cd 전지 또는 lead-acid 전지의 약 1.5~2)

2)독성물질(heavy metal)을 함유하고 있지 않다.

3)충전, 방전 속도가 빠르다.

4)저온, 고충전 속도에서도 에너지 효율이 높다.

5)충전, 방전 시 전해질의 농도 변화가 없다.

6)밀폐형 전지의 제조가 쉽다.

7)원하는 특성에 따라 수소저장합금을 선택할 수 있다.

8)니켈-카드뮴 전지 대비 기억 효과가 거의 없다

9)출력 전압은 니켈-카드뮴 전지와 동일한 1.2V이다.

 

니켈수소 전지의 개선 방향

니켈수소 전지는 여러 가지 장점에도 불구하고 몇 가지 개선해야 할 점이 있다. Ni-MH 전저의 실용화를 위해 해결해야 할 문제점 및 개선점은 다음과 같다.

첫째 단위 무게 당, 단위 부피당 방전용량을 증가시켜야 한다. 현재 MH 전극의 방전용량을 증가시키기 위해 새로운 종류의 수소저장합금을 개발하고, 있다. 현재 400 mAh/g 이상 고용량의 MH 전극이 개발되고 있는데 용량의 한계가 있는 AB5계의 합금보다는 AB2계열의 전극으로의 개량이 이루어지고 있다.

두번째 전지의 자기방전율을 감소시켜야 한다. 실제로 현재 개발된 전지의 자기방전율이 일반적으로 20%/주 이상으로 크다. 따라서 이와 같이 높은 자기방전율 때문에 전지를 사용하지 않고 오래 방치하는 경우 전극이 노화되어 전지를 사용이 불가하다. 금속수소전극으로부터 발생한 수소에 의한 일어나는 자기방전인 경우는 자연적인 현상으로 이를 해결하기 위해서는 금속수소화합물의 수소평형압력을 개선시키던지 금속 수소전극을 표면처리 함으로써 금속수소화합물의 격자 내에 있는 수소가 외부로 방출되지 않도록 해야 한다.

세번째는 전지의 내부압력을 감소시켜야 한다. 전지의 내부 압력 증가는 전극에서 가스 발생속도가 소비속도에 비해 높을 때 나타나는 것으로 일반적으로 활성화 초기 및 충전 중에 MH 전극의 충전효율 저하로 인해 생기는 수소와 과충전시 니켈 전극에서의 산소발생 반응이 Ni-MH전지의 내부압력증가의 주요한 원인이다. 저충전효율에 의한 수소발생은 MH 전극의 충전효율을 높이는 합금을 개발해야 한다. 과충전 시 발생하는 가스발생을 억제하기 위해서는 충전시간을 단축하기 위해 최적의 충전알고리즘을 개발해야 한다. 전기자동차는 급속충전의 경우에는 충전 시간 단축을 위해 급속 충전 시에도 가스 발생을 최소화하는 충전방법을 개발해야 한다.

넷째는 전지의 수명을 연장해야 한다. 전지의 수명이 감소하는 원인은 여러 가지가 있으니 그 가운데 충전말기에 니켈전극에서 발생하는 산소에 의해 금속수소 전극이 산화 되어 전지의 수명이 감소하거나 금속수소전극 내에 있는 수소와 반응하여 물을 형성하여 금속수소전극의 용량을 감소 시킬 수 있다. 그래서 전지수명 증대를 위해 가스 발생을 억제하거나 발생된 가스를 재결합하는 방법에 개발해야 한다.

다섯번째 전지의 가격을 저렴하게 생산해야 한다. 현지 Ni-MH Ni-Cd 전지보다 다소 높으며 전기 자동차용 납축전지지에 비해 가격이 세배 정도 높다. 전지의 가격을 낮추기 위해서는 저가의 전극 재료를 선택해야 한다.

니켈-수소 전지의 충방전 특성

니켈수소 전지는 니켈-카드뮴보다 무겁지만 에너지 밀도가 커서 통산 같은 크기의 NiCd 배터리 보다 2~3배의 용량을 가질 수 있다. 이는 리튬이온 배터리의 용량과 비슷한 수치이다. 공칭전압은 1.2V이다.

 

NiMH 셀은 내부 저항이 낮아 순간적으로 고전류를 제공 할 수 있기 때문에 디지털 카메라와 같이 순간 소비전력이 많은 장치에 자주 사용되며 1회용인 알카리 배터리보다 성능이 뛰어나다. 알카라인 배터리는 방전율이 높지 않아서 순간적으로 전기를 뽑아 쓰게 되면 표시된 용량을 다 쓰지 못하고 열손실 등이 많이 발생하게 된다.

충전 과정

니켈 수소 전지의 충전전압은 셀당 1.4~1.6V이다. 일반적으로 정전압 충전 방식은 자동 충전 시사용할 수 없다. 급속 충전에는 전용 충전기를 이용해야만 과충전을 방지하여 배터리 손상을 예방할 수 있다.

트리클 충전

완충상태를 유지하기 위하여 전지에 나쁜 영향을 주지 않는 범위에서 미세한 전류를 흘려 연속 충전하는 과정이다. 보상충전 혹은 세류 충전이라고도 한다. 이 충전이 필요한 이유는 정전이 된 비상 시에만 켜져야 하는 비상등이나 비상전원 장치에 쓰인다. 일부 충전기는 충전이 완료된 후에 이 모드에 진입하여 자연방전을 방지해 주기도 한다.

안전한 충전 방법 중 가장 간단한 것은 타이머가 있는 없든 고정된 저전류를 사용하는 것이다. 대부분의 제조업체는 0.1C(C/10) 미만의 매우 낮은 전류에서 충전을 추천한다. 여기서 C는 배터리의 용량을 1시간으로 나눈 전류이다. 예를 들어 2000mah 용량이 배터리가 있다면 C=2000ma이고 0.1C 200ma=0.2A가 되는 것이다. 트리클 충전 전류는 제조업체에 따라 1/30C, 1/40C 등 권장 항목이 다소 다르다.

V 델타볼트

급속 충전기는 셀 손상 방지하기 위해 과충전이 발생하기 전에 충전 주기를 종료해야 하는데 이때 전압의 변화를 감지하여 이 역할을 수행한다. 배터리가 완전히 충전되면 단자의 전압이 약간 떨어지는데 충전기는 이것을 감지하고 충전을 중지할 수 있다. 이 방법은 최대 충전 시 큰 전압 강하를 나타내는 니켈-카드뮴 전지에 주로 사용된다. 그러나 NiMH의 경우 전압 강하가 훨씬 덜하며 낮은 충전 속도에서는 존재하지 않을 수 있으므로 이 접근법은 신뢰성이 떨어진다.

T 델타티, 델타템퍼러쳐

온도변화법은 원칙적으로 △V법과 유사하다. 셀이 완전히 충전되지 않을 때 충전 에너지의 대부분은 화학 에너지로 전환된다. 그러나 전지가 최대 충전에 도달하면, 대부분의 충전 에너지는 열로 변환된다. 이를 열감지 센서로 감지하여 충전 종료 시점을 판단한다. T와 △V 충전방법 모두 급속 충전 후에는 트리클 충전을 권장한다.

용량 손실

반복적인 부분 방전으로 인한 전압 강하가 발생할 수 있지만, 몇 번의 완전 방전/충전 사이클로 회생 시킬 수 있다.

방전 및 과방전

완전 충전된 셀은 시작전압이 약 1.4V이며 방전 중에 평균 1.25V/셀을 유지한다. 전압은 사용함에 따라 점차적으로 감소하여 약 1.0~1.1V/셀로 감소하는데 그 이상 사용하게 되면 다중 셀배터리에서 극성 반전이 발생하여 영구적인 손상을 가져 올 수 있다. 니켈 수소전지를 4개 이상 직렬 연결 사용 시 과도하면 방전시키면 배터리가 손상 될 수 있다. 그래서 대부분의 NiMH 배터리의 손상 방지를 위한 저전압 방지 회로가 있다.

자기 방전: Self Discharge

자기 방전율이 높은 편이던 니켈 수소 전지는 점차 개선 되고 있어 20도 온도에서 1년 보관 시 약 80%의 용량이 유지 된다. 충전은 표준충전 0~+45도 급속 충전은 +5 ~ 45 도를 권장한다. 충전 시 주위 온도가 높게 되면 충전 효율이 저하하기 때문에 방전 용량은 감소하고 이것은 충전 온도가 높은 만큼 양극의 산소 과 전압이 낮고 실온에서 충전할 때 와 비교하여 고온에서는 충전 전류가 조기에 작을수록 방전 용량이 작게 되는 경향이 있다. 방전에서는 내부저항이 낮기에 대전류 방전이 가능하고 -20~60도 까지의 넓은 온도 범위에서 방전이 가능 하지만 방전 온도는 방전시의 전지전압과 방전 용량에 영향을 준다. 방전용량은 방전온도와 방전 전류의 영향을 받으며 특히 0도 이하의 온도에서 1.0CmA와 같은 큰 전류로 방전할 때 반응성이 저하한다. 사용조건에서는 500회 이상의 사용이 가능하며 전지를 충전 상태에서 방치하면 자기 방전에 의한 보존 일수에 따라 전지용량이 감소한다. 자기 방전은 온도가 낮으면 늦어지기 때문에 충전 후 저온의 장소에서 보관한다.

댓글을 달아 주세요

전기자동차용 리튬이온(lithium ion) 배터리(Battery)

자동차 학습/전기자동차 2020. 4. 6. 01:38 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

전기자동차용 리튬이온(lithium ion) 배터리(Lithium-Ion Battery)

리튬 이온 전지(-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 이차 전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬 이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다. 리튬이온(lithium ion) 배터리는 2020년 현재 자동차용 배터리 및 기타 전자기기에 가장 광범위 하게 사용되고 있고 배터리이다. 그럼 리튬이온(lithium ion) 배터리의 어떤 특징이 어떤 특징이 자동차용 배터리와 모든 전기기기에 보편적으로 쓰이게 되었는지 알아 보자.

 먼저 자동차에 사용되기 위한 배터리의 특성에 대하여 알아 보기로 하자.

가솔린 자동차에 비해 전기 자동차의 특징은 유해가스가 전혀 발생하지 않고, 운행 중 소음이 적으며, 운전이 용이하고, 구조가 간단하고, 고장률이 적으며, 연료비가 적게 드는 장점이 있다. 그러나 현재 자동차용 배터리는 아직까지도 전지는 무겁고, 1회 충전 거리가 짧고, 최고 속도와 가속력이 적은 단점과 더불어 무엇보다고 순수 전기차의 경우 배터리의 가격이 전체 자동차 원가의 반에서 1/3일 정도로 여전히 가격이 비싸다고 할 수 있다.

리튬이온 배터리

전기 자동차 배터리의 요건

전기 자동차 배터리가 갖춰야 할 요건으로는 우선 가볍고, 에너지 밀도(Wh/kg) 및 출력 밀도(W/kg)이 커야 한다. 무엇보다 전기 자동차를 보편적으로 하기 위해서는 전지 가격이 저렴해야 하고, 우선 주재료인 전극 재료가 자원 취득이 용이해야 하고, 폐전지로부터 금속의 회전 및 리싸이클이 용이해야 하고, 가격이 저렴해야 한다.

리튬이온 전기 자동차

리튬이온(lithium ion) 전지(Lithium ion battery)의 특성

리튬이온(lithium ion)의 평균작동전압은 3.6~3.7V이다. 일반적으로 전기자동차용 전원 시스템은 매우 높은 전압용으로 구성된다. 이 때 전지전압이 높다고 하는 점은 대단히 유리하게 된다. 예를 들어 360V를 만들기 위하여 니켈-카드퓸 전지나 니켈-수소 이차전지로는 약 300, 납축전기로도 약 160개의 셀을 직렬로 연결하지 않으면 안되는 것에 비하여 리튬이온(lithium ion)전지에서는 약 100개면 가능하다.

 리튬이온(lithium ion)전지는 에너지밀도 특히 중량 에너지밀도가 크기 때문에 차량 총 중량을 가급적 가볍게 해야 한다. 충방전 효율이 높고, 에너지의 효율적인 이용이 가능하고, 자기방전율도 수용액 전해질 전지와 비교하여 낮은 것도 리튬이온(lithium ion) 이차전지의 장점 가운데 하나이다. 리튬이온(lithium ion) 전지는 기억효과가 전혀 존재하지 별도의 강제 방전회로(unfresh회로)가 필요 없다.

리튬이온(lithium ion) 전지는 현재는 하이브리드 및 PHEV와 전기차 시장에서 가장 우수한 성능으로 가장 많이 사용되는 2차 전지이다. 리튬이온(lithium ion) 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 방위산업, 자동차 시트메, 항공산업분야에도 사용이 보편화 되고 있다. 과거에는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)에 주로 사용되는 니켈수소전지가 사용되었지만, 현재는 니켈수소의 단점인 메모리 효과와 기전압이 낮고, 무게가 상대적으로 무거워서 거의 사용되지 않고 있다. HEV의 경우는 가솔린 엔진을 주동력원으로 사용하지만 PHEV EV는 전기모터를 주동력원으로 사용하기 때문에 에너지밀도가 크고, 용량이 큰 리튬이온(lithium ion) 이차전지가 사용되고 있다. 전지의 용량은 mAh(밀리암페어시) 또는 Ah(암페어시)로 표시하는데, 휴대폰에 사용하는 전지는 3000~4000mAh가 가장 많이 쓰이며, 스마트폰에는 1500~5000mAh도 사용된다. 노트북에 사용되는 전지는 2400~5500mAh가 가장 많이 사용된다. 리튬은 원래 불안정한 원소여서 공기 중의 수분과 급격히 반응해 폭발하기 쉬우며 전해액은 과열에 따른 화재 위험성이 있다. 이와 같은 이유로 리튬이온(lithium ion) 전지에는 안전보호회로(PCM)이 설치되며, 내부를 단단한 플라스틱으로 보호하는 구조이다.

리튬이온 배터리 구조

 <리튬이온(lithium ion) 전지의 주요 특성>

비에너지         100–265 W·h/kg[ (0.36–0.875 MJ/kg)

에너지 밀도    250–693 W·h/L (0.90–2.43 MJ/L)

비출력           ~250-~340 W/kg

충전/방전 효율성         80–90%[5]

에너지/소비자 가격      3.6 Wh/US$

자기 방전 속도           0.35 % ~ 2.5 % / (충전 상태에 따라)

순환 내구력    400–1,200 사이클

명목 셀 전압   3.6 / 3.7 / 3.8 / 3.85 V, LiFePO4 3.2 V

 

 리튬이온(lithium ion) 전지의 충방전 과정

리튬이온(lithium ion) 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질의 '산화환원 반응'으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 장치이다. 산화환원 반응이란 반응물 간의 '전자(e-) 이동'으로 일어나는 반응이다. 다시 말해 전자를 잃은 쪽을 '산화'됐다고 하고 전자를 얻은 쪽을 '환원'됐다고 한다. 산화·환원 과정에서 리튬이온(lithium ion)과 분리된 전자(e-)가 도선을 따라 음극과 양극 사이를 오갈 때, 전기를 발생시킨다. 리튬이온(lithium ion) 배터리는 리튬이온(lithium ion)에서 분리된 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 충전되고(음극에서 환원이 일어나 에너지를 저장), 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 방전(양극에서 환원이 일어나 에너지 방출)되는 원리이다. 리튬이온(lithium ion) 전기는 이차 전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리틈이온이 음극에서 양극으로 이동하고 충전시에는 리튬이온(lithium ion)이 양극에서 음극으로 다시 이동한다.

방전시 리듐이온은 부극(-) graphite 격자 구조 속에 있는 리튬이온(lithium ion)이 빠져 나와 분리막을 거쳐 정극(+)의 결정구조 속으로 이동한다.

충전시에는 산화물 정극(+)에서 리튬이온(lithium ion)이 빠져나와 분리막을 거쳐 탄소부극의 결정속으로 이동한다. 따라서 충방전시 리튬이온(lithium ion)의 이동에 따라 결정구조는 변화된다. 전해질로는 수용액 대신 유기용매를 사용한다.

   LiCoO2 + Cn   ó Li1 –xCoO2 + CnLix

리튬이온 배터리 충방전 과정

<리튬이온(lithium ion) 전지의 구조>

리튬이온(lithium ion) 전지는 원통형과 각형 리튬이온(lithium ion) 전지가 있다. 리튬이온(lithium ion) 전지의 내부는 미세한 공극(pore)을 가진 폴리에틸렌(polyethylene) 필름의 분막이 시트(sheet) 형태의 양극과 음극 사이에 놓여 있는 것을 나선형으로 감은 구조로 되어 있다.

양극은 리튬 코발트 산화 금속의 활물질을 리튬 공급원으로 사용하고, 전류 집전체인 알루미늄 호일로 구성되어 있고, 음극은 활물질로 흑연화 탄소와 전류 집전체인 구리 호일로 구성되어 있다.

전해액은 LiPF6가 용해된 유기용매이다. 또한 리튬 이온 2차 전지는 가혹한 조건하에서 내부압을 방출하기 위한 안전벨트(safety vent) PTC(Positive Temperature Coefficient) CID(Current Interrupt Device) 소자가 있어 외부 단락에 의한 급격한 전류를 정상적인 방전 전류로 낮추어 주는 역할을 한다.

리튬이온 배터리 구조 및 구성

< 리튬-이온 전지의 특성>

구분

특성

고에너지 밀도

리튬이튬 이온 전지는 같은 용량의 니카드(Ni-Cd : 니켈카드늄) 혹은 니켈 수소 전지에 비해 질량이 절반에 지나지 않는다.

부피는 니카드 전지에 비해 40~50% 작을 뿐 아니라 니켈수소 전지에 비해 20~30% 작다.

고전압

하나의 리튬이온(lithium ion) 전지의 평균 전압은 3.7V로서 니카드나 니켈수소 전지 3개를 직렬로 연결해 놓은 것과 같은 전압이다.

고출력

리튬이온(lithium ion) 전지는 1.5 CmA까지 연속적으로 방전이 가능핟. (1CmA란 전지의 용량을 1시간 동안 모두 충전 또는 방전하는 전류를 말한다)

무공해

리튬이온(lithium ion) 전지는 카드뮴, 납 또는 수은과 같은 오염물질을 사용하지 않는다.

금속리튬 미사용

리튬 금속을 사용하지 않아 더욱 안전함

우수한 수명

정상적인 조건하에서 리튬이온(lithium ion) 전지는 1000회 이상의 충전/방전 수명을 지닌다.

메모리 효과 없음

리튬이온(lithium ion) 전지에는 메모리 효과가 없다.

반면에 니카드 전지는 불완전한 충전과 방전이 반복적으로 이루어 질 때 전지의 용량이 점차적으로 감소하는 메모리 효과가 나타남

고속 충전

정전류/정전압(CC/CV) 방식의 전용 충전기를 이용하여 4.2V의 전압으로 1~2시간 안에 완전하게 충전할 수 있다.

 

<리튬이온(lithium ion) 전지의 구성>

충방전이 가능한 리튬이온(lithium ion) 배터리를 이루는 4대 구성요소에는 양극, 음극, 분리막, 전해질이 있다. 일반적으로 리튬이온(lithium ion)전지는 정극(양극, anodanode) Lithium oxide(: LiCoO2)를 사용하고, 부극(음극, Cathode)으로 carbon(: graphite)를 사용한다. 양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성되고, 다양한 종류의 물질들을 사용할 수가 있다. 양극에는 층상의 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철 리튬(lithium ion phosphate, LiFePo4)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 쓰인다. 초기에는 아황화티탄(TiS2)도 쓰였다. 상업적으로 가장 많이 사용되는 음극 재질은 흑연이다. 음극과 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성이 크게 달라 질 수 있다.

 

양극과 음극의 분리막

배터리의 양극과 음극사이에는 '분리막'이 있다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온(lithium ion)이 양극과 음극을 오갈 수 있게 한다. 분리막(격리막)은 리튬이온(lithium ion) 전지의 안전성을 높이기 위하여도 중요한 역할을 한다. 하지만 양극과 음극의 물리적 접촉은 절대로 허락하지 않는 격리막 역할도 한다. 결국 분리막은 양극과 음극이 함께 있으면 너무 뜨거워지니 이들 사이를 떨어뜨린다. 양극과 음극이 배터리의 기본 성능을 결정한다면 전해액과 분리막은 배터리의 안전성을 결정짓는 구성요소라고 할 수 있다. 분리막은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 담당하고 있다. 전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 이온만 이동할 수 있게 만든다. 물리적인 조건과 전기 화학적인 조건을 모두 충족시킬 수 있어야 한다. 현재 상용화된 분리막으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지가 있다. 격리막에 온도가 집중하게 되면 막의 온도가 상승하여 막의 파손이 일어나 쇼트를 일으킬 수도 있어 내열성이 높은 격리판을 사용하는 것이 좋다.

 

▶리튬이온(lithium ion) 전지의 전해액

전해액은 양극과 음극 간 이온 이동을 가능하게 하는 중간 매개체로 리튬이온(lithium ion)의 원활한 이동을 돕는 역할을 한다. 유기용매(액체 등을 녹일 수 있는 액체유기화합물)로 이뤄진 전해액이 있다. 유기 전해액이 사용되어 일반적으로 수용액 전해액에 비하여 이온 전도율이 낮다. 이와 같은 이유로 니켈-수소 이차전지와 비교하여 부하특성이 떨어져 대전류에는 부적합하다. 전기차에 필요한 출력이 적을 수도 있다. 그러나 전극 구조와 셀 구조를 최적화 하여 수용액 전해질 전지 이상의 출력밀도가 가능하게 되었고, 전기자동차와 하이브리드 자동차에 사용에도 문제가 없다.

 

<전해액의 요구 조건 >

양극의 성능을 결정짓는 양극 활물질 종류

유기용매(액체 등을 녹일 수 있는 액체유기화합물)로 이뤄진 전해액이 있다. 전해액은 양극과 음극 간 이온 이동을 가능하게 하는 중간 매개체로 리튬이온(lithium ion)의 원활한 이동을 돕는 역할을 한다.

산화물 상태가 안전하기 때문에 배터리 양극에도 리튬산화물 형태로 리튬이 존재하는데, 리튬산화물처럼 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 한다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지면서 배터리의 용량과 전압이 결정된다.리튬과 산소, 다른 물질이 만나 무수한 수의 리튬산화물이 탄생할 수 있지만, 오랜 연구 끝에 현재 배터리로서 적합한 성능을 내는 활물질은 크게 5가지 종류이다.

▶ 음극재료

 음극은 여러 소재가 있지만 최근에 많이 사용되는 음극은 천연흑연을 기본으로 탄소계 화합물이 사용된다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는데, 이를 층상구조라고 한다. 양극에서 빠져 나온 리튬이온(lithium ion)이 이러한 층상구조 사이에 들어간다

▶ 양극재료

분리막 사이로 리튬금속 산화물로 이루어져 있다. 양극 활물질은 리튬과 금속성분의 조합으로 구성된다고 볼 수 있는데, 이때 금속의 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 가진다. 금속 종류별로 Ni(니켈)은 고용량 특성, Mn(망간) Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 역할을 한다. 전기 자동차가 요구하는 다양한 성능을 만족시키기 위해서는 이들 소재의 적절한 조합 능력을 확보하는 것이 중요하다. 현재 생산되는 대부분의 전기차 배터리는 NCM, NCA, LMO 양극 소재를 적절히 혼합해 사용하고 있다. 이 중 NCA NCM, LMO 등 타 소재에 비해 출력과 에너지밀도가 높아 소형전지 시장에서 주로 전동공구에 사용된다.

다시 말해서 에너지밀도가 높은 NCA는 동일한 용량의 배터리를 더 작은 공간과 무게로 전기차에 탑재할 수 있다는 것을 의미한다. 전기차가 해결해야 할 핵심과제 중 하나가 주행거리 확대라는 측면에서 NCA 전기차 시장으로의 확대가 예상된다.

LFP(리튬인산철)는 높은 안전성으로 중국 전기차 업체가 채택하고 있지만, 에너지 밀도가 낮아 부피가 크고 출력이 낮은 단점이 있다. 중국을 제외한 나머지 업체는 거의 사용하지 않고 있다. 그러나 2020년에는 우수한 가격 경쟁력을 가지고 LiFePO4(리튬인산철)배터리를 중국 전기 자동차 메이커를 중심으로 활발히 적용하고 있고, 중국의 테슬라도 모델3에 리튬인산철 배터리 적용 할 예정으로 알려져 있다.

 

리튬이온(lithium ion) 전지에서 제어 회로의 필요성

 리튬이온(lithium ion)전지는 통상의 충전전압이다 4.2V로 충전된 상태에서는 양극의 구성은 거의 Li0.45CoO2로 되어, 탈 도프가 가능한 리튬은 많이 남아 있고, 더 충전 시 전지전압은 상승을 계속 함과 동시에 음극에서는 흡장 할 수 없게 된 리튬이 음극 표면에 금속 리튬으로 석출되기 시작한다.

 한편으로 리튬이온(lithium ion)전지가 과방전 될 때는 전지전압이 음극 집전체인 구리의 용출 전위 이하로 내려가게 되면, 구리의 용출이 일어나 전지용량을 크게 저하시킨다.

 이런 과충전과 과방전은 전지의 성능을 크게 저하시키기 때문에 리튬이온(lithium ion) 전지 팩에서는 제어회로라 부르는 전자회로를 설치하여, 과충전, 과방전, 과전류, 이상고온 등을 방지하고 있다. 전기자동차와 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차 용으로도 이러한 제어회를 필요로 한다.

 그리고 기억효과가 없고 자기방전이 적어 전기자동차에 적용에 용이하다.또한 충전 반응이 흡열반응이라는 점도 충전에 따르는 이상발열을 일으키기 어렵다는 장점을 가지고 있다.

리튬이온 배터리 종류(원통형,파우치)

댓글을 달아 주세요