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