전기 자동차용 2차 전지의 조건 및 개발 현황

전기 자동차용 2차 전지의 조건 및 개발 현황

 

 

전기 자동차용 2차 전지의 현황

 

 전기 자동차의 대중화를 위해서는 전지기술의 발전이 절대적이다. 안전, 충전 시간, 전력 전달, 극한 온도에서의 성능, 환경 친화성, 수명이 오늘날 전기자동차에 이용할 수 있는 충전식 전지 기술의 문제이다.

 전기 자동차는 리튬이온 전지, 리튬폴리머 이온 전지를 제풍에 채용하는 추세이다. 예를 들면 도요타 자동차의 프리우스, 캠리, 하이랜더는 밀폐형 Ni-MH 전지팩을 사용하여 전기모터에 공급하였으나 리튬이온 전지와 비교할 때 Ni-MH의 전력 수준이 낮고 자가 방전율이 높아 전기 자동차에는 극히 불리하고, 보관 수명이 3년에 불과한 Ni-MH는 EV에는 적합하지 않다.

  현재는 거의 대부분의 전기 자동차에 리튬이온 전지를 사용하지만, 높은 가격, 극한 온도의 불용, 안전(리튬이온 전지의 가장 큰 장재 요인임) 때문에 이 전지는 적합하지 않다. 사실 토요타는 안전에 대한 검증 문제로 리튬이온 전지를 장착한 신형 장거리 주행 하이브리드의 출시를 연기 한 적이 있다. 기존 리튬이온 전지는 수명이 3~5년이고 충전 주기는 1,000싸이클이다. 다른 문제는 전지 수명 범위를 보장할 수 있는 리튬이온 전지의 크기이다. 랩톱이나 휴대폰의 경우 사용하는 동안 전원연결이 가능하기에 기존에 알려진 작동 시간보다 짧아도 가능하지만 자동차에는 배터리가 보장 성능을 만족하지 못하는 경우 많은 문제를 발생한다.

2차 전지 구성요소

전기 자동차용 2차 전지의 조건

첫째, 자동차 자체의 보조금과 더불어 전지에 대한 보조금 또는 기술적 발전을 통한 생산성, 효율성 향상으로 전지 자체의 가격을 낮추는 것이 과제이다.

둘째, 안전성 확보이다. 휴대용 전지가 폭발로 크고 작은 사건 사고가 발생하는 것을 볼 수 있다. 그런데 그 보다 수십, 수백 배 큰 자동차 전지가 폭발하는 사고가 발생한다고 했을 때 그 피해는 대단하다. 또한 교통 사고 시 충격으로 인한 전지 폭발 등이 발생하지 않도록 내구성과 충격 흡수율을 높이기 위한 방안 등을 수립해야 한다.

셋째, 전지의 수명이다. 차량을 교체하는 시기를 5~10년 정도 사용한다고 봤을 떼 그 전지 수명 역시 이와 비슷하거나 그 이상의 수명을 지니고 있어야 한다. 이는 가격과 관련성이 높다. 전지 수명이 짧다고 하여도 그 전지 교환 비용이 적절한 가격에 책정 된다면 사실 수명은 기준 이상만 유지하면 된다.

넷째, 집적화이다. 무게나 부피 등을 줄 일 수 있는 기술력이 필요하다. 전지가 크고 무거울 경우 결국 효율대비 사용시간은 턱없이 줄어 들 수 밖에 없다. 따라서 집적화 된 기술력을 바탕으로 작은 가볍고 출력과 수명이 긴 전지를 개발해야 한다.

 이 외에도 ‘전지 충전 시간’, ‘충전을 위한 인프라 구축’ 등의 과제가 있다.

2차 전지 조건 및 개발

전기 자동차용 2차 전지의 조건

1) 고전압

2) 대용량

3) 고출력

4) 긴 사이클 수명

5) 적은 자기방전

6) 넓은 사용온도

7) 안전하고 높은 신뢰성

8) 쉬운 사용법

9) 저 가격

전기 자동차용 전지의 구성요소

 전지에는 산화제인 양극 활물질과 환원제인 음극 활물질, 양 활물질간의 있어 이온 전도에 의해 산화반응과 환원 반응을 중개하는 전해액, 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 방지하는 격리판이 필요하다. 또한 이러한 구성요소를 넣는 용기(전지캔), 전지를 안전하게 작동 시키기 위한 안전 밸브나 안전장치 등이 필요하다.

1) 양극, 음극 활물질

 에너지 밀도가 큰 전지를 만들기 위해서는 기전력(electro motive force : EMF)이 크고 용량이 큰 활물질을 사용한다.

 전지의 음극 활물질에는 아연이나 카드뮴, 납이 이용되어 왔지만 최근에는 리튬 전지나 Ni-MH 전지는 리튬 또는 그것과 같은 정도의 환원력을 가진 리튬을 삽입한 탄소재료나 수소흡장 합금에 흡장시킨 수소가 음극 활물질로서 이용되고 있다. 리튬은 가장 환원력이 강한 재료이고 전기 화학당량도 적어 음극재료로서는 가장 우수한 재료라고 할 수 있다. 리튬을 음극에 이용하는 전지는 리튬의 극히 강한 환원력을 이용하고 있기 때문에 이것과 조합시키는 재료는 여러 가지가 있다. 따라서 현재 리튬 전지는 다양성이 있고 기술 발전도 빠르게 이루어지고 있다. 개발 중인 2차 전지지에서는 금속 나트륨이나 아연 등의 금속과 더불어 철이나 바나듐 등의 산화환원제가 검토되고 있다.

 2차전지의 양극에는 수용액계에서는 납, 니켈, 은 등과 같은 산화물이나 수산화물이 이용되고 있다. 또한 산화수은도 우수한 양극 활물질로서 소형전지에 이용되어 왔지만 환경면에서 현재는 사용되지 않는다. 리튬 2차 전지에는 비수용액이 이용되므로 망간이나 니켈, 코발트 등과 같은 산화물이 이용되고 있다. 그리고 또 바나튬 산화물이나 금속유화물 등도 검토되고 있다.

 2차 전지는 몇 번이고 충방전을 반복할 수 있는 것이 요망된다. 이를 위해서는 충전하면 원래의 활물질 상태로 흔적을 남기지 않고 되돌릴 필요가 있다. 리튬이온 전지에는 음극에는 탄소재료가, 양극에는 코발트산 리튬 등이 이용되고 있다. 이 전지는 방전상테로 제조된 후, 양극에서 리튬 이이온을 빼고 음극의 탄소내에 리튬을 삽입하는 충전과정이 있다. 이 전지의 충방전에서 양극, 음극의 반응은 모두 리튬의 삽입 탈피라고 하는 토포케미컬(Topochemical) 반응이 된다. 토포케미컬 반응이 진행 할 때 호스트 재료의 구조 변화가 완전히 가역이면 사이클 수명이 긴 전지가 된다.

 리튬이온 전지에는 가역성이 높은 토포케미컬 반응을 하는 재료가 선택되고 있다. Ni-MH 전지의 경우에도 충방전에 수소가 양극과 음극간에서 왕래하는 반응이 진행한다. 최근에 개발된 리튬이온 전지와 Ni-MH 전지가 함깨 토포케미컬 반응을 이용하고 있다. 이것은 납 축전지와 비교해 보자.

PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

 이와 같이 음극 활물질 Pb와 양극 활물질 PbO2 이외에 유산과 물이 반응에 관여한다. 엄밀하게 말하면 유산과 물도 활물질이며 이것들은 전해질 용액으로서 존재한다. 전지반응이 진행하면 그것들의 농도가 변화한다. 따라서 일정량 이상의 전해액이 필요하다. 한편, 리튬 전지나 Ni-MH 전지에는 전해질의 양이 극히 적어도 되게 된다.

2) 전해액

 이온 전도성 재료는 전지내에서 전기화학 반응이 진행되는 중요한 구성요소이다. 그러나 이전에 기술한 연축전지의 경우와 같이 기전반응에 관여하는 물질이 용존하는 경우를 제외하고 원리적으로는 그 양은 소량이어도 된다. 이 이온 전도체는 유산수용액이나 알카리수용액, 리튬 전지에 사용되는 비수전해액 등과 같이 용액이 이용되는 일이 많지만 폴리머 전해질이나 무기고체 전해질, 이온 전도성 글라스 등도 검토되고 있다.

 전해액은 이온 전도성이 높을 것이 요구되는 외이 충전 시라고 해도 양극이나 음극과 반응하지 않을 것, 전지 작동 범위에서 산화환원을 받지 않을 것, 열적으로 안정될 것, 독성이 낮으며 환경 친화적 일 것, 가격 경쟁력이 있어야 한다. 전지의 활물질은 분말로 만들어져 전해액에 점결제나 도전조제를 혼합해서 합제하여 이것을 집전체에 도포, 전지의 전극이 된다. 이 합제전극이 효율적으로 기능하기 위해서는 합제내의 이온 전도성이 높아야 한다.

3) 격리판

 전지의 기전물질은 산화제와 환원제이다. 이것들이 직접 접촉되면 자기방전을 일으킬 뿐만 아니라 반응이 급격히 진해되어 위험하다. 격리판은 양극과 음극 사이에 있어 양자의 접촉을 방지하고 있다. 물론 격리판도 이온 전도성을 나타내지 않으면 안 된다. 따라서 다공성 재료를 이용하여 그 구멍 속에 전해액이 침투하여 이온 전도성을 발현 시킨다. 높은 이온 전도성을 나타내는 동시에 양극과 음극의 접촉을 방지하도록 다공재료가 연구되고 있다. 그리고 산화제인 양극과 환원제이니 음극에 직접 접촉되므로 화학적으로 안정되어야 하는 것이 중요하다. 2차 전지의 격리판 재료로서 현재 연축 전지는 글라스 매트 등이, 알카리 2차 전지나 리튬 전지에는 폴리머의 부직포나 다공성막이 이용되고 있다.

 최근의 전지는 고성능이므로 전압이 높고, 에너지 밀도가 높기 때문에 폭주하면 폭발의 위험이 있다. 예를 들면 리튬이온 전지는 이상반응이 일어나기 시작하여 전지온도가 상승하면 다공막이 반응하여 구멍이 막히면 그 이상의 반응이 진행하지 않게 되어 있다. 이와 같이 하이테크 전지에는 격리판이 극히 중요한 재료 중의 하나이다.

■ 전기 자동차 개발에 대한 좀 더 자세한 내용은 아래 내용 참조 바랍니다!

 

전기차(electric car)의 구성 및 주요 부품

 

전기 자동차 전지의 종류와 요구 특성