전기 자동차 전지의 종류와 요구 특성

전기 자동차 전지의 종류와 요구 특성

 내연 기관의 핵심 기술은 엔진 및 파워 트레인이 핵심으로, 하나의 차량 개발 시 대부분의 리소스가 여기에 집중되고 있다. 그러나 전기 자동차 개발에 있어 전지 기술은 핵심 기술로서 전체 개발 과정에서 가장 큰 역할을 한다고 할 수 있다. 특히 전지의 종류, 패키지 레이아웃, BMS, PMS에 따라 다양한 종류의 시스템을 개발 해야 한다.

전기 자동차 장점 및 단점

 유해 가스 배출이 없으며, 소음이 적으며, 운전이 용이하고, 구조가 간단하여 고장률이 적으며, 운전 경비가 적게 든다. 그러나 현재 탑재되고 있는 전지는 무겁고, 1회 충전 거리가 짧으며, 최고속도와 가속력이 작은 단점이 있다.

현대차 전기차 아이오닉 5(Hyundai IONIQ 5)

전기 자동차에 요구되는 배터리 특성

 전기 자동차 전원으로서 갖추어야 할 전지의 조건은 가볍고, 에너지 밀도(Wh/kg) 및 출력 밀도(W/kg)가 커야 한다. 기존의 전지를 전기자동차용으로는 사용이 불가하기에는 성능이 상당히 떨어지기 때문에 우수한 성능의 전지 개발을 위해 선진 각국에는 연구개발에 적극적으로 나서고 있다.

전기 자동차 배터리의 조건

전기자동차가 실용화되기 위한 전제로는 전지 가격이 저렴해야 하므로 우선 주재료인 전극재료가 자원적으로 풍부해야 하고, 폐전지로부터 금속의 회전 및 리싸이클이 용이해야 하며, 경제성이 좋아야 한다.

아래 표는 현재 전기 자동차용으로 사용되고 있는 주요 전지의 특성을 나타낸 것이다.

<리튬계 전지의 종류와 특징>

전지 종류	리튬이온 전지	리튬폴리머 전지	리튬금속폴리머 전지
음극	탄소	탄소	리튬
전해질	액체전해질	고분자 전해질	고분자 전해질
양극	금속산화물	금속산화물	금속산화물
	LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4	LiCoO2, LiNiO2, LiMn2,O4	유기설퍼, 전도성고분자
평균전압	3.7V	3.7V	2.0~3.6V
에너지 밀도	높은	높음	아주 높음
저온 특성	아주 우수	좋음	나쁨
안정정	나쁨	보통	좋음

 

 <2차 전지의 주요 특징>

리튬폴리머 전지

전압은 3.6V로 폭발위험이 없고, 전해질이 젤타입이기 때문에 전지 모양을 다양하게 만들 수 있다. 일부는 휴대폰 사용되고 있으며 리튬이온 전지를 대체할 차세대 전지이다. 현재는 양산하는 곳이 많으나 가격 경쟁력 때문에 보편화 되는 못하고 있다. 리튬폴리머 전지는 양극, 전해질, 음극으로 구성되어 있고 양극과 음극 사이의 전해질이 양극과 음극을 분리하는 분리막과 리튬이온의 전달역할을 수해한다. 고분자 겔 형태의 전해질을 사용함으로써 과충전과 과방전으로 인한 화학적 반응에 강하게 만들 수 있어 리튬이온 전지에 필수적인 보호회로가 불필요하다.

리튬이온 전지

전압은 3.6V로 휴대폰, 휴대용 게임기기, 디지털 카메라, 노트북, MD 등에 사용된다. 양산 전지 중성능이 가장 우수하며 가볍다. 현대 일본 소니사가 가장 앞선 기술을 보유하고 있으며 가장 먼저 양산하였다. 리튬이온 전지는 폭발 위험이 있기 때문에 일반 소비자들은 보호회로가 장착된 PACK 형태로 판매된다. 위험성만 제거되면 가볍고 높은 전압을 갖고 있어 현재 가장 많이 보편화 된 전지이다. 리튬이온 전지는 양극, 분리막, 음극, 전해액으로 구성되어 있고 리튬이온의 전달이 전해액을 통하여 이루어 진다. 전해액이 누수 되어 리튬 전이 금속이 공기 중에 노출될 경우 전지가 폭발할 수 있고 과충전 시에도 화학반응으로 인해 전지 케이스내의 압력이 상승하여 폭발할 가능성 있어 이를 차단하는 보호회로가 장착된다. 현재 자동차에 가장 많이 쓰이는 2차 전지이나 충돌 혹은 과충전 시 폭발의 위험 때문에 안정성에 특히 취약하다. 2020년에서 2021년초에 일어나 현대차 코나 전기차(KONA Electric car)의 주차 중 혹은 충전 중에 일어난 잇다른 화재는 리튬이온 전지의 발화성을 잘 보여준다. 리튬이온 전지의 가장 큰 취약점인 충격과 폭발에 약하여 화재를 방지하는 재료적, 구조적 배터리를 개발하는 것이 최우선 과제이다.

니켈-수소 전지

Ni-Cd와 Li-ion 중간 단계의 전지로 특정 사이즈만 생산된다. 디지털 카메라, 노트북, 캠코더 등에 사용되면 리튬이온(Li-ion) 전지가 안정화 되면 Ni-MH 전지는 특수 제품을 제외하고는 사용에 제한이 있을 것으로 예상하나 최근에는 많은 성능 개선(용량 증대)과 상대적으로 낮은 가격으로 낮은 전압에는 여전히 많이 사용된다. 전압은 1.2V이며 니카드 전지와 혼용하여 사용하는 제품이 많고 니카드 전지보다 2배의 용량을 갖는다. 이전에 일본 자동차 메이커에서 하이브리드용 자동차 2차 전원으로 많이 사용되었으나 최근에는 무게당/체적당 에너지 밀도가 낮아 거의 사용하지 않는다.

니카드(Ni-Cd) 전지

전압은 1.2V이며 무선전화기, 무선자동차, 소형 휴대기기에 많이 사용하였으나 최근에는 유해한 카드뮴 사용과 성능이(용량이 작음) 좋지 않아 거의 사용되지 않는다. 초기 니카드 전지는 대부분 일본산이었으나, 현재는 중국 및 동남아 제품도 성능이 안정화 되어 있고, 고가의 제품은 일본산이 주류를 이룬다. 니켈-카드뮴 전지는 망간건전지와 같은 크기로 공칭 전압이 거의 동일하다. 망간 건전지와 비교 하여 내부 저항이 낮으며 단시간 내 큰 에너지 출력이 가능하다(큰 전류를 낼 수 있다) 충전 가능한 전지 중에서는 수명이 긴 편이고 방향을 무시하고 사용이 가능하다. 충전 시 단시간 충전이 가능하다. 외부의 충격, 열에 약하며 내부에 사용되고 있는 금속은 독성이 높고 약품은 극약이다. 방전전압을 2단계로 내릴 수 있다. 전기 자동차 및 하이브리드용 2차 축전지로서는 거의 사용되지 않는다.

납 축전지(Lead-Acid)

납축전지는 전압이 2V로 자동차용 시동용 및 전기 기구 전원 공급용 전지로 가장 많이 사용된다. 자동차용 전지는 12V로 2V 전지를 직렬로 6개가 내부에 연결된다. 구형 AIWA 워크맨 전지에 사용되었으며, 소니 무선전화기에도 일부 사용된다. 과방전 시 전지 수명이 급속히 단축되는 특성이 있으며 특히 자동차의 경우 재충전이 안 될 경우 전지를 교체해야 하는 경우도 자주 발생한다. 가격도 상대적으로 싸나 에너지 밀도가 너무 낮아 구동용 2차 전지로는 사용하지 않는다. 최근에는 납 축전지 기반의 내구성이 강한 AGM 배터리가 개발되어 하이브리드 자동차인 ISG(Idle stop and go)에 사용되고 있고. 그러나 AGM 배터리는 일반 납 축전지 대비 고가인 것이 단점이다.

배터리 모듈(모비스)

※전기 자동차 배터리에 대한 좀 더 다양한 자료는 아래 링크를 참조 바랍니다.

 

전기차(electric car)의 구성 및 주요 부품

 

납 축전지 용어 정리(lead–acid battery)

 

납축 전지

니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd, 니카드 전지)

 

전기자동차, 전기 자건거 배터리 용량 계산

전기 자동차용 2차 전지의 조건 및 개발 현황

 

이차 전지의 개념 및 종류

 

전지(배터리, battery)의 종류

 

자동차용 리튬 폴리머 전지(Lithium polymer battery)

 

니켈 수소 전지(Ni-MH)

 

전기자동차용 리튬이온(lithium ion) 배터리(Battery)

 

리튬인산철(LiFePO4) 전지