LIC(리튬이온 캐패시터) 전지

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 26. 08:29 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

LIC(리튬이온 캐패시터) 전지

1. 전지의 개요

 리튬이온 캐패시터(LIC : Lithium-ion Capacitor)는 전기이중층 캐패시터(EDIC : Electric Double Layer Capacitor)와 리튬이온 2차 전지(LIB)의 특징을 겸비하는 하이브리드 캐패시터(Hybrid Capacitor)이며, 고 에너지 밀도, 신뢰성, 긴수명, 안정성으로 인해 활발하게 진행되고 있다.

 리튬이온 캐패시터란 음극에 리튬 첨가 가능한 탄소계 재료를 이용하고, 양극에서는 통상의 전기이중층 콘데서에 이용되고 있는 활성탄, 혹은 폴리머계 유기 반도체 등의 캐패시터 재료를 이용한 하이브리드 캐패시터이다. 음극에 전기적으로 접속된 금속 리튬이 전해액의 주액과 동시에 국부 전지를 형성해, 음극의 탄소계 재료에 리튬이온으로서 첨가가 시작힌다.

 첨가가 완료되며 음극의 전위는 개략 리튬의 전위가 되어, 리튬이온 캐패시터는 충전 전의 초기 전압으로서 3V 미만의 전압을 가진다. 따라서 통상의 전기이중층 콘덴서와의 충방전 전위를 비교하면, 양극의 전위를 너무 높게 설정하지 않아도, 고전압을 얻을 수 있어 이것이 결과적으로 신뢰성 향상의 한 요인이다.

 리튬이온 전지는 값이 비싸고, 충방전 속도(출력밀도)가 충분하지 않으며, 충방전 반복에 의한 열화가 문제이다. 특히 충전에 시간이 많이 걸리는 문제는 가장 큰 난제이다. 이를 획기적으로 개선 할 수 있을 것으로 기대되는 새로운 전지가 부상하고 있다. 지금까지 무정전 비상전원 장치에 사용되어 온 리튬이온 캐패시터이며, 부품기술이나 재료 기술의 발전에 따른 것이다.

리튬이온 캐패시터 구조(출처: LIC 삼신 디바이스)

 리튬이온 캐패서터는 전기이중층 캐패시터라고 하는 축전 부품과 리튬이온 2차 전지를 조합한 하이브리드 구조이다. 전기 이중층 캐패시터의 정극(+)과 리튬이온 2차전지의 부극(-)을 연결한 것이다.

전기이중층 캐패시터는 전극 표면에 이온이 접근해서 만들어지는 전기 2중층을 캐패시터(콘덴서)로서 이용하는 것이며, 충방전이 아주 빠르지만(출력밀도가 높지만), 에너지 밀도는 낮다. 그래서 부극(-)을 치환함으로써 출력밀도와 충방전 반복 가능횟수를 리튬이온 2차 전지에 비해 한 자리수 이상 개선하고, 에너지 밀도를 전기이중층 캐패시터의 몇 배 이상으로 높여서 리튬이온 전지와 비슷한 성능을 지닌다.

 유망한 전지로는 리튬이온 전지가 있다. 이 리튬이온 전지에 비해 리튬이온 캐패시터는 순간적으로 커다란 에너지를 얻을 수 있기 때문에 순간 전압저하 보상장치 등 산업용 장비에 사용되고 있다.

LIC 응용 분야

 리튬이온 캐패시터는 특징을 살려서 태양광 발전 등의 자연 에너지와 조합으로 생태계 및 장수명화에서 환경 부하 저감으로의 공헌을 기대할 수 있는 장치이다.

 또한 박형은 비접촉 충전 등의 급속 간이충전 시스템과 조합 및 자연 에너지 충전에 의한 소형 모바일 기기, 통신 기기 등에 적용할 수 있다.

일본 ACT사 리튬이온 캐패시터 전지

 응용 분야는

① 급속 충전, 경량, 저자기 방전의 특징을 민생 기기용 전원

② 미터 통신& 검침 System

③ 태양전지, 풍력발전과 조합한 축전 장치(가로등, 소형 LED 조명등)

④ 에너지 절약 기기의 보조 전원(복사기 급속가열, 프로젝트 등)

⑤ 자동차 전자 제어 관련(idling-stop devices, drive recorders, brakes-by wire ) 등에 일부 실용화 되어 사용되고 있다.

2. 리튬이온 캐패시터의 전지의 장단점

표 리튬이온 캐패시터 전지의 장단점

리튬이온의 단점

- 값이 비싸다.

- 충방전 속도(출력밀도)가 불충분

- 충방전 반속에 의한 열화 문제

- 특히 충전에 시간이 많이 걸리는 문제

- 충방전 횟수는 1000~2000번이 한계

- 메일 충방전을 반복하는 경우 3년 정도면 수명이 끝남

- 리튬은 철이나 알루미늄에 비해 채굴량이 많이 않은 희귀금속(희토류금속)에 속한다. 게다가 생산의 대부분을 중국에 의존하고 있으며, 미래에도 자원의 장기적 확보가 어렵다.

리튬이온 캐패시터 장점

- 전기이중층 캐패시터라고 하는 축전부품과 리튬이온 2차 전지를 조합한 하이브리드 구조의 전지

- 무정전 비상전원장치에 사용

- 100~200만 번 충방전이 가능하므로 수명은 반영구적

- 단자간의 전압으로부터 에너지 잔량을 정확히 측정할 수 있는 이점

- 50센티미터~1미터의 거리를 송수신 안테나가 상당히 떨어져 있어도 송전할 수 있다.

리튬이온 캐패시터의 단점

- 에너지 밀도가 낮다.

- 1회 충전하고 시속 40km로 주행하면 10~20분 정도에 전기에너지가 소진된다. 대안으로 무선급전으로 전기를 공급하면 된다.

LIC(Lithium Ion Capacitor) 비교

이차전원

전기이중층커패시터(EDLC)

리튬이온커패시터(LIC)

리튬이온전지(LIB)

정극(+)

활성탄

활성탄

리튬메탈옥사이드

부극 (-)

활성탄

흑연계탄소

흑연계탄소

에너지밀도

Low

Medium

High

출력밀도

High

Medium

Low

신뢰성

High

Medium

Low

전압

~ 3.0V

3.8V

4.2

 

 

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