홈 > Technical Focus 이 기사의 입력시간 : 2012-06-10 (일) 6:23:37
대용량 리튬이온 이차전지 기술동향
배터리 전기자동차의 기술동향 Ⅲ
2012-06  자료출처 : 교육과학기술부
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배터리 전기자동차용으로 사용되고 있는 리튬이온 이차전지는 Nissan LEAF, Ford EV 등에 탑재되고 있는 망간산리튬에 층상 천이금속산화물을 첨가한 양극 활물질과 탄소계 음극을 사용한 Laminate형과 Tesla 모터의 Roadstar와 Model S에 탑재된 니켈계 양극과 탄소계 음극을 사용한 18650형 원통형 리튬 이온 이차전지이다. Laminate형은 NEC/Automotive Energy Supply/Nissan과 LG화학이 공급하고 있고 18650 원통형은 산하에 Sanyo를 두고 있는 Panasonic이 공급하고 있다. 이들은 모두 양산효과에 의해 가격을 낮추었다.

전동차용 대용량 리튬이온 이차전지 기술동향                

가. 전기자동차 탑재 리튬이온 이차전지와 제조업체               

배터리 전기자동차용으로 사용되고 있는 리튬이온 이차전지는 Nissan LEAF, Ford EV 등에 탑재되고 있는 망간산리튬에 층상 천이금속산화물을 첨가한 양극 활물질과 탄소계 음극을 사용한 Laminate형과 Tesla 모터의 Roadstar와 Model S에 탑재된 니켈계 양극과 탄소계 음극을 사용한 18650형 원통형 리튬 이온 이차전지이다.
Laminate형은 NEC/Automotive Energy Supply/Nissan과 LG화학이 공급하고 있고 18650 원통형은 산하에 Sanyo를 두고 있는 Panasonic이 공급하고 있다. 이들은 모두 양산효과에 의해 가격을 낮추었다.
일본의 전동차량용 축전장치는 Nissan의 경우는 NEC가 공급하는 Ni이 함유된 망간스피넬 양극의 laminate형 이차전지, Honda는 GS Yuasa가 공급하는 Li(CoNiMn)O2계 양극의 각형 이차전지, Toyota는 Panasonic이 공급하는 Li(NiCoAl)O2 양극 활물질의 각형 이차전지 등이 사용되고 있다.

이차전지의 공급가격               
기업비밀에 속하여 아직까지 공개되어 있지 않지만 TEP은 Tesla Roadster에 $680/kWh, Chevrolet Volt에 $500~600/kWh, Nissan LEAF에 $375~750/kWh로 공급하고 있는 것으로 추정되고 있다. Deutsch Bank는 2009년에는 $650/kWh이었지만 2020년에는 $325/kWh로 저감될 것으로 전망하였다.
E. Baker 등이 주관하는 전문가그룹의 평가는 미국 정부가 $1.5억/년의 연구개발비를 마련하면 전문가의 66%가 $200/kWh를 달성할 수 있을 것으로 전망하였으며 20%는 $90/kWh까지 될 수 있을 것이라고 전망하였다.
표 1에서는 현재 양산 중에 있는 주요 양극 활물질들의 장단점과 이들을 사용하고 있는 주요 이차전지 제조업체를 요약하였다.

표 2는 리튬이온 이차전지 제조업체와 완성차 제조업체 등이 합작기업을 형성하여 공급관계를 구축한 것을 나타낸 것이다. 생산지와 전기자동차 탑재량으로 표시한 생산량도 함께 정리했다. Nissan과 NEC가 합작하여 설립한 AESC는 2015년까지 40만 대 이상의 생산능력을 갖게 된다.

그림 1는 전동차량용 리튬이온 이차전지 제조업체와 완성차 제조업체와의 관계를 나타내었다. 그림의 왼쪽에 있는 완성차 제조업체와 리튬이온 이차전지 제조업체는 공동출자회사를 만들어 모듈로부터 팩 조립, 차량 탑재 및 차량 제어시스템과의 조정/정합까지를 공동 개발하는 시스템을 구축하고 있다.

그림 1의 오른쪽은 완성차 제조업체가 여러 이차전지 제조업체로부터 셀/모듈/팩을 공급받고 있음을 나타내고 있다. 이 경우 GM 등에서 보듯이 여러 이차전지 제조업체 중에서 경쟁 입찰을 통하여 공급받는 형식을 취한다. 또한 이차전지 제조업체도 여러 완성차 제조업체에 공급함을 나타내고 있다. IT산업과 유사한 수평분업적인 공급관계가 형성되고 있음을 알 수 있다.

나. 개량형 리튬이온 이차전지 개발         
차량탑재용 리튬이온 이차전지 분야에 큰 영향을 미칠 수 있는  3가지 새로운 화제를 요약한다.

(1) Li2MnO3-LiMO2(M=Co, Ni etc) 고용체계 리튬이온 이차전지       
이론용량이 각각 344mAh/g인 Li2MnO3과 280mAh/g(실제용량 150mAh/g)인 LiMO2를 고용체로 만들어 실제 충/방전용량이 250mAh/g 정도가 되도록 하는 양극 활물질 개발이 활발하다.
Y. Sato 등은 Li2MnO3-Li[Ni1/2Mn1/2]2-Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2계 3상 다이어그램상의 Li[Nl0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2를 복합탄산염 법과 spray-dry 법으로 합성하여 대기 중 900℃에서 소성하여 활물질을 완성하였다. Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2 양극 활물질은 2.0~4.8V 사이의 충/방전 특성의 첫 회 방전에서 약 290mAh/g의 용량을 보였다. 그러나 1사이클 후의 비가역용량이 매우 큰 것이 결점이었다. A. Manthiram 등과 K. Yanagida 등이 이의 개선을 위한 연구를 수행하였으나 만족할만한 결과를 얻지 못하였다.
Y. Sato 등은 한꺼번에 4.8V까지 충전한 후에 방전하는 것이 아니라 4.5V까지 충전한 후에 2.0V까지 방전하는 사이클을 2회하고 충전 상한전압을 0.1V 높여 4.6V까지 충전한 후에 2.0V까지 방전하는 사이클을 다시 2회 한 후에는 충전전압이 4.8V에 도달한 후에 2.0V까지 충/방전을 시행하는 계단식 충/방전 처리방법을 개발함으로써 사이클 특성을 비약적으로 향상시켰다.
그림 2는 이들의 사이클 특성의 실험결과이다. 초기방전 용량은 273mAh/g이고 50사이클 후에도 250mAh/g을 유지하고 있어 사이클 특성이 개선되었음을 알 수 있다.

이로써 최초 충/방전에서 발생했던 Li+이나 산소이탈 및 표면구조 파괴가 단계적 충/방전의 실시로 개선된 것으로 보인다. 고용체 양극 활물질 가운데에는 그림 3에서 보듯이 조성에 따라서는 300mAh/g를 초과하는 물질도 있어 이들을 실용화하면 에너지밀도 향상에 크게 기여할 것으로 전망된다.

(2) 고용량 18650 실린더 차량탑재용 이차전지 팩(pack)과 합금계 음극활물질 기술개발       
Tesla Motor의 Roadster에는 18650 원통형 리튬이온 이차전지 6,800여 개를 직렬/병렬로 묶은 팩이 탑재되고 있다. 전동차량 전용의 고용량 이차전지 팩이 양산효과에 의한 가격저감이 이루어지기까지는 상당한 시간이 필요하다는 판단에 따라 이미 표준화가 되어 있고 양산체제가 갖추어져 저가격이 실현된 휴대형 전자기기용 리튬이온 이차전지를 탑재한 것이 IT기업 출신의 CEO가 채택한 비즈니스 모델이다.
휴대형 전자기기용 리튬이온 이차전지의 선두 제조업체인 Sanyo를 흡수한 Panasonic은 니켈계 양극과 탄소계 음극을 사용한 11.2Wh용량의 셀 20개를 병렬로 연결한 것 7개를 직렬로 연결한 1.46kWh(25.2V×58Ah)의 모듈을 전지관리시스템에 포함하여 50,000~100,000엔의 가격으로 공급하고 있다. 2011년에는 니켈양극을 고밀도화한 12.2Wh의 셀을, 2012년에는 음극활물질을 실리콘계로 대체한 13.6Wh의 셀을 양산/시판할 예정이다.
실리콘계 음극의 팽창/흡수에 수반되는 용량 열화와 수명단축의 기술적 어려움을 극복함으로써 실용화의 가닥을 잡았다. 또한 고용량 셀로 구성된 이차전지 팩에서의 셀 고장은 큰 용량 저하를 수반하게 되지만 소용량 셀을 다수 채택하면 각 셀의 고장감시체제를 도입할 수 있어 그러한 어려움을 겪지 않아도 된다.
Tesla의 후속모델인 ‘Model S’에는 Panasonic의 18650 실린더형 이차전지가 탑재된다. 1회 충전으로 330km를 주행하는 Sim-Drive의 SIM-LEI에는 다른 기업의 18650 실린더형 이차전지가 탑재되는 것으로 알려져 있다. SIM-Drive는 4인승 전기자동차를 1,500,000엔으로 양산/시판할 계획이다.

(3) 환경친화성/안전성/저가격화를 위한 수성계 바인더의 개발
전극활물질과 도전제를 혼합하여 전극 포일에 코팅하기 위해서는 바인더(binder)가 사용되고 있다. 음극용 바인더의 약 90%는 이미 수성계 바인더가 사용되고 있으나 양극용 바인더에는 PVDF를 NMP 용매에 용해시킨 용제계 바인더가 사용되고 있다. NMP는 고가이면서 가열분해 발열량이 높기 때문에 안전성 확보에 어려움이 있을 뿐만 아니라 관리 허용농도가 1ppm 이하인 규제물질이다.
SBR(Styrene Butadiene Rubber) 등 수성계 바인더는 충전 전극판에서의 가열분해 발열량이 낮고 고용량화가 용이하며 사이클 특성과 친환경성이 양호하고 가격도 저렴하지만 양극용으로는 사용되지 않고 있었다.
S. F. Lux 등은 LiFePO4 양극에 수성바인더를 사용하면 용량 유지율과 수명특성이 향상됨을 보고하고 있고 T. Suzuki 등도 수성계 바인더를 사용하여 1.0CA의 충/방전과 3,000사이클의 시험에서 분극이 전혀 증대하지 않음을 보고하고 있다. K.Tanaka 등은 ZEONTM의 수성계 바인더를 NMC 양극 활물질에 적용하여 수명특성을 측정하였다. 전위 4.3V, 온도 60℃라는 가혹한 환경에서도 100%에 가까운 용량유지율을 보였다. 반면에 PVDF.NMP 용매계 바인더를 사용한 것은 85% 이하의 용량유지율을 보였다.



상기 실험에서는 4.3V라는 높은 전위와 60℃라는 고온 환경 하에서 일반적인 전해액인 EC(Ethylene Carbonate)와 전해질(LiPF6)을 사용하였음에도 불구하고 위의 결과를 얻었다. 이 결과는 바인더가 활물질 입자표면 전체를 피복함으로써 얻어진 것으로 보이며 리튬이온 이차전지 전반에 걸쳐 그간에 얻어진 여러 특성들을 전해액, 전해질, 활물질의 상호작용만이 아니라 바인더도 함께 다시 정립해야 할 것으로 제안되고 있다.

협조 회생브레이크시스템의 진화와 부품 공용화를 통한 저가격화     

일본에서 양산/시판되고 있는 전기자동차에는 Nissan의 LEAF만이 협조 회생브레이크시스템을 장착하고 있다. Mitsubishi motor의 I-MiEV에는 장착되어 있지 않다.
운전자의 가속페달에서 발을 떼어낸 순간부터 브레이크페달의 밟는 정도에 맞추어 회생브레이크와 유압브레이크의 비를 조절함으로써 운전자가 위화감을 느끼지 않으면서도 회생브레이크량을 최대로 하는 차량 정지가 필요하며 그렇지 않으면 협조 회생브레이크시스템의 실용화가 어렵다.
2003년형 Prius에서는 전용으로 사용되는 협조 브레이크시스템의 부품개발 및 탑재로 시스템을 구성하였으나 2010년형 Prius에서는 양산효과와 저가격화를 위해 다른 시스템과의 공용화와 하이브리드 자동차와의 부품 공통화를 통해 가격을 낮추고 있다. Toyota와 Nissan은 협조 회생브레이크시스템의 기술을 완전하게 소화하고 저가격화의 실현을 위해 다른 전동차량과의 부품 공용화를 도모하고 있다.
Tesla나 중국 전기자동차 제조업체는 기술완성도가 낮아 회생 브레이크가 강하게 듣기 때문에 내연기관에서 익힌 브레이크와 같은 감각을 얻지 못하여 불안함을 느끼고 있다. 협조 회생 브레이크시스템에서의 유압제동과 모터에 의한 회생 브레이크의 적절한 배분을 나타낸 것이 그림 5이다.
그림 6은 2003년형 Prius의 협조 회생브레이크 제어계통도이다. 그림 7과 그림 8은 2010년형 Prius의 협조 회생 브레이크시스템의 제어계통도와 사용된 부품들이다. 유압 펌프와 모터 및 어큐뮬레이터(Accumulator)를 일체화하여 소형 경량화를 이룩하였다.



Nissan ‘LEAF’와 ‘Fuga’ 하이브리드시스템의 협조 회생 브레이크시스템  
‘LEAF’에 사용된 협조 회생브레이크는 ‘Fuga Hybrid’와 공용으로 모터에 직접 브레이크 실린더가 작동되는 배력장치를 채용하였다. 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 자연스러운 느낌으로 필요한 제동력을 확보하면서 주행용 모터로 발전하는 에너지 회생효과가 최대가 되도록 마찰 브레이크 유압을 최적으로 제어한다.



그림 9는 그 개념도를 보여주며 모터가 직접 브레이크 실린더를 작동시키는 단순한 구조로 함으로써 여러 자동차에 적용이 가능하도록 했다. ‘LEAF’에는 충/방전 성능이 우수한 리튬이온 이차전지가 탑재되어 있어 보다 많은 브레이크 회생 에너지를 받아들일 수 있다. 그림 10는 브레이크 배력장치이다. 독일의 Bosch, Continental, 일본의 Honda/Nishin-Kogyo가 각기 독자적인 협조 회생브레이크시스템을 개발하여 실용화단계에 접어들었다.


인버터 등 파워일렉트로닉스의 진화              

인버터 등 전동차량용 파워일렉트로닉스의 기술개발 방향은 발열량 저감을 위한 SiC소자 등의 개발과 열 제거능력 향상을 위한 기술개발이다. Yasukawa-Denki 등이 SiC소자를 전기세탁기용 파워일렉트로닉스에 도입하고 있으나 전동차량에는 탑재하지 못하고 있다. 미국 DOE의 실용화 평가에서 가장 앞선 기술로 평가된 것은 2010년형 Prius에 탑재된 인버터시스템이다.
그림 11에서 보듯이 알루미늄 냉각시스템의 간소화와 Al-Solder-Al baseplate-ZnO thermal Past의 삭제로 열 제거능력을 비약적으로 발전시켜 크기와 두께를 40%까지 감소시킴으로써 소형화를 달성할 수 있었다.

SIM-Drive의 전기자동차                     

벤처기업 SIM-Drive의 SIM-LEI (Leading Efficiency In-wheel motor) 전기자동차       

SIM-DRIVE는 24.9kWh 용량의 리튬이온 이차전지를 충전한 4인승 전기자동차로서 JCO모드에서 333km를 주행하였다. 좌석이 넓었고 짐칸에 4개의 골프백을 실을 수 있었다. 고속도로를 100km의 일정한 속도로 주행하여도 300km의 항속거리를 확보할 수 있었다.



그림 12와 같은 Outer-회전자의 In-wheel motor 4개가 각 차륜을 직접 구동하는 direct-drive 방식이다. 이것으로 기계식 동력 전달장치와 감속기어를 배제할 수 있어 항속거리를 30% 연장시킬 수 있었다. 리튬이온 이차전지, 인버터 및 각종 제어장치 등은 중공의 component built-in frame 내에 배치시켜 객실의 설계자유도를 향상시켰다. SIM은 In-wheel motor를 사용하여 2모터 4륜차, 4모터 4륜차 그리고 8모터 8륜차를 공급할 수 있다.
0~100km/h의 가속시간은 4.8초이며 최고속도는 150km/h이다. 또한 체의 공기저항계수는 0.19이고 차체중량은 1,650kg으로 철저하게 경량화 하였다. 2013년으로 예정된 양산 시의 가격은 배터리시스템을 제외하고 1,500,000엔을 목표로 하고 있다. 배터리시스템은 모듈화로 표준화시켜 리스방식으로 보급할 계획이다. 1단계 사업에서는 Toshiba의 리튬이온 이차전지 SciB를 탑재하였다.
Keio대학의 8모터/8륜구동의 전기자동차 Elica는 최고 시속 370km/h의 기록을 세운 바 있다.

 

SIM-DRIVE 벤처주식회사의 비즈니스 모델              
SIM-DRIVE는 Keio대학 H. Shimizu 교수가 사장으로 있는 벤처기업 주식회사이다. In-wheel motor 전기자동차의 보급을 위하여 설립한 주식회사이며 참여기업이나 기관이 각자의 보유기술을 제공하면서 운영되는 컨소시엄 형태의 기업은 아니다. 공모로 모집된 34개 기관과 기업이 각자 20,000,000엔을 투자하여 선행 개발사업 제1호 자동차로 개발한 것이 SIM-LEI이다. 참여기업의 기술제공은 환영하지만 강제성은 없다. 참가기관 등은 선행개발 차량의 기본도면, 시험성적 보고서를 받게 되며 전 개발과정에 참여함으로써 기술을 완전하게 습득할 수 있는 ‘open source’ 방식으로 운영된다.
2011년 1월 17일부터 2012년 3월 31일의 기간에는 제2호차 개발이 수행된다. 여기에 참여하는 기관의 수는 1호차와 같은 34개 기관이며 유럽의 3개 기업도 참여한다. 참여기관은 1호차 개발의 참여기관과 다르지만 2호차 개발 성과는 모두 공동으로 활용할 수 있다.
2012년 초에는 제3호차 개발에 착수하고 양산계획을 수립할 계획이다. 기술이전사업 또는 턴키(turn-key)사업으로 발전시킬 계획이다. 그림 14는 SIM-DRIVE가 2013년의 10만 대 양산을 목표로 한 개발 실용화 일정이다.



1호차 개발성과의 하나인 Outer-회전자방식의 In-Wheel motor의 제조는 Taiwan의 벤처기업인 TECO에 의뢰하였다. 100마력(75kW)의 모터가격으로 수만 엔 수준을 예정하고 있어 기존보다 크게 낮아질 전망이다. 이를 표준화하여 대량 생산과 보급을 하게 되면 전기자동차의 보급이 크게 진전될 것으로 기대되고 있다.
IT기기 분야에서 ‘open-source’화와 부품의 표준화/양산화를 통한 수평분업화로 대량보급 시대가 개척되었듯이 전기자동차 분야에서도 이와 같은 수평분업화를 통해 보급을 활성화할 수 있도록 힘을 모으고 있다.
현재 진행 중에 있는 제2단계 사업에서는 ‘open-source’ 방식으로 선행개발 사업의 2호차를 개발하고 있고 l호차 과정에서 축적된 특허, 노하우, 설계도면, 시험성적 및 시험생산 된 자동차 모두를 1단계와 2단계 참여기관들에게 제공하고 있다. 참여기관들은 공동연구비와 공동연구자를 부담한다.
제3단계에서는 SIM-DRIVE 방식의 전기자동차 제조업체에게 grand-up 전기자동차의 제조를 지원하고 이와 병행하여 기존 내연기관 자동차의 전기자동차 전환사업에도 In-wheel motor 제조기술 등을 제공하는 등으로 적극적으로 대처할 계획이다.
 

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