차세대 자동차용 고성능전기기반기술의 연구개발 프로젝트에 대하여
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2010-05-10 17:25:26 |
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1. 개요
신에너지산업기술소고개발기구 (이하, NEDO)에서는, 경제산업성‘Energy Inovation Program’의 일환으로서, 2007년도부터 5개년계획으로‘차세대자동차용 고성능 축전시스템 기술개발’(이하, Li-EAD프로젝트)에 착수했다. PHEV, BEV, FCV등의 차세대자동차의 조기실용화에 이바지하기 위해서, 고성능∙저비용의 이차전지 및 그 주변기기의 개발을 목적으로 두고 있다. ‘Energy Inovation Program’에서도, Li-EAD프로젝트는 운송부문의 연료다양화에 분류되는 실용화 연구로서 거의 100%인 석유의존도를 2030년에 80%까지 저하시키는 목적인 중요한 기술개발로서 그 위치가 부여되었다.
글 / 임옥택 (울산대)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2010년 4월호
2009년도에 있어서는, ‘요소기술개발’, ‘차세대기술개발’및‘기반기술개발’의 3분류로써 당해연도 예산 248천만엔 규모로 추진되고 있다. 2009년도에는 전지 메이커, 재료 메이커, 대학, 공적 연구 기관 등의 폭넓은 기관들이 참여하고 있다.<그림 1>‘요소기술개발’에서는 고성능 리튬 이온 전지(이하LIB)를 개발하는‘모듈 전지개발’, 모터와 전지제어장치 등과 같은 구성 재료 및 주변기기의 개발인‘모터. 제어’의 개발 그리고, 신개념에 근거하는 혁신적인 전지의 구성과 이와 관련 된 재료개발 및 전지반응 제어 기술의 개발인‘전지재료. 제어’의 3종류에 대하여 연구 개발이 추진되고 있다.<그림 2> ‘모듈 전지개발’에서는 프로젝트 종료 시점인 2011년도에 개발 목표로서 에너지밀도 100Wh/kg, 출력밀도 2000W/kg 등이 제정되어 있다.
2 기반기술의 내용
2.1 양극재료의 연구개발
양극에 전위는 높으면서 큰 방전 용량을 가지는 재료를 사용한다면, 전지의 출력 밀도와 에너지 밀도가 증가한다. <그림 3>은 이후에 중점적으로 연구 개발해야 할 양극재료의 전위와 방전 용량밀도의 관계를 보인다. 실용화되있는 양극재료의 용량밀도는 크더라도 200Ah/kg정도이며 이것이 리튬 이온 전지의 대용량화를 막는 큰 원인이 되고 있다. 연구 개발이 집중되고 있는 재료에는 스피넬(LiM2O4)계, 층상산화물계(LiMO2), LiMPO4, Li2MO3계 (M은 금속 원소), Li2MSiO4계 등이 있다. 규산소금계(Li2MSiO4) 재료를 제외하면 각 재료의 방전 용량밀도는 300Ah/kg 이하다.
LiM2O4의 스피넬(Spinel)계 재료는 결정 구조가 안정하므로 안전성에는 뛰어나다. 이것은 전위를 높이는 것으로 출력 밀도를 올릴 수 있지만, 용량밀도는 150Ah/kg 정도로 낮기 때문에 에너지 밀도의 증대에는 한계가 있다. LiCoO2의 코발트(Co)의 일부를 니켈(Ni)이나 망간(Mn)로 바꿔 놓은 층상산화물재료(LiMO2)는 NiCo계,NiCoMn계, NiMn계 등이 각양각색인 조성의 재료가 연구 개발되고 있으며 일부가 실용되고 있다. 그러나, 용량밀도는 최대라도 270Ah/kg 정도다. Co를 Ni에 모두 바꿔 놓으면 용량밀도를 30% 정도 높일 수 있지만, Ni의 비율을 높이면 안전성을 고려해야 한다. 또한 Mn에서
바꿔 놓으면 출력 전위가 높아지지만 용량밀도가 저하한다.
출력 전위는 2.7V로 낮으므로 전위를 대폭개선하기 위한 연구 개발이 필요하다. 과제해결의 방향으로는 미량성분의 도핑(Doping), 전기 전도 재료의 코팅등에 의해 전극에서의 반응성을 향상시키는 것이나 나노 스케일에서의 재료구조제어등을 도입한 무기화학합성 프로세스의 응용 등이 제안되고 있다.
2.2 음극재료의 연구개발
음극재료의 큰 방전 용량을 갖는 조건은 양극재료의 경우와 같지만 전위가 보다 낮은 재료를 이용하면 전지의 출력 밀도와 에너지 밀도가 증가시킬 수 있다. 그림4에서 중점적으로 연구 개발해야 할 음극재료의 전위와 방전 용량밀도의 관계를 보이고 있다. 현재의 음극에는 Li를 삽입한 그라파이트계 재료가 사용되고 있지만 에너지 밀도는 200~800Ah/kg이다. 그라파이트 음극의 전위는 약 0.1V이지만 현재의 전해질의 용매에는 0.1V가 낮은 전위로 안정되어서 존재할 수 있는 것이 적고 Li이온의 삽입시에 용매가 연속적으로 분해되어버린다. 이것을 해결하기 위해서 안정적으로 그라파이트에의 Li이온의 삽입∙이탈을 가능하게 하는 피막(SEI층)이 그라파이트 표면상에 형성되어 있지만 이 피막에 의한 Li이온의 삽입∙이탈시의 저항 증가의 문제가 생기고 있다. 그라파이트계는 지금까지 출력 밀도나 에너지 밀도의 향상에 영향을 미치는 수많은 연구개발이 행해지고 있어 용량밀도는 거의 이론적인 한계에 달하고 있다고 말할 수 있다.
용량밀도를 증대시키기 위해서는 황화물계 재료, 합금계 재료, 그 위에 Li금속계 재료에의 방향성이 있다. 미래의 재료로서 그라파이트계의 5배 이상의 이론방전 용량을 가지는 Si계 재료나 Li와 실리콘(Si)의 금속간 화합물 등이 주목받고 있다. 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti)과의 금속간 화합물인 Si계 화합물은 비교적 전기 전도성이 좋고, 용량밀도를 800Ah/kg까지 증대할 수 있어서 충방전 사이클 특성이 개선되고 있다. Li금속이나 그 합금은 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있지만 안전성에 문제가 있기 때문에 아직 전혀 사용되지 않고 있다. Si계 재료, Li와 Si의 금속간 화합물, Li금속계 재료는 충방전 시의 체적변화에 의한 충방전 사이클 특성용량저하와 전극 전해질의 계면에 있어서의 저항 증가의 문제 및 장수명화나 안정성의 향상도 과제로서 남아있어서 앞으로의 연구 개발에 기대를 갖는다.
2.3 전해질 재료의 연구개발
전해질재료의 연구 개발은 주된 목표는 안전성의 향상이다. 안전성확보의 불충분함이 HV나 EV등에의 리튬이온전지의 탑재가 늦어지는 주요 요인이다. 전해질에 가연성의 유기용매를 이용할 경우 제조 공정에서의 불순물의 혼입이나 전극의 단락, 혹은 과충전 등에 의한 발화의 위험성이 항상 따라다닌다. 경량한 고체장수소화물로 고속의 Li이온 전도가 실온에서 실현된다면 과충전에의 대책이 불필요한 안정성이 높은 리튬이온전지가 가능해진다. 하지만, 어떻게 전해질중의 Li이온 전도율을 전해액수준에서 향상시킬지가 과제다.
<그림 5>는 연구 개발이 진척되어 있는 유기계, 이온액체계, 비수전해액, 겔화전해질, 유기∙무기고체전해질의 이온전도 특성을 보이고 있다. LiPF6과 탄산염(Carbonate)계 유기용매에 혼합된 것이 넓은 온도범위(-30~80도)에서의 높은 이온 전도성 및 화학적인 안정성등이 좋아서 현재까지 전해질로서는 주로 사용하였다.
3. 기반기술개발의 역할 및 진척현황
Li-EAD프로젝트기판기술개발에서는 2015년을 목표로 개발되는 리튬이온전지의 수명진단, 전지성능평가. 안전성시험방법 등의 기준책정이나 규격화제안과 데이터취득을 하고 기술개발의 효율화에 연결되는 반응메커니즘의 해석수법의 확립 등을 수행한다. 구체적으로는, Li-EAD프로젝트의 최종년도인 2011년도에는 이하의 목표달성이 요구되고 있다.
① 지수명진단 전지수명평가와 가속수명진단법의 확립 (수년이내로 5배 이상 정밀도의 향상)
② 전지성능평가시험법 : 차량용주행패턴을 가정한 부하시험법 등 전지성능평가 방법의 제안과 데이타 취득 등
③ 전지안전성시험법 : 수kWh급 전지시스템의 안전성평가시험법의 제안과 데이타취득 등
④ 전지열화요인의 해명과 그 억제수법의 제안 : 높은 SOC(예 : 80%)의 전지열화기구의 해명과 억제수법의 개발 등 높은 SOC 보존 시, 고온보존 시, 고출력 시, 장기사이클 때 등의 전지열화 요인의 해명
Li-EAD프로젝트로 개발되는 모듈 전지의 개발목표를 달성하기 위한 제 1단계로서 기본적인 구성요소인 셀의 에너지 밀도 및 출력밀도 등의 시험방법을 정하였다. 다만 수명에 관해서는 확실한 이론적인 근거를 확립할 수 없고, 가설에 근거하는 수명예측법을 모색하고 있다.
3.1 기본성능력평가 시험 방법의 선정
제공을 받은 셀(7-14Ah)의 용량시험 등을 실시해 기본성능을 파악했다. 또한 세계각국의 자동차주행 모드(JC08모드 등)에 의한 HEV등의 주행에 따르는 전지충방전 거동을 해석하고, 시험법으로서 간략화하는 전지충방전프로필을 제안하기 위한 알고리즘을 검토했다. 그 결과, 간략화한 전지충방전 프로필을 제공했다<그림 7>.
3.2 가속노화시험에 의한 수명평가법의 개발
리튬이온전지의 가속열화시험에서는 간략화한 전지충방전 프로필에 근거하고, PHEV의 주행 모드를 가정한 차량운행스케줄에 근거한 시험조건을 검토했다<그림8>. 요소기술개발‘모듈전지’로 개발중인 시작품(소형셀)의 제공을 받아서, 보존특성의 파악, 특히, 온도와 SOC에 집중해서 시험을 행했다. 한편으로는 선행적으로 산업종합연구소가 자작한 18650형태 모델셀을 이용하여 충방전사이클 경과에 따르는 전지성능저하와 구성재료의 변질에 집중한 해체조사를 했다.
3.3 열화 요인의 해명과 그 억제 수법의 개발
전지특성을 정하는 구성 재료는, 크게 양극재료와 음극재료 및 전해질로 크게 구별된다 <그림 9>. 기본적으로는 양극은, 양극활성물질(LiNi1-x-yCoxAlyO2등), 전도보조제 (AB : Acetylene Black등) 및 결착제 (PVdF;Polyvinylidene Fluoride)의 입자혼합체다. 또한, 음극도 음극활성물질(흑연등)이외의 결착제 등을 포함하는 혼합체다. 전해질에는 LiPF6등 리튬소금이 유기용매에 용해되서 이온전도성을 유지하고 있다. 산업종합연구소에서는 고도의 기기분석법을 전지재료의 해석에 활용하고 있다. 예를 들면, 소용량 모델셀의 특성열화요인의 해명을 위해서, 출력이 저하된 셀을 해체하여 양극시트를 열처리한 후 양극재료의 결정구조를 XAFS(X-ray Sbsorption Fine Structure ; X선 흡수미세구조)측정과 분말 X선회절법으로 확인하였다. XAFS측정에서는 전극표면에 민감한 전전자수량(TEY)법과 벌크 정보에 가까운 형광(FY)법의 스펙트럼(Spectrum)의 비교한 결과 열분해 거동이 표면과 벌크에서는 다른 것을 찾아냈다.
3.4 안전성평가 시험 방법
안전성시험항목의 조사에는, UL규격, USABC, SAE, SBA, JIS, UN권고‘위험물수송’등의 리튬 이온 전지의 시험방법의 정리와 차량용 모듈 전지안전시험이 있다. 또한, 과전류시험이나 재료에 의한 열분해의 온도차이 등과 같은 안전성에 영향을 끼치는 사항들과 각각의 항목을 시판되고 있는 소용량셀을 사용하여 안전성시험의 예비검토를 실시했다. 전기자동차의 관점으로 리튬이온 전지의 사용 상태인 수송∙보관∙사용∙충돌 사고를 가정해서 안전면에서 고려해야 할 현상을 파악하였다.
2007년도부터 실시하고 있는 기존의 안전성 시험법의 조사 결과들과 함께 각가의 현상에 대해서 가정될 수 있는 표준화항목을 추출하였다. 검토 경과를 요소기술개발, 모듈전지를 담당하는 전지 메이커를 포함시켜 정보교환을 행하고 있다. 리튬 이온 전지의 안전성시험은 결과가‘발화, 발연’이라고 정성적인 표현에 그치고 정량적인 평가가 어렵다. 또한, 위험현상의 발생은 확률적인 표현인 것이 많다. 양산 체제가 가능해져서 셀 성능의 품질이 엄정하게 관리되는 시판제품과 달라서, 개발시작단계의 셀의 안전성평가에는 정량적인 시험 방법이 필요하다고 생각된다. 전력중앙연구소(CRIEPI)에서는 l0Ah급 셀을 대상으로 한 잠재된 에너지양의 반정량적인 파악을 목적으로 한‘안전성기반설비’를 설계 및 도입하였다. 시판되고 있는 리튬이온전지를 이용해서 예비시험에 착수하고 장치성능을 확인했다.
실제 규모의 모듈에서 안전성 평가시험에 대비하기 위해서, 가정되는 표준화항목을 고려해서, ISO, TC22/SC2l(전기자동차)과 IEC/TC21/SC21A/TC69JWG(자동차용 리튬이온전지셀)의 상황을 근거로하여‘충방전시험장치’,‘ 축전지환경시험장치’및관통∙파괴시험장치’를 이용하여 셀 및 전지모듈의 안전성평가 시험을 실시했다. JARI에 있어서의 시험 항목은 과충전시험, 과방전시험, 외부단락시험, 관통시험, 파괴시험, 진동시험, 수중투하시험, 화염폭뢰시험과 충격시험, 낙하시험, 결로시험의 예비시험을 했다. 과충전시험에서는 셀의 고정조건의 차이에 의해 시험결과에 차이가 나오는 것, 관통시험에서는 관통속도의 차이에 의해 시험 결과에 차이가 나오는 것 등을 확인했다. 이러한 시험의 성과를 활용하여, 과충전시험등의 시험방법의 작성과 검증을 착수하였다.
재료로부터 안전성요인을 해명하기 위해서 산업종합연구소에서는 모델전지의 전극의 열분해 생성물을 분석하여 전극재료와 전해액의 반응생성물을 조사해서 그 결과 탄화수소 등의 성분이 관측되었다. 또한‘내장고온시험장치’를 사용하여 전지에 온도를 올려주었을 때 발생되는 기체성분의 분석을 했다.
3.5 차세대 자동차용전지평가기술법의 표준화 규격화 JARI를 사무국으로 하여 2007년도에 전지기술WG, 전지표존화WG 그리고 전지운송WG를, 2008년에는 전지충전표준화WG를 조직하였다. 자동차회사, 전지회사 그리고 전문인을 회원으로 구성하여 국제표준화와 국제연합규제의 활동을 했다.
신에너지산업기술소고개발기구 (이하, NEDO)에서는, 경제산업성‘Energy Inovation Program’의 일환으로서, 2007년도부터 5개년계획으로‘차세대자동차용 고성능 축전시스템 기술개발’(이하, Li-EAD프로젝트)에 착수했다. PHEV, BEV, FCV등의 차세대자동차의 조기실용화에 이바지하기 위해서, 고성능∙저비용의 이차전지 및 그 주변기기의 개발을 목적으로 두고 있다. ‘Energy Inovation Program’에서도, Li-EAD프로젝트는 운송부문의 연료다양화에 분류되는 실용화 연구로서 거의 100%인 석유의존도를 2030년에 80%까지 저하시키는 목적인 중요한 기술개발로서 그 위치가 부여되었다.
글 / 임옥택 (울산대)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2010년 4월호
2009년도에 있어서는, ‘요소기술개발’, ‘차세대기술개발’및‘기반기술개발’의 3분류로써 당해연도 예산 248천만엔 규모로 추진되고 있다. 2009년도에는 전지 메이커, 재료 메이커, 대학, 공적 연구 기관 등의 폭넓은 기관들이 참여하고 있다.<그림 1>‘요소기술개발’에서는 고성능 리튬 이온 전지(이하LIB)를 개발하는‘모듈 전지개발’, 모터와 전지제어장치 등과 같은 구성 재료 및 주변기기의 개발인‘모터. 제어’의 개발 그리고, 신개념에 근거하는 혁신적인 전지의 구성과 이와 관련 된 재료개발 및 전지반응 제어 기술의 개발인‘전지재료. 제어’의 3종류에 대하여 연구 개발이 추진되고 있다.<그림 2> ‘모듈 전지개발’에서는 프로젝트 종료 시점인 2011년도에 개발 목표로서 에너지밀도 100Wh/kg, 출력밀도 2000W/kg 등이 제정되어 있다.
2 기반기술의 내용
2.1 양극재료의 연구개발
양극에 전위는 높으면서 큰 방전 용량을 가지는 재료를 사용한다면, 전지의 출력 밀도와 에너지 밀도가 증가한다. <그림 3>은 이후에 중점적으로 연구 개발해야 할 양극재료의 전위와 방전 용량밀도의 관계를 보인다. 실용화되있는 양극재료의 용량밀도는 크더라도 200Ah/kg정도이며 이것이 리튬 이온 전지의 대용량화를 막는 큰 원인이 되고 있다. 연구 개발이 집중되고 있는 재료에는 스피넬(LiM2O4)계, 층상산화물계(LiMO2), LiMPO4, Li2MO3계 (M은 금속 원소), Li2MSiO4계 등이 있다. 규산소금계(Li2MSiO4) 재료를 제외하면 각 재료의 방전 용량밀도는 300Ah/kg 이하다.
LiM2O4의 스피넬(Spinel)계 재료는 결정 구조가 안정하므로 안전성에는 뛰어나다. 이것은 전위를 높이는 것으로 출력 밀도를 올릴 수 있지만, 용량밀도는 150Ah/kg 정도로 낮기 때문에 에너지 밀도의 증대에는 한계가 있다. LiCoO2의 코발트(Co)의 일부를 니켈(Ni)이나 망간(Mn)로 바꿔 놓은 층상산화물재료(LiMO2)는 NiCo계,NiCoMn계, NiMn계 등이 각양각색인 조성의 재료가 연구 개발되고 있으며 일부가 실용되고 있다. 그러나, 용량밀도는 최대라도 270Ah/kg 정도다. Co를 Ni에 모두 바꿔 놓으면 용량밀도를 30% 정도 높일 수 있지만, Ni의 비율을 높이면 안전성을 고려해야 한다. 또한 Mn에서
바꿔 놓으면 출력 전위가 높아지지만 용량밀도가 저하한다.
출력 전위는 2.7V로 낮으므로 전위를 대폭개선하기 위한 연구 개발이 필요하다. 과제해결의 방향으로는 미량성분의 도핑(Doping), 전기 전도 재료의 코팅등에 의해 전극에서의 반응성을 향상시키는 것이나 나노 스케일에서의 재료구조제어등을 도입한 무기화학합성 프로세스의 응용 등이 제안되고 있다.
2.2 음극재료의 연구개발
음극재료의 큰 방전 용량을 갖는 조건은 양극재료의 경우와 같지만 전위가 보다 낮은 재료를 이용하면 전지의 출력 밀도와 에너지 밀도가 증가시킬 수 있다. 그림4에서 중점적으로 연구 개발해야 할 음극재료의 전위와 방전 용량밀도의 관계를 보이고 있다. 현재의 음극에는 Li를 삽입한 그라파이트계 재료가 사용되고 있지만 에너지 밀도는 200~800Ah/kg이다. 그라파이트 음극의 전위는 약 0.1V이지만 현재의 전해질의 용매에는 0.1V가 낮은 전위로 안정되어서 존재할 수 있는 것이 적고 Li이온의 삽입시에 용매가 연속적으로 분해되어버린다. 이것을 해결하기 위해서 안정적으로 그라파이트에의 Li이온의 삽입∙이탈을 가능하게 하는 피막(SEI층)이 그라파이트 표면상에 형성되어 있지만 이 피막에 의한 Li이온의 삽입∙이탈시의 저항 증가의 문제가 생기고 있다. 그라파이트계는 지금까지 출력 밀도나 에너지 밀도의 향상에 영향을 미치는 수많은 연구개발이 행해지고 있어 용량밀도는 거의 이론적인 한계에 달하고 있다고 말할 수 있다.
용량밀도를 증대시키기 위해서는 황화물계 재료, 합금계 재료, 그 위에 Li금속계 재료에의 방향성이 있다. 미래의 재료로서 그라파이트계의 5배 이상의 이론방전 용량을 가지는 Si계 재료나 Li와 실리콘(Si)의 금속간 화합물 등이 주목받고 있다. 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti)과의 금속간 화합물인 Si계 화합물은 비교적 전기 전도성이 좋고, 용량밀도를 800Ah/kg까지 증대할 수 있어서 충방전 사이클 특성이 개선되고 있다. Li금속이나 그 합금은 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있지만 안전성에 문제가 있기 때문에 아직 전혀 사용되지 않고 있다. Si계 재료, Li와 Si의 금속간 화합물, Li금속계 재료는 충방전 시의 체적변화에 의한 충방전 사이클 특성용량저하와 전극 전해질의 계면에 있어서의 저항 증가의 문제 및 장수명화나 안정성의 향상도 과제로서 남아있어서 앞으로의 연구 개발에 기대를 갖는다.
2.3 전해질 재료의 연구개발
전해질재료의 연구 개발은 주된 목표는 안전성의 향상이다. 안전성확보의 불충분함이 HV나 EV등에의 리튬이온전지의 탑재가 늦어지는 주요 요인이다. 전해질에 가연성의 유기용매를 이용할 경우 제조 공정에서의 불순물의 혼입이나 전극의 단락, 혹은 과충전 등에 의한 발화의 위험성이 항상 따라다닌다. 경량한 고체장수소화물로 고속의 Li이온 전도가 실온에서 실현된다면 과충전에의 대책이 불필요한 안정성이 높은 리튬이온전지가 가능해진다. 하지만, 어떻게 전해질중의 Li이온 전도율을 전해액수준에서 향상시킬지가 과제다.
<그림 5>는 연구 개발이 진척되어 있는 유기계, 이온액체계, 비수전해액, 겔화전해질, 유기∙무기고체전해질의 이온전도 특성을 보이고 있다. LiPF6과 탄산염(Carbonate)계 유기용매에 혼합된 것이 넓은 온도범위(-30~80도)에서의 높은 이온 전도성 및 화학적인 안정성등이 좋아서 현재까지 전해질로서는 주로 사용하였다.
3. 기반기술개발의 역할 및 진척현황
Li-EAD프로젝트기판기술개발에서는 2015년을 목표로 개발되는 리튬이온전지의 수명진단, 전지성능평가. 안전성시험방법 등의 기준책정이나 규격화제안과 데이터취득을 하고 기술개발의 효율화에 연결되는 반응메커니즘의 해석수법의 확립 등을 수행한다. 구체적으로는, Li-EAD프로젝트의 최종년도인 2011년도에는 이하의 목표달성이 요구되고 있다.
① 지수명진단 전지수명평가와 가속수명진단법의 확립 (수년이내로 5배 이상 정밀도의 향상)
② 전지성능평가시험법 : 차량용주행패턴을 가정한 부하시험법 등 전지성능평가 방법의 제안과 데이타 취득 등
③ 전지안전성시험법 : 수kWh급 전지시스템의 안전성평가시험법의 제안과 데이타취득 등
④ 전지열화요인의 해명과 그 억제수법의 제안 : 높은 SOC(예 : 80%)의 전지열화기구의 해명과 억제수법의 개발 등 높은 SOC 보존 시, 고온보존 시, 고출력 시, 장기사이클 때 등의 전지열화 요인의 해명
Li-EAD프로젝트로 개발되는 모듈 전지의 개발목표를 달성하기 위한 제 1단계로서 기본적인 구성요소인 셀의 에너지 밀도 및 출력밀도 등의 시험방법을 정하였다. 다만 수명에 관해서는 확실한 이론적인 근거를 확립할 수 없고, 가설에 근거하는 수명예측법을 모색하고 있다.
3.1 기본성능력평가 시험 방법의 선정
제공을 받은 셀(7-14Ah)의 용량시험 등을 실시해 기본성능을 파악했다. 또한 세계각국의 자동차주행 모드(JC08모드 등)에 의한 HEV등의 주행에 따르는 전지충방전 거동을 해석하고, 시험법으로서 간략화하는 전지충방전프로필을 제안하기 위한 알고리즘을 검토했다. 그 결과, 간략화한 전지충방전 프로필을 제공했다<그림 7>.
3.2 가속노화시험에 의한 수명평가법의 개발
리튬이온전지의 가속열화시험에서는 간략화한 전지충방전 프로필에 근거하고, PHEV의 주행 모드를 가정한 차량운행스케줄에 근거한 시험조건을 검토했다<그림8>. 요소기술개발‘모듈전지’로 개발중인 시작품(소형셀)의 제공을 받아서, 보존특성의 파악, 특히, 온도와 SOC에 집중해서 시험을 행했다. 한편으로는 선행적으로 산업종합연구소가 자작한 18650형태 모델셀을 이용하여 충방전사이클 경과에 따르는 전지성능저하와 구성재료의 변질에 집중한 해체조사를 했다.
3.3 열화 요인의 해명과 그 억제 수법의 개발
전지특성을 정하는 구성 재료는, 크게 양극재료와 음극재료 및 전해질로 크게 구별된다 <그림 9>. 기본적으로는 양극은, 양극활성물질(LiNi1-x-yCoxAlyO2등), 전도보조제 (AB : Acetylene Black등) 및 결착제 (PVdF;Polyvinylidene Fluoride)의 입자혼합체다. 또한, 음극도 음극활성물질(흑연등)이외의 결착제 등을 포함하는 혼합체다. 전해질에는 LiPF6등 리튬소금이 유기용매에 용해되서 이온전도성을 유지하고 있다. 산업종합연구소에서는 고도의 기기분석법을 전지재료의 해석에 활용하고 있다. 예를 들면, 소용량 모델셀의 특성열화요인의 해명을 위해서, 출력이 저하된 셀을 해체하여 양극시트를 열처리한 후 양극재료의 결정구조를 XAFS(X-ray Sbsorption Fine Structure ; X선 흡수미세구조)측정과 분말 X선회절법으로 확인하였다. XAFS측정에서는 전극표면에 민감한 전전자수량(TEY)법과 벌크 정보에 가까운 형광(FY)법의 스펙트럼(Spectrum)의 비교한 결과 열분해 거동이 표면과 벌크에서는 다른 것을 찾아냈다.
3.4 안전성평가 시험 방법
안전성시험항목의 조사에는, UL규격, USABC, SAE, SBA, JIS, UN권고‘위험물수송’등의 리튬 이온 전지의 시험방법의 정리와 차량용 모듈 전지안전시험이 있다. 또한, 과전류시험이나 재료에 의한 열분해의 온도차이 등과 같은 안전성에 영향을 끼치는 사항들과 각각의 항목을 시판되고 있는 소용량셀을 사용하여 안전성시험의 예비검토를 실시했다. 전기자동차의 관점으로 리튬이온 전지의 사용 상태인 수송∙보관∙사용∙충돌 사고를 가정해서 안전면에서 고려해야 할 현상을 파악하였다.
2007년도부터 실시하고 있는 기존의 안전성 시험법의 조사 결과들과 함께 각가의 현상에 대해서 가정될 수 있는 표준화항목을 추출하였다. 검토 경과를 요소기술개발, 모듈전지를 담당하는 전지 메이커를 포함시켜 정보교환을 행하고 있다. 리튬 이온 전지의 안전성시험은 결과가‘발화, 발연’이라고 정성적인 표현에 그치고 정량적인 평가가 어렵다. 또한, 위험현상의 발생은 확률적인 표현인 것이 많다. 양산 체제가 가능해져서 셀 성능의 품질이 엄정하게 관리되는 시판제품과 달라서, 개발시작단계의 셀의 안전성평가에는 정량적인 시험 방법이 필요하다고 생각된다. 전력중앙연구소(CRIEPI)에서는 l0Ah급 셀을 대상으로 한 잠재된 에너지양의 반정량적인 파악을 목적으로 한‘안전성기반설비’를 설계 및 도입하였다. 시판되고 있는 리튬이온전지를 이용해서 예비시험에 착수하고 장치성능을 확인했다.
실제 규모의 모듈에서 안전성 평가시험에 대비하기 위해서, 가정되는 표준화항목을 고려해서, ISO, TC22/SC2l(전기자동차)과 IEC/TC21/SC21A/TC69JWG(자동차용 리튬이온전지셀)의 상황을 근거로하여‘충방전시험장치’,‘ 축전지환경시험장치’및관통∙파괴시험장치’를 이용하여 셀 및 전지모듈의 안전성평가 시험을 실시했다. JARI에 있어서의 시험 항목은 과충전시험, 과방전시험, 외부단락시험, 관통시험, 파괴시험, 진동시험, 수중투하시험, 화염폭뢰시험과 충격시험, 낙하시험, 결로시험의 예비시험을 했다. 과충전시험에서는 셀의 고정조건의 차이에 의해 시험결과에 차이가 나오는 것, 관통시험에서는 관통속도의 차이에 의해 시험 결과에 차이가 나오는 것 등을 확인했다. 이러한 시험의 성과를 활용하여, 과충전시험등의 시험방법의 작성과 검증을 착수하였다.
재료로부터 안전성요인을 해명하기 위해서 산업종합연구소에서는 모델전지의 전극의 열분해 생성물을 분석하여 전극재료와 전해액의 반응생성물을 조사해서 그 결과 탄화수소 등의 성분이 관측되었다. 또한‘내장고온시험장치’를 사용하여 전지에 온도를 올려주었을 때 발생되는 기체성분의 분석을 했다.
3.5 차세대 자동차용전지평가기술법의 표준화 규격화 JARI를 사무국으로 하여 2007년도에 전지기술WG, 전지표존화WG 그리고 전지운송WG를, 2008년에는 전지충전표준화WG를 조직하였다. 자동차회사, 전지회사 그리고 전문인을 회원으로 구성하여 국제표준화와 국제연합규제의 활동을 했다.
