전기자동차용 이차전지 개발동향

1. 서론

최근 그린에너지 시대의 도래와 더불어 전기자동차 기 술이 국가차원의 차세대 저탄소 녹색성장의 중추산업분 야가 될 전망이다.

세계 자동차시장은 환경규제 강화, 고유가 지속, 화석에너지 고갈 등으로 인하여 하이브리 드차(HEV, hybrid electric vehicle), 플러그인하이브리드 차(PHEV, plug-in hybrid electric vehicle), 순수전기차 (BEV, battery electric vehicle), 연료전지자동차(FCEV, fuel cell electric vehicle) 등 친환경자동차로 패러다임이 전환되고 있다. 특히 배터리를 이용한 전기자동차의 경 우 90년대 말 일본의 도요다자동차가 HEV를 상용화한 이후 순수 배터리 동력만으로 주행할 수 있는 BEV까지 빠른 속도로 개발되고 있다. 전기자동차는 Table 1과 같 이 기존 내연자동차에 비해 전기량을 얼마나 사용하는 가에 따라 HEV, PHEV와 BEV로 나누어진다. HEV의 경우 배터리로 엔진출력을 보조하기 때문에 비교적 적은 전기량을 사용하며, BEV는 100% 전기를 사용하며 외부

전원을 이용한 충전이 필요하다. PHEV는 HEV와 BEV 의 중간 형태로서 외부전원을 통해 충전을 하게 되며 주 행 중 일정량은 전기로만 구동되고 이후는 HEV 모드로 전환된다. 궁극적으로 100% 전기를 사용하는 BEV가 최 종 목표이다. 그러나 아직까지 배터리를 이용한 세가지 형태의 전기자동차가 동시에 고려되는 이유는 여러 의견 들이 제시되고 있지만 크게 3가지로 요약할 수 있다. 첫 째, 부족한 배터리의 에너지밀도(Wh/kg, Wh/L)이다.

2009년 상용화 개시한 미쯔비시자동차의 아이미브(i- MiEV)의 경우 한번 충전으로 최대 160km를 주행한다 고 하나 도로 상황, 운전자 습관, 계절적 요인(에어컨 작 동 등)에 따라서 주행거리는 더 짧아진다. 이 정도 주행 거리로는 장거리 이동에는 한계가 있으며 적어도 300km 이상(현재보다 2배 이상의 에너지밀도)이어야 소비자들 의 구매력을 이끌 수 있을 것으로 예상된다. 둘째, 배터 리 모듈 또는 팩의 안전성/신뢰성 확보가 필요하다. HEV 에 탑재되어 있는 배터리 팩의 에너지는 대략 2kWh 이 하로 설계되어 있다. 현재 기술수준으로 안전성 및 신뢰

전기자동차용 이차전지 개발동향

글

_ 이존하

, 선희영

, 김현수

, 엄승욱

*

SK에너지,

한국전기연구원

Table 1. 동력원에 따른 자동차의 분류

항목 내연자동차 HEV PHEV BEV

구조

동력원 엔진 엔진+전기모터 엔진+전기모터 전기모터

주입연료 화석연료 화석연료 화석연료+전기 전기

배기오염 Middle Low Very Low Zero

전기충전장치 無 無 有 有

전기효율(%, 전기/내연) 0 10~50 50~70 100

성을 만족시킬 수 있으며, 도요다자동차의 경우 HEV(Ni/

MH전지 탑재)에 10년 이상의 기술적 노하우를 축적하 고 있고 국내도 2009년 현대자동차에서 아반떼에 Ni/MH 대비 에너지밀도가 높은 리튬이온전지를 탑재하여 HEV 를 상용화하였다. 그러나 BEV에 탑재되는 배터리 팩의 에너지는 최소 16kWh 이상이 되어야 하며 버스에 적용 하기 위해서는 100kWh 이상이 필요하여, 이러한 에너지 는 현재기술로 안전성 및 신뢰성을 확보하기에 매우 어 려워 장시간의 개발이 필요하다. 따라서 HEV와 BEV의 중간에너지(16kWh 이하)를 갖는 PHEV가 미국을 중심 으로 제안되고 있다. 셋째, 배터리 팩의 가격이다. 현재 배 터리 가격은 업체마다 계산 로직이 다르지만 대략 $1,000/

kWh 정도이다. 16kWh의 경우 배터리 가격이 $16,000 이며, 이는 차량 가격의 30% 이상이다. 따라서 소비자들 의 관심을 갖게 하기 위해서는 현재에 비해 3~4배 하락 되어야 한다.

위와 같이 전기자동차용 배터리의 기술개발 방향은 명 확하고 확실하다. 배터리 기술선진국인 일본의 경우 경 제산업성 주도로 전기자동차용 배터리 기술에 대해 중장 기로드맵을 수립하여 산학연 공동개발을 진행하고 있다.

미국의 경우도 뒤떨어진 경쟁력 확보를 위해 자동차, 전 지, 소재업체간 공동연구/협업체계 구축, 조인트벤처 설 립 추진 등 일명 오바마펀드를 중심으로 개발하고 있다.

한국의 경우도 전기자동차에 대한 기대 및 관심이 높으 며, 대기업 3사(LG화학, SK에너지, SB Limotive)를 중 심으로 전기자동차용 배터리를 개발하고 있고 정부에서 도 WPM(World Premier Materials) 프로그램으로 배터리 용 양극, 음극 등 핵심소재를 중장기적으로 개발하도록 지원하고 있다.

본 기고에서는 전기자동차에 탑재되는 배터리의 시장 및 기술개발 동향에 대해 알아보고 또한 이를 평가하고, 상용화를 뒷받침하는 중대형 배터리의 표준화 활동에 대 해 요약 정리하였다.

2. 전기자동차용 이차전지 시장전망 및 기술 개발 동향

2.1. 전기자동차용 이차전지 시장 전망

전기자동차용 이차전지 시장은 조사기관에 따라 차이 가 있지만 과거에 예측한 자료에 비해 최근 조사에서 시 장규모가 커지고 있다. 이는 전기자동차 시장이 본격적으 로 도래하고 있음을 짐작할 수 있는 부분이다. Fig. 1(a) 는 2018년까지 소형이차전지를 포함한 전세계 이차전지 시장을 연도별로 나타낸 그래프이다. 2010년 전기자동차 용 이차전지 시장은 소형 이차전지(100억불) 대비 매우 작지만 2011년 이후 급속하게 성장하여 2018년 160억불

Fig. 1. 전세계 이차전지 시장 전망(출처 : IIT 2009).

(a) 이차전지 세계시장 (b) HEV, PHEV 및 BEV 세계시장

이상으로 예측되고 있으며

, 이는 소형 이차전지 시장의 약 50%에 해당된다. 전기자동차용 전지는 2018년 이후 에도 지속적으로 성장하여 2020년에 약 250억불 정도로 전망하고 있다(JP Morgan 2010). 전지종류별로 보면 (Fig. 1(b)) 1997년부터 2010년까지 HEV용으로 Ni/MH 전지가 주로 탑재 되었다. 그러나 2011년 190만대를 정 점으로 점차 감소추세이며 LIB(lithium ion battery, 리튬 이온전지)가 빠르게 대체하여 2018년 LIB 83%, Ni/MH 17%를 차지할 것으로 예측하고 있다. 즉 전기자동차용 이차전지는 Ni/MH 대비 에너지밀도가 높은 LIB가 매우 유리할 것으로 보는 측면이 대부분이다.

2.2. 전기자동차용 리튬이차전지 기술

2.2.1. HEV/PHEV용 용 이 이차 차전 전지 지의 의 성 성능 능

HEV는 Table 1에 나타낸 것처럼 별도의 충전장치가 필요 없이 엔진이 최고의 출력을 발휘할 수 있도록 배터 리가 보조하는 역할을 한다. HEV의 주요 기능을 좀더 상세하게 구분한다면 크게 4가지로 나눌 수 있다.

1) 아이들스탑(Idle Stop & Go) : 자동차가 정차 시에 엔진을 정지시키고 출발시 엑셀레이터를 밟으면 시 동이 켜지는 것으로서 연료소비를 줄이고 또한 이 산화탄소 배출량을 줄이도록 하는 것이 주요 목적 이다.

2) 회생제동(Regenerative Brake) : Fig. 2에 보여주는 것처럼 자동차가 언덕을 내려갈 때 흔히 엔진브레 이크를 사용하는데 평소에는 엔진의 회전력이 바퀴 를 회전시켜 자동차가 전진하게 되지만 내리막길에 서 엔진의 회전속도를 바퀴의 회전속도보다 낮게 줄여주면 오히려 엔진이 바퀴 회전을 방해하여 브 레이크를 잡아주는 것이다. 이런 원리를 이용하여 HEV에서 구동모터는 발전기 역할을 하게 되어 배 터리에 전기를 충전하게 된다.

3) 전기모터 동력보조(Power Assist): 가속시 배터리에 서 구동모터에 전기를 전달하여 출력을 보조하게 된다.

4) 전기자동차 주행(Electric Driving Mode): Full/Hard HEV에서 순수하게 전기로 주행하는 모드를 의미 하며, 배터리의 에너지가 HEV 범위를 넘어서면 HEV와 BEV의 중간형태인 PHEV 혹은 BEV가 되 는 것이다.

위와 같은 HEV의 주요 기능으로 인해 HEV에 탑재되 어 있는 배터리의 역할은 매우 중요하다. 특히 가속시에 는 배터리에서 구동모터로 순간적으로 많은 전기를 전달 시켜야 하며 또한 가파른 언덕을 내려갈 때 회생 제동되 어 돌아오는 과량의 전기를 순간적으로 배터리에서 받아 줘야 한다. 따라서 HEV용 배터리는 고출력을 가져야 하 는 동시에 펄스 사이클에도 강해야 한다. Table 2에

Fig. 2. HEV 주행 모드.

HEV용 배터리가 가져야 할 기본적인 특성을 나타내었다.

이외에도 -20℃ 이하에서도 구동될 수 있도록 설계되어 야 하며, 45~65℃ 고온 저장에서도 용량 및 출력감소가 작아야 한다.

Fig. 3은 HEV 차량에 탑재되어 상용화 되어 있는 Ni/MH 전지와 현재 개발되고있는 LIB 전지와의 출력밀 도(Wh/L)를 비교한 것이다. LIB는 Ni/MH전지에 비해 출력밀도가 3배 이상 높기 때문에 안전성, 신뢰성 및 저 가화가 실현된다면 HEV에 주력 전지로 대체될 것이다 (Table 3). 그러나 HEV의 경우 순수 배터리에 의한 주행 은 한계가 있으며 이를 보완하기 위해 미국을 중심으로 PHEV 개념이 도입되었다. 북미를 기준으로 자동차 운 전 패턴을 조사해 본 결과 하루 평균 30마일 이내 주행 자는 약 50%이고, 50마일 이내는 70% 정도로 근거리 운전자들 비율이 많았다. 이를 근거로 단거리(50마일 이 내)를 전기로만 주행하고(CD, Charge Depletion), 그 이 상에서는 HEV 모드(CS, Charge Sustaining)로 전환되는

PHEV 개념이 도입되었다. 이는 기존 가솔린 주행 장점 을 유지하면서 충전은 심야의 여유시간 및 여유전력을 사용함으로써 소비자의 입장에서 불편함을 느끼지 않게 하는 것이다. Table 4에 Freedom Car에서 제시하고 있 는 PHEV 성능 목표값을 나타내었다. 순수 전기 주행거 리 10마일과 40마일 두 가지가 있으며 1kWh당 주행거 리는 대략 3마일 내외로 설계되었다. 또한 CS모드에서 HEV 작동이 되도록 적은 SOC(State Of Charge) 구간에 서도 충분한 출력 및 저온특성 등이 만족되어야 한다. 따 라서 PHEV용 배터리는 충분한 CD구간을 확보하기 위 해서 고에너지밀도를 가져야 하며 CS구간에서 HEV모 드가 구현되기 위해 고출력을 가져야 한다. Fig. 4에 PHEV용으로 개발되고 있는 LIB 단전지의 출력특성 예 를 나타내었다. 8C율(7.5분 이내)에서 전체 용량의 95%

Table 3. 전지 종류별 성능 비교

항목 납축전지 NiMH LiB(or LIPB)

공칭전압(V) 2.0V 1.2V 3.75V

중량(Kg) △ ◎

체적(l) △ ◎

에너지 밀도(Wh/kg) △ ◎

출력밀도(kW/kg) △ ◎

저온특성(kW) ◎

자기 방전 15% / 월 15% / 월 < 5% / 월

메모리효과 △ △ ◎

수명 △

안전성/신뢰성 ◎ △

양산 검증 ◎ △

Price ◎ △

환경 오염 물질 함유 납, 황산 함유 없음 없음

NiMH : Nickel Metal Hydride, LIB : Lithium Ion Polymer Battery, LIPB : Lithium Ion Polymer Battery

Table 4. Freedom CAR PHEV 목표

특성 PHEV 10 PHEV 40

순수 전기 주행거리 miles 10 40

CD 모드 에너지 kWh 3.4 11.6

CS 모드 에너지 kWh 0.5 0.3

CS HEV cycle cylces 300,000 300,000

Calendar Life, 35℃ yeae 15 15

Battery 최고 무게 kg 60 120

Battery 최고 부피 L 40 80

작동온도 ℃ -30 ~ +52 -30 ~ +52

Survival 온도구간 ℃ -46 ~ +52 -46 ~ +52

Battery 가격(100k/년 기준) ＄ 1,700 3,400

Table 2. 전기자동차 종류별 배터리의 요구 특성

특성 HEV PHEV BEV

*

에너지(kWh) < 2 5~15 > 15

**

출력(W/kg) > 2,500 > 2,500 or ~2,500 1,000 ~ 2,000

**

단전지 용량(Ah) 5~10 10~25 25~100

**

에너지밀도(Wh/kg) 50~100 120~160 140~170

**

싸이클특성(회) 3,000 3,000 2,000

**

저온특성 -20 ~ -30℃ -10 ~ -30℃ -10 ~ -30℃

**

고온특성 45~65℃ 45~65℃ 45~65℃

*

Battery 기준,

단전지 기준

Fig. 3. HEV용 단전지 성능 비교 (LIB vs Ni/MH).

Power Density, W /L

10000

8000

6000

4000

2000

0

LIB NIMH

이상을 방전하는 고출력의 전지임을 알 수 있으며 CS 구 간에서도 충분한 출력을 발휘할 수 있도록 설계되었다.

그러나 PHEV의 경우 무거운 배터리를 탑재(다량의 고 가 단전지)하고 또한 기존 엔진을 사용하여야 하기 때문 에 가격적인 측면에서 매우 불리하다. 이를 개선하기 위 해서는 엔진을 제거하고 순수 전기로만 주행되는 BEV 가 최종 목표가 되어야 한다.

2.2.2. BEV용 용 이 이차 차전 전지 지의 의 성 성능 능

Fig. 5에는 미쯔비시자동차의 i-MiEV의 배터리 구조 및 단전지 사양을 나타내었다. 배터리는 차량 밑바닥으 로 탑재되어 수납 공간을 최대한 활용하도록 설계되었다.

단전지 용량은 50Ah급으로 대형이며 에너지밀도는 109Wh/kg으로 Table 2에서처럼 BEV용 전지의 요구특 성에는 못 미치고 있다. 즉 BEV용 배터리에서는 에너지 밀도를 최대한 높여야 하며 또한 배터리 제조시 수십 ~ 수백 개의 단전지를 연결할 때 최대 팩킹구조로 설계되 어야 한다. 또한 대형전지이기 때문에 안전성 및 신뢰성 이 높게 설계되어야 하며 가격경쟁력이 있도록 저가 고 안전성 소재, 단순한 공정 등을 고려해야 한다. Table 5 는 현재 고려되거나 개발되고 있는 전기자동차용 LIB의 주요 소재를 나타내었다. 안전성과 가격을 위해 LiMn

O

, LiFePO

양극소재 등이 고려되고 있으며 고에너지밀도 를 위해 LiNiCoAlO

혹은 LiNiCoMnO

등이 개발되고 있다.

Fig. 6은 최근 현대자동차에서 개발한 BEV의 성능이 다. 여기에 사용된 배터리는 Fig. 5의 i-MiEV용 배터리 에 비해 에너지밀도를 대폭 늘린 것이 특징이다. 하지만

Fig. 4. PHEV용 LIB 단전지의 고율(출력)특성.

Fig. 5. i- MiEV 배터리 및 단전지 사양.

4.5

4

3.5

3

2.5

Voltage (V)

Capacity(Ah)

0 5 10 15 20 25 30

주행거리는 200km 이상을 구현하지 못하고 있으며 이는 단전지에 사용하는 소재의 용량을 현재보다 최소 50%

이상을 증가시켜야 가능하다. 이러한 고성능 소재개발을 위해 전세계적으로 총성 없는 전쟁을 벌이고 있으며, 이 러한 단전지용 핵심소재 개발 현황에 대한 내용은 2.3 절 에서 자세히 기술하고자 한다.

Fig. 7은 BEV용으로 개발하고 있는 50Ah급 LIB의 성능을 보여준다. 0.1C(10시간율 방전) 대비 5C(12분율 방전) 방전은 99%로 매우 우수한 출력특성을 보여주고 있다. 이러한 고출력 특성은 전극 소재 및 조성, 전극의

박막화, 전해질 이온전도도, 단전지 크기와 관련된 form ratio, 공정 최적화 등 다양한 요소들과 관련되어 있다.

이렇게 개발된 단전지는 성능뿐만 아니라 안전성이 확보 되도록 설계되어야 한다. 단전지 안전성 규격에 대해서 는 2.4장에서 논의하기로 하고 Table 6에 EUCAR에서 안전성 시험시 안전성 수준에 대해 제안하고 있다. Table 6 에 설명되어 있는 것처럼 L0에 가까울수록 안전성이 우 수하다. 어느 수준이 최소 기준점인가에 대해서는 성능, 가격 등을 고려하여 전지제조업체, 자동차업체에 따라 의견이 다르지만 통상 L4 이상을 요구하고 있다.

2.3. 전기자동차용 리튬이차전지 핵심 소재 기술 리튬이차전지의 핵심소재로는 충전 시 리튬이온을 제 공하는 양극(cathode), 리튬이온을 저장하는 음극(anode),

Fig. 7. BEV용 LIB 단전지의 고율(출력)특성.

Fig. 6. 현대자동차에서 개발한 BEV ‘블루온’사양.

Table 5. 전기자동차용 전지의 주요 소재 및 전지 종류

전지 type 단계 현황 개발 / 생산 주체

NiMH 상용화 Toyota HEV에 적용 양산 중 일본 PEVE

HONDA, Ford HEV에 적용 양산 중 일본 Sanyo

LiMn

O

계, Laminated 일본 AESC(Nissan)

LiMn

O

계, 각형 일본 LEJ(Mitsubishi)

LiMn

O

계, 원통형 일본 Hitachi

LiMn

O

계, blend, Laminated 한국 LG화학

LIB type Pilot LiMn

O

계, 각형/원통형 한국 SB Limotive

LiNiCoAI계, 원통형 일본 PEVE(Toyota)

Blend, 원통형 일본 Sanyo

LiFePO

계, 각형 중국 BYD

LiFePO

계, 원통형 미국 A123 Systems

*출저 : Hiedge(2007/8/9), SK 에너지 조사 자료 *PEVE : Panasonic Electric Vehicle Energy, Automotive Energy Supply Co,.

*LEJ : Lithium Energy Japan

0 10 20 30 40 50 60 capacity(Ah)

Voltage(V)

4.5

4

3.5

3

2.5

양극과 음극에서 발생한 전자가 외부회로를 통해 일을 할 수 있도록 내부 단락을 방지하는 분리막(separator), 리튬이온이 이동할 수 있는 공간과 환경을 제공하는 전 해액(electrolyte)이 있다. 양극소재는 2차원 층상 또는 3 차원 스피넬 결정구조를 갖고 리튬이온을 가역적으로 저 장/방출하는 과정을 통해 에너지 소비/저장을 반복하게 된다. 양극소재의 대부분은 산화물이기 때문에 결정구조 가 붕괴될 때 산소를 발생시켜 전지의 발화 및 폭발에 결 정적인 원인이 되곤 한다. 전해액은 리튬염, 유기용매, 첨 가제 등으로 구성된다. 리튬염으로 가장 많이 사용되는 것은 LiPF

이며 용매로는 리튬염을 쉽게 해리시키기 위 한 높은 유전상수의 용매와 리튬이온의 이동성을 높이기 위해 점도를 떨어뜨리는 낮은 유전상수의 용매가 혼합되 어 사용된다. 첨가제는 사이클 특성, 출력 특성, 안전성 등 을 개선하기 위해 소량 첨가되어 사용된다. 분리막은 양 극과 음극을 전기적으로 절연시켜 전자가 외부회로로 이 동할 수 있도록 하는 동시에 전해액을 함습시켜 리튬이 온의 이동을 원활하게 하는 역할을 한다. 따라서 분리막 은 다공성구조를 가져야 하며 기계적으로 강해야 한다.

다공성의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 막을 단일 층으로 사용하거나 두 고분자 막을 교대로 적층하여 다층막으로 사용하기도 한다. 전지가 과충전되거나 오용되어 열이 발생하면 고분자인 분리막은 수축되고 양극과 음극이 직 접 맞닿게 되어 전지의 발화 또는 폭발이 일어난다. 전지 의 안전성을 향상시킬 목적으로 분리 막의 열 수축율을 감소시키는 연구가 진행되었으며 분리막 위에 세라믹을

코팅하는 방식의 CCS(ceramic coated separator)가 개발 되었다. CCS를 적용하는 경우 열수축을 최소화시킬 수 있어 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

전기자동차용 전지가 갖추어야 할 중요한 특성은 에너 지밀도와 안전성이며 에너지밀도를 결정하는 가장 중요 한 재료는 양극과 음극이다. LIB의 안전성 향상을 위해 서는 각 핵심소재의 종합적인 개선이 필요하지만 양극소 재의 열 안전성을 확보하는 것이 가장 중요하다. 지금부 터는 양극과 음극소재의 최근 연구 동향에 대해서 살펴 본다.

자동차용 전지의 음극으로 흑연계, 하드카본 및 소프 트카본이 주로 사용되고 있으며(Fig. 8), 고용량화를 위 해서 실리콘과 주석 등이 개발되고 있다. 실리콘은 주로 사용되고 있는 음극재료인 흑연(372mAh/g)보다 이론용 량이 10배 이상 큰 재료이다. 그러나 리튬이온의 흡장에 의해 부피변화가 400%에 이르기 때문에 충방전을 반복 하는 사이에 결정구조가 파괴되어 사이클 수명을 확보하 기 어렵다. 이 때문에 기존의 흑연과 혼합하여 공극을 만 들어 줌으로써 부피팽창을 완화하는 방법과 산화규소 (SiO) 등으로 합금화하여 흑연을 섞는 SiO-C 복합재료 등이 유력한 후보로 부상하고 있다

.

최근 주목을 받고 있는 또 다른 음극재료로는 도시바 가 실용화한 리튬티탄산화물(Li

Ti

O

, LTO)이 있다.

현재 음극의 대표소재인 흑연의 경우 Li/Li

환원 전위와 유사한 값에서 리튬이온의 흡장이 이루어지기 때문에 리 튬금속이 석출될 위험이 있고, 또한 계면에 전해액과의 Table 6. EUCAR 안전성 Leve

Hazard Level Classification Criteria, Effect

0(L0) No effect No effect, no loss functionality

1(L1) Passive protection activated No defect, no leakage, no venting, no fire or flame, no rupture, no explosion, no exothermic reaction or thermal runaway, cell reversibly damaged, repair of protection device needed 2(L2) Defect, Damage No leakage, no venting, no fire or flame, no rupture, no explosion, no exothermic reaction or

thermal runaway, cell irreversibly damaged, repair of protection device needed

3(L3) Leakage △m < 50% No venting, no fire or flame, no rupture, no explosion, weight loss < 50% of the electrolyte weight Electrolyte = solvent + salt

4(L4) Venting △m ≥ 50% No fire or flame, no rupture, no explosion, weight loss ≥ 50% of the electrolyte weight 5(L5) Fire or flame No rupture, no explosion, i.e. no flying parts

6(L6) Rupture No explosion, but flying parts, ejection of parts of the active mass

7(L7) Explosion Explosion, i.e. disintegration of the cell

화합물을 형성하기 쉬운 단점이 있다. 이에 비해 LTO의 리튬이온 흡장/방출전위는 Li/Li

환원 전위보다 충분히 높고 계면에서 전해액과의 반응물과 리튬이 석출되지 않 기 때문에 뛰어난 안전성과 우수한 고율 특성을 갖고 있 다. 또한 3차원구조의 산화물이기 때문에 부피팽창이 매 우 작아 뛰어난 사이클 수명을 갖고 있다. 그러나 LTO 의 리튬이온 흡장/방출 전위는 리튬 대비 1.5 V 정도로 높 기 때문에 현재 사용되고 있는 양극재료와 단전지를 구 성하면 동작전압이 2.4 V 정도까지 낮아지고 이론용량 도 감소하여 에너지밀도 향상에 한계가 있다. 이러한 문 제를 해결하기 위해 5 V계 양극재료와 조합하여 전압을 높이거나, 대용량 실리콘 합금재료 등과 복합화하는 방 법들이 제안되고 있다.

현재의 리튬이온전지는 양극재료로 리튬코발트산화물 (LiCoO

)과 3원계 등 층상구조의 리튬금속산화물 (LiMeO

,)을 비롯해 리튬망간산화물(LiMn

O

)로 대표되 는 스피넬계 재료(LiMe

O

), 그리고 리튬철포스페이트 (LiFePO

)와 같은 올리빈(Olivine)계 재료(LiMePO

)를 사 용하고 있다(Fig. 9). 특히 자원의 풍부성과 안전성 측면 에서 주목을 받고 있는 올리빈계 재료는 전기전도성이 낮아 상용화가 어렵다고 생각되어 왔으나, 미국 MIT와 미 국 A123 Systems 등이 LiFePO

의 입자 크기를 줄이고 탄 소코팅 등의 방법을 통해 고출력 용도로 사용할 수 있는 리튬이온전지를 실용화하는데 성공하였다

. 일본 소니에

서도 LiFePO

를 양극으로 하는 장수명, 고출력의 리튬이 온전지를 상용화하는데 성공하였다

. 나노 크기의 입자 합성 및 탄소코팅은 대량합성 과정에서 어려움을 야기할 수 있지만 전도성이 낮았던 재료도 양극재료로 이용할 수 있는 여지가 생겨남에 따라 유망 재료 후보군도 급속 히 늘어났다. 실제로 올리빈계 중에서 전압을 높일 수 있 는 리튬망간포스페이트(LiMnPO

)의 개발이 활발히 진 행 중이다

. 리튬에 대한 전위가 3.4V 정도밖에 되지 않 는 LiFePO

에 비해 LiMnPO

는 전위를 4.2V까지 높일 수 있지만 LiMnPO

는 전기 전도성이 더 낮기 때문에 입 자의 크기를 더욱 작게, 그리고 탄소코팅을 보다 치밀하 게 해야 하는 어려움이 있다

.

층상구조와 스피넬계 가운데에도 5V 수준의 양극재료 를 목표로 개발이 진행되고 있는데, 최근에 주목을 받고 있는 것으로는 Li

MnO

-LiMO

(M은 Ni, Co, Mn) 조성 의 고용체계 재료로, 층상구조이면서도 실현 용량이 층 상구조 재료의 이론치인 275mAh/g을 능가할 가능성이 제기되면서 화제를 모으고 있다. 이 재료는 미국 아르곤 국립연구소(ANL)에서 개발하였으며 Envia, Toda 등에서 전지 특성 향상 및 양산화에 힘쓰고 있다. 이러한 고용체 계 이외에도 불소화 올리빈계(Li

MePO

F)와 규산염계 (Li

MeSiO

)

등도 활발하게 연구 개발되고 있다.

현재의 리튬이온전지 재료들을 1세대라 한다면 2015~2020년을 상용화 목표로 개발 중인 제품들은 2세

Fig. 8. 전기자동차용 전지의 음극재.

대로 분류할 수 있다. 2세대 제품의 목표는 현재보다 2배 높은 200~300 Wh/kg의 에너지밀도를 구현하는 것이다

. 그러나 2세대 소재 역시 기존소재를 개량하는 수준에 머 물 것으로 보인다. 전기자동차가 내연기관 차량을 완전 히 대체하기 위해서는 리튬이온전지의 소재기술의 획기 적인 진보가 필요하다. 혁신적인 개념의 재료를 도입하 는 포스트 리튬이온전지(post lithium ion battery)로는 음극으로 리튬금속을, 양극으로는 양기능성 촉매(bi-

functional catalyst)를 사용하는 리튬공기전지(lithium air battery)와 현재의 액체전해질을 고체전해질로 대체하는 전고체전지(all solid battery) 등이 있다. 리튬공기전지는 내연기관에 필적할만한 700 Wh/kg 수준의 에너지밀도 를 갖고 있으나 리튬금속과 전해액과의 반응을 제어하기 위한 보호막 기술과 공기와 리튬이온과의 반응을 가역적 으로 진행시킬 수 있는 신규 촉매 및 전해액 기술 개발이 선행되어야 한다. 전고체전지는 고체전해질의 낮은 리튬

Fig. 9. 전기자동차용 전지의 양극재.

Fig. 10. 일본 자동차용 이차전지 중장기 로드맵.

이온 전도도를 극복해야 하며 전해질이 고체로 바뀌면서 전극과의 계면에서 발생하는 접촉저항의 증가 문제 또한 해결되어야 한다. 이러한 기술들은 10년 이상 개발이 필 요할 것으로 보이며 리튬공기전지의 경우에는 2020년 이후에야 상용화가 가능할 것으로 보인다. 일본의 신에 너지산업기술종합개발기구(NEDO)에서는 2030년을 목 표로 전고체전지 및 리튬공기전지의 개발 과제를 추진하 고 있다(Fig. 10).

2.4. 중대형 이차전지 표준화 동향

2.4.1. 이 이차 차전 전지 지의 의 국 국제 제규 규격 격제 제정 정 담 담당 당 기 기구 구

이차전지의 국제표준 업무를 담당하는 표준화 기구는 IEC(International Electrotechnical Commission) 및 ISO(International Organization for Standardization)이다.

이 중 이차전지관련 표준화 활동은 IEC의 TC 21 (Secondary cells and batteries), TC69(Electric road vehi- cles and electric industrial trucks) 및 SC21A (Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes)이며, ISO TC22/SC21/WG3(Lithium ion trac-

tion batteries)에서도 전기자동차용 리튬이차전지 평가규 격을 담당하고 있다.

2.4.2. 전 전기 기자 자동 동차 차용 용 중 중대 대형 형 이 이차 차전 전지 지 표 표준 준화 화 동 동향 향 전기자동차용 구동전원으로 사용되는 중대형 리튬이 차전지의 표준제정작업은 2008년 3월 독일의 제안으로 시작되었다. 독일은 전기자동차 분야의 국제표준을 주도 하기 위한 목적으로 고출력형 리튬이차전지 시스템의 평 가표준을 국제표준기구인 ISO에 제안하였다. 독일에게 표준선점을 빼앗긴 일본은 경쟁적으로 IEC에 리튬이차 전지 평가표준을 제안하였다. 독일과 일본에 의해 시작 된 표준선점 경쟁은 ISO와 IEC의 역할분담 문제로 발전 하게 되었다. 이에 양 국제표준기구는 2008년 말 개최된 제네바회의를 통하여 전기자동차용 리튬이차전지 단전 지 평가규격은 IEC에서, 리튬이차전지 팩 및 시스템 평 가규격은 ISO에서 각각 맡아서 제정하기로 합의하였다.

Fig. 11은 이때 합의된 단전지, 팩 및 시스템 구분의 정 의를 나타낸다.

현재 IEC에서는 전기자동차용 리튬이차전지 단전지의 성능 및 안전성평가 기준인 IEC 62660-1(성능규격) 및

Table 7. 이차전지 규격제정을 담당하는 국제표준화 기구

TC / SC* Working Group (WG)

○ WG2 : Starter batteries

○ WG3 : Traction and stationary batteries

○ WG6 : Maintenance of IEC 61056 series

IEC TC21 ○ JWG21A : Secondary batteries for aircraft and aerospace applications (Secondary cells/batteries) ○ JWG35 : TC21/SC21A/TC35 - IEV Chapter 481 and 486

○ JWG69 : TC21/JWG69 - Secondary batteries for propulsion of electric and hybrid - electric road vehicles

○ JWG82 : TC21/SC21A/TC82 - Secondary lead-acid and NiCd batteries for photovoltaic electricity storage systems

○ PT62485 : Safety requirements for secondary batteries and battery installations

○ WG1 : Vented secondary cells/batteries containing alkaline electrolyte IEC SC21A ○ WG2 : Sealed secondary cells/batteries containing alkaline electrolyte (Secondary cells/batteries ○ WG3 : Secondary lithium cells

containing alkaline or other ○ WG4 : Safety and mechanical tests on secondary cells/batteries non-acid electrolytes) ○ WG5 : Large Capacity Lithium Batteries

○ JWG35/ISO : Secondary lithium micro batteries

○ WG2 : Motors and motor control systems IEC TC69 ○ WG4 : Power supplies and chargers

(Electric road vehicles and ○ TC 21/JWG 69 Li : Lithium for automobile/ automotive applications

electric industrial trucks) ○ TC 21/JWG 69 Pb-Ni : Lead Acid and Nickel based systems for automobile/automotive applications

○ PT 62576 - Electric Double-Layer Capacitors ISO TC22/SC21

○ WG3 : Lithium Ion traction Batteries (Electrically propelled road vehicles)

*TC : Technical Committee / SC : Sub-Committee

JWG : Joint Working Group, PT : Project Team, MT : Maintenance Team

IEC 62660-2(안전성 규격) 규격의 작업을 진행하고 있 으며, ISO에서는 전기자동차용 리튬이차전지 팩/시스템 의 성능, 신뢰성/안전성평가 기준인 ISO 12405-1(고출력 형 전지) 및 ISO 12405-2(고에너지형 전지) 규격 작업을 진행 중이다.

2.4.2.1. 전 전기 기자 자동 동차 차용 용리 리튬 튬이 이차 차전 전지 지단 단전 전지 지평 평가 가규 규격 격(IEC)

IEC 62660-1 규격은 단전지의 성능평가기준을 규정하 고 있다. 이 규격의 제정단계는 FDIS(Final Draft International Standard)로서 기술적인 검토가 완료되었으 며, 2010년 말 또는 2011년 초, 제정을 앞두고 있다. 이 규격은 크게 단전지의 저장능력, 에너지, 사이클성능, 출 력성능 및 에너지효율성능을 평가하도록 규정하며 각 시 험 항목은 HEV용 단전지와 BEV용 단전지에 대해서 각

각의 평가조건을 다르게 적용한다.

예로서, Fig. 12는 10초 충·방전 및 10분 휴지를 갖는 조건으로 설계된 출력평가방법을 개략도로 나타낸 것이 며, 일정 충전범위 안에서 충전과 방전이 반복되는 형태 로 사이클을 수행하는 HEV용 단전지의 평가방법 및 완 전 충전상태에서 방전 강도가 다른 패턴의 반복 방전을 통해서 사이클을 수행하는 BEV용 단전지의 평가방법을 나타낸 것이 Fig. 13이다.

IEC 62660-2 규격은 단전지의 안전성평가기준을 규정 하고 있다. 이 규격 또한 FDIS 단계로서 2010년 말 또는 2011년 초, 제정을 앞두고 있다. 단전지의 안전성은 진 동, 충격, 압착시험으로 구성된 기계적 안전성시험, 고온 저장 및 온도사이클시험으로 구성된 열적 안전성시험, 외부단락, 과충전 및 강제방전시험으로 구성된 전기적

Fig. 11. 리튬이차전지 단전지, 전지팩 및 전지시스템의 구분. (a) BCU가 내부에 장착된 경우, (b) BCU가 내부에 장착된 경우.

Fig. 12. 전기자동차용 리튬이차전지 단전지의 출력평가 방법.

(a) (b)

안전성시험으로 구분된다.

이 규격에 규정된 시험항목과 기존 규격의 시험항목의 큰 차이점은 압착시험과 온도사이클시험이다. 즉, 반원기 둥 또는 반 구형태의 지그를 사용하여 전지를 압착하여 전지의 안전성을 평가하며 (Fig. 14), Fig. 15와 같이 온 도사이클시험 시에는 주변온도만을 변화시키는 기존 규 격조건과는 달리 동시에 전지의 충·방전을 병행하도록 규정하고 있다.

2.4.2.2. 전 전기 기자 자동 동차 차용 용 리 리튬 튬이 이차 차전 전지 지 전 전지 지팩 팩/시 시스 스템 템 평 평가 가규 규 격

격(ISO)

ISO 12405-1 규격은 하이브리드형 전기자동차에서 요 구하는 고출력형 전지팩/시스템의 성능, 신뢰성 및 안전 성평가기준을 규정하고 있다. 이 규격 또한 기술적 검토 가 완료된 DIS 단계로서 2010년 말 또는 2011년 초, 제정 을 앞두고 있다.

이 규격의 특징은 전기자동차 메이커위주로 작성된 점

이다. 여러 메이커의 전지 중 성능이 우수한 전지를 채택 하여 전기자동차에 적용해야 하는 자동차메이커에게 유 리하도록 비교적 많은 시험항목이 규정되어 있으며, 각 항목 안에서의 조건 또한 전지의 장·단점을 파악할 수 있도록 상세히 구성되어 있다.

순수 전기자동차와 같이 고에너지밀도형 전지팩/시스 템의 성능, 신뢰성 및 안전성평가기준은 ISO 12405-2 규 격에서 다루고 있다. 이 규격은 현재 CD(Committee Draft)단계로서 1년 이상의 작업시간이 예상된다. 이 규 격은 ISO 12405-1 규격과 거의 동일한 구성을 갖지만 고에너지밀도형 전지인 PHEV용 및 BEV용 전지를 평 가할 수 있도록 세부 조건의 차이를 나타낸다.

2.4.3. 전 전력 력저 저장 장용 용 리 리튬 튬이 이차 차전 전지 지 평 평가 가규 규격 격(IEC)

전력저장용 리튬이차전지는 전기자동차용 전지와 더 불어 중대형 리튬이차전지의 또 다른 한 분야를 차지한 다. 이 전지의 평가규격 논의는 2008년에 이미 시작되었

Fig. 13. 전기자동차용 리튬이차전지 단전지의 사이클수명평가 방법.

Fig. 14. 압착시험 방법. Fig. 15. 온도사이클시험 방법.

지만 그간 산업적 활용도의 부재로 인해 작업이 사실상 이루어 지지 않다가 프랑스의 SAFT사와 일본의 GS Yuasa사의 요구에 의해 2010년부터 다시 제정 논의를 시작하였다.

하지만 전기자동차용 전지와는 달리 전지 용량의 범위 가 광범위하기 때문에 규격의 규정 범위를 설정하는 단 계에서부터 많은 어려움을 겪고 있다. 전력저장용 전지 를 한 개의 규격으로 규정하는 방법과 용도별 규격을 제 정하는 방법 등이 논의되고 있지만 2011년 5월 개최 예 정인 IEC 회의에서 본격적으로 작업이 진행될 것으로 예 상한다.

3. 결론

친환경자동차 중의 하나인 전기자동차 성공여부는 주 요부품인 배터리의 성능에 의해 좌우되며 배터리는 미래 산업을 주도해 갈 핵심부품 전략사업이다. 전기자동차중 HEV용 배터리는 기존 상업화되어 있는 Ni/MH 전지가 주종을 이루고 있으나 출력밀도, 에너지밀도 등에서 앞 서 있는 LIB로 점차로 대체가 이루어질 것으로 전망된 다. 그러나 HEV의 경우 순수 배터리에 의한 주행은 한 계가 있으며 이를 보완하기 위해 미국을 중심으로 PHEV 개념이 도입되었으며 BEV가 본격 상업화 되기전까지 HEV와 함께 주종을 이룰 것으로 전망된다. BEV의 경 우 일본의 미쯔비시자동차의 i-MiEV 상업화와 현대자동 차의 블루온 개발 등이 이루어지고 있으나 1회 충전시 최대 160km 이하로서 장거리 여행하는데 한계를 보이고 있다. 최소 200km 이상의 주행거리를 내기 위해서는 배

터리의 성능이 지금보다 최소 50% 이상이 되어야 한다.

이를 위해서는 음극 및 양극의 고용량화가 필수적으로 따라야 하며 일본의 경우처럼 단기, 중장기적인 로드맵 을 가지고 각 해당되는 요소기술들을 찾아 개발해 나가 야 한다. 또한 현재 IEC/ISO를 중심으로 진행되고 있는 중대형 단전지, 팩 및 시스템 관련 국제 표준화 제정, 개 선에도 적극 참여를 하여 선진사를 중심으로 이루어지고 있는 기술흐름을 익히고 이를 바탕으로 최고의 기술을 개발하고 주도할 수 있도록 하여야 하겠다. 1회 충전으 로 500km 이상을 달리고 있는 BEV를 꿈꾸어 본다.

참고문헌

1. 지식경제부‘정책연구개발사업’ , 최종보고서, 2009.1.

2. ASBEC ‘인력양성사업’ , 기업맞춤형 교육, 2008.8.

3. IIT 2009, ‘The 26

International Battery Seminar &

Exhibit’ , 2009.3.16.

4. SK에너지 기술조사 자료, 2010.6.

5. Nikkei Electronics, ‘Hitachi Maxell to Launch Li-ion Battery Using Si-based Anode Material’ , 2010.04.26.

6. NIKKEI ELECTRONICS, ‘리튬이온전지 기술동향’ , 2010.05.

7. Nikkei Electronics Asia, Lithium ion Secondary Battery, 2009.08.12.

8. News Release, ‘인산리튬망간 개발에 성공’ , 스미토 모 오사카 센터 주식회사, 2010.03.18.

9. Yu, F; Zhang, JJ; Wang, CY; Yuan, J; Yang, YF; Song, GZ, Progress In Chemistry, Vol. 22, 2010.

10. Secondary Batteries for the Propulsion of Electric Road Vehicles - Part 1: Performance Testing for Lithium- ion Cells, IEC FDIS 62660-1.

11. Secondary Batteries for the Propulsion of Electric Road Vehicles - Part 2: Reliability and Abuse Testing for Table 8. ISO 12405-1 규격 내용

General tests Performance tests Reliabiliy tests Abuse tests

Pre-conditioning cycles Energy and capacity at RT Dewing Short circuit protection

Standard cycle Energy and capacity at different temp. & discharge rates Thermal shock cycling Overcharge protection

Standard discharge Power and internal resistance Vibration Overdischarge protection

Standard charge No load SOC loss Mechanical shock

SOC loss at storage

Cranking power at low temperature Cranking power at high temperature Energy efficiency

Cycle life

Lithium-ion Cells, IEC FDIS 62660-2.

12. Electrically Propelled Road Vehicles- Test Specification for Lithium-Ion Traction Battery Systems-Part 1: High Power Applications, ISO DIS 12405-1.

13. Electrically Propelled Road Vehicles- Test Specification for Lithium-Ion Traction Battery Systems- Part 2: High Energy Applications, ISO CD 12405-2.

이 존 하

1995년 한국과학기술원 재료공학과 박사 1998년 태일정밀㈜ 리튬이온전지 개발 책

임연구원

2005년 SKC㈜ 리튬이온전지 수석연구원 2009년 SK모바일에너지㈜ 연구개발실장 2010년 SK에너지㈜ 기종개발그룹 리더

선 희 영

1998년 일본 三重대학 초빙연구원 2000년 서울대학교 에너지자원공학 박사 2000년 삼성종합기술원 전문연구원 2010년 SK에너지 대덕 기술원 수석연구원

김 현 수

1997년 Tohoku University 공학박사 1991년 한국기계연구원(KIMM) 연구원 1997년 동북공업기술연구소(일본) 연구원 2000년 한국전기연구원 전지압전연구센터,

센터장

엄 승 욱

2008년 한양대학교 공학박사

2008년 한국전기연구원 전지압전연구센터 책임연구원