21세기에 접어들면서 기후 변화로 인한 CO2 가스 규제 심화, 화석연료의 고갈 등의 문제로 신재생에너지, 전기자동차(EV, Electric Vehicle), 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)가 이슈화 되고 있으며, IT시대로 도약함에 따라서 Black out을 예방하기 위한 비상 전력 시스템인 UPS(...
21세기에 접어들면서 기후 변화로 인한 CO2 가스 규제 심화, 화석연료의 고갈 등의 문제로 신재생에너지, 전기자동차(EV, Electric Vehicle), 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)가 이슈화 되고 있으며, IT시대로 도약함에 따라서 Black out을 예방하기 위한 비상 전력 시스템인 UPS(Uninterruptible Power Supply)가 필수 설비로서 자리매김 하였다. 이러한 설비들의 핵심요소 중에 하나가 이차전지이며, 그 종류로는 납축전지(Lead Acid), 니켈-수소전지(Ni-MH), 니켈-카드뮴전지(Ni-Cd), 리튬이온전지(LIB, Lithium Ion) 등이 있다. 그중에서도 부피와 중량당 에너지밀도가 높고, 장수명인 리튬 이차전지가 현재 각광받고 있으며, 고성능을 구현하기 위한 리튬 이차전지 개발에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 또한, 최근 디젤차 이슈로 인해 배기가스를 적게 배출하는 친환경자동차로써 전기자동차에 대한 관심도 크게 부각되고 있다. 하지만 충전 시설에 대한 인프라 문제, 높은 가격 등의 문제로 인해서 기존의 내연기관 자동차에서 배터리를 교체하거나, 추가 장착함으로써 자동차의 연비를 개선할 수 있는 60 V 이하의 전압 영역을 갖는 저전압시스템(LVS, Low Voltage System)을 적용한 마이크로 / 마일드하이브리드 자동차가 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 LVS에 적용하기 위해 양극에 인산철계 활물질인 LiFePO4를 사용하여 20 Ah 셀을 제작하기 위하여 전지 설계 개선을 함으로써 LVS에 필수 조건인 저온 시동(CCA) 및 충전수입성 그리고 수명 평가를 통하여 기존의 제품보다 더 우수한 리튬이온 이차전지의 성능 개선을 시도하였다. 이를 개선하기 위해, 양극 집전체인 알루미늄 호일을 기존 Bare 호일에서 Etched 호일로 변경 적용함으로써 전기전도성을 향상시킴으로써 저온 성능 및 HPPC 평가에서 개선된 효과를 얻을 수 있었으며, 수명에서는 약 52%의 성능 개선의 효과를 얻었다. 이는 기존에 집전체로 사용되는 알루미늄 Bare 호일보다 Etched 호일 집전체의 결착성이 우수하고 비표면적이 증가하여 전기전도성 및 수명에서 유리한 것으로 판단되었다. 리튬전지 전극을 구성하는 도전재는 그 종류 및 형태에 따라 극판에 영향을 미치는 저항이 달라진다. 도전재로 사용되는 입자형태를 갖는 카본블랙 계열의 Super-P는 아세틸렌블랙계의 덴카블랙과 비교할 때 높은 전기전도성을 가지고 있으며, 이를 바탕으로 전지 열화를 감소시켜 사이클 수명이 향상되는 효과를 보여준다. 특히, 선형 도전재인 VGCF는 매우 높은 전기전도도를 보유하고 있어 양극과 음극 전극에 첨가할 경우에 전지의 열화를 감소시켜 입자형 도전재를 단독으로 적용한 경우와 비교할 때 약 15 ~ 20%의 수명 개선 효과를 나타내었다. 또한 전해질 조성을 개선하여 3C-rate의 고율에서 기존 전해질 대비 6.8%의 개선된 성능을 확보할 수 있었다. 전해질의 조성은 기존 전해질 1.15M LiPF6 EC(35) : EMC(55) : DEC (10)에 첨가제로써 PC 5wt%를 첨가하였을 때에 가장 좋은 성능을 나타내었고, 저온인 -20 ℃에서 상온 대비 72%의 용량 보존율을 나타내어 기존 전해질의 69%의 보존율 보다 3% 상승된 결과를 얻을 수 있었다. PC계열 첨가제의 경우 비가역 용량을 현저하게 낮춤으로써 음극(graphite)의 박리 현상이 억제되고 이로 인하여 고율 및 저온에서의 저항을 낮추는 것으로 판단되어진다. 이와 같은 결과를 종합적으로 개선한 리튬인산철 전지를 제조하여 국내 차량 제조 회사의 실증 평가 결과, 기존 연축전지 대비하여 LVS용 리튬전지를 장착하였을 때 연비가 2.5% 개선된 효과를 얻을 수 있었다.
21세기에 접어들면서 기후 변화로 인한 CO2 가스 규제 심화, 화석연료의 고갈 등의 문제로 신재생에너지, 전기자동차(EV, Electric Vehicle), 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)가 이슈화 되고 있으며, IT시대로 도약함에 따라서 Black out을 예방하기 위한 비상 전력 시스템인 UPS(Uninterruptible Power Supply)가 필수 설비로서 자리매김 하였다. 이러한 설비들의 핵심요소 중에 하나가 이차전지이며, 그 종류로는 납축전지(Lead Acid), 니켈-수소전지(Ni-MH), 니켈-카드뮴전지(Ni-Cd), 리튬이온전지(LIB, Lithium Ion) 등이 있다. 그중에서도 부피와 중량당 에너지밀도가 높고, 장수명인 리튬 이차전지가 현재 각광받고 있으며, 고성능을 구현하기 위한 리튬 이차전지 개발에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 또한, 최근 디젤차 이슈로 인해 배기가스를 적게 배출하는 친환경자동차로써 전기자동차에 대한 관심도 크게 부각되고 있다. 하지만 충전 시설에 대한 인프라 문제, 높은 가격 등의 문제로 인해서 기존의 내연기관 자동차에서 배터리를 교체하거나, 추가 장착함으로써 자동차의 연비를 개선할 수 있는 60 V 이하의 전압 영역을 갖는 저전압시스템(LVS, Low Voltage System)을 적용한 마이크로 / 마일드 하이브리드 자동차가 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 LVS에 적용하기 위해 양극에 인산철계 활물질인 LiFePO4를 사용하여 20 Ah 셀을 제작하기 위하여 전지 설계 개선을 함으로써 LVS에 필수 조건인 저온 시동(CCA) 및 충전수입성 그리고 수명 평가를 통하여 기존의 제품보다 더 우수한 리튬이온 이차전지의 성능 개선을 시도하였다. 이를 개선하기 위해, 양극 집전체인 알루미늄 호일을 기존 Bare 호일에서 Etched 호일로 변경 적용함으로써 전기전도성을 향상시킴으로써 저온 성능 및 HPPC 평가에서 개선된 효과를 얻을 수 있었으며, 수명에서는 약 52%의 성능 개선의 효과를 얻었다. 이는 기존에 집전체로 사용되는 알루미늄 Bare 호일보다 Etched 호일 집전체의 결착성이 우수하고 비표면적이 증가하여 전기전도성 및 수명에서 유리한 것으로 판단되었다. 리튬전지 전극을 구성하는 도전재는 그 종류 및 형태에 따라 극판에 영향을 미치는 저항이 달라진다. 도전재로 사용되는 입자형태를 갖는 카본블랙 계열의 Super-P는 아세틸렌블랙계의 덴카블랙과 비교할 때 높은 전기전도성을 가지고 있으며, 이를 바탕으로 전지 열화를 감소시켜 사이클 수명이 향상되는 효과를 보여준다. 특히, 선형 도전재인 VGCF는 매우 높은 전기전도도를 보유하고 있어 양극과 음극 전극에 첨가할 경우에 전지의 열화를 감소시켜 입자형 도전재를 단독으로 적용한 경우와 비교할 때 약 15 ~ 20%의 수명 개선 효과를 나타내었다. 또한 전해질 조성을 개선하여 3C-rate의 고율에서 기존 전해질 대비 6.8%의 개선된 성능을 확보할 수 있었다. 전해질의 조성은 기존 전해질 1.15M LiPF6 EC(35) : EMC(55) : DEC (10)에 첨가제로써 PC 5wt%를 첨가하였을 때에 가장 좋은 성능을 나타내었고, 저온인 -20 ℃에서 상온 대비 72%의 용량 보존율을 나타내어 기존 전해질의 69%의 보존율 보다 3% 상승된 결과를 얻을 수 있었다. PC계열 첨가제의 경우 비가역 용량을 현저하게 낮춤으로써 음극(graphite)의 박리 현상이 억제되고 이로 인하여 고율 및 저온에서의 저항을 낮추는 것으로 판단되어진다. 이와 같은 결과를 종합적으로 개선한 리튬인산철 전지를 제조하여 국내 차량 제조 회사의 실증 평가 결과, 기존 연축전지 대비하여 LVS용 리튬전지를 장착하였을 때 연비가 2.5% 개선된 효과를 얻을 수 있었다.
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