[논문]플러그인 하이브리드자동차용 리튬이온 이차전지

조만; 손영목; 나도백; 길상철; 김상우

플러그인 하이브리드자동차용 리튬이온 이차전지
Lithium-Ion Batteries for Plug-In Hybrid Electric Vehicle 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.19 no.2 = no.62, 2010년, pp.81 - 91

조만 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램) , 손영목 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램) , 나도백 (한국과학기술정보연구원) , 길상철 (한국과학기술정보연구원) , 김상우 (한국과학기술정보연구원)

초록
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플러그인 하이브리드자동차의 개발이 활발하다. 배전망으로부터의 전력을 수송에 사용함으로써 온실효과가스 배출과 화석연료소비를 저감시킨다. 향후 2030년까지의 플러그인 하이브리드자동차용 축전장치로는 리튬이온 이차전지가 가장 현실적인 기술이다. 리튬이온 이차전지 기술의 현황을 리뷰하고 장차 실용화될 것으로 전망되는 양극소재의 특성을 비교한다.

Plug-in hybrid electric vehicles(PHEVs) are gaining attention over the world due to their abilities to reduce $CO_2$ emission and gasoline/diesel consumption by using electricity from the grid. Lithium ion battery is one of the most suitable candidates as energy storage device for PHEVs applications up to 2030. This review focuses on the present status of lithium ion battery technology, then on comparison of the performance characteristics of the promising cathode materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 리뷰논문은 과학기술부가 주관하는 ReSEAT 프로그램의 성과물이다.
차량탑재용, 특히 PHEV용의 리튬이온 이차전지의 연구개발동향을 2007년 이후의 연구논문을 양극소재 위주로 리뷰한다.
환경친화형자동차 특히 2010년대로부터 2030년까지 본격적으로 보급될 플러그인 하이브리드자동차용 용의 리튬이온 이차전지의 최근 연구동향을 검토해 보았다. 탄소음극소재의 전류용량에 비하여 현재 개발되고 있는 양극소재의 전류용량이 상대적으로 작아 새로운 음극소재개발보다는 양극소재개발에 많은 자원이 투입되고 있다.

제안 방법

Li(Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25)O₂, Li(Ni_0.5Mn_0.3Co_0.2)O₂ 등의 LiMO₂(M:천이금속)층상구조 천이금속산화물에 LiFePO₄을 첨가하여 콤포짓화함으로써 사이클에서의 용량 유지율과 고방전율 성능을 향상시켰다.
또한 LiMn₂O₄ 입자에 활성탄소를 1 w% 코팅한 것과 2 w% 코팅한 것, 그리고 음극소재에 대한 양극소재 양의 두께를 변화시켜 5종의 시료를 만들고, 사이클 수 증가에 따라 용량이 어떻게 변하는가를 조사한 결과는 아래와 같다.
또한 NMC 층상구조물의 분율이 30%일 때에 사이클 성능과 방전용량이 가장 좋다는 것도 밝혔다. 여러 망간 스피넬 구조의 양극소재에 각종 금속산화물을 코팅하여 사이클 수 증가에 따르는 감쇄율을 측정하여 최적의 코팅물질을 찾는 연구도 진행했다.

대상 데이터

망간 스피넬 소재에 카본을 코팅하고 탄소섬유와 PVDF-HFP 바인더를 사용하였다.

성능/효과

- 나노 Li₄T₁₅O₁₂ 음극소재에 1% 카본 코팅한 LiMn₂O₄ 양극소자의 이론적 매칭비가 2일 경우에 1,000사이클이 넘는 동안에도 가장 우수한 성능을 보이고 음극소재의 활용률을 높인다는 점이 확인되 었다.
사이클 수 증가에 따른 감쇄 기울기가 큰 z=0인 경우를 제외하고 모두 양극소재의 특성이 향상되었음을 알 수 있고 불소 함량이 0.02~0.05 범위의 것이 표면 저항이 가장 작아 사이클 특성이 향상됨을 보인다.
가 개발되었다. 에너지밀도에서 15%, 질량 에너지밀도에서 20%의 향상을 보였으나 LiCoO₂보다 안정성이 낮았다. 니켈이온의 크기가 리튬이온 크기와 비슷하여 리튬면에 니켈이온이 차지하는 비율이 크게 되어 리튬이온의 탈리와 삽입을 저해하기 때문이다.
이들 측정치로부터 음극과 양극 활물질 사이의 리튬이온과 전자의 수송경로 모두에서 고율의 충/방전을 가능케 한다는 것이 밝혀졌다. 이러한 값은 커패시터가 갖는 출력특성을 실현할 수 있음을 보인다.
코발트의 도입량을 적절하게 조절하면 리튬면의 니켈 양을 줄이고 용량을 증대시킬 뿐만 아니라 사이클 기간 동안의 용량유지 효과도 보이며 구조적 안정성과 전기 전도성도 향상되었다.
표면 처리가 전혀 없는 것과 비교하여 용량 유지성능이 향상되었음을 알 수 있고, Al₂O₃를 2% 코팅한 LiMn_1.42Ni_0.42Co_0.16O₄ 스피넬 양극소재는 C/6~10C로충․ 방전 양을 증가시켜도 약 97%의 용량 유지율을 유지한다. 반면에 코팅이 없는 것은 같은 조건에서 55%의 유지율을 보이고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고용량 리튬이온 이차전지의 음극소재로는 어떤 계열의 소재가 개발되고 있는가?	고용량 리튬이온 이차전지의 음극소재로는 질량에너지밀도 800 Wh/kg인 hard carbon계와 1200 Wh/k인 흑연계가 널리 개발되고 있다. hard carbon계의 기술개발과제로는 용량 향상, 저온 입출력 및 저코스트화 등이 있고, 흑연계는 입력특성 개선과 리튬 석출 방지 및 수명 개량 등의 과제가 있다.
	리튬이온 이차전지란 무엇인가?	리튬이온 이차전지는 음극과 양극에서 리튬이온의 삽입과 탈리를 반복하면서 전지작용을 하는 이차전지이다. 이들 전극사이에 리튬이온은 이동하나 전자는 이동 못하는 리튬염 함유 전해질이 있다.
	리튬이온 이차전지의 양극소재로 유망한 철은 어떤 문제점이 있는가?	자연에 풍부하게 존재하고 가격이 저렴한 철은 천이금속으로서 리튬이온 이차전지의 양극소재로 유망 하다. 그러나 제조공정 의존성이 높아 고체상의 금속 원료를 혼합하고 소성하여 고체 사이의 반응을 이용 하는 고상반응(solid-state reaction) 등의 기존 제조공정으로는 양호한 충․방전 특성을 가지게 할 수 없으며, 입자경이 작을수록 방전용량이 크지만 입자경 제어가 특히 어려운 실정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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