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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국전지연구조합 |
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연구책임자 | 박홍규 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2017-07 |
과제시작연도 | 2016 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO201800040246 |
과제고유번호 | 1711041481 |
사업명 | 전자정보디바이스산업원천기술개발 |
DB 구축일자 | 2018-09-22 |
키워드 | 리튬이차전지.장수명.고안전성.양극활물질.실리콘계 소재.배터리 보호회로. |
핵심기술
ㅇ EV용 전지시스템 및 BMS(Battery Management System) 기술
- 셀 및 모듈의 과/부하(over/under), 전압/잔류/온도 센싱 및 제어 기술
- 전지 SOC 예측을 통한 자가 건강 진단 및 불량 검출 기술
ㅇ EV용 전지시스템 및 BMS(Battery Management System) 기술
- 고에너지, 장수명 양극 및 음극 소재 개선 기술
- 고에너지, 장수명 양극 및 음극 극판 기술
- 고밀도 극판 적용을 위한 안전성 확보 기술
최종
핵심기술
ㅇ EV용 전지시스템 및 BMS(Battery Management System) 기술
- 셀 및 모듈의 과/부하(over/under), 전압/잔류/온도 센싱 및 제어 기술
- 전지 SOC 예측을 통한 자가 건강 진단 및 불량 검출 기술
ㅇ EV용 전지시스템 및 BMS(Battery Management System) 기술
- 고에너지, 장수명 양극 및 음극 소재 개선 기술
- 고에너지, 장수명 양극 및 음극 극판 기술
- 고밀도 극판 적용을 위한 안전성 확보 기술
최종목표
ㅇ 친환경 EV 고에너지(12Wh급) 전원시스템용 BMS 및 원통형 LIB 기술 개발
- 에너지 12Wh(18650 기준), 수명 85%@300사이클, 모듈전압 20V 이상
- 소재 및 전지(용량) 시제품 인증기관 검증
개발내용 및 결과
□ 원통형 리튬이차전지
ㅇ 고용량의 Ni 83%의 NCM 양극활물질 선정을 통해 고용량 고에너지 밀도가 확보된 원통형 셀 개발 (GL80 적용)
ㅇ 도전재 및 바인더 조성 최적화를 통한 전극밀도 개선 및 셀 설계 최적화를 통한 전지 성능 개선
ㅇ 양극 원통형 셀에 GL80 적용 시 0.2C 정전류 기준으로 3,453mAh 용량 확보
- 평균 방전전압은 약 3.63V로 12Wh 이상(12.6Wh)의 용량 구현 달성
ㅇ 원통형 셀 상온 수명 평가
- 0.3/0.5C 원통형 셀 수명 평가 결과 기존 상용화품 대비 동등 이상 수준의 수명 특성 구현 (93.3%@200cycle)
ㅇ 원통형 셀 고온 수명 평가
- 0.3/0.5C 원통형 셀 수명 평가 결과 91.1% capacity retention의 고온 수명 특성 구현 (@200cycle)
ㅇ 원통형 셀 저항 증가율 평가
- 고온 수명 200cycle 후 저항 증가 약 4.3% 구현
ㅇ 원통형 셀 안전성 평가
- Radient Heat Test(RHT) 결과 100% 이상 pass
ㅇ 위와 같은 항목 모두 공인인증센터 한국산업기술시험원(KTL)에서 공인성적서로 평가 완료함
ㅇ 양산성 확보를 통한 셀 제작 MP scale 구현
ㅇ 모듈 방전 최대 출력 및 모듈 충전 최대 출력 6S로 측정 후 모듈 구성요소인 6S74P로 환산하여 각각 37kW, 36kW 구현
(직렬 연결에서 고출력이 얻어지는 것이 중요함)
□ 양극 및 음극 소재
ㅇ 양극 가역 에너지밀도 달성 및 충방전 효율 향상을 위한 조성 설계 및 소성, 세정, 표면개질 공정 확립
(용량 206mAh/g, 효율 91.6% 달성)
ㅇ 세정 공정 구축을 통해 Ni-rich계의 문제점인 Li 불순물을 저감시킴으로써 장기 신뢰성 확보 가능
ㅇ 전기화학 성능 향상을 위한 표면개질 최적화를 통한 출력 및 장수명 특성 확보
ㅇ 음극 가역 에너지 밀도 달성 및 충방전 효율 향상을 위한 Si-C 복합 소재 설계 및 표면 처리 기술 확보
ㅇ 음극재 고용량화 기술 확보를 위한 나노 실리콘 함량별 제품 그레이드 다양화 (450mAh/g, 600mAh/g)
개발내용 및 결과
ㅇ 나노 실리콘-흑연 복합화 공정 및 코팅 공정의 단일화를 통한 성능 개선 및 가격 경쟁력 확보
□ 과전압 보호 IC
ㅇ 과전압 검출 정밀도 확보를 위해 IC 내부 조정 저항값의 최적화 설계
- 과전압 검출 정밀도 : ±25mV
ㅇ 과전압 검출 지연시간 변동율 확보를 위해 LDO(Low Drop Out) 및 Oscillator 기준 전류값 최소화 설계
- 과전압 검출 지연시간 변동율 : 30%
ㅇ IC 주변회로 최적화 설계를 통해 소비전류 최소화
- 보호 IC 동작 중 소비전류 : 30uA
기술개발 배경
□ 원통형 리튬이차전지
ㅇ 원통형 리튬이차전지는 노트북, 전동공구, 파워뱅크에 적용이 되고 있었으며 전기 자동차의 개발 및 보급에 따라 수요가 급격히 증가
- Tesla社 Model S가 전기차 최초로 18650 원통형 리튬이차 전지를 적용하였고, 약 7,000여개의 전지를 병렬 방식으로 배열하여 전기 자동차에 원통형 전지 적용의 가능성 확인
- 위와 같은 성과로 전력구동 장치의 원통형 전지 수요가 급증
□ 양극 및 음극 소재
ㅇ 고용량 원통형 및 중대형 전지에 적용된 차세대 EV의 주행거리 향상을 위해서는 고용량 양극 및 음극 활물질 개발이 필수적임
ㅇ 이를 위해 고에너지밀도, 장수명, 고안전성을 목표로 구조적 안정성 및 표면 부반응 억제된 Ni-rich계 핵심 소재에 대한 연구개발이 활발히 진행 중
ㅇ 가장 많이 사용되는 음극재인 흑연의 한계용량 (360mAh/g)을 넘는 신규 음극재 개발이 필요하며, 이론용량 3600mAh/g의 실리콘 소재가 차세대 음극재로 연구 개발 진행 중
ㅇ 실리콘의 높은 가역용량에도 불구하고, 부피팽창으로 인한 수명 퇴화 발생으로 실제 전지 적용에 어려움
ㅇ 실리콘계 음극의 경우 국내외 학교, 연구소 및 기업체에서 SiO, Si-C, Si 합금 등의 다양한 소재의 연구 개발 중
기술개발 배경
□ 과전압 보호 IC
ㅇ 국내 이차전지 산업의 양적, 질적 확장을 위하여 전기차용 고에너지 원통형 리튬이차전지의 BMS 기술 선점이 필요
- 원통형 전지를 직병렬로 연결한 전기차용 배터리를 센싱하고 제어하기 위해 과전압 보호 IC가 적용된 BMS(Battery Management System) 기술의 개발이 요구
핵심개발 기술의 의의
□ 원통형 리튬이차전지
ㅇ 원통형 전지 신용도 시장 중 2018년 부터 폭발적 성장이 예상되는 전기차 시장에서 원통형 배터리 진입 필요성 대두
ㅇ 기존 원통형 전지의 용도(IT, 전동공구 등)와 다른 장수명에 대한 요구에 따라 강화된 안전성을 만족시킬 수 있는 차별화된 전지 원재료(양극재, 음극재) 도입 및 전지 mechanical structure 최적화
ㅇ 신규 활물질 양산성 확보를 위한 전극 생산 공정 최적화
ㅇ 신규 재료, 공정에 대한 플랫폼 기술 확보, 신규 사이즈 및 타 용도 원통형 전지로 확산 전개 가능
□ 양극 및 음극 소재
ㅇ 전기차용 이차전지 시장의 확대 기여
ㅇ 고용량 NCM계 양극 소재의 신규 개발 및 사업화
(기존 NCM(Ni<80%) 소재의 용량 한계 극복)
ㅇ 고용량 음극재 개발을 통해 신규 소재의 경쟁력 확보
ㅇ 핵심 소재에 대한 내재화 기술 확보로 소재 부품의 대외의존도 감소 및 국제 경쟁력 강화
□ 과전압 보호 IC
ㅇ 멀티셀용 과전압 보호 IC 설계 기술 확보로 현재 선진업체(일본 등)에 의존성이 강한 BMS 분야의 대외의존도를 감소시킬 수 있을 것으로 판단
ㅇ 과전압 보호 IC의 제품 국산화를 통해 앞으로 무한 성장될 것으로 보이는 전기자동차 및 ESS 시장에 대한 국가 경쟁력 확보 가능
적용 분야
ㅇ 친환경 수송기기용(EV용) 이차전지
ㅇ 전동공구, E-Bike, Power bank 용 이차전지 등
(출처 : 최종보고서 초록 5p)
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