최근 석유고갈 및 온실가스에 따른 대응 방안이 요구되고 있는 가운데 석유대체에너지에 대한 논의는 현재 원자력뿐만 아니라 태양전지, 풍력 같은 자연에너지 등 1차 에너지원의 방향성에 대해 재차 되묻고 있는 상황이다. 1차 에너지 선택의 다양성으로 인해 2차전지 등 전기를 매체로 하는 에너지 저장·공급 시스템은 환경문제를 포함, 에너지 및 온실가스의 대응책으로서 기대를 모으고 있다. 본고에서는 전지 개론 및 일본의 자동차용 전지 현황을 소개하고, EV(전기자동차), PHEV(플러그인 하이브리드 전기자동차)용 전지의 실용 사례로서 전기자동차용 리튬이온 이차전지인 「LEV50」을 중심으로 전지 개발의 현황과 향후 과제에 대해 기술한다.
번역·정리 김대근 기자
자동차용 전지의 대응 방안
전지의 개론
전지의 기원은 지금으로부터 2000여년 전, 도금용으로 사용됐을 것으로 추론되고 있는 바그다드 전지에 대한 보고가 있지만, 일반적으로는 1800년에 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)가 발명한 볼타 전지를 그 시작으로 보고 있다. 그 후의 전지의 진화로서 볼타전지를 뛰어넘기 위해 잇달아 새로운 전지가 고안되기 시작했다. 전지의 종류는 건전지와 같이 충전 불가능한‘ 1차전지’와 충전하여 전기에너지를 축적함으로써 반복 사용이 가능한 ‘2차전지’로 구별된다. 2차전지로는 자동차의 엔진 스타터용으로서 납축전지가 널리 알려져 있지만, 최근 20년여 만에 급속하게 보급된 이른바 신형 2차전지로서 니켈수소전지와 리튬이온 이차전지가 있다. 이 전지들은 휴대전화, 컴퓨터, 디지털 카메라, 면도기 등 소비자용으로 많은 상품에 채용돼 이제는 삶의 필수 요소가 되었다. 이동체 분야에서도 이 신형 2차전지가 HEV(하이브리드 자동차), EV, PHEV용에 채용되어 이미 보급단계에 들어서고 있다. 또 2차전지를 이용한 시스템은 가정·주택용으로도 검토되어 스마트그리드, 자동차용을 포함한 종합적인 에너지 시스템의 기술개발 및 보급을 위한 활동이 이루어지고 있다.
자동차용 전지의 국가적 대처(국가 프로젝트)
전기자동차용 등의 신형전지 개발 및 그 보급에 관해서는 대형 프로젝트(1971~1977) 이후, 국가에서도 적극적으로 지원에 나서기 시작했다. 2000년도 이후에는 아래와 같은 활동을 전개해 나갔다.
· 연료전지 자동차용 전지의 개발(2002-2006)
· 차세대 자동차용 고성능 축전시스템 기술개발(Li-EAD 프로젝트 2007-2011)
상기 2개의 국가 프로젝트에서 검토된 리튬이온 이차전지 및 연료전지를 비롯해 지금까지 레독스 흐름 전지, 나트륨 유황 전지, 공기전지 등 다양한 전지의 연구개발이 진행되었다. 전반적인 진행 방식에 관해서는 2006년 경제산업성의「차세대 자동차용 전지의 장래를 위한 제언」에서 중요 기술요소인 에너지 밀도, 출력밀도, 비용 등의 현황과 향후의 개발 방향성이 제시되어 있다. 그 일례를 [그림 1]에 나타냈다. 또 (독)신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO)에서 재료개발을 포함한 이차전지의 연구개발 지침을 제시하고 있다. 로드맵의 일례를 [그림 2]에 나타냈다. 이 중 2015년까지의 「선진 리튬이온 이차전지」, 2030년까지의「혁신적 리튬이온 이차전지」, 2030년 이후의 리튬이온 이차전지에 한정하지 않는「혁신적 축전지」를 개발한다고 제시되어 있다. 또 2009년부터 ‘혁신적 전지 프로젝트’로서 혁신형 축전지 첨단과학 기초 연구사업(RISING 프로젝트)이 실시되어 요소개발·재료개발이라는 점에서는 혁신적 축전지를 위한 재료 및 전지개발이, 요소별로는 그 개발 방향성이 제시되어 있다. 정극재료 개발의 일례를 [그림 3]에 나타냈다. 현황은 스피넬계(LiMn2O4)의 4.1V-100Ah/kg 정도를 차지하고 있으며, 같은 정도의 것으로 층상 산화물계(LiMO2) 및 비산화물계의 올리빈계(LiMPO4)가 나와 있다. 또 앞으로의 고용량 전개와 관련해서는 층상 산화물계(LiMO2)의 개량형 및 고용체계(Li2MO3-LiMO2)가 있으며, 플루오르화 올리빈계 및 규산염계 등이 그것을 훨씬 뛰어넘는 것으로서 나타나 있다. 부극의 현황은 탄소·흑연계 재료로서, 향후 실리콘 등 합금계 및 고전위계 부극재로의 기대가 나타나 있으며, 고용량화, 저코스트화와 더불어 안전성 및 수명을 포함한 개발 지침이 제시되어 있다.
리튬이온 이차전지의 특징 및 EV 등에서의 적용 현황
리튬이온 이차전지는 전해액에 비수용액을 사용하여 자기방전이 적고, 에너지 밀도가 높으며, 고출입력화가 가능하다는 점 등 본질적으로 우수한 성질을 지니고 있다. 또한 전지 특성으로서는 충방전 효율이 좋고, 메모리 효과가 없는 등 뛰어난 성능을 발휘한다. 실용화에 있어서는 모듈, 셀, 전극구조의 검토뿐만 아니라, 정극, 부극, 전해액의 재료개발에 이르기까지 다종다양한 재료의 연구개발이 진행되어 왔다. 개발을 실시할 시에는 소비자용 전지로부터 축적한 기술을 활용하여 신뢰성 및 비용 절감을 도모함과 동시에 필요에 따라 자동차용의 독자적 기술을 균형있게 적용하는 일이 중요하다. 자동차용에서의 신형전지 적용 사례로는 HEV용으로서 니켈수소전지가 프리우스(도요타 1997년)에 탑재되었고, 리튬이온 이차전지로는 EV용으로서 플러그인 스텔라(후지중공업 2009년), i-MiEV(미쓰비시 자동차 공업 2009년), LEAF(닛산자동차 2010년)에 탑재되었으며, HEV용으로는 CIVIC(혼다기연공업 2011년), 프리우스 알파(α)(도요타 2011년), PHEV용으로는 프리우스PHV(도요타 2012년) 등에 탑재되어 이미 실용화가 시작되고 있다. 이하에 i-MiEV에도 탑재되어 있는 전기자동차용 리튬이온 이차전지 「LEV50」과 LEV50을 개량한 「LEV50N」에 대해 소개하고, 리튬이온 이차전지의 현황과 앞으로의 과제에 대해 설명한다.
전기자동차용 리튬이온 이차전지의 현황
전기자동차용 리튬이온 이차전지「LEV50」의 외관 사진을 [그림 4]에 나타냈다. 무인반송차 및 철도 등 산업용 대형리튬이온 이차전지를 기본으로 하여 재료 및 구조 등을 EV, PHEV용으로 개량한 것이다. 이 전지는 권회형(卷回形) 전극군의 양 끝에 배치한 집전체와 단자를 최단거리로 연결한 구조를 가지며, 충전/방전 시의 저항을 저감하여 대전류에서의 충전, 방전성능을 향상시키고 있다. 전지 케이스에는 각형 모양의 금속 케이스를 사용하여 방열성 향상을 위한 열전도성을 확보함과 동시에 기계적 강도 및 장기 사용 시의 신뢰성 향상을 꾀하고 있다.
개량형 전기자동차용 전지「LEV50 N」
EV 및 PHEV의 고도화에 따른 요구에 부응하기 위해「LEV50」을 개량한「LEV50N」을 개발하였다. 전지구조 공간의 유효이용, 전극재료의 고용량화, 그리고 전극설계를 최적화하여 약 5%의 소형화 및 경량화를 실현시킨 것으로서 [표 1]에 그 제원을 나타냈다. 특성면에서는 정극 활물질의 화학조성 및 전해액의 최적화를 통해 사이클 수명의 향상(6%), 고출력화(8%: 25℃, 6C 방전 시), 저온 성능 향상(8%: -25℃, 1C 방전 시) 등 보다 뛰어난 특성을 나타내고 있다.
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리튬이온 이차전지는 뛰어난 출력/입력 성능으로 에너지 효율이 높아 EV 및 PHEV용의 보급에 기여하는 바가 크다. 그러나 차량 측의 요구가 갈수록 고도화되고 있어 이차전지는 앞으로 더욱 진화에 진화를 거듭해나갈 것으로 전망되고 있으며, 이를 위해서는 연구개발을 보다 활성화시켜 전지의 구조 개량뿐만 아니라, 재료계에서의 검토도 필요하다. 향후 지금까지와는 다른 재료의 전지가 등장할 가능성도 있으나, 어느 전지계가 사용된다하더라도 에너지 밀도는 높아지기 때문에 기술적으로 안전성과 EV·PHEV에서 요구되는 제반 특성을 동시에 만족시키는 것이 중요하다고 하겠다. 또 EV·PHEV의 보급을 위해서는 사회 인프라 시스템의 정비도 중요하며, 충전 시스템에 관해서도 기술면, 비용면에서의 개량이 요구되고 있다. 리튬이온 이차전지 등 축전지를 활용한 시스템은 향후 이동체 및 새로운 사회의 니즈에 접목시킨 ‘에너지 사회 시스템’의 요구에 부응할 수 있는 하나의 중요한 수단이 될 것이다.
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