[일본 중전기기 업체별 최신 기술] 전기자동차용 대형리튬 이온 전지 ‘LEV50’

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.

㈜GS YUASA_키타노 신야(北野真也)
니시야마 코이치(西山浩一)
토리야마 준이치(鳥山順一)
소노다 테루오(園田輝男)

개요

최근 지구온난화, 기후변화 등으로 대표되는 환경 문제와 석유 가격이 앙등하는 에너지 문제가 날로 심각해지고 있다. 이러한 문제에 대응하기 위해 환경 친화적이고 우수한 연료 성능을 가진 자동차개발이 왕성하게 이루어지고 있다. 그 중에서도 전기자동차는 주행 시 화석연료를 사용하지 않고 이산화탄소를 배출하지 않아 환경 문제 대응에 적합
한 차량으로 주목받고 있다. 전기자동차는 축전 디바이스에 비축한 전기만으로 주행을 하기 때문에, 그 축전 디바이스에는 고용량 · 고에너지 밀도의 장점을 가진 대형 리튬이온 전지가 가장 유망한 전지로서 기대를 모으고 있다. 이에 ㈜GS YUASA에서는 전기자동차용 전지로서 새로 대형 리튬이온전지 'LEV50'을 개발했다. 이 전지는 이미 산업용의 용도로 양산되고 있는 대형 리튬이온 전지 'LIM 시리즈'를 전기자동차용 전지 요구에 맞춰 개량, 개발한 것이다. 'LIM 시리즈'는 고율(高괽)의 충 · 방전 성능과 우수한 수명 성능을 가지고 있으며, 자동 반송차나 철도 등의 용도에 채용되어 5년 이상의 운용 실적이 있다. 본고에서는 전기자동차용 대형 리튬이온 전지 'LEV50'의 특징에 관해 논한다.

'LEV50'의 특징

전기자동차용 리튬이온 전지 'LEV50'의 외관과 사양은 각각 <그림 1>, <표 1>과 같다. LEV50 전지의 공칭용량은 50Ah이다. LEV50 전지는 산업용 대형 리튬이온 전지 'LIM40'의 전지 구조를 재점검해 공간을 유효 이용하는 한편, 전극 재료를 고용량화하고 전극 설계를 최적화함으로써 약 20%의 소형, 경량화를 가능케 하는 동시에 약 25%의 고용량화를 달성했다. 이에 LEV50 전지의 질량에너지 밀도는 109Wh/㎏, 체적에너지 밀도는 218Wh/ℓ를 달성했다. 또한 이 전지는 권회형(卷回形) 전극군의 양 끝에 배치한 집전체와 단자를 최단거리로 접속한 구조 덕분에 집전 구조부 재료에 의한 내부저항을 최소한으로 줄여 대전류 방전 성능을 높였다. 전지 케이스는 사각형의 스테인리스 케이스를 사용하고 있다. 사각형을 채용함으로써 전지의 표면적은 커지고, 방열성이 우수하다. 또한 금속 케이스를 이용해 용접봉구(鎔接封口)함으로써 전지의 강도 및 장기 사용 시의 신뢰도도 높였다.

'LEV50'의 충 · 방전 성능

1. 고율 및 저온 방전 성능

LEV50 전지를 50A(1ItA)로 4.1V까지 충전하고, 계속해서 같은 전압으로 총 3시간 정전압 충전한 후 10, 50, 100, 200, 300A의 전류 값으로 2.75V까지 방전한 경우의 방전 성능을 <그림 2>에 나타냈다. 시험 중 환경온도는 25℃였다. 전류 값이 커지면 분극 증대에 의한 전지 전압의 저하가 인정되지만, 300A(6ItA)에서도 10A 시의 약 90%의 높은 용량을 얻을 수 있었다. 다음으로 환경온도의 영향을 살펴보기 위해 LEV50 전지를 전과 같은 조건에서 충전한 후 환경온도를 -25, -10,0, 그리고 25℃로 바꿔 50A(1ItA)의 전류 값으로 2.75V까지 방전했다. 이때의 방전 성능을 <그림 3>에 나타냈다. 환경온도가 낮을수록 전지 전압 및 방전용량이 저하하지만, -25℃에서도 25℃에서의 방전용량의 약 85%의 높은 용량을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

2. 출력 성능

25℃에서의 LEV50 전지의 출력 시험을 행했다.
이 전지를 소정의 충전심도(SOC)까지 충전한 후 잇따라 10에서 300A의 전류 값으로 소정 시간 방전해 각각의 SOC에서의 최대 출력 값을 구했다. 이 때의 하한전압은 2.5V이며, 최대 방전전류는 300A로 했다. 그리고 방전 개시 후 10, 30 및 60초째 출력을 각각 산출했다. 이 출력 값을 SOC에 대해 나타낸 것이 <그림 4>이다. 60초 후에도 50% SOC로 550Wh/㎏ 이상의 출력을 유지하고 있으며, 이를 통해 LEV50 전지의 우수한 출력 성능을 확인할 수 있다.

3. 충전 성능

LEV50 전지를 방전 상태에서 10 그리고 100A의 전류 값으로 4.1V까지 충전한 후 계속해서 같은 전압으로 소정 시간 정전압 충전한 경우 전지 전압, 전류 및 충전심도의 변화는 <그림 5>와 같다. 100A에서 충전한 경우 30분 동안 약 80%의 충전이 가능하며, 10A의 경우에는 6시간으로 만충전이 가능하다. 이러한 사실을 통해 LEV50 전지는 전기자동차용 전지에 요구되는 가정 전원에 의한 저전류의 야간 충전에서부터 대전류의 급속 충전에 이르기까지 대응 가능함을 알 수 있다.

4. 캘린더 및 사이클 수명 성능

온도가 25 그리고 45℃에서의 캘린더 및 사이클 수명 시험을 실시했다. 캘린더 수명 시험은 각각의 환경온도에서 LEV50 전지를 50A로 4.1V까지 충전해 계속해서 4.1V로 30일간 플로트 충전한 후 10A로 2.75V까지 방전하는 플로트 충전 수명 시험을 총 360일간 반복했다. 그때의 방전용량 추이를 <그림 6>에 나타냈다. 온도가 높아지면 방전용량의 저하가 커지지만, 360일 후에도 25℃에서 88%, 45℃에서 72%의 방전용량을 유지한다. 이러한 결과를 바탕으로 25℃에서의 10년 후 방전용량 추정을 시도해 봤다. 지금까지의 검토 결과로 캘린더 수명시험 시 방전용량의 저하량은 시험 기간의 제곱근에 비례함을 알 수 있었다. 이 관계에서 LEV50 전지를 25℃에서 플로트 충전한 경우의 10년 후 용량 유지율을 예측하면 약 65%가 된다.
LEV50 전지의 25℃ 그리고 45℃에서의 100% DOD 충 · 방전 사이클 수명 시험 결과는 <그림 7>과 같다. 충전전류 및 방전전류는 모두 50A(1ItA)로 했다. 25℃에서는 2,000 사이클 후에도 79%, 45℃에서는 1,000 사이클 후에도 68%의 방전용량을 유지한다. 이처럼 LEV50 전지의 캘린더 및 사이클 수명 성능은 넓은 온도 범위에서 우수한 특성을 자랑한다.

마무리

전기자동차용 대형 리튬이온 전지 'LEV50'을 개발했다. 이 전지는 109Wh/㎏-1의 高에너지밀도 및 550W/㎏-1의 高출력밀도를 달성했다. 또한 고율 및 저온 방전 성능, 급속 충전 성능, 수명 성능에서 우수한 특성을 보여 전기자동차용 전지로서의 이용이 기대된다. 이들 전지는 미쓰비시(三겒)자동차공업㈜의 전기자동차 iMiEV에 탑재돼 2008년부터 필드 시험을 실시, 그 적응성을 평가하고 있다. 또한 2007년 12월 미쓰비시상사㈜ 및 미쓰비시자동차공업㈜, ㈜GS YUASA가 공동으로 설립한 대형 리튬이온 전지 제조 · 판매회사 ㈜리튬에너지재팬(Lithium Energy Japan)에서 2009년부터 제조 · 판매를 시작했다. 향후 보다 나은 성능 향상과 저비용을 목표로 전기자동차용 대형 리튬이온 전지 개발에 주력해 전기자동차 보급에 힘을 쏟을 예정이다.