Battery Basics

2차전지 기본개념

1. 개요

(1) 2차전지의 필요성

  • 일상생활에 많이 쓰임 / 일회용 소모품의 낭비 / 폐기물 및 환경오염
  • 리튬이온전지 : 가볍고 소형화 가능 / 규제물질(수은) X / 자연방전현상 小 / 3.7V 의 높은 출력

(2) 전지

  • 전기에너지를 생성할 수 있는 화학에너지를 저장하는 장치, 산화&환원 작용
  1. 종류
  • 망간: 일회용 건전지, 저렴
  • 알칼리 : 수산화 칼륨 전해액, 장시간 사용가능
  • 납 축전지 : 크고 무겁다 / 높은 전류와 외부 저항 낮음 ⇒ 차량용으로 널리 사용
  • 산화 은: 가장 소형 & 저렴 (시계), 고온에서 잘 버팀
  1. 분류
  • 2차전지(축전지, 충전지) : 전기 충전을 반복해 지속적으로 사용가능하도록 만듬
    • 1차전지: 시간이 흐르며 전압이 낮아짐
    • 2차전지 : 사용가능 시간까지 일정하게 전압이 유지되다가 방전시에 끊김
  • 리튬전지 : 소형, 휴대용 → 3V 고압, 고밀도 에너지 + 양호한 보존성
    • 음극에 금속 리튬 & 전해액에 유기용매
    • 금속 Li는 이온화 경향이 커서 활성화 되어있으므로 물과 반응하면 수소가스를 방출하며 그 자체도 연소성
  • 연료전지 : 화학적으로 에너지를 저장하고 연료를 소모하며 전력 생산
    • 전해질을 녹임 물로 전류를 흘려보내 \(H_2, O_2\)발생 → 전해질로 사용하는 전극에 \(H_2​\), 산화전극에 \(O_2\)를 보내서 화학반응 유도
    • 수소 연료와 산화제 ⇒ 배출열을 이용해 연료의 80%까지 에너지로 변환

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  • 태양전지 : 태양 빛에너지 광전효과로 전기 에너지 변환
  • 커패시터 : 충,방전에 따른 성능 저하를 방지하고 이온 분자를 저장할 수 있는 전기 이중 충전지, 쉽게 열화되지 않는다
  • 용량 : 방전되어 전류가 흐르지 않기까지 사용할 수 있는 전기에너지의 양

  • 2차전지 재충전은 무한대로 할 수 있는게 아님: 전극의 열화로 용량이 줄어듦 ⇒ 실제 용량이 공칭 용량의 50%까지 충방전할 수 잇는 횟수

  • 자기방전율 : 방치시 서서히 방전 ⇒ Mg (10) → alkali (5) → Li (2)

  • 에너지 밀도 : 스마트폰 → 질량 당 \(\rho\) / EV → 체적 당 \(\rho\)

2. 2차전지 산업

(1) 리튬이온전지 개발

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  • 리튬 : 가장 경량 (작은 밀도), 전기 화학반응으로 가장 높은 전압 방출, 메모리 효과 없음 / 반응성이 커서 폭발의 위험 존재
    • 양극집전체 : Al 금속 산화물
    • 양극 : \(LiCoO_2, LiFePO_4\)
    • 전해액 : 리튬 소금계열
    • 분리막 : 폴리에틸렌, 폴리프로필렌
    • 음극 : 흑연(Graphite)
    • 음극집전체 : \(Cu\)
  • 충전 : Li+ 가 (+) → (-)로 흐름 / 양극 전자와 Li+는 외부 전압으로 인해 음극으로 이동되며 전압차 발생
  • 방전 : 음극의 Li+ 가 (+)로 흐름 / 전위차가 있으므로 도선을 타고 음극 전자가 양극으로 흐름 & 전해액을 통해 Li+가 (+)이동
  • 소형 배터리 : IT제품 + 가전제품 + EV (원형배터리)
  • ESS : 저장장치, 전기에너지가 수요가 많거나 비쌀 때 사용 ⇒ 스마트 그리드
  • 자동차 배터리 : 기술과 질적으로 앞섬 (중국은 95% 이상이 자국 제품용)

  • BMS (Battery Management System) : 배터리 모니터링 & 충방전 제어

  • PCS (Power Conversion System) : 저장, 방출을 위한 전기특성 (주파수, 전압, 교류) 조절

  • EMS (Energy Management System) : 컨트롤 센터에서 ESS 모니터링 & 제어

(2) 전기자동차

  • 연료 폭발로 인한 소음 無, 엔진 왕복운동을 회전으로 바꿀 일이 없어 진동 無, 회전수로 속도 조절 & 일정하게 높은 토크 ⇒ 변속기 無
  • 완속(AC)/급속(DC) 충전기, 컨버터(350V→12V), 인버터(DC→AC, AC의 freq로 모터 조절), 감속기 (회전수 & 토크), 배터리팩

  1. HEV : 저속, 시동 시 전기, 감속시 발전(에너지 회생 모드), 엔진 메인

  2. PHEV : 전기 메인, 연비 + 주행거리, 배터리 없어도 기름으로 구동

  3. EV : 엔진과 연료탱크 無 ⇒ 차체 단순화 & 소음 無

3. 2차전지 4대 소재

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1. 양극재

  • 리튬이온을 제공하는 소스
  • 배터리의 용량과 전압 결정 ⇒ 배터리 성능 & 특성 결정
  • LCO, NCM, NCA, LMO, LFP

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  • 가장 원가비중 大,
  • 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈금속(충방전시 입자 균열 큼) 함유량 증가 / 안전성 小
  • Cobalt : 가격변동 大, 5% 미만시 성능 하락

2. 음극재

  • 양극의 Li+를 흡수, 방출하며 외부 회로로 전류를 흐르게 함 ⇒ 안정성
  • 흑연 : 안정된 구조 & 낮은 화학 반응성 ⇒ Li+를 많이 저장

3. 전해액

  • Li+의 이동 매개체
  • 양, 음극 사이 Li+만 이동하도록 함 ⇒ 이온의 전도성 보장

4. 분리막

  • 양, 음극 접촉 X
  • PE의 미세한 구멍으로 Li+ 이동

4. 2차전지 제품

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(1) 기초

  • 충전 : 외부 전기에너지 인가 → 활물질의 포텐셜에너지 증가 → Li+는 전해액으로 이탈 & 전자는 도선으로 이탈 → 음극으로 이동
  • 충방전시 산화(e- 증가), 환원(e- 감소)이 동시에 일어남
  • 표준환원전위 : 물질의 고유한 전위차 ⇒ Li+가 가장 큼

(2) 설계

1) 주요 구성물질

  • 양극 활물질 : Li함유, 불안정해서 산화물과 함꼐 사용 ⇒ 활물질 + 도전제(전도성 증가) + 바인더 → Li+활용량 증가 & 강한 결합에너지(이온화 에너지)
  • 음극 활물질 : (+)에서 이동해 온 Li+의 가역적 저장 및 방출로 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 함 ⇒ 이동 된 Li+를 얼마나 저장되느냐
    • 충전 시 Li+는 (-)에 있고 도선시 자연스럽게 방전
    • 흑연 : 안정적, 반응성 낮음, Li+ 저장량 大
  • 전해액 : Li+의 이동통로, 전도가 높은 유기물 사용 (극성 有)
    • 이온 전도도 高 & 전극에 대한 안전성 & 온도 범위(20~60\(^oC) & 연소안전성
    • 염(Li+ 이동 통로) + 용매 (염을 용해) + 첨가제
  • 분리막 : 양극 활물질 접촉 제한 & Li+ 이동통로
    • 온도 상승시 접촉을 막는 열적 수축 특성 필요 → PE, PP
    • 충분한 밀착 필요

2) 구성 원리

  • 많은 에너지 저장을 위한 다층구조 (양극-분리막-음극 ⇒ Jelly Roll)
  • 와인딩 & 스택

3) 2차전지 설계

  • 충방전시 양극의 총 전하량과 음극의 총 전하량은 동일
  • 전지전압은 충방전량에 비례
  • 설계전위 이상 전압을 보일 수 없음
  • 음극이 양극보다 가역용량이 더 커야함
    • 리튬석출: 충전시 음극에 저장되지 않는 Li+형성, 나중에 음극과 접촉하여 쇼트 발생
  • SEI (Solid Electrolyte Interphase) 막
    • 음극 활물질 표면의 피막
    • 전자의 이동을 제한하여 추가적 전기분해 방지 (전해액 소모 방지)
  • 분극 : 실제 전압은 낮게 나오고 충전시 전압은 더 높게 나옴 → 내부 저항에 따른 과전압 형성 or 부위별 Li+ 농도 차이

(3) 제품

1) 셀/모듈/팩

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  • 셀: 기본 최소 단위
  • 모듈 : 셀이 모인 플랫폼
  • 팩 : 제품에 맞는 특성 + BMS (정확한 배터리 상태 해석)
  • BMS : 장시간 사용시에도 안정성
  • 다수의 셀을 장시간 사용시 용량 변질 & 각 셀별 스펙이 달라짐

⇒ 과전압, 과충전 가능 : 셀별 전압 detecting

  • 필요 이상의 전류/전압을 방지하기 위한 보호회로 장착

(4) 신뢰성 & 안전성

1) 저온 & 고온

  • 저온 : 용량 감소 (IT : \(-10^oC\), EV: \(-30^oC\) → 전해액의 mobility 감소 → 내부저항 증가
  • 고온 : 용량 감소 → 전해액의 부피 팽창으로 mobility 증가 상쇄

2) 수명특성

  • 특정 용량까지 도달하는데 전지가 충방전을 얼마나 많이 할 수 있는 지횟수
  • 사이클 특성 : 충방전 회수 → 충방전 조건의 병기 必
    • 급속한 경우 : 리튬금속 설축 or 전극판의 균일성 무너뜨림
  • 율속(C-rate) : 전지 충방전시의 속도, 충방전시의 방전 전류의 변화
    • 1.0C 충전 : 전지 만충까지 1시간 충전 / 0.5C 방전 : 100% 용량을 30분반에 방전
    • 전동공구,청소기 : 10C↑, EV : 40C↑, 시동용 전지 : 100C↑
    • 활물질 + 극판설계 : 이온의 path를 줄여야!

3) 안전성

  • 외부단락 (External Short) : 상온단락, 고온단락, 물속 투입
  • 전기적 오사용 (Electric Abuse) : 과충전, 연속충전, 고율 충전 → 팩에서 평가
  • 기계적 오사용 (Mechanical Abuse) : 관통, 압축, 낙하
  • 열적 오사용 (Thermal Abuse) : 열노출, 열파편비산, 열파편관통

5. 2차전지의 미래

(1) 소재 : (+) 38%, (-) 12%, 분리막 13%, 전해질 11%

  • 음극재, 전해액 : 기술장벽 低 → 50% 이상 중국
  • 분리막 : 기술장벽 高 → 70% 일본
  • 양극 활물질 : 고용량 → NCM, NCA ⇒ 비싼 Cobalt 줄이기
  • 음극 활물질 : 동일한 물질에서 Li+ 많이 보관 & 부피 팽창 줄이기
  • 리튬금속 : 안전성 低, 실리콘 : 300% 팽창

(2) 전고체전지 : 열로 인한 전해액 팽창 & 고온 시 발화

⇒ 안전 & 고용량 / 유해가스 + 계면저항 高

(3) 나트륨전지 : Li+ 대체용 ⇒ 같은 알칼리 계열이므로 비슷한 화학적 성질

6. 2차전지 생산/제조

(1) 개요

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  • 극판공정 : 양극 & 음극 활물질을 집전체에 코팅하여 필요한 폭으로 slitting 한 후 건조된 상태로 제작
  • 조립공정 : 극판을 알맞게 재단 후 보관 케이스에 삽입, 전해액 주입 후 골고루 분산되도록 에이징
  • 화성공정 : 충방전을 통해 설계된 전압과 용량이 구현하는지 확인하고 불량 검출 → 최초 충전시 음극 표면 SEI막 형성

(2) 세부사항

1) 극판공정

  • 약품조합(Mixing) → 코팅(Coating)→프레싱(Pressing)→슬리팅(Slitting)→건조(Drying)
    • Mixing: 활물질을 집전체 표면에 코팅하기 위해 접착력을 위한 Binder 첨가 & 도전체 특성을 위한 도전체 첨가 ⇒ 필요한 점도와 분산성 달성
    • Coating : (+)활물질은 Al금속집전체, (-)활물질은 구리금속집전체 → 집전체 양면 코팅 & 건조
    • Pressing : 흡착력 강화를 위한 프레싱 & 부피감소 + 지속사용에 따른 수명특성 ↑
    • Slitting : 전지 높이 맞게 절단, 가로방향 절단
    • Drying : 수분 및 기타 불순물 제거

2) 조립 공정

  • 극판을 케이스에 넣고 전해액을 투입해 전지 형태를 갖추는 단계

  • 와인딩

    • 극판을 양극-분리막-음극의 순서대로 배열 후 필요한 두께만큼 감아주는 방식
    • 활물질이 길이 방향으로 코팅이 단절되어 있고 코팅 길이가 총 길이에 해당
    • 비 코팅부에 도전으로 전자가 이동하도록 탭 용접

  • 스택

    • 극판을 설계치대로 절단된 양극-분리막-음극으로 적층
    • 무정형 구조에 적용 가능
    • 노칭 공정으로 양/음극 극판을 형상에 맞도록 slitting 후, 분리막을 지그재그로 적층하여 사이에 양/음극 투입
    • 양/음극 각 극판에 단자 연결부가 있으며, 여러 층이 겹치면 극판 간 연결된 상태가 아니므로 극판 간 단자부를 연결하여 전류가 흐름

  • 젤리롤의 케이스

    • 캔타입: 삽입 후 상부 커버와 양/음극 단자를 연결하고 조립, 용접으로 밀봉 후 전해액 주입
    • 파우치타입 : 평면의 파우치를 금형으로 젤리롤 방에 삽입 → 반대편 용접 & 파우치를 젤리롤보다 크게 하여 Pre-charging시 전해액 분해로 인한 가스 포집의 가스방 형성 → 조립 전 배출 후 최종 과정에서 제거 → 전해액 투입 →에이징

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3) 화성 공정

  • 조립 완료 전지에 전기에너지를 인가 해 Li+ 를 (-)로 이동시켜 전지 기능 확인

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  • Pre-charging : 음극 표면 SEI막이 중요한 역할
  • Degassing : SEI 막 생성 중 전해액 분해의 가스 배출
  • Folding : Degas 후 파우치 끝을 접어 sealing 면이 나오지 않고 부피 ↓
  • Pressing : 물리적 흡착으로 부품 파손 방지 + 설계값이 두께 조절
  • Charging / Discharging : 마지막 충방전 확인 & 불량품

(3) 전지 제조 공법 비교

  • 원통형은 와인딩 / 아닌 형태는 와인딩 or 스택

  1. 와인딩 : 회전시키며 극판을 감아주면 완성 → 생산성 ↑ → 설비 투자 ↓ ⇒ 원통, 사각형은 생산 가능

  2. 스택 : 다각형 전지 자유롭게 설계 & 성능 및 품질 면 유리

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References

  • 렛유인 2차전지 기초
  • [https://www.heybrandonkim.com/?p=1833](