재료설계및평가 리튬이차전지의구조...

재료 설계 및 평가

리튬이차전지의 구조, 원리 및 소재

김광범

연세대학교

[email protected]

National Research Laboratory ofEnergy Storage Materials

Imagine driving it

Imagine driving it without the need of this

Portable Electricity

Figure 1 | Revisiting the past.

In 1899 a Belgian car, La jamais contente(top left), equipped with lead–acid batteries, reached a speed of 30 metresper second. In the same year, at a car competition in Paris, the only petrol-driven car was disqualified for having unpractically high consumption.

Inside the United States, between 1900 and 1920, the proportion of electrical cars produced fell from 60% to 4% of the total. One century later, fully electrical cars, such as the Tesla roadster (bottom left), are coming back into the picture.

Meanwhile, the first wireless communication took place in Pennsylvania in 1920 (top right, after ref. 27). Nearly 100 years later, the latest mobile phones (bottom right) canperform a wide range of functions.

The Future of Transportation is Electric

The Future of Transportation is Electric

Two huge industries are transforming

and a new one is emerging...

Battery Industry

Electricity Transportation

First Hybrid Electric Vehicle (HEV) in late 1800sThis car is a front wheel drive

electric-gasoline hybrid car and

has power steering. A gasoline

engine supplements the battery

pack. Between 1890 and 1910,

there were many four wheel drive

electric cars. Electric cars were

more expensive than gasoline cars

and electrics were considered

more reliable and safer. With the

development of the starter motor

for gasoline cars and increased

range of gasoline cars, most

people public interest switched

from electrics to gasoline by 1915.www.didik.com

Batteries

a cell that converts chemical

energy into electrical energy

by reversible chemical

reactions and that may be

recharged by passing a

current through it in the

direction opposite to that of

its discharge

Electric Vehicle (EV)

Batteries

• Battery issues:

longevity, cost, energy

voltage, & weight!

이차전지 기술

(선진국간 경쟁심화) 온실가스 저감을 위한 선진국의 환경규제가 강화되면서 환경

친화적 新기술인 이차전지 개발에 대한 관심이 폭발적으로 증가

◦ 소형 IT기기의 동력원인 이차전지가 전기차․에너지저장 장치 등에 활용될 가능

성(potential)에 주목

* WSJ가 주목한 5대 에너지신기술 중에서 2개 분야(전기차배터리, 에너지 저장)가

이차전지와 연관(’09.10.19)

이차전지는 21C 녹색산업의 새로운 변화를 이끌 와해기술(disruptive technology)

로 인식되어, 기업간 경쟁에서 국가간 경쟁으로 기술경쟁 심화

산업의 융․복합화가 급속히 진행되면서, 소재-부품-완제품 등 supply chain상 total

solution 구축에 국가역량 집중

(시장판도의 전환) 이차전지의 세계 시장은 IT기기용인 소형에서 전기차, 에너지

저장 장치 등의 중․대형으로 중심축 변화 과도기

이차전지 기술

리튬이차전지 기술

◦ ‘08년 300억불에서, ’15년에는 818억불로 급격히 확대될 전망

◦ ‘15년 전기차 수요는 458만대로 전망*되며, 전기차용 이차전지 수요는 크게 증가

하여 ’15년 147억불**에 이를 전망

* 전기차 시장전망(만대, 자료:JP모건) : (’08) 49 → (’11) 163 → (’13) 277 → (’15)

458

** 전기차용 전지 비중(자료:IIT, 노무라보고서) : ’08년 7.5억불 → ’15년 147억불

◦ 신재생에너지 보급*과 스마트그리드 등 미래 전력망 사업의 확대를 위해 이차전

지 개발 필요성 급격히 대두

* 일본은 ’30년 106GW의 신재생에너지 보급과 함께 94GW의 이차전지가 전력망

에 필요함을 발표(NEDO '08년 발표자료)

** 에너지저장용 이차전지시장 ’15년 156억불에 이를 것으로 전망(노무라연구소)

(시장판도의 전환) 이차전지의 세계 시장은 IT기기용인 소형에서 전기차․에너지저장 장치 등의 중․대형으로 중심축 변화 과도기


구분 日산요 韓삼성SDI 韓LG화학 日소니

‘08년 20% 15.6% 8.1% 15.6%

‘09.2분기 19.6%(1위) 18.6%(2위) 13.4%(3위) 11.6%(4위)

(우리의 경쟁력) 리튬이차전지 분야 집중 투자로 IT기기 등 소형전지 시장의95%(‘00년)를 장악한 일본을 추격, 현재 대등한 양산경쟁력 확보(시장점유율32% ‘09.2Q)

전지 생산기술은 세계적 수준이나, 양․음극소재, 전해액, 분리막 등 핵심 소재와원천기술은 일본대비 각각 50%, 30% 수준에 불과하여, IT기기용 소형 이차전지의 강자의 위치를 미래시장(중․대형)에서는 보장할 수 없음

구 분 일 본 한 국 중 국 미 국

제조 기술 100 100 50 30

부품․소재 100 50 40 40

원천 기술 100 30 10 80

표. 국가별 리튬이차전지 기술수준 비교

표. 리튬이온전지의 시장점유율


(연쇄효과가 큰 산업) 이차전지 산업의 성장은 후방 산업의 기술개발 토대로 전방산업의 신규시장 선점 등 산업장벽을 뛰어넘는 동반성장 시너지 효과 발생

전․후방 산업의 동반성장의 가능성이 커짐에 따라 글로벌 대기업에 의한 M&A와협업*에 의한 이차전지 시장 참여 활발

후방산업 전방산업

◉ 양극소재 ➡

이차전지

➡ 휴대폰, 노트북PC, 스마트폰 등 Mobile IT

◉ 음극소재 ➡ ➡ 디지털카메라, MP3P, 캠코더 등 전기전자제품

◉ 분리막 ➡ ➡ 전기자동차(HEV, PHEV, EV)

◉ 전해액 ➡ ➡ 전기자전거, 지게차, 카터 등 수송기계

◉ Pouch ➡ ➡ 태양광에너지저장, 풍력발전에너지저장

◉ Can ➡ ➡ 지능형로봇(Care Robot, Entertainment, 교육 등)

◉ 보호회로 ➡ ➡ Flexible Devices

◉ 집전체 ➡ ➡ 의료기기(내시경캡슐, 혈압계, 인공심장 등)

◉ 첨가제 ➡ ➡ 방산용(무인정찰로봇, 잠수함, 어뢰 등)

◉ 자동화설비 ➡ ➡ 팩전지, 모듈


(이차전지 산업규모) 이차전지 시장은 자동차용 납축전지․니켈계 전지, IT용 리튬전

지 등을 포함하여 ‘08년 300억불의 시장 형성

시장 점유규모는 납축전지(‘08년 165억불), 리튬이차전지(96억불), Ni-MH전지(24

억불), Ni-Cd전지(11억불), 슈퍼커패시터(4억불) 등으로 구성


(시장동향) 소형전지 시장에서 중대형 전지시장으로 시장구조가 전환되면서, 높은

에너지밀도와 출력 특성으로 응용 분야가 계속 확대하고 있는 리튬이차전지 중심으

로 재편

리튬이차전지는 현재 모바일 IT용 전원이 대부분이나, ‘15년에는 347억불 중 모바

일 IT용 43%, 전기차용 42%, 에너지저장용 15%로 非 IT분야로 중심시장이 이동될

것으로 전망

XEVs (X Electric Vehicles)


전기자동차용 전지

(개발목표) 주행거리는 늘리고, kWh당 생산가격은 낮출 수 있는 전기자동차(PHEV,

EV 등)용 전지 및 시스템 개발


전기자동차용 전지

Energy and Power Needs

Storage technology Energy density

Lead-acid batteries 100 kJ/kg (30 W-h/kg)

Lithium-ion batteries 600 kJ/kg

Compressed air, 10 MPa 80 kJ/kg (not including tank)

Conventional capacitors 0.2 kJ/kg

Ultracapacitors 20 kJ/kg

Flywheels 100 kJ/kg

Gasoline 43000 kJ/kg


에너지저장용 이차전지



부하평준화용 첨두부하용

부하평준화용 : 평균 사용 부하가 낮은 시간(전력 생산비용이 저렴한 시간)에 전기를 저장 후

부하가 높은 시간대(전력 생산비용이 비싼 시간)에 전기를 사용하여 전체적인

전력 사용 밸런스를 평준화 시켜주는 용도

첨두부하용 : 전력 사용량이 가장 높은 시간에 전력망의 최대 부하를 줄이고 예비 전력량을

확보하는 용도



(개발 필요성) 신재생에너지의 보급 확대와 스마트그리드 등 미래 전력망 용도로

발전된 전력을 저장하여 수요에 맞춰 효율적으로 관리하기 위한 이차전지가 필요

스마트그리드 보급을 위해 가정용․상업용 등 전력사업자의 전력 활용을 위해서는

에너지저장 장치의 보급이 우선

그림. American Electric Power社의 미래 배전망 예측



(개발목표) 전기에너지 효율성을 극대화 할 수 있는 용도별 전지 개발 및 수명

5,000 cycle 이상(신뢰성 15년 이상), 가격 경쟁력 확보(20만원～30만원/kWh)

할 수 있는 시스템 개발

모토롤라 3900NX국내최초 카폰 (1984)

노키아 Tanday CT-1033 아날로그 포터블폰과휴대용 가방(1985년)

SCH-100-최초CDMA폰(1996년)

Motorola DynaTAC8000x (1983)

Cell phones vs. Portable rechargeable batteries

iPhone 4G, Galaxy S (2010년)

모바일 IT용 이차전지

http://en.wikipedia.org/wiki/File:DynaTAC8000X.jpg�


모바일 IT용 이차전지

(개발 필요성) 모바일 IT용 소형 리튬이차전지는 IT등 소형전지 분야의 시장점유율

유지․확대를 목적으로 고부가가치, 디자인 유연성(Flexible화), 초소형화 전지개발

그림. 모바일 디바이스의 전원의 발전 Trend(삼성전자)

Energy Storage Systems

Classification of Batteries

일차전지 : disposable전지, 이차전지 : reusable 전지

Battery History Rechargeable batteries highlighted in bold.

First battery, “Voltaic Pile”, Zn-Cu with NaCl electrolyte, non-rechargeable, but short shelf life

1800 Volta

First battery with long shelf life, “Daniel Cell”, Zn-Cu with H2SO4 and CuSO4 electrolytes, non-rechargeable

1836 England John Fedine

First electric carriage, 4 MPH with non-rechargeable batteries

1839 Scotland Robert Anderson

First rechargeable battery, “lead acid”, Pb-PbO2 with H2SO4 electrolyte

1859 France Gaston Plante

First mass produced non-spillable battery, “dry cell”, ZnC-Mn02 with ammonium disulphate electrolyte, non-rechargeable

1896 Carl Gassner

Ni-Cd battery with potassium hydroxide electrolyte invented

1910 Sweden Walmer Junger

First mass produced electric vehicle, with “Edison nickel iron” NiOOH-Fe rechargeable battery with potassium hydroxide electrolyte

1914 US Thomas Edison and Henry Ford

Modern low cost “Eveready (now Energizer) Alkaline” non-rechargeable battery invented, Zn-MnO2 with alkaline electrolyte

1955 US Lewis Curry

NiH2 long life rechargeable batteries put in satellites 1970s US

NiMH rechargeable batteries invented 1989 US

Li Ion rechargeable batteries sold 1991 US Sony

Rechargeable Batteries

Batteries ; unit cell, battery package, battery module

Duracell batteries 6v dry cell9v battery

More precisely, battery package

Two unit cells

Battery module

Unit cell?


납축전지 Ni-Cd전지 Ni-MH전지 리튬이온전지 슈퍼커패시터

양극 소재 PbO2 NiOOH NiOOH LiCoO2 등 활성탄

음극 소재 Pb Cd MH 흑연 등 활성탄

전해액 H2SO4 KOH KOH 유기계 유기계

작동 전압 2.0V 1.2V 1.2V 3.6V 2.7V

에너지밀도(Wh/kg) 30 35 50 100 20

에너지밀도(Wh/L) 70 90 175 300 50

표. 이차전지 종류에 따른 적용 소재 및 특성

Electrochemical Cell

• The metals in a cell are called the electrodes (electronic conductors), and the chemical solution is called the electrolyte (ionic conductor).

• The electrolyte reacts oppositely with the two different electrodes

• It causes one electrode to lose electrons and develop a +ve charge (oxidation); and the other electrode to build a surplus of electrons and develop a –charge (reduction).

• The difference in potential between the two electrode charges is the cell voltage.

Electrochemical Cell


Pb : 207.2


Pb : 207.2Ni : 58.9


Pb : 207.2Ni : 58.9Li : 6.9

Lithium Secondary (Rechargeable) Batteries

Cylindrical type Prismatic type

Pouch typeCoin type

리튬이차전지는 외부 형태와 외장 재질에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 분류

리튬이차전지는 외부 형태와 외장 재질에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 분류

Lithium Secondary (Rechargeable) Batteries

Rechargeable Batteries전극판 설계․제조 기술

그림. 리튬이차전지용 전극판의 형태

I. Al 집전체 : Al current collector [ 12 ~ 20µm ]

II. 양극 극판 : Cathode Electrode [ 40 ~ 200µm ]

III. 분리막 : Separator [ 16 ~ 30µm ]

IV. 음극 극판 : Anode Electrode [ 30 ~ 150µm ]

V. Cu 집전체 : Cu current collector [ 8 ~ 15µm ]

Rechargeable Battery Production Line

Mixer Advanced coater


Roll presser Automatic slitting machine

Automatic winder


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