리튬이차전지 개발 동향리튬이차전지 개발 동향

2004. 11. 04 2004. 11. 04

박 홍 규

1. 리튬이차전지의 응용분야1. 1. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야

HEV : Hybrid Electric VehicleFCHEV : Fuel Cell HEV MEV : Mild Electric Vehicle

Mobile Phone

e-바이커

노트북 PC

고출력

전지

고용량

BMS

FCHEV

전지전지팩의팩의용량용량 (Ah)(Ah)1 1

HEV

MEV

e-스쿠터

노트북 PC

40C

1,000

고고율

전전속속도

율출력출력(W)(W) 방방

도

100

0.5C

0

1-1. 리튬이차전지의 응용분야-소형전지11--1. 1. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--소형전지소형전지

250 300 350 450400

부피 당 에너지 밀도 (Wh/liter)

500100

150

200

무게

당에

너지

밀도

(Wh

/kg

)

1세대 각형

2세대 각형

폴리머전지

폴리머전지

소재의 성능개선설계기술 개발

각형 전지 원통형 전지

2.2Ah

2.4Ah?

1-1. 리튬이차전지의 응용분야-소형전지11--1. 1. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--소형전지소형전지

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

96C

Y

97C

Y

98C

Y

99C

Y

00C

Y

01C

Y

02C

Y

03C

Y

04C

Y

05C

Y

06C

Y

07C

Y

08C

Y

09C

Y

10C

Y

11C

Y

12C

Y

13C

Y

Cel

l dem

and(

M c

ells

/CY

)

LIB Lam i.

LIB Pr

LIB Cy

NiMH/NiCd

1-2. 리튬이차전지의 응용분야-고출력 전지11--2. 2. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--고출력고출력 전지전지

1. 고출력 리튬이차전지

Ener

gy d

ensi

ty (W

h/kg

)

Power density (W/kg)

고에너지전지

EV, 휴대폰노트북등

고출력전지

G-HEVFCHEV

소재기술

전극기술

설계기술

100

2,0001,000

50

EV

?

1-2. 리튬이차전지의 응용분야-고출력 전지11--2. 2. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--고출력고출력 전지전지

2. 리튬이차전지 Pack 기술개요

소형 고에너지 전지

고출력 리튬이차전지

전지 제어관리 장치

리튬이차전지 전지 팩

차량 제어 장치

(HCU)

중대형 고출력 전지

고출력 전지 팩

하이브리드전기자동차

1-2. 리튬이차전지의 응용분야-고출력 전지11--2. 2. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--고출력고출력 전지전지

3. 하이브리드 전기자동차란?

42V

42V144~500 V

가속시 전지가 동력을 보조

감속/ 정지시 에너지 저장

가속시 전지가 동력을 보조

감속/ 정지시 에너지 저장연비향상 및 배기 가스 감소연비향상 및 배기 가스 감소

리튬이차전지의 응용분야-고출력 전지리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--고출력고출력 전지전지

4. HEV에서 배터리의 역할

1-2. 리튬이차전지의 응용분야-고출력 전지11--2. 2. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--고출력고출력 전지전지

5. 국제유가의 상승에 따른 에너지 절감

국제 유가의 급상승에 의한 에너지

부담 가중

대체에너지 필요성 대두

기존 시스템의 효율 극대화

HEV 자동차의 연비 (프리우스)

10km/Litter 35km/Litter

1-2. 리튬이차전지의 응용분야-고출력 전지11--2. 2. 리튬이차전지의리튬이차전지의 응용분야응용분야--고출력고출력 전지전지

6. 세계 중대형 전지 시장현황 및 전망

전기 자동차를 제외한 고출력 전지시장은 2010년경 약 3조원 이상 규모로 전망. 전기 자동차를 제외한 고출력 전지시장은 2010년경 약 3조원 이상 규모로 전망.

자동차용 신형시장 규모 전망(금액기준, 100억원/년)

2001 2002 2004 2006 2008

Mild

42V

Pure EV

Full

294

201

115

60

157

2010

HE

V

자료원 : ITT, AABC 기술자료, HEV, EV, 42V ISA 모두 포함.

2. 리튬이차전지의 특징2. 2. 리튬이차전지의리튬이차전지의 특징특징

리튬이온 전지의 특징

Lithium: Atomic weight = 7.9Density = 0.53g/cm3

Size: atomic = 153 pmionic = 90 pm

표준환원전위 : - 3.045 V vs SHE고에너지밀도 : 소형화 , 경량화에유리자원적인문제 : 풍부하다.

Lithium: Atomic weight = 7.9Density = 0.53g/cm3

Size: atomic = 153 pmionic = 90 pm

표준환원전위 : - 3.045 V vs SHE고에너지밀도 : 소형화 , 경량화에유리자원적인문제 : 풍부하다.

1. 계면반응이 중요: 양극 – Lithium Source

음극 – Lithium Sinker

2. Macroscopic한 조절을 통한 Microscopic한 특성 구현

: 물리적 contact이지만 – 전자의 이동을 조절

3. 음극과 양극은 서로 상호작용.

4. 계면을 통과 時 Ion 상태로 이동함.

Interaction Interaction

Li+전극의 구성물 (계면)

활물질

도전재

바인더

전해액

집전체

3. 리튬이차전지의 재료개발동향3. 3. 리튬이차전지의리튬이차전지의 재료개발동향재료개발동향

Reference 전극 : Li+

Cell Voltage : 양극전압-음극전압

3. 리튬이차전지의 재료개발동향3. 3. 리튬이차전지의리튬이차전지의 재료개발동향재료개발동향

주요 구성물의 재료 추이

ANODES ELETCTROLYTES

Liquid OrganicElectrolytes

Liquid OrganicElectrolytes

고체고분자

전해질

고체고분자

전해질

고분자젤전해질

고분자젤전해질

이온성액상전해질

이온성액상전해질

?

CATHODES

Metallic LithiumMetallic Lithium

Lithium AlloysLithium Alloys

LithiatedCarbonsLithiatedCarbons

OtherLithiatedMaterials

OtherLithiatedMaterials

주로일차전지에응용

주로일차전지에응용

Li1-xNi1-y-zCoyMzO4 (M=Mg, Al, etc.)

Li1-xCo1-yMyO2

Li1-xMn2-yMyO4

Li1-xNi1-y-zCoyMzO4 (M=Mg, Al, etc.)

Li1-xCo1-yMyO2

Li1-xMn2-yMyO4

흑연흑연

Li[Ni1-x-yMnxMy]O2 (M=Co, etc.) Li[Ni1-x-yMnxMy]O2 (M=Co, etc.) 기타탄소

기타탄소

금속합금/복합체

Sn, Si based

금속합금/복합체

Sn, Si basedPolyanionic Compounds

Li1-xVOPO4 ; LixFePO4

Polyanionic Compounds Li1-xVOPO4 ; LixFePO4

3d-M OxidesNitridesLiMyN2

3d-M OxidesNitridesLiMyN2

?

3. 리튬이차전지의 재료개발동향3. 3. 리튬이차전지의리튬이차전지의 재료개발동향재료개발동향

주요 양극 활물질의 입자형상

x5000

LiCoO2

x5000

Li[NiMnCo]O2

3. 리튬이차전지의 재료개발동향3. 3. 리튬이차전지의리튬이차전지의 재료개발동향재료개발동향

결정학적 구조 및 전기화학적 특성

0 40 80 120 160 200 2403.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4TEST CONDITIONVoltage : 3.0 ~ 4.2VCurrent : 0.1 C rate

: LiCoO2

: Li[NiMn]O2 (C)

: Li[NiMnCo]O2

: Li[Ni1-x

Cox]O

2

VO

LTA

GE

(V)

SPECIFIC CAPACITY (mAh/g)

전기화학적 특징

1. Ni함량이 증가할 수록 용량 증가, 밀도 감소

효율 감소

2. Co와 Mn의 함량이 증가할 수록 평균전압 증가

3. 안전성 : Ni함량 증가할 수록 악화됨

전기화학적 특징

1. Ni함량이 증가할 수록 용량 증가, 밀도 감소

효율 감소

2. Co와 Mn의 함량이 증가할 수록 평균전압 증가

3. 안전성 : Ni함량 증가할 수록 악화됨

(Ni,Mn,M)O2 slabs

Li+ ions

구조적 특징

1. 층상구조 산화물 : R3M (Hexagonal)

slab 사이에 리튬층이 존재

2. 충전지 C축 방향 팽창 (리튬 방출)

3. 리튬의 이동통로 : 2차원적임

구조적 특징

1. 층상구조 산화물 : R3M (Hexagonal)

slab 사이에 리튬층이 존재

2. 충전지 C축 방향 팽창 (리튬 방출)

3. 리튬의 이동통로 : 2차원적임

60 120 180 240 3000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

: LiCoO2

: Li[NiMn]O2

: Li[NiMnCo]O2

: LiNi1-x

CoxO

2

Heat

Flo

w (

W /

g)

Temperature (oC)

3. 리튬이차전지의 재료개발동향3. 3. 리튬이차전지의리튬이차전지의 재료개발동향재료개발동향

열적 안전성 (DSC)

4. 리튬이차전지의 안전성4. 4. 리튬이차전지의리튬이차전지의 안전성안전성

전지제조공정

활물질

도전재

NMP

Binder

양극

음극

분리막

Coating 된 전극

<Jelly Roll>완성품

• 기본성능 평가

- 용량, 수명특성, 고율방전 특성, 저온성능

• Abuse Test : 고온저장 특성, Thermocycle

• 열적 안전성 평가 : Hot box test

• 기계적 안전성 평가 : Impact test

Crush test

Nail penetration test

• 전기적 안전성 평가 :

- Over-charge & Over-discharge test

• 기본성능 평가

- 용량, 수명특성, 고율방전 특성, 저온성능

• Abuse Test : 고온저장 특성, Thermocycle

• 열적 안전성 평가 : Hot box test

• 기계적 안전성 평가 : Impact test

Crush test

Nail penetration test

• 전기적 안전성 평가 :

- Over-charge & Over-discharge test

전지의 활성화(Formation and Aging)

전지의 활성화(Formation and Aging)

4. 리튬이차전지의 안전성4. 4. 리튬이차전지의리튬이차전지의 안전성안전성

안전성 TEST (Hot Box)

0 10 20 30 40 500

50

100

150

200

10 min.

Tem

pera

ture

()

℃

Time (min.)

4. 리튬이차전지의 안전성4. 4. 리튬이차전지의리튬이차전지의 안전성안전성

안전성 TEST (Impact)

sample

4. 리튬이차전지의 안전성4. 4. 리튬이차전지의리튬이차전지의 안전성안전성

안전성 TEST (Crush)

sample

4. 리튬이차전지의 안전성4. 4. 리튬이차전지의리튬이차전지의 안전성안전성

안전성 TEST (Nail Penetration)

sample

결론결론결론

리튬이온전지의 성능 다양화

- 고용량화

- 고출력화

- 고안전성화

Application의 창출 및 확대

리튬이온전지의 성능 다양화

- 고용량화

- 고출력화

- 고안전성화

Application의 창출 및 확대

지속적인 성장

감사합니다.