6 조 : 이승은 심병윤 신하은 정진희 전남대학교정밀화학과 500-757 광주광역시북구용봉동 300 (2014 년 6 월 13 일제출 ) Design of six-seater electric car by using lithium-ion batteries Team 6: Lee Sim Shin Jeong Department of Chemical Engineering, Chonnam National University 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju 500-757 (Submitted 13 June 2014) 요 약 이프로젝트의목적은리튬이온전지를이용한 6인승전기자동차를설계하는것이다. 구체적으로는배터리만으로시판중인 6인승차량과비슷한수준구동력을내는것을목표하였다. 전극재료로는애노드는높은출력, 지속력, 낮은작동온도그리고안정성에서우위를보이는 Lithium titanium oxide, 캐소드로는 Lithium manganese oxide를이용하였다. 애노드로사용한 LTO는흑연을대체하기위한물질로, 기존전극에비해빠르게충방전이가능하다는장점이있다. 특히, LIB의구동력인리튬이온의장벽으로작용하는 SEI(Solid Electrolyte Interface) 를생성하지않는다는것이큰장점이다. LMO를캐소드로사용할경우효율이높고가격면에서우위를가진다. 이는 LMO의 3차원결정구조상넓은표면적에의해더많은이온을수용할수있기때문이다. 전해질로는 EC(Ethylene carbonate), DMC(Dimethyl carbonate), EMC(Ethyl-methylarbonate) 가 1:1:1의부피비로구성된용액에 1 M의 LiPF 6 (Lithium hexafluorop -hosphate, Panaxetec) 염이용해된것을사용하였다. 배터리수납문제를해결하기위하여차체하부에넓게설치하는모델을선택하였다. 차량하부에설치되어배터리가무게중심을낮추어안정적인주행및전복사고등안전사고에도효과를볼수있을것으로생각된다. - 1 -
1. 목표 소형전지중심의이차전지에서중대형전지로확대시켜, 석유가아닌좀더친환경적인전기를이용해 6인승자동차를구동설계한다. 구체적으로는시판중인 6인승차량과비슷한수준의차량을선정하여, 차량에탑승자들이탑승한것을가정한다. 그상태에서전기에너지만으로기존차량만큼의구동력을내는것을목표하였다. 기준차량의간단한제원은다음과같다. H 사 M 모델 6인승, 무게 1,840 kg, 엔진출력 200ps = 147.1 kw. 2. 필요성 20세기후반에들면서환경에대한중요성이재인식되면서다시전기자동차에대한관심이높아지기시작하였다. 환경문제에대처하는자동차를찾기시작한것은약 30년전부터이다. 현재로는전기에너지를사용하기때문에에너지원을다양화할수있고, 2040년이면석유자원이고갈되리라는석유수급불균형에대처할수있다는점, 가솔린자동차가전체에너지효율이 10.3% 인데비해전기자동차는 17.8% 까지에너지효율을높일수있다는점, 대기오염에대한규제강화로무공해차량의의무적인판매에대응한다는점등여러가지이유로인하여전기자동차의필요성이더욱증가하고있다. 특히일본의 Yano 경제연구소에따르면 2011년도차량탑재용리튬이온이차전지세계시장규모는 1,000억엔에서 2015년에는 1조엔가까이성장할것으로예측되어발빠른대응으로국가경쟁력을갖추어야할것이라전망된다. 이프로젝트에서는순수하게전력만을이용한전기자동차의설계를목표로하고있다. 3. 내용 가. 구동시스템전기자동차는전지로모터를가동하여차량을구동시키고, 감속할때는모터를발전기, 회생브레이크장치로사용하여운동에너지를전기에너지로변환하여배터리에저장하고있다. 전기자동차의구성요소는전지, 전동기와제어장치, ECU(Electronic Control Unit) 장치로나눌수있다. 이들중우리는전기화학강의를수강하면서습득한지식을이용하여전기자동차에이용가능한전지를설계하는것을중점적으로다룰것이다. 현재리튬이온배터리 (Lithium ion battery, 이하 LIB) 에많이쓰이는애노드물질은흑연, 캐소드물질은코발트계열이다. 흑연의경우용량이크다는장점이있지만, 안정화시키는비용이많이들고높은작동온도를요구한다는단점이있다. 이에근거하여이번프로젝트에서는높은출력, 지속력, 낮은작동온도그리고안정성에서우위를보이는 Lithium titanium oxide( 이하 LTO) 를애노드로, Lithium manganese oxide( 이하 LMO) 를캐소드로가지는배터리를이용한다. 나. 메커니즘리튬이온전지의기본적인메커니즘은, 상이한재료간에전위가서로다름으로인하여전위차가발생하는것에기인한다. 전위차로인해전자이동현상이발생하는것이다. 이를이용하는것이전지의기본원리이다. 리튬이온전지는전기화학적으로리튬을삽입할수있는캐소드및애노드재료와리튬이온을이송할수있는매질로써비양성자성극성유기용매를사용한다. 전극반응에서의메커니즘은다음과같다. 먼저애노드에서는 가, 그리고 개의전자와결합하여 가형성된다. 캐소드에서는 가환원되어 와 로나누어지고, 개의전자를방출한다. 전체반응을포함한식은다음과같다. - 2 -
6 조 : 이승은 심병윤 신하은 정진희 량 에너지밀도 출력밀도 그림 1. 리튬이온배터리의메커니즘 애노드 : LTO 는흑연을대체하기위한물질로이 론적전지전압 (cell voltage) 은 2.4 V 이다. 기존전 극에비해빠르게충방전이가능하다는장점이있고 특히, LIB 의구동력인리튬이온의장벽으로작용하 는 SEI(Solid Electrolyte Interface) 를생성하지않 는다는것이큰장점이다. LTO 의에너지밀도및출 력밀도계산은다음과같다. 캐소드 : 코발트계열의캐소드대신 LMO 를사용 할경우효율이높고가격면에서우위를가진다. 이 는 LMO 의 3 차원결정구조상넓은표면적에의해 더많은이온을수용할수있기때문이다. 에너지밀 도가낮다는단점이있지만, 수명이길고안정성에서 비교우위를가진다. LMO 의에너지밀도및출력밀 도계산은다음과같다. 용량 에너지밀도 표 1. 리튬이온전지에사용되는유기용매의물리화학적성질 solvent Dielectric Wiscosity Freezing Boilling constant (ε) (η/cp) point ( ) point ( ) Ethylene carbonate(ec) 95.3 1.9 36.4 238 Prorylene carbonate(pc) 64.9 2.5-54.5 242 Dimethyl carbonate(dmc) 3.12 0.59 3.0 90 Diethyl carbonate(dec) 2.82 0.75-43.0 127 Dimethoxy ethane(dme) 7.05 0.46-58.0 85-3 -
력밀도 위의이론적계산에서 E wk = 3.8 V 를이용했지만, 실제사용되어지는전극에서측정된값은이론값보 다적은 3.0 V 였다. 따라서 LMO 를이용한캐소드의 효율은약 78.9% 이며, 실제사용가능한출력밀도 는 319.5 W/kg 이된다. 전해질 : 유기전해액은 EC(Ethylene carbonate), DMC(Dimethyl carbonate), EMC(Ethyl-methyl -carbonate) 가 1:1:1 의부피비로구성된용액에 1 M 의 LiPF 6 (Lithium hexafluorophosphate, Panax -etec) 염이용해된것을사용하였다 유전상수가높은값을가지면극성역시증가하기 때문에높은효율을보일수있으나, 유전상수가높 아지면점도역시증가하게된다. 따라서한용매만 을사용하기보다는유전상수가크고점도가낮은 용매를혼합하여전해질로사용한다. Automobile Repairs) 에서자동차충돌실험에사용하 는더미의표준무게에서근거했다. 즉, 전체무게는 가되었다. 속도의기 준은위의무게를 10 초이내에정지상태에서시속 100 km 로구동시키는것을목표하였다. 다음식을 통해동력소요를계산하였다. 최종적으로 88.3 kw 가구동에소요될것으로예 상되었다. 이는기준차량의구동력인 200ps = 147.1 kw 에는미치지못하지만, 자동차의일반적 인운행에부족함이없는수준이라판단된다. 라. 스택설계 Fathabadi et al. 9) 에따라가로, 세로, 높이가각 인단위셀을선택하였다. 이에 따르면위의단위셀 20 개를한모듈 (pack) 으로사 용한다. 애노드를기준한단위셀의용량은 (LTO) 의밀도인 3.73 g/ml 을이용하여계산하였다. 단위셀의출력은다음과같이계산하였다. 그림 2. 전지작동전극에따른전압의변화 1 pack (20 cells) 출력 다. 구동소요동력구동소요동력은차량의무게와탑승자 6인의무게를더한것을기준으로잡았다. 목표차량의공개된무게는 1,840 kg 이다. 탑승자는 1인당 75 kg으로계산했으며, 이는 RCAR(Research Council for 필요한모듈의개수는 로, 약 20 팩으로계산되었다. - 4 -
6 조 : 이승은 심병윤 신하은 정진희 구동소요동력 88348.77 W의출력을내기위해서는단순계산으로 117.7 리터이상의배터리가필요하다. 마. 차량설계배터리의총크기는일차적으로기준차량의연료탱크용량 (71리터) 을넘지않는부피를목표로했으나스택설계의계산을통해알수있듯이목표한부피보다다소큰공간이필요하다. 따라서상용차량의연료탱크를배터리수납공간으로개조하여사용한다는식의발상은의미없는것이되었다. 배터리 71리터를제외한 47리터의배터리수납을해결하기위하여차체하부에넓게설치하는모델을선택하였다. 미국의전기자동차개발및판매업체테슬라의전기자동차모델 S는전복시험에서최고수준인 S등급을받았다. 이는배터리팩 (85 kwh) 이전체중량 2.1톤의약 30% 를차지하고있음에도불구하고차량하부에설치되어낮은무게중심덕택에놀라울정도로훌륭한코너링을자랑하기때문이다. 여분의배터리 47리터를차체하부에넓게설치할경우그무게는단순계산으로약 175.3 kg 이되며, 목표차량의무게 1,840 kg의 10% 에해당한다. 차체하부에여분배터리를설치할경우차량의탑승, 수납공간을보다넓게사용할수있으며낮은무게중심에의해안정적인주행및전복사고등안전사고에도효과를볼수있을것으로생각된다. 바. 차량운행시간및경제적인여건의제약으로인하여시제품은제작하지못하였다. 그러나실재차량운행시나타날수있는사항들을예상하여보면, 가장큰문제로배터리의안전한적재문제를꼽을수있을것이다. 부피에대한문제는차량설계부분에서해결된부분이고, 배터리출력역시자동차를구동하기에문제없어보이지만, 차량밑바닥에배터리를깔아놓고사용하는것은배터리에가해지는압력과열방출문제를새롭게야기한다. 리튬이온배터리에열을 가하거나압력을가했을때, 폭발이나발화의위험성이있다는것은이미잘알려진사실이다. 몇년전배터리를차량하부에적재한전기자동차를상용화한테슬라사역시이문제를해결하기위해새로운배터리냉각시스템과안전장치들을도입했음에도불구하고몇건의화재사건으로인해곤혹을치룬바있다. 이런문제점들은전기자동차의대중화를가로막는큰문제점들이며, 장기적으로지속적인투자와연구를통해해결해나가야할것이다. 4. 결론 전기자동차는현재의내연기관차량을대체하여화석연료의고갈에대비하고온실가스방출량감소에기여할뿐만아니라내연기관차량에비해높은에너지효율을가질수있다. 그러나전기자동차는높은제조원가와구조기술의미비로인해본격적인상용화가되지는못한실정이다. 전기자동차제조원가에서큰비중을차지하는것은전지팩의가격이다. 전기자동차의 2차전지로사용되는 LIB 팩의경우그가격의절반이셀가격이고나머지절반은그셀들을모아팩으로가공하는포장비용이다. 따라서전지팩의원가를셀수준에서줄일수있다면결과적으로자동차의가격을크게감소시킬수있다. 자동차용 LIB는휴대용전자기기에사용되는중소형 LIB보다훨씬더큰비에너지, 비출력, 수명, 안전성을요구한다. 이러한 LIB의성능은그구성요소들인캐소드재료, 애노드재료, 전해액등의조합방법에의해크게달라진다. 비에너지와비출력은각각주행거리와가속능력을결정하므로자동차성능의척도가된다. 수명은자동차의가격과밀접한관계가있으며, 10 년이상을보장할수있어야내연기관과경쟁이가능할것이다. 안전성은탑승자의생명과관계가있으므로무엇보다우선적으로고려되어야한다. 이번에구상한 LIB는출력, 지속력, 낮은작동온도그리고안정성에서우위를보이는 LTO와 LMO를이용하여설계하였다. 전해질은유전상수가크고점도가낮은용매를혼합하여사용했다. 하지만단위셀 - 5 -
출력이낮은탓에기준차량의연료탱크보다큰용량이필요했다. LIB의가격을낮추면서성능을향상시키는것은쉬운일이아니므로앞으로많은 R&D 노력이필요하다. 다행히 LIB는아직완성된기술이아니므로개선의여지가많이남아있어앞으로훌륭한성능의전지가출현할것으로기대된다. 또셀가격의상당부분을차지하는분리막과전해액분야의성능개선도 LIB의제조원가를낮추는데크게기여할것이다. 5. 참고문헌 1. 고형신, 최정은, 이종대, Core-shell 구조의 MCMB/Li4Ti5O12 합성물을사용한하이브리드커패시터의전기화학적특성, 충북대학교화학공학과, 2013.9. 2. 심건주, 차량용리튬이온전지기술의현황과전망, 한국과학기술정보연구원, 최근연구동향제4 권제6호 2011.12. 3. 조만, 전기자동차용리튬이온이차전지의생산기술, 한국기계산업진흥회, 기계산업 426권 0호 78-83. 4. 미래형자동차국제표준화로드맵, 자동차부품연구원, 2010. 5. " 하이브리드전기자동차용고출력리튬이차전지 ", 한국과학기술정보연구원 6. RCAR, "RCAR Bumper Test", Issue 2.0, Sep.2010. 7. Types of Lithium-ion Batteries Battery 8. Voelcker, John (September 2007). Lithium Batteries Take to the Road. IEEE Spectrum. Retrieved 15 June 2010. 9. H. Fathabadi. J. Power Sources 245 (2014) 495-500. - 6 -