리튬이온배터리 셀 - I (전기차용 배터리 셀의 종류)

※참고하면 좋은 글 :

1. 리튬배터리 시스템에 대한 이해(배터리 팩 HW정리)

https://limitsinx.tistory.com/14?category=960086 

배터리 팩에 대한 이해(Analysis of Battery Pack, Battery System)

2. SEI layer 형성 과정에 대한 이해

https://limitsinx.tistory.com/13?category=960086 

SEI(Solid Electrolyte Interphase)에 대한 간단한 이해

 

리튬배터리(이하 LIB)의 종류
전기차 관점에서의 구분

출처 : http://celgardkr.com/battery-innovation

 

리튬이온배터리는 EV용 기준 크게 2가지로 나뉩니다.

HEV차량을 위한 고출력(High Power)형과 EV차량을 위한 고에너지(High Energy)형입니다.

PHEV는 이 둘의 어딘가에 위치하고있는데요

이런차이를 두는 이유는 친환경차량의 시스템에서 출발합니다.

 

출처 : https://www.donga.com/news/Economy/article/all/20190413/95033114/1

 

HEV차량에서 고전압배터리(이하 HVB)의 목적은 모터를 보조동력 및 주동력원으로 사용한다는 점입니다.

(Mild-HEV는 48V로 법규상 고전압에 포함되지않기에 배제)

고전압배터리를 통해 차량이 움직여야하는데 이것을 CD(Charge Depleting) Mode라고 합니다.

또한 배터리를 엔진의 보조동력원으로만 사용하는 경우가 있는데, 이것을 CS(Charge Sustaining)Mode라고합니다.

(엄밀하게는 CS안에서도 CD가존재합니다.)

 

따라서, Driving Mode로 친환경차량을 구분 해보자면 하기와 같이 정리가됩니다.

CD Mode는 회생제동 일부의 방전지향 드라이빙모드로, EV는 모터외에 별도의 동력원이 없기때문에 CD모드만 존재합니다.

하지만, HEV와 PHEV는 엔진을 가지고있기에 모터를 Main으로쓰지않아도 되는 CS Mode가 같이존재하죠

 

출처 : [paper]Engine optimal operation lines for power-split hybrid electric vehicles

 

CS모드에서 엔진의 보조동력원으로 사용하기위해, 엔진의 최적점을 기준으로 제어하는데 이것을 OOL(Engine Optimal Operating Line)이라고 하며, 해당 최적라인위에서 사용하기위해 고전압배터리를 사용합니다.

 

엔진의 OOL을 맞추어주는것이 목표로, 배터리를 굳이 0~100% SOC전체를 다 쓰지않아도 된다는 이야기입니다.

즉, 배터리의 내구에 가장 유리한 SOC 40~60%지점을 기준으로 OOL을 맞춰주는 제어전략을 취하며, HEV는 별도의 충전이나 고전압배터리로의 주행거리가 고려대상이 아니기에, 에너지를 높여주기보다 OOL을 맞출수있도록 순간적인 출력을 강하게 낼수있는 배터리를 설계해야합니다.

 

EV는 보조동력원이 없기때문에 CD모드밖에 없으며, SOC 0~100%를 모두사용해야합니다. 특히, EV는 고객들이 주로 관심을 가지는 부분이 '충전시간', '주행가능거리' 이기때문에 전체SOC대역에서 가능한한 에너지를 많이 뽑아낼 수 있도록 배터리를 설계해야합니다.

 

빌드업과정이 길었는데요(원래는 더욱세부적이지만..) 상기와 같은 요건들에 의해 EV용 리튬배터리는 고출력/고에너지 셀로 구분됩니다.

 

고출력/고에너지 셀의 설계차이

출처 : https://koalmott.tistory.com/74

고출력 배터리 시스템은 보통 1~2kwh정도의 에너지를 가집니다.

(상기표는 용량이라 되어있는데 잘못된 내용입니다.. 용량의 단위는 Ah입니다.)

보통 5Ah정도의 배터리셀을 수십~백여개 직렬연결을 해서 사용합니다.

EV는 50~200Ah셀을 1~3병렬 연결하고 수백개 직렬연결을 해서 사용하며, 보통 70kwh~120kwh정도입니다.

(현대 코나 : 64kwh, 테슬라 : 70~100kwh, 최근 나온 루시드 하이엔드모델 약 116kwh)

 

HEV용 고출력셀은 용량은 낮지만 출력밀도가 아주 높게 설계되며, EV용 고에너지셀은 고용량에 에너지밀도는 높지만 출력밀도는 상대적으로 HEV보다 낮게 설계됩니다.

 

"그냥 다 좋게, 출력밀도도 좋고 에너지밀도도 높고 셀용량도 높게해서 쓰면안되나요??" 

양산 프로젝트에서 우선순위 상위권을 다투는것이 '원가'이며, 배터리 셀의 부피에 의한 패키징 공간 추가확보 필요또한 큰이유입니다.

 

원가가 비싸지는건 당연한거고, 출력밀도와 에너지밀도를 모두 좋게하려면 패키징 공간 추가확보가 필요하다는것은 무슨이야기일까요??

 

 

전극 코팅과 로딩(Electrode coating and Loading)

Cell-A

Cell-B

 

상기와 같이 Cell-A와 Cell-B가 있다고 해보시죠

배터리의 충/방전 사이클과정중 Positive Electrode와 Negative Electrode를 리튬이온이 왔다갔다하는 구조인데요

Cell-A와 B중 어떤것이 더욱 빨리 많이 이동할수있을까요??

 

바로 'B'입니다. 그이유는, Electrode가 넓은면적으로 존재하기때문에 한번에 많은양의 리튬이 나갈수있을 뿐만아니라, 두께가 얇아서 리튬이온이 이동해야하는 거리가 훨씬작죠, 즉 이것을 저항이 작다고 표현할수도있습니다.

 

반대로, 순간출력은 낮되 꾸준히 지속적으로 오래 에너지를 뽑아내기위해선 어떤게좋을까요?

 

바로 'A'입니다. 전극코팅면적이 좁아 한번에 리튬이온이 많이 빠져나갈수도 없을 뿐더러, 두께가 두꺼워 전극활물질(Electrode Active Material)을 많이 로딩할수있죠

 

정리하면 'A'가 고에너지셀이고, 'B'가 고출력 셀입니다. 로딩량과 전극코팅면적에 따라 셀설계방법이 달라집니다.

 

출처 : [삼성SDI] https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=sdibattery&logNo=221935933012

B처럼 얇게만들어진 전극은 상대적으로 A보다 동일한 셀에 많이 들어가게 됩니다.

즉, 한개 배터리셀에 전극이 고출력셀 기준 50장정도 들어가야한다면, 고에너지셀은 30장정도만 들어가도 로딩량이 많기에 비슷하다는것이죠

 

여기서 '전극 장수가 더 많이 들어간다'라는 점이 중요합니다.

 

장수가 더 많이 필요하다는것은, 이것을 구성하기 위한 분리막 및 전극을 도포하는 집전체와 같은 여러 화학적 부산물(기재)가 더 필요하다는것을 의미합니다.

따라서, 고출력셀은 고에너지셀보다 원가가 높고, 차량당 들어가는 배터리셀의 수도 작으니 양산라인 구축대비 마진도 많이남지않습니다. 이런 연유로 배터리 셀업체들은 고출력셀 생산보단 EV용 고에너지셀 생산을 선호합니다.

 

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정리

 

전기차용 배터리 셀 설계는 크게 2가지 타입으로 나누어집니다.

① 고출력셀(HEV용)

: 출력밀도 향상 필요 → 저항 감소설계 → 로딩↓ 전극코팅면적↑ → 기재(부자재) 증대 → 원가상승 → 셀업체 비선호

 

② 고에너지셀(EV용)

: 에너지밀도 향상 필요 →고밀도 전극 설계 → 로딩↑ 전극코팅면적↓ → 부자재 감소 및 대규모생산(규모의경제) → 원가하락 → 셀업체 선호