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전기자동차용 배터리
최용성  |  najunewsn@hanmail.net
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승인 2014.11.25  
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일본의 토요타에서 하이브리드 전기자동차인 프리우스 (Prius)를 개발하고 Ni-MH전지를 codydgkadm로
   
최용성 교수
동신대 전기공학과
서 우수한 연비를 과시하여 전기자동차에 대한 관심이 크게 증가하였다. 그러나 이 전지는 수소의 방출로 사용기한이 5년 정도로서 전기자동차에서 요구하는 수명인 10년을 만족하기에는 부족하고 지속적으로 에너지 밀도의 향상을 요구하는 차세대 전기자동차의 성능을 충족할 수 없다.

1995년 소니에서 양극에 LiCoO2를, 음극에 탄소를 채용한 리튬이차전지를 처음으로 양산하면서 리튬이차전지 시대가 시작되었다. 이 전지은 평균동작전압이 3.6V로 기존에 비해 거의 2배 가까운 전압이 얻어져 휴대용의 소형 경량을 요구하는 IT기기용 전원으로서 최적의 전지이다.

대부분의 IT 기기들이 3.0V 이상의 전압을 요구하므로 기존의 수용액을 전해액으로 사용하는 전지를 활용하기 위해서는 2개 이상의 전지를 직렬로 연결하였으나, 리튬이차전지는 하나의 전지만으로도 충분한 전압을 공급할 수 있어서 휴대용 기기에서 요구하는 소형, 경량 및 고성능의 특성을 잘 만족시키는 전지이다. 리튬이차전지를 채용한 전기자동차는 미국과 한국이 처음으로 주도하여 시작되고 있다.

리튬이온을 전극 및 전해질 반응에서 전하전달의 매개체로 사용함으로써 전지는 소재가 더욱 경량화되고 작아졌을 뿐만 아니라 높은 에너지밀도를 나타내어 현재 가장 널리 사용되는 에너지 저장소자가 되었다.
전지기술의 발달에 따른 에너지 밀도의 변화를 보면 최초의 이차전지인 납축전지는 중량당 에너지 밀도가 30Wh/kg, 부피당 에너지 밀도는 100Wh/l를 넘지 못하였으나, 현재의 리튬이온전지는 중량당 에너지 밀도가 160Wh/kg, 부피당 에너지 밀도는 400Wh/l를 상회하고 있다. 상용화 이후 연평균 10% 이상 에너지 밀도가 꾸준히 증가하여 현재 리튬이온전지의 부피당 에너지 밀도는 원통형 셀을 기준으로 600Wh/l, 중량당 에너지 밀도는 200Wh/kg을 넘고 있다.

최근 전기자동차 및 신재생에너지 저장용 이차전지에 이르기까지 적용범위가 확대되면서 향후 지속적인 기술의 발전이 예상된다.
이차전지의 종류에 대해서 기술하겠다. 납축전지는 양극에 PbO2 (이산화납)을, 음극에 Pb (납)을 사용하면서 전해액으로 황산을 사용한다. 일반적으로 수계를 전해액으로 사용할 경우 1.2V의 전압을 갖으나, 고농도의 황산수용액을 활용할 경우 약 2.0V의 전압이 얻어진다. 방전시에는 납과 이산화납이 전해액으로부터 수소와 전자를 받아서 양쪽 전극에서 모두 황산납 (PbSO4)을 형성하고, 충전시에는 양쪽 전극의 황산납이 각각 납과 이산화납으로 변환되면서 전기화학반응이 일어난다.

닙축전지는 성능의 안정성과 전지의 안정성 및 -40℃에서도 구동 가능한 저온 시동성 둥 성능이 우수하여 자동차용의 전원용으로 널리 사용되고 있다. 특히 납축전지는 제작의 편리성과 간단한 구조로 낮은 가격으로 제조할 수 있고, 에너지 밀도는 낮지만 상대적으로 낮은 자가방전율에 의해 내구성이 우수한 장점이 있다.

그러나, 이 전지는 양극인 이산화납과 음극인 납 사이에 황산용액을 통하여 진행되는 산화 및 환원반응의 속도가 다소 느리고 전지 구조상 과량의 황산용액을 전해액으로 사용하므로 출력특성이 떨어진다. 또한 낮은 에너지 밀도와 충전시 과열현상 등이 대표적 단점이다. 또한 환경오염에 대한 국제적 사용규제가 점점 강화되어 이에 대한 규제가 가중되고 있다.

Ni-Cd 및 Ni-MH 전지는 양극에 공통적으로 Ni(OH)2를, 음극에 각각 Cd(OH)2와 MH(수소저장합금)을 사용하며 전해액으로 고농도의 KOH (6~12몰) 수용액을 사용하는 시스템이다. KOH 수용액 즉 수계 전해액을 사용하므로 1.2V의 전압을 보인다. Ni-Cd 전지의 Cd(OH)2의 경우 산화․환원 반응 호환성이 뛰어나고 반응이 안정적이어서 내구성을 갖고 있다. Ni-Cd 전지는 낮은 에너지 밀도를 갖으나 우수한 수명특성으로 가격이 저렴하며 고속방전 특성도 뛰어나다. 그러나, 이 전지는 메모리효과에 의한 수명감소, 높은 자가방전율 등의 단점을 지니며 무엇보다도 Cd의 환경오염으로 그 활용도가 점점 줄어들고 있다.

Ni-MH전지는 양국에서 일어나는 Ni-Cd전지의 반응과 동일하나 음극에서는 환원반응으로 발생한 수소를 수소저장합금인 음극으로 들어가므로 전압특성은 수소저장합금의 특성에 많이 의존한다.

Ni-MH전지는 Ni-Cd전지보다 약 40% 정도 더 높은 에너지 밀도를 갖으며 친환경이어서 다양한 분야에 응용이 가능하다. 그러나 수명이 다소 짧고 방전속도도 Ni-Cd전지보다 떨어지고 가격도 Ni-Cd전지에 비해 20% 정도 더 비싸다. 메모리 효과는 Ni-Cd전지보다 덜 하지만 가자방전율이 더 크고 충전동안 과열을 방지하기 위해 Ni-Cd전지보다 더 천천히 충전해야 한다.
 
그러나, 방전 출력특성이 우수하여 토요타와 닛산의 전기자동차에서 이 전지를 채용한 하이브리드 전기자동차를 개발하여 시판하고 있다.
다음에는 전기자동차나 인버터 등의 충전장치인 배터리의 다른 종류에 대하여 기고하겠다.

※2차전지 : 충전, 방전이 가능하여 반복적으로 사용이 가능한 전지.

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