Battery Electric Vehicle을 구성하는 Battery, Motor, Control등과 같은 기술은 계속해서 발전해 가고 있으며, 차량이라는 개념에서 실제 사례를 들어서 설명하겠습니다.
1. 슬림형 전지
Nissan의 LIEF는 2010년에 이미 Global market에서 55만 대 이상 팔렸습니다. 출시된 이래 LIEF의 주행거리는 41억 Km를 넘어섰고, 전지 발화 등과 같은 사고는 일어나지 않았습니다. Nissan에서는 Li-ion Battery를 1991년부터 개발하기 시작하여 5년 후에는 세계 최초로 구동용 에너지원으로 Li-ion Battery를 사용한 Battery Electric Vehicle인 프레리 조이를 판매하였습니다. Nissan의 Li-ion Battery 탑재 실적은 이미 23년도 넘었습니다. Electric Motor, Battery, Control system 등 모든 요소가 Battery Electric Vehicle 성능을 좌우합니다. 흔히 Battery와 Motor가 세트로 ICE(내연기관자동차) 기능과 같은 역할을 수행한다고 하지만, Nissan은 차량에 따라 달라야 한다고 보았습니다.
- 어느 정도의 이동(항속) 거리가 필요한가?
- 가속 성능은 어떻게 반영할 것인가?
여기에 대응하는 Battery의 Energy Density나 Efficient Density를 결정한다는 개념입니다. 당연히 차량 무게, 공력 특성, 여유 구동력 같은 조건도 같이 방영하였습니다.
현재 Nissan의 x-Electric Vehicle용 Battery는 형상별로 3가지 Type이 있습니다. 한 가지는 LIEF에 사용해 온 슬림형 래미네이트 Type입니다. 2007년에 만들어진 Nissan과 NEC 합자 회사 AESC (Automotive Energy Supply Corporation)가 개발해 국재 등을 개선시키면서 현재는 3세대인 LIEF와 FR-Hybrid Electric Vehicle용으로 탑재되고 있습니다. 차종별로 경쟁력 있는 Battery인 각형, 원통형 등을 사용해 왔습니다.
2. 래미네이트 Type를 사용하는 이유에 대해서 Nissan은 아래와 같이 설명하고 있습니다.
"체적 효율이 좋고 구조가 간단합니다 그래서 많은 전기를 장착하기에는 래미네이트 Type이 좋은 편입니다. 차량 탑재성과 질량이나 체적당 Energy Density가 뛰어납니다. 다만 Battery Electric Vehicle에는 래미네이트 타입만 사용할 수 있다는 것은 아닙니다. 각형과 원통형 각각의 장단점은 있습니다. 원통형은 역사도 길도 좋은 점도 있습니다. 안에서 팽창하는 힘이 작용해도 기하학적으로 강하기 때문입니다. 작게 할 때는 사용하기도 쉽습니다. 다만 자동차 같은 경우는 Battery 공간이 사각인 경우가 많기 때문에 탑재효율이 약간 떨어지는 측면은 있습니다. 그 점에서는 각형이 우위에 있다고 할 수 있습니다."
Nissan은 어떻게 x-Electric Vehicle별 Battery를 적합하게 선택해 왔을까? 먼저 전극재료를 변경했습니다. 4개 Cell을 모아서 1개의 모듈로 만들었던 초기에는 양극에 망간과 니켈을, 음극에는 흑연 계열을 사용하였습니다. Li-ion Battery는 양극과 음극 사이를 금속 리튬 이온이 왕래함으로써 충전과 방전이 이루어지는데, 전극 재료의 결정 구조가 성능을 결정하는 데 있어서 중요한 요소입니다. NEC는 망간계열에서 'Spinel 구조'로 불리는 결정구조를 선택하였습니다.
2세대에서는 1개의 모듈 안에 8개의 Cell을 넣는 단계에서 탑재용량을 높이기 위해 양극재를 NMC 3 원소로 변경하였습니다. 이 양극재료의 변경을 통해서 동일한 체적 안에서 30 kWh와 Energy를 저장할 수 있습니다. 24 kWh와 비교해서 25% 이상 증가된 것으로, 래미네이트 타입의 특징을 살려서 Cell 사이의 간격을 작게 하는 동시에 작동할 때 약간의 Cell 팽창을 흡수하는 Module 구조입니다.
다음으로는 1개 Module - 8개 Cell에서 40 kWh를 탑재할 때, 제3세대에서도 양극재료를 변경해 NMC 3 원소 재료를 적용하였습니다. 이 상태로 27개 Cell을 1개 Module로 만듦으로써 모듈 내에서의 Cell 충진 효율을 높여 총 288개 Cell을 탑재한 것이 LIEF E+ 의 62 kWh 사양입니다.
"래미네이트 Cell의 단자 Tap을 용접하기 위한 공간이 죽은 공간입니다. 이 공간을 초음파 용접에서 레이저 용접으로 바꾸는 식으로 이 죽은 공간을 없앴습니다. 그러면서 용접부의 저항값도 상당히 떨어졌고 Module에서 접속하는 부분의 저항도 줄일 수 있었습니다. Battery 내부 저항과 접속부 저항을 크게 낮춤으로써 Battery 순발력을 높여 한 번에 더 많은 전력을 끌어낼 수 있었습니다. 물론 Motor와 Invertor의 성능도 향상되었지만 Battery의 내부 저항 저감은 큰 요소입니다. 급속충전 특성에도 Battery이 내부저항 절감이 효과가 있습니다. 같은 충전시간으로 항속거리는 약 1.6배로 좋아졌습니다."
3. 'Cell Pack Volume Ratio'라는 지표가 있습니다.
Cell당 극적인 성능향상은 하루아침에 이루어지지 않습니다. 그래서 같은 체적 안에 더 많은 Energy를 넣는 Pack 기술이 중요합니다. 27개의 Cell을 넣은 Pack 기술은 최상의 기술인 것입니다.
래미네이트 type 같은 경우, 래미네이트의 체적변화를 흡수하기 위한 Module 두 개 방향으로는 여유가 있습니다. 그래서 Module의 위아래의 두께 변화를 조절하는 장치를 넣고 있습니다. 이 부분을 좀 더 개선해서. 2011년 시점과 비교해 LIEF에 탑재한 Li-ion Battery는 중량 Energy Density에서 이미 2배가 되었습니다. 동시에 가격도 내려갔습니다.
" 지속적인 생산과 양산효과 또 Product Process의 개선이 비용 절감에 긍정적 영향을 미친것입니다. 예를 들어 NMC 가운데 희토류인 코발트를 줄여도 양극의 안정성을 확보할 수 있는 재료를 개발한다면 자원 조달 단가는 내려갑니다. Product Process Cost는 점점 좋아지고 있습니다. 전극은 Product Cost가 높습니다. 여기 설비비와 Over rating 비용이 높기 때문에 과감하게 바꾸는 연구도 이루어지고 있어서 Li-ion Battery의 단가는 내려갈 수 있다고 봅니다. Battery 설계를 바꾸면 단기간적으로는 가격이 올라가지만 바로 원래대로 내려옵니다. "
" 충전전압을 현재의 4V보다 더 높이려고 합니다. 이것을 견딜 수 있는 전해액 또는 첨가제를 연구 중입니다. 전극재료와 전해액 개발을 통해서 이론적으로는 5V 전지도 가능합니다. 그리고 그다음에는 열 안정성이 높고 Energy Density가 높은 전고체전지가 있습니다."
성능이 좋아지고 가격은 내려갑니다. 내연 기간과 비교하면 Li-ion Battery는 아직 연소최적화와 Downsizing 직전 단계라고 볼 수 있습니다. 그만큼 미래에서의 발전을 전망할 수 있습니다.
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