<2021> 리튬이온전지 급속충전 기술 현황 및 전망
전기차 시대가 본격화하기 시작했다. 모델S를 시작으로 60kWh 이상의 에너지를 저장할 수 있는 전기차가 나왔고, 이는 자연스럽게 고속 충전에 관한 수요로 확대되었다. 기존 완속 충전기로는 8~9시간 내외의 긴 시간을 충전에 써야 하기 때문이다. 자연히 업계는 전기차 고속 충전에 매달리기 시작했다.
전기차의 경우, 스마트폰과 같은 소형 전자기기와 달리 10년 이상의 수명을 확보함과 동시에 최소 220V이상의 고압으로 충전을 진행한다. 안전성도 확보해야 한다. 더 높은 전압과 전류를 보내는 급속충전의 기술 난이도는 자연히 더 올라간다.
전기차를 충전하는 방식에는 전기차에 플러그를 연결하여 에너지를 직접 공급하는 직접충전방식과 배터리 자체를 통째로 교환하는 배터리교환방식, 전자기 유도를 통해 전력을 전달하여 배터리를 충전하는 비접촉충전방식 등이 있다. 이 중 가장 일반적인 직접충전방식에는 충전 속도에 따라 일반적으로 직류를 이용하여 상대적으로 빠르게 충전이 가능한 급속충전방식, 교류를 이용하여 급속충전에 비해 느리게 충전이 되는 완속충전방식이 있다.
현재 전기차 배터리 업계에서의 기술은 20~30분 이내에 배터리 용량의 약 80%까지 충전 가능한 수준으로 개발 중이다. 100 % 충전에 약 9시간이(60kWh 차량 기준) 소요되는 완속 충전 방식에 비하면 빠르지만, 일반 내연기관 차량의 주유 시간에 비해서는 개선의 여지가 있다.
기존에 알려진 리튬이온 이차전지 급속충전기술의 경우 전지의 에너지밀도 손실이 수반되어 산업화에 직접 응용하기에는 한계가 있다. 따라서 에너지밀도의 손실 없는 급속충전 리튬이온전지를 구현하기 위해서 관련 전기화학 반응메커니즘에 대한 이해와 이를 바탕으로 한 새로운 혁신 소재 설계 및 개발이 반드시 필요하다.
급속충전 시에는 양극 산화물 결정구조 내에서 빠른 속도로 리튬이온이 탈리가 일어나야 하며, 음극 소재로서 가져야 할 성능 파라미터로서 낮은 방전 전위, 높은 단위 중량 및 체적 당 비용량이 우선 간주된다. 소형 리튬 이온 전지에 널리 사용되고 있는 흑연 음극 외에도 고 용량, 고 안전성, 고 내구성을 노린 차세대 음극 재료에 대한 검토가 이루어져야 한다.
본 리포트에서는 급속충전 기술 및 배터리 소재와 셀 기술들을 살펴보고 IT와, 전기차용 급속충전기술의 국가별/업체별 개발동향과 상용화 전망을 해본다.
본 보고서의 Strong Point는
① 충전기술 및 급속충전기술에 대한 개념 정리
② 급속충전기술 이슈 및 소재, 셀, 전극설계 기술에 대한 고찰
③ 급속충전기술 국가별/업체별 기술 동향 정리
④ 주요 업체별 급속충전기술 적용 사례 제시
⑤ 급속충전기술 관련 기술 및 특허 소개
등에 대해서 최근까지의 급속충전기술 동향 정보를 제공하고 있다.
목차
1. 충전 기술의 이해
1.1. 충전기 기술
1.1.1. 충전기의 개요
1.1.2. 기기에 전원을 전달하는 충전기
1.1.3. USB 규격을 통한 충전
1.1.4. 배터리를 직접 충전하는 충전기
1.2. 무선충전 기술
1.2.1. 무선충전기술의 개요
1.2.2. 자기유도방식
1.2.3. 공진유도방식
1.2.4. 자기유도방식vs공진유도방식
1.2.5. 무선충전기술의 장단점
2. 급속충전 기술의 이해
2.1. 모바일 IT 기기 급속충전기술
2.1.1. 전력 변환 기술
2.1.2. 전력 전송 기술
2.1.3. Power I/C 기술
2.1.4. 충전 알고리즘 기술
2.1.5. 급속충전용 배터리 기술
2.2. 전기차 급속충전기술의 이해
2.2.1. 전기차 충전 방식의 비교 “완속vs급속”
2.2.2. 전기차 급속충전 기술범위 및 이슈
2.2.2.1 무선충전기술
2.2.2.2 배터리 교환방식
2.2.2.3 고속 충전 배터리 기술
2.2.3. 급속충전네트워크
2.2.3.1 PORSCHE MISSION E concept
2.2.3.2 ABB TERRA HP program
2.2.3.3 CONTINENTAL ALLCHARGE program
2.2.3.4 Toshiba SciB Battery program
3.급속충전전지 소재 및 셀 기술
3.1. 급속충전전지 양극소재기술
3.1.1 리튬이온전지용 양극 작동원리 및 요구조건
3.1.2 층상계 양극소재
3.1.2.1 LCO/NCA
3.1.2.2 NCM 삼원계
3.1.2.3 NCM 삼원계 양극소재 급속충전기술(1)
3.1.2.4 NCM 삼원계 양극소재 급속충전기술(2)
3.1.3 스피넬계 양극소재
3.1.3.1 스피넬계 양극소재
3.1.3.2 스피넬계 양극소재 급속충전기술
3.1.4 전이금속 포스페이트계 양극소재
3.1.4.1 전이금속 포스페이트계 양극소재
3.1.4.2 전이급속 포스페이트계 양극소재 급속충전기술
3.2. 급속충전전지 음극소재기술
3.2.1 Graphite(흑연)
3.2.2 Amorphous Carbon
3.2.3 Metal Anode (비탄소계음극)
3.2.4 Lithium Titanate (LTO)
3.2.5 산화물계 고전위 음극
3.3. 급속충전전지 전해질소재기술
3.3.1 개요
3.3.2 전해질 구성 소재
3.3.2.1 유기용매
3.3.2.2 리튬염
3.3.2.3 첨가제
3.3.3 급속충전전지용 전해질 물성 기준
3.3.4 급속충전전지용 전해질 설계 사례: 고농도염 설계
3.3.5 급속충전전지용 전해질 설계 사례: 이종염 설계
3.4. 급속충전전지 소재 및 셀 기술
3.4.1 급속충전전지용 전극 설계 원리 (Electrode tortuosity)
3.4.2 급속충전전지용 전극 설계 연구 사례1
3.4.3 급속충전전지용 전극 설계 연구 사례2
4. 급속충전기술 국가별/업체별 기술 동향
4.1. 급속충전기술 국가별 기술 동향
4.1.1 한국
4.1.2 일본
4.1.3 중국
4.1.4 미국
4.1.5 유럽
4.2. 급속충전기술 업체별 기술 동향
4.2.1 Enevate
4.2.2 Toshiba
4.2.3 Storedot
4.2.4 Honda
4.2.5 Nissan
4.2.6 Dyson
4.2.7 Toyota
4.2.8 Porsche
4.2.9 Daimler
4.2.10 BMW
4.2.11 Hyundai
4.2.12 Tesla
4.2.13 Rimac
4.2.14 GM
4.2.15 KAIST
4.2.16 EUROCELL
4.2.17 PNNL
4.2.18 Stanford University
4.2.19 University of Texas
4.2.20 A123
4.2.21 GP Battery
4.2.22 Battrion
4.2.23 BESS technology
4.2.24 ABB
4.2.25 NTU
4.2.26 Drexel University
4.2.27 Guangzhou Automobile Group
4.2.28 Nanotech Energy
4.2.29 Samsung Electro-Mechanics
4.2.30 Xiaomi
4.3. 급속충전기술 관련 2015~2020 Patent Review