친환경 자동차 > 07. 리튬 이온 폴리머 배터리(하이브리. 전기. 수소 자동차 배터리)

● 리튬 이온 폴리머 배터리(Lithium ion polymer battery) 개요

리튬이온 배터리는 플러스극에 리튬을 함유한 금속 화합물을 사용하고, 마이너스 극에는 탄소 재료를 사용하고 있다. 그리고 플러스극에 함유된 리튬이 전해질에 의해 이온이 되면서 전자를 마이너스 극으로 이동시키며, 동시에 리튬이온은 탄소 재료로 이동하여 충전이 된다. 전기를 만들 때에는 탄소 재료 쪽에 있는 리튬이온이 금속 화합물 측으로 이동할 때 전자가 플러스극 측으로 흘러감으로써 이루어지는 것이다. 금속 화합물 중에 포함된 리튬이 이온으로 되어 플러스와 마이너스 극으로 이동하는 것만으로써 충전과 방전이 일어나는데 납 배터리와 같이 전해액으로 금속의 물성(物性)이 변화되는 구조가 아니기 때문에 열화(劣化)가 적은 것이 리튬이온 배터리의 특징 중 하나이다.

● 망간산 리튬은 스피넬(spinel) 구조라고 불리는 결정 구조로 그 모습을 비유하자면 빌딩의 바닥을 기둥으로 지지하는 구조이다. 따라서 상하 바닥 사이의 리튬이온이 전부 나오더라도 결정구조가 무너질 위험성이 적어진다

● 이온(ion)은 원자 또는 분자의 특정한 상태를 나타내는 용어로, 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 원자 또는 분자를 이룬다. 원자에서 양전하를 띠는 양성자의 수는 화학적 변화에 의해서 변하지 않지만, 음전하를 띠는 전자들은 감소하거나 증가할 수 있다.양전하를 띤 이온을 양이온(cation), 음전하를 띤 이온을 음이온(anion)이라 한다.

● 리튬 : 기름 위에 떠 있는 리튬. 가장 밀도가 낮은 금속 원소로, 원자번호 3번. 때문에 가장 가벼운 금속성 원소이다. 주기율표 제1족에 속하는 알칼리 금속의 하나로서 ,원자량 6.941, 녹는점 180.54℃, 끓는점 1347℃, 비중 0.534을 갖는다. 또한 물에도 반응 할 정도로 쉽게 이온화 된다,

● 이온화 경향이란 : 용액 속(주로 수용액 속)에서 원소(주로 금속)의 이온이 되기 쉬움을 나타낸다. (전자를  읽기 쉬운 정도)

● 분리막(separator) :  양극과 음극의 물질을 분리하는 역할을 한다. 리튬이온은 통과시켜야 하기 때문에 구멍이 뚫려있다. 다공성 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 필름이 사용된다. 리튬이온의 안전에서 중요한 부분으로, 화재나 폭발의 경우가 대부분 분리막에 문제가 생겨서 양극과 음극의 물질이 섞여서 화학 반응을 일으키는 경우이다.

● 전해질(electrolyte) : 전해질은 리튬 소금(lithium salt) 계열의 액체가 사용된다. 육불화인산리튬(LiPF6, lithium hexafluorophosphate)이 가장 많이 사용되는 물질이다. 음극에서 전해질은 전해질에 있는 용매 분자가 리튬이온을 둘러싸 음이온과 접촉하는 것을 방지한다.

● 전이 금속(transition metal) 또는 전이 원소(transition element)는 주기율표의 d-구역 원소를 말한다. 주기율표의 3족에서 12족 원소가 모두 포함된다.  망간, 코발트는 전이 금속에 속한다.

● 폴리머(Polymer) : 한 종류 또는 수 종류의 구성단위가 서로에게 많은 수의 화학결합으로 중합되어 연결되어 있는 분자로 된 화합물이다. 구성단위를 단량체(單量體)라고 하며, 중합도에 따라 이량체, 삼량체 등이라고 한다. 중합도가 큰 거대 분자를 고중합체라고 하며, 고분자 화합물(분자량이 1만 이상의 화합물)과 같은 의미로 사용되는 경우가 많다.

● 이온 반응

● 배터리 주요 관리 기능

1. 배터리 충전률(SOC) 제어 : 전압/전류/온도 측정을 통해 SOC 계산하여 적정 SOC 영역으로 제어함   ·SOC(State Off Charge : 배터리 충전률) = 배터리 사용 가능 에너지    · SOC = (방전 가능 전류량 / 배터리 정격 용량) X 100%

2. 배터리 출력 제어 : 시스템 상태에 따른 입/출력 에너지 값을 산출하여 배터리 보호，가용 파워 예측, 과층전/과방전 방지, 내구 확보 및 충/방전 에너지를 극대화함

3. 셀 밸런싱(Cell Balancing) 제어 : 배터리 층/방전 과정에서 전압 편차가 발생한 셀을 동일한 전압으로 조정하여, 배터리 내구성, 사용 가능 에너지 용량 및 배터리     에너지 효율 증대

4. 파워 릴레이 제어 : IG ON/OFF시 고전압 배터리와 관련 시스템으로의 전원 공급 및 차단  ; 고전압 시스템 고장으로 인한 안전사고 방지

5. 냉각제어 : 쿨링 팬 제어를 통한 최적의 배터리 동작 온도 유지(배터리 최대 온도 및 모듈간 온도 편차량에 따라 팬 속도를 가변 제어함) 냉각 방식은 공냉식, 수냉식

6. 고장 진단  

◈ 시스템 고장 진단 데이터 모니터링 및 소프트웨어 관리     

◈ 페일-세이프(Fail-Safe) 레벨을 분류하여 출력 제한치 규정                   ◈

◈ 릴레이 제어를 통하여 관련 시스템 제어 이상 및 열화에 의한 배터리 안전사고 방지

● 하이브리드 자동차 리듐이온 폴리머 베터리 팩 어셈블리(그랜저 하이브리드 : 8셀 X 9모듈 X 3.75V = 270V)

● 전기 자동차 리듐이온 폴리머  배터리 팩 어셈블리(아이오닉 2020년식 14셀 360V)