▲ 출처=freepik  © 특허뉴스

 

 

자동차 산업을 넘어 모빌리티 산업의 게임체인저로 자리매김한 전기차의 핵심기술는 배터리의 에너지 효율이다.

 

최근 중국이 선도하는 저가형 전기차 배터리인 ‘LFP’가 글로벌 전기차 시장을 공습중이다.

LFP 배터리는 리튬 인산철(Li-FePO4)을 사용한 양극재 배터리로 안정성이 뛰어나다. 올리빈 구조 때문인데, 이 구조는 크리스탈 형태의 육면체들이 안정성이 높은 격자구조로 연결된 양극재의 한 종류로, 전기차 배터리에서 빠른 충전과 배터리의 안정성과 수명이 높이는 장점이 있다. 이 때문에 배터리의 과충전이나 과방전으로 인한 화재 위험이 낮고, 배터리셀의 열화 현상도 적어 비교적 배터리 수명도 긴 편이다.

 

실제, LFP 배터리 제조사인 BYD는 최근 배터리 못 관통 안정성 테스트를 영상으로 공개하며 자사 배터리의 안정성을 입증하기도 했다.

 

반면, 니켈·코발트·망간을 조합한 삼원계(NCM), 니켈·코발트·알루미늄을 조합한 사원계(NCA) 배터리에 비해, LFP 배터리는 에너지 밀도가 낮아 상대적으로 주행거리가 짧고, 날씨나 외부 환경의 변화에 취약하고 무겁다는 단점이 있다.

 

이러한 단점에도 불구하고, 전기차 시장에서 LFP 배터리를 선호하는 이유는 가격경쟁력이다. 삼원계나 사원계에 대비 70~80% 저렴하기 때문.

 

친환경에 따른 전기차 수요의 급증으로 완성차 제조사들이 보급형 전기차 공급에 열을 올리며, 가격경쟁력이 좋은 LFP 배터리 수요가 증가세다. 최근 테스라 모델Y에도 중국 CATL의 LFP 배터리를 채용하며, 지난 9월 벤츠 E클래스를 제치고 수입 승용차 판매량 1위를 기록했다.

 

국내에서도 내년에 출시될 현대 캐스퍼, 기아 레이EV, KG모빌리티의 SUV 토레스도 LFP 배터리를 탑재한 전기차를 출시하고 있다.

 

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LFP 배터리의 관련 특허도 관심을 받고 있는 가운데, 배터리의 잔존용량을 정확하게 측정하고 사용자에게 알려주는 기술이 있다. LG화학이 발명한 배터리 관리 장치 및 이를 이용한 SOC 캘리브레이션 방법이다. 이 발명은 LFP 배터리를 위한 배터리 관리 장치와 이를 이용하여 LFP 배터리의 SOC(배터리 잔존용량)를 캘리브레이션하는 방법을 제시한다.

 

해당 발명은 LFP 배터리의 SOC에 따른 OCV(Open Circuit Voltage)와 내부 저항의 변화를 고려해, LFP 배터리의 SOC를 정확하게 캘리브레이션할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 이용한 SOC 캘리브레이션 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

 

SOC는 배터리를 앞으로 어느 정도의 시간동안 안정적으로 사용 가능한지 가늠하는 척도로, SOC를 결정하는 데에는 전류 적산 방식(Ampere Counting)이 널리 활용된다. 이 방식은 배터리를 통해 흐르는 충·방전 잔류의 측정값을 시간마다 주기적으로 적산함으로써, 배터리에 남아있는 용량을 추정하는 방식이다. 하지만 전류 적산 방식은 전류 센서의 측정 오차로 인해 그 정확도가 시간에 따라 점차적으로 낮아진다는 단점이 있다. LG화학의 특허기술은 캘리브레이션 모드에 진입 시, 다중 뉴럴 네크워크를 이용한 문자 인식을 위한 장치 및 그 동작방법을 거쳐 전류 적산 방식의 문제점을 해소했다.

 

 

▲ 다중 뉴럴 네크워크를 이용한 문자 인식을 위한 장치 및 그 동작방법(출처=윕스온, 10-2066702)  © 특허뉴스

캘리브레이션 과정은 먼저 소정 시간동안 전압 특정부로부터 수신된 복수의 전압값에 대한 평균 전압값을 산출하고, 이어 소정 시간동안 전압 특정부로부터 수신된 복수의 전류값에 대한 평균 전류값을 산출한다. 이어 평균 전압값 및 평균 전류값을 기초로 소정 시간동안의 LFP 배터리의 평균 내부 저항값을 산출해 평균 내부 저항값이 미리 정해진 기준 저항값 이상인지를 판정하고, 평균 내부 저항값이 상시 기준 저항값 이상인 경우, 현재의 SOC를 미리 정해진 기준 SOC로 캘리브레이션하는 과정을 거친다.

 

LG화학의 기술은 이러한 과정을 거쳐 LFP 배터리의 SOC를 정확하게 캘리브레이션 할 수 있고, 암페어 카운팅 기법에서 전류 센서의 측정 오차가 지속적으로 누적됨으로 인해 사용자들이 잘못된 SOC를 통지받는 문제를 저감할 수 있다.

 

LFP 배터리의 수명과 안정성을 극대화시키는 분리막 기술도 있다. 삼성SDI에서 개발한 분리막 및 이를 채용한 리튬전지에 관한 기술로, 이 분리막은 LFP 입자를 포함하는 제1층과 100℃ 이상 130℃ 이하인 유기 입자를 포함한 제2층을 포함하는 분리막으로 전지의 안전성이 향상되는 기술이다.

 

분리막은 배터리의 양극과 음극 사이에 단락을 방지하기 위하여 배치된다. 단위부피당 방전 용량이 크고 에너지 밀도가 높으며 수명 특성이 우수한 배터리가 요구되고 있기 때문이다.

 

기존의 분리막은 세라믹을 코팅하여 강도 및 내열성을 향상시킨 분리막이었지만, 세라믹이 코팅된 분리막은 음극/양극과의 접착력이 낮아 충·방전시에 전지의 부피가 급격히 변화하여 전지의 변형이 발생하기 쉽다는 단점이 있었다. 이후 세라믹이 코팅된 분리막과 양극/음극과의 접착력 향상을 위해 세라믹 상에 바인더가 추가된 분리막이 제시되었지만, 세라믹 상에 바인더가 추가된 분리막 또한 기공율이 저하되고 내부저항이 증가하여 전지가 열화되기 쉽다는 문제점이 있었다. 때문에 일부의 경우에는 관통시 용융된 유기입자가 못(nail) 주변의 쇼트 패스(short pass)를 막아 열이 집중되며, 온도의 급격한 상승으로 이어져 열폭주가 발생하는 등 전체적인 전지 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.

 

 

▲ 기존 분리막의 한계를 극복하고 열 안정성 뿐 아니라 관통 특성까지 우수한 새로운 분리막 기술  © 특허뉴스

삼성SDI의 새로운 분리막 기술은 기존 분리막의 한계를 극복하고 열 안정성 뿐 아니라 관통 특성까지 우수하다. 본 발명은 분리막 중에 LFP 입자를 포함한 제1층과 용융점이 100℃ 이상 130℃ 이하인 유기 입자를 포함한 제2층을 함께 포함함으로써, ▲높은 열적 안정성과 관통 안정성을 갖고 전해액과 부반응을 억제할 수 있고 ▲유기 입자는 130℃ 이하의 온도에서 용융하여 분리막의 기공을 막아 전류의 이동을 억제하여 열 안정성을 향상시킬 수 있다, 또한 100℃ 이상에서 용융되어 정상적인 작동 조건에서 수명 특성이 저하되는 문제점도 개선되었고 ▲신규한 층 구성을 포함하는 분리막을 채용함에 의해 향상된 관통 안정성 및 극판 접착력을 갖고 이를 통해 리튬 배터리의 수명 특성 및 전지 안정성 등이 향상될 수 있다.

 

 

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다른 전자기기의 발전흐름과 함께 LFP 배터리 또한 소형화, 고성능화, 경량화를 추구하고 있 가운데, 차량 분야에 적용되려면 배터리의 방전용량, 에너지 밀도 및 사이클 특성이 중요해지고 있다. 그만큼 전기차 배터리의 가성비와 효율성이 전기차 시장을 주도한다는 예기다.   

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