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일전에 리튬이온 전지에 간단히 알아봤습니다. [링크 : 리튬이온 전지(Lithium-ion battery)의 원리 및 전기차(Electric Vehicle)의 베터리]

이번 포스팅에서는 전기자동차에 사용되는 모터 종류에 대해 알아 보려합니다.

The most important concepts for the motorization of electric vehicles are direct current (DC) motors, induction motors (also known as asynchronous motors), synchronous motors and switched reluctance motors, each bearing a series of advantages and disadvantages [21]. Table 3 gives an overview over prominent examples of different drive configurations. Currently, permanent magnet synchronous and induction motors are the most common ones in electric vehicles. While permanent magnet synchronous motors reach very high power densities and efficiencies, induction motors are cheaper and do not require rare earth-based permanent magnets [21,22]. However, due to the limited space in HEVs and the general interest in light-weight construction, permanent magnet motors are the predominant technology applied in (H)EVs. 

[출처 : Elwart et al., "Current Developments and Challenges in the Recycling of Key Components of (Hybrid) Electric Vehicles", Recycling, 2015.]

위 논문에 의하면 직류 모터(Direct current motor), 유도 전동기(Induction motor), 동기 모터(synchronous motors), 리럭턴스 모터(switched reluctance motors) 중 동기모터와 유도 모터가 전기자동차에 가장 많이 사용되고 있다고 합니다. 아래 그림은 동기모터(왼쪽) 와 유도모터(오른쪽)의 구성을 보여주고있습니다. 

[출처 : http://newenergyandfuel.com/]

동기모터는 그림에서 보여주는 것처럼 영구 자석으로 인해 높은 출력 밀도(power density) 와 효율을 가지고 있습니다. 하지만, 이때 사용되는 영구 자석이 재료중 희토류(rare earth)가 포함되어 있어 가격이 비쌉니다. 그럼에도 불구하고, 전기자동차내 공간상의 제약으로 인해 유도 모터보다 동기 모터가 더 많이 사용되고 있는 현실입니다. 아래 표는 각 전기 자동차별 사용 모터에 대해 나타내주고 있습니다. 

(PM-Permanent Magnetic Synchronous Motors, IM-Induction Motors)

[출처 : Elwart et al., "Current Developments and Challenges in the Recycling of Key Components of (Hybrid) Electric Vehicles", Recycling, 2015.]

대부분의 회사가 영구자석이 있는 동기 모터를 사용하고 있는 가운데 흥미롭게도 데슬라에서는 유도 모터를 사용하고 있습니다. 위 자료가 2015년에 발표된 논문이기에 현재의 추세는 약간 달라 질수도 있습니다. 베터리를 보면 대부분의 업체들이 테슬라를 따라 가는 추세를 보이는데 모터 사용도 그렇지 않을까라고 조심스럽게 예측하며 포스팅을 마칩니다.

--추가--

clean Technica에 의하면 현재 테슬라는 3상 4극 AC Induction Motor를 사용한다고 합니다. [출처 : https://cleantechnica.com/2016/05/30/nikola-teslas-19th-century-induction-motor-ideal-choice-21st-century-electric-car/]

1991년 소니에서 처음으로 생산되기 시작한 리튬 이온 베터리 (lithium ion battery)가 2017년으로 출시 25년을 맞이합니다. 리튬이온베터리의 탄생으로 인해 각종 전자기기의 소형화 뿐만 아니라, 전기 자동차까지 등장했다고해도 과언이 아닙니다. 이번 포스팅을 통해 리튬이온 베터리에 대해 간략히 알아 보려 합니다. 

먼저 리튬이온베터리가 다른 베터리에 비해서 장점이 무언인가 입니다. 아래 그림에서 보시다시피, 기존의 베터리인 Ni-Mh, Ni-Cd에 비해 리튬이온 베터리의 출력 밀도(Power Density), 에너지 밀도(Energy Density) 가 높습니다. 참고로, 흔히 저렴하게 구입가능한 알칼라인, 망간 베터리는 1차 전지로 재충전이 불가능합니다. 다른 장점에 비해 이점을 꼽은 이유는 단위에서 확인 할 수 있습니다. 전기차(Tesla Model S 기준) 약4,500lb(2000kg)중 베터리 팩의 무게가 1200lb(540kg) 정도로 많은 부분을 차지합니다. 그러므로 적은 베터리 무게로 많은 에너지와 파워를 낼수 있는 베터리 혹은 무언가가 필요하기 때문에 리튬 이온 베터리가 각광을 받고 있는 것입니다.

[출처 : Clean Energy Wiki] 

그럼 리튬 이온 베터리는 어떤 원리로 움직이는 가에 대해 간단히 짚어 보겠습니다. 리튬이온 베터리는 환원전극양극(Cathode), 산화전극음극(Anode), 분리막(Separator), 전해질(Electrolyte) 전극(Current Collector)으로 구성되어 있습니다. 리튬이온이 충전(Charging)시 Cathode에서 Anode으로, 방전(Discharging)시 Anode에서 Cathode으로 이동합니다. Anode로는 그래파이트가(LiC6)가 주로 사용되고, Cathode로는 다양한 리튬 화합물이 사용됩니다. 현재 대부분의 연구가 Cathode에 집중되고 있는데, 이는 Cathode의 종류에 따라 베터리의 특징이 결정된다고해도 과언이 아니기 때문입니다.

*2차 전지에서의 용어 혼동이 있어서 양극을 환원전극, 음극을 산화전극으로 수정합니다. 혼동되는 용어에 대해서는 아래 블로그에 설명이 잘되어있습니다.

https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=myoake&logNo=110074008725&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F

[출처 : R. J. Kee, H. Zhu, J. Berger, A. Wiedemann, V. Malavé, S. Barnett, and Z. Liu, "Microstructural transport and chemistry within Li-ion battery cathodes,” 2013.]

현재 많이 쓰이고 있는 Cathode로는 LCO(LiCoO2), LTO(Li4Ti5O12), LMO(LiMn2O4), NMC(LiNi(1-x-y)MnxCoy), NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05)가 있습니다. 쉽게 알아보기위해 현재 출시되어있는 전기 자동차별 베터리를 알아보기위해 아래의 테이블을 발췌하였습니다. 

[출처 : George E. Blomgren, "The Development and Future of Lithium ion battery", Journal of The Electrochemical Society, A5019 (2017)]

가장 선두주자인 테슬라(Tesla)는 파나소닉과 함께 베터리를 생산하는데, NCA를 사용하고있고, 한국의 기업들(삼성, SK Innovation, LG 화학)이 NMC를 이용하여 기아(Kia), 피아트(Fiat), 포드(Ford)에 납품을 하고 있는것을 알수 있습니다. 또한 일본 기업들(파나소닉, 도시바)의 베터리 생산도 꾸준히 이어지고 있음을 볼 수 있습니다. 위 표의 마지막 열에서 알수 있듯이, 테슬라의 주행거리가 다른 업체의 베터리 주행거리에 비해 압도적임을 알 수 있습니다. 

이번 포스트에서 리튬이온 베터리를 양극(Cathode)를 중심으로 알아보았습니다. 상용화가 되었지만 아직도 특정조건에서의 Cathode내 크랙(Crack), 열폭주(Thermal Runaway)등의 문제가 있으므로 많은 연구가 필요한게 사실입니다. 하지만 처음 상용화된지 25년 밖에 안된 리튬이온베터리는 향후 10년을 좌지우지할 파워소스임은 확실해 보입니다.

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아래 자료에서는 베터리 팩 형태 (Cell shape)와, 전기차 (or 하이브리드차) 에 어떤 형태로 베터리가 설치되어있는지 잘 보여주고 있습니다. 베터리 업체는 TESLA에 납품하는 Panasonic/Sanyo 대 다른 업체들 (Samsung SDI, LG Chem, AESC, GS Yuasa)로 볼 수 있겠네요.

[출처 : Elwart et al., "Current Developments and Challenges in the Recycling of Key Components of (Hybrid) Electric Vehicles", Recycling, 2016.]