KR101223623B1 - 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

수계 전지 단위셀과 비수계 전지 단위셀의 조합으로 이루어진 에너지 저장 장치를 개시하고, 구체적으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는 적어도 하나 이상의 수계 전지 단위셀이 직렬로 연결된 제1 에너지 저장 모듈; 및 적어도 하나 이상의 리튬이온 전지 단위셀이 직렬로 연결된 제2 에너지 저장 모듈을 포함하고, 제1 에너지 저장 모듈 및 제2 에너지 저장 모듈은 병렬로 연결되고, 리튬이온 전지 단위셀은 인산철 리튬(LiFePO4, LFP) 또는 리튬 망간 산화물(LiMn2O4, LMO)의 양극 활물질로 이루어지고, 제2 에너지 저장 모듈 전압은 제1 에너지 저장 모듈 전압을 기준으로 소정의 오차 범위 내에 속하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 장치{ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수계와 비수계의 이차 전지의 조합으로 구성된 대용량의 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
현재 주로 사용되고 있는 에너지원은 석탄 및 석유와 같은 화석 연료를 기반으로 하는 에너지원으로 이들 화석 연료의 남용은 대기 오염을 유발하는 등 환경문제에 심각한 원인이 되고 있다.
이와 같은 화석연료 에너지의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 보다 청정한 에너지로 전기 에너지로 대체하여 사용하고 있으나, 발전을 위한 에너지 자원의 고갈 문제와 전기 에너지의 발전 및 배전에서 효율의 증대와 더 나아가 이차전지를 이용한 에너지 저장 등으로 에너지 효율을 높이는 문제에서 해결해야 할 과제들이 많다.
현대 사회에서 전기 에너지의 다양한 사용 형태가 있는데, 특히 차량의 동력원 또는 산업용으로 충방전이 가능한 이차 전지를 이용하는 기술이 최근 들어 관심을 끌고 있다. 따라서, 배터리만으로 운행될 수 있는 전기 자동차(EV), 배터리와 기존의 엔진을 병용하는 하이브리드 전기 자동차(HEV) 등의 개발이 가속화되는 추세이다.
EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는데, 소형의 이차 전지셀을 연결하여 전지팩을 구성하여 사용되고 있다.
차량 시동용 또는 산업용으로 활용되는 이차 전지는 수용액계(수계)의 이차 전지로서 납 축전지 (Lead-acid battery), 니켈-수소(NiMH) 전지 등이 주로 이용된다.
　납 축전지의 경우 가격이 높지 않은 장점을 가지고 있으나 에너지 밀도, 출력, 수명 특성 등이 좋지 않아 수계 이차 전지로 에너지밀도 및 출력이 요구되는 포터블 기기 및 HEV용 등에는 NiMH 전지가 이용되고 있다.
또한, 최근에는 비수용액계(비수계) 이차 전지인 리튬이온 전지 등의 사용도 시도되고 있다. 리튬이온 이차 전지는 에너지 밀도가 매우 높고 출력 및 수명 특성이 우수하여 주로 소형 모바일 기기와 산업용, 차량용(HEV, EV) 등 중대형 전지 용도로도 활용도가 높아지는 추세이다.
하지만, EV, HEV 등의 동력원으로 보편적으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량의 이차 전지로서 활용되어야 하는데, 리튬이온 이차 전지는 용량당 가격이 상대적으로 높고 충분한 안전성 자료가 확보되지 않아 전지 특성이 우수함에도 대형 전지로 활용이 지연되고 있다.
따라서, 가격이 저렴하고 대용량 고출력의 전지로 기존 시장을 대체하기 위한 에너지 저장 시스템에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 용량당 가격이 저렴하고 산업용 및 차량 동력원용 등의 중대형 전지로 활용되어 기존 시장에 적용할 수 있는 에너지 저장 장치를 제안하는 데 목적이 있다.
특히 수계 이차 전지와 비수계 이차 전지의 전지 특성의 장점을 조합하여 에너지 밀도, 출력, 수명 등의 특성이 우수한 대용량 전지를 제공하고자 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 저장 장치는 적어도 하나 이상의 수계 전지 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈과 적어도 하나 이상의 비수계 전지 단위셀로 구성된 제2 에너지 저장 모듈이 병렬로 연결되어 있다.
구체적으로 제1 에너지 저장 모듈은 수계 전지의 일종인 납 축전지 또는 니켈-수소 전지의 단위셀이 복수 개 직렬로 연결되어 있다.
또한 제2 에너지 저장 모듈은 비수계 전지의 일종인 리튬이온 전지의 단위셀이 복수 개 직렬로 연결되어 있다.
상기 리튬이온 전지 단위셀의 양극 활물질은 인산철 리튬(LiFePO4, LFP) 또는 리튬 망간 산화물(LiMn2O4, LMO)이다.
상기 리튬이온 전지 단위셀로 이루어진 제2 에너지 저장 모듈은, 납 축전지 또는 니켈-수소 전지와 같은 수계 전지의 단위셀로 이루어진 제1 에너지 저장 모듈의 전압에 대응하는 소정의 전압을 가진다. 구체적으로 상기 제2 에너지 저장 모듈의 전압은 상기 제1 에너지 저장 모듈의 전압과 소정의 오차 범위 내에 속하도록 구성할 수 있다. 이때 오차 범위는 상기 제1 에너지 저장 모듈 전압의 80%부터 120%일 수 있다. 일 실시 예로서 상기 제1 에너지 저장 모듈 전압은 12V이고, 상기 제2 에너지 저장 모듈 전압은 리튬이온 전지 단위셀을 복수 개 직렬로 연결하여 9.6V 내지 14.4V로 구성할 수 있다.
상기 제2 에너지 저장 모듈은 상기 수계 전지 단위셀의 전압보다 낮은 전압 또는 높은 전압을 가지는 리튬이온 전지 단위셀로 이루어질 수 있다.
본 발명의 에너지 저장 장치에서 상기 리튬이온 전지 단위셀의 음극 활물질은 특별히 제한되지 않지만, 흑연(Graphite) 또는 리튬 티탄산화물(Li4Ti5O12, LTO)일 수 있다.
바람직하게는 수계 전지 단위셀의 전압이 1.0V 내지 2.5V이고 리튬이온 전지 단위셀의 전압이 1.5V 내지 3.5V일 수 있다.
이때 수계 전지 단위셀은 납 축전지이고, 상기 리튬이온 전지 단위셀은 LFP/LTO((LiFePO4/ Li4Ti5O12)일 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 제1 에너지 저장 모듈의 저장 용량은 특별히 한정되지 않으나 에너지 밀도, 출력, 및 수명 등의 특성을 고려하여 상기 에너지 저장 장치의 총 저장 용량의 50% 이상 100% 미만일 수 있다.
다른 측면에서 상기 제2 에너지 저장 모듈의 저장 용량은 상기 에너지 저장 장치의 총 저장 용량의 10% 내지 50%일 수 있다.
본 발명의 에너지 저장 장치는 상기 제1 에너지 저장 모듈 또는 상기 제2 에너지 저장 모듈에 연결된 적어도 하나 이상의 스위치를 포함하는 스위칭부; 및 상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 선택 신호를 생성하고, 에너지 저장 위치로서 상기 제1 에너지 저장 모듈 또는 상기 제2 에너지 저장 모듈을 선택하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 리튬이온 전지 단위셀의 양극 활물질 및 음극 활물질은, 나노 미터(nm) 크기의 일차 입자를 가질 수 있다.
이때 상기 일차 입자의 입경은 10nm 내지 2000nm인 것이 바람직하지만 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 500nm 정도의 입경이면 족할 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치를 구성하는 구체적인 수계 전지 단위셀-리튬이온 전지 단위셀의 조합은, 납 축전지(Pb-acid)-LFP/LTO, 납 축전지(Pb-acid)-LMO/LTO, 납 축전지(Pb-acid)-LFP/Graphite, 납 축전지(Pb-acid)- LMO/Graphite, 및 니켈수소 전지(NiMH)-LMO/LTO로 이루어진 조합 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면 산업용 및 차량용 등의 중대형 전지 용도로서 저렴한 비용으로 공급될 수 있는 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다. 특히 수계 전지와 비수계 전지 각각의 단점을 보완하여 에너지 밀도 및 출력이 우수하고, 수명이 길고 시스템이 안정적인 듀얼 시스템(병렬 시스템)의 전기 에너지 저장 장치를 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에너지 저장 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 리튬이온 전지 단위셀의 활물질의 SEM 사진.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 의한 에너지 저장 장치에서 C-rate 증가에 따른 용량 특성을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 에너지 저장 장치에서 수계 전지 단위셀 및 리튬이온 전지 단위셀의 구성에 따라 달라지는 수명 특성을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에너지 저장 장치로 직렬 연결에 의한 시스템을 구성한 경우 충방전 곡선을 도시한 그래프.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시 예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시 예에서 설명하고, 그 외의 실시 예에서는 제1 실시 예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에너지 저장 장치(10)의 구성도이다.
도 1의 에너지 저장 장치(10)는 복수 개의 수계 전지로 구성된 제1 에너지 저장 모듈(110), 복수 개의 비수계 전지로 구성된 제2 에너지 저장 모듈(120), 제1 에너지 저장 모듈(110)과 제2 에너지 저장 모듈(120)에 각각 연결된 스위치를 포함하는 스위칭부(130), 및 상기 스위칭부(130)를 제어하는 선택 신호를 생성하여 전달하고, 제1 에너지 저장 모듈(110)과 제2 에너지 저장 모듈(120)의 충방전을 제어하는 제어부(140)을 포함한다.
도 1의 에너지 저장 장치(10)는 기본적으로 수계 전지 단위셀 및 비수계 전지 단위셀로 각각 구성된 저장 모듈의 이중 조합으로 구성된다. 여기서 단위셀은 단일의 전지를 의미한다.
제1 에너지 저장 모듈(110)은 수계 전지 단위셀을 복수 개 포함하고 있다. 상기 복수의 수계 전지의 단위셀은 특별히 제한되지 않으며 동일한 종류는 물론 상이한 종류의 수계 전지 단위셀일 수 있다.
바람직하게는 수계 전지의 단위셀이 납 축전지(Pb-acid) 또는 니켈-수소 전지(NiMH)의 단위셀일 수 있다. 납 축전지(Pb-acid)의 단위셀의 전압은 2V 정도이고, 니켈-수소 전지(NiMH)의 단위셀의 전압은 1.2V 정도이다. 여기서 단위셀 전압은 해당 전지 단위셀의 최대 충전 전압과 최대 방전 전압의 전압 범위의 중간 전압값을 의미한다.
본 발명에서는 제1 에너지 저장 모듈(110)의 구성 단위인 수계 전지 단위셀의 직렬 연결에 의한 모듈의 전압과 소정의 오차 범위 내에서 모듈의 전압을 가지도록 제2 에너지 저장 모듈(120)을 구성한다. 상기 오차 범위는 특별히 제한되지 않지만, 제1 에너지 저장 모듈 전압의 80% 내지 120%에 해당하는 전압 범위일 수 있다. 만일 제1 에너지 저장 모듈(110)의 전압이 12V인 경우라면, 제2 에너지 저장 모듈(120)의 전압은 9.6V 내지 14.4V일 수 있도록 리튬이온 전지 단위셀을 조합할 수 있다.
납 축전지(Pb-acid) 또는 니켈-수소 전지(NiMH)의 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈(110)의 용량은 전체 에너지 저장 장치(10)의 용량의 50% 이상 100% 미만일 수 있으며, 바람직하게는 50%일 수 있다. 전체 에너지 저장 용량의 50% 수준으로 제1 에너지 저장 모듈(110)을 구성하고, 나머지 저장 용량을 제2 에너지 저장 모듈(120)이 담당하도록 상기 제1 에너지 저장 모듈(110)과 병렬 연결함으로써, 제1 에너지 저장 모듈(110)은 회로적인 보호를 받을 수 있다. 이로 인해 전체 에너지 저장 장치(10)의 동작이 안정적으로 구동될 수 있으며 생산 가격 부담을 낮출 수 있다.
안정성이 비교적 높고 용량 대비 가격이 비교적 낮은 납 축전지(Pb-acid) 또는 니켈-수소 전지(NiMH)의 단위셀을 사용하여 제1 에너지 저장 모듈(110)을 구성하고, 에너지 밀도와 출력 특성이 우수하며 수명이 긴 비수계 전지 단위셀을 사용하여 제2 에너지 저장 모듈(120)을 구성하며, 이들을 병렬 연결한 본 발명의 에너지 저장 장치(10)는 각각의 전지 특성의 장점을 서로 조화시킬 수 있다.
제2 에너지 저장 모듈(120)을 구성하는 비수계 전지 단위셀은 리튬이온 이차 전지의 단위셀이다. 리튬이온 전지 단위셀 복수 개가로 직렬로 연결된다.
일 실시 예에 따라 상기 리튬이온 전지의 단위셀은 제2 에너지 저장 모듈의 전압이 12V가 되도록 조합할 수 있다. 즉, 수계 전지 단위셀 복수 개를 직렬로 연결하여 제1 에너지 저장 모듈의 전압이 12V가 되도록 구성하고, 제1 에너지 저장 모듈의 전압에 대응하도록 리튬이온 전지 단위셀 복수 개를 직렬로 연결하여 12V의 제2 에너지 저장 모듈의 전압이 되도록 구성할 수 있다. 다른 실시 예로서 제2 에너지 저장 모듈의 전압은 12V의 20%에 해당하는 전압값을 오차 범위로 하여 9.6V 내지 14.4V 가 될 수 있다.
예를 들어 전압이 12V인 제1 에너지 저장 모듈을 구성할 경우, 전압이 2V인 납 축전지(Pb-acid) 단위 셀 6개를 직렬 연결하여 12V를 구성하거나, 전압이 1.2V인 니켈-수소 전지(NiMH)는 단위 셀 10개를 직렬 연결하여 12V를 구성할 수 있다.
한편 비수계 전지인 리튬이온 전지 단위셀의 전압은 LFP/LTO인 경우 1.8V, LMO/LTO의 경우 2.4V, LFP/Graphite인 경우 3.2V이다. 전압이 1.8V를 가지는 리튬이온 단위셀이라면 6개를 직렬 연결하여 모듈 전압 10.8V의 제2 에너지 저장 모듈을 구성하거나, 7개를 직렬 연결하여 모듈 전압 12.6V의 제2 에너지 저장 모듈을 구성할 수 있다. 또한, 전압이 2.4V를 가지는 리튬이온 단위셀이라면 5개를 직렬 연결하여 모듈 전압 12V의 제2 에너지 저장 모듈을 구성하고, 3.2V의 셀 전압을 가지는 리튬이온 단위셀이라면 4개를 직렬 연결하여 12.8V의 제2 에너지 저장 모듈의 전압을 만들 수 있다. 따라서 양극 활물질 및 음극활 물질의 구성을 달리한 다양한 리튬이온 전지 단위셀을 직렬 연결하여 구성한 제2 에너지 저장 모듈의 전압이 제1 에너지 저장 모듈의 전압인 12V의 오차 범위 내에 있게 된다. 상기 오차 범위는 특별히 제한되지 않으나 해당 에너지 저장 모듈 전압과 동일 전압으로 인정되는 수준의 오차 범위를 결정할 수 있다.
활용 분야의 요구되는 전압에 따라, 상기 12V 오차 범위 내의 전압을 가지는 제2 에너지 저장 모듈을 다시 복수 개 연결하여 전압 24V, 36V, 48V 등으로 대용량화 시킬 수 있다.
상기 리튬이온 전지 단위셀의 양극 활물질은 인산철 리튬(LiFePO4, LFP) 또는 리튬 망간 산화물(LiMn2O4, LMO)이다. 한편, 리튬이온 전지 단위셀의 음극 활물질은 흑연(Graphite, Gr) 또는 리튬 티탄산화물(Li4Ti5O12, LTO)이다. 즉, 리튬이온 전지 단위셀은 LFP/Gr, LFP/LTO, LMO/Gr, LMO/LTO의 양/음극 조합을 가질 수 있다. 바람직하게는 LFP/LTO 및 LMO/LTO의 리튬이온 전지 단위셀을 사용할 수 있다.
특히 음극이 Zero strain material로 알려진 LTO를 사용하는 LFP/LTO 및 LMO/LTO의 리튬이온 전지 단위셀은, 수명 특성이 우수하므로 기존 수계 전지가 가지고 있는 수명 특성 이상으로 에너지 저장 장치의 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 리튬이온 전지 단위셀로 사용되는 양극 활물질 또는 음극 활물질은 출력 특성이 우수한 나노 입자 크기의 활물질을 이용한다. 즉, 활물질의 일차 입자가 나노 크기인 것을 사용하여 이차 입자 코어를 형성하여 리튬이온 전지를 만들 수 있다. 활물질의 일차 입자의 입경은 10nm 내지 2000nm일 수 있으며, 바람직하게는 10nm 내지 500nm일 수 있다.
도 2에 리튬이온 전지의 활물질의 SEM 사진을 도시하였다. (b-1)사진은 나노 크기의 양극 활물질 LFP의 일차 입자의 사진이고, 이러한 일차 입자가 응집하여 형성된 이차 입자의 사진은 (a-1)이다. 한편, 나노 크기의 음극 활물질 LTO의 일차 입자 사진은 (b-2)이고, 음극 활물질 LTO의 일차 입자가 응집된 이차 입자의 사진은 (a-2)이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(10)는 제1 에너지 저장 모듈(110)에 연결된 제1 스위치와 제2 에너지 저장 모듈(120)에 연결된 제2 스위치를 포함하는 스위칭부(130)를 더 포함한다. 또한 에너지 저장 장치(10)는 스위칭부(130)에 연결된 제어부(140)을 더 포함하는데, 제어부(140)는 스위칭부(130)에 속하는 각 스위치들의 스위칭 동작을 제어하는 선택 신호는 생성하여 전달한다.
충전 기간 동안에 상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 전달되는 선택 신호 각각은 제어부(140)의 제어에 대응하여 온 전압 레벨로 전달되고 해당 스위치를 턴 온 시킨다. 그래서 이들 스위치에 연결된 제1 에너지 저장 모듈(110) 또는 제2 에너지 저장 모듈(120)을 선택적으로 또는 동시에 충전시킬 수 있다. 한편, 충전된 전기 에너지는 에너지 저장 장치(10)에 연결된 부하(150)로 전달되어 소모된다. 이때에도 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 제어부(140)를 통해 전달받는 선택 신호에 의해 선택적으로 턴 온 되고, 턴 온된 스위치에 연결된 제1 에너지 저장 모듈(110) 또는 제2 에너지 저장 모듈(120)에 저장된 전기 에너지가 방출된다.
상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 전달되는 선택신호가 모두 온 전압 레벨인 경우라면, 해당 스위치가 모두 턴 온 되어 제1 에너지 저장 모듈(110)와 제2 에너지 저장 모듈(120)에 저장된 용량으로 출력될 수 있어 에너지 저장 장치는 대용량 충전과 방전 모두 가능하다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시 예의 에너지 저장 장치(10)는 에너지 저장 모듈의 보호 회로 시스템으로서 스위칭부(130)와 제어부(140)을 구성하였으나, 이러한 보호 회로 시스템은 필수적인 것이 아니고 선택적으로 구성할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 의한 에너지 저장 장치에서 C-rate 증가에 따른 용량 특성을 도시한 그래프이다. 도 3 및 도 4의 에너지 저장 장치는 보호 회로 시스템을 구비하지 않은 상태에서 용량 특성을 나타내도록 실험하였다.
도 3 및 도 4의 그래프에서 가로축은 C rate이고, 세로축은 본 발명의 에너지 저장 장치 및 비교예로 제안된 전지의 용량 유지율(capacity retention)(%)이다.
용량 유지율 (%)
= 각 C-rate에서의 방전용량/초기 0.1 C-rate에서의 방전용량
상기 C rate는 방전율로서 current rate을 말하는데, 전지가 가지는 자신의 용량을 모두 방전하는 정도를 나타낸다. 즉, 1 C rate는 1시간 동안 전지의 자기 용량을 모두 방전하는 정도를 나타내고, 0.5C는 2시간 동안, 2C는 30분 동안 방전하는 정도를 나타낸다. C rate가 높을수록 전지의 출력을 높일 수 있게 된다.
도 3에 도시된 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 일 실시 예는, 제1 에너지 저장 모듈(110)의 수계 전지 단위셀로서 납 축전지(Pb-acid)를 사용하고, 제2 에너지 저장 모듈(120)의 리튬이온 전지 단위셀로서 양극/음극 활물질을 LFP/LTO로 사용하는 듀얼 타입 1(Dual 1)이다. 듀얼 타입 1에 있어서, 납 축전지(Pb-acid) 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈(110)의 용량이 전체 용량의 50%를 차지하고, 제2 에너지 저장 모듈(120)의 용량이 나머지 50%를 차지하도록 구성된다. 구체적인 일례로서, 듀얼 타입 1은 납 축전지(Pb-acid) 단위셀 6개가 직렬 연결된 제1 에너지 저장 모듈(110)과, LFP/LTO 리튬이온 전지 단위셀 6개 또는 7개가 직렬 연결된 제2 에너지 저장 모듈(120)로 구성될 수 있다.
도 3의 듀얼 타입 1의 에너지 저장 장치는 용량 특성을 실험하기 위하여 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C의 조건으로 각각 용량 보유율을 측정하였다.
이때 실험예인 듀얼 타입 1은 제1 에너지 저장 모듈(110) 및 제2 에너지 저장 모듈(120)를 병렬로 연결한 것으로서, 실험 조건으로 충방전 전압은 2.3V로 충전하고 1.6V까지 방전하는 조건에서 실시되었다.
비교예는 제1 에너지 저장 모듈(110)(그래프에서 Pb-acid)만으로 방전시키는 경우와 제2 에너지 저장 모듈(120)(그래프에서 LFP/LTO)만으로 방전시키는 경우를 상정한다.
이러한 조건으로 용량 특성을 실험할 경우 도 3에서 알 수 있듯이, 1C rate 기준 시 제1 에너지 저장 모듈(110)은 용량 유지율이 60% 이하로 급격하게 떨어지고, 제2 에너지 저장 모듈(120)은 96% 내지 98% 정도의 용량 유지율을 나타내어 우수한 특성을 나타내었다.
듀얼 타입 1(Dual 1)의 경우 제1 에너지 저장 모듈과 제2 에너지 저장 모듈의 중간 정도인 1-C rate에 80% 정도의 용량 유지율을 나타내어 납 축전지의 출력특성이 일정 부분 개선됨을 알 수 있다.
도 3에서 보듯이, 납 축전지(Pb-acid) 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈은 출력 특성이 좋지 않은 반면 LFP/LTO 리튬이온 전지 단위셀로 구성된 제2 에너지 저장 모듈은 고출력 특성이 우수하고 수명이 긴 특성이 있다. 납 축전지(Pb-acid) 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈의 장점은 출력 안정성과 단가의 면에서 경제적이므로, 제1 에너지 저장 모듈과 제2 에너지 저장 모듈을 조합한 듀얼 타입 1의 에너지 저장 장치는, 출력 특성과 수명 특성이 두 전지 특성의 중간 수준으로 유지할 수 있어 경제적 측면과 전지 특성의 측면에서 우수한 저장 시스템을 구현할 수 있다.
이러한 효과는 도 4에서 실험예를 달리 구성하여도 마찬가지임을 확인할 수 있다.
즉, 도 4의 출력 특성 실험에 사용되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는 듀얼 타입 2(Dual 2)로서, 니켈-수소 전지(NiMH) 단위셀들을 직렬로 연결한 제1 에너지 저장 모듈(110)과 LMO/LTO의 리튬이온 전지 단위셀들로 이루어진 제2 에너지 저장 모듈(120)을 병렬 연결한 것이다. 구체적인 일례로서, 상기 듀얼 타입 2는 니켈-수소 전지(NiMH) 단위셀 두 개를 직렬로 연결한 제1 에너지 저장 모듈(110)과 LMO/LTO의 리튬이온 전지 단위셀 하나로 이루어진 제2 에너지 저장 모듈(120)을 병렬 연결하여 구성될 수 있다.
제1 에너지 저장 모듈(110)과 제2 에너지 저장 모듈(120)의 각 용량은 전체 에너지 저장 장치의 50%에 해당한다.
도 4의 실험예인 에너지 저장 장치는 충방전 전압은 3.0V까지 충전하고 1.8V까지 방전하는 조건으로 실험이 진행되었다.
이때 비교예는 니켈-수소 전지 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈(그래프에서 NiMH)만으로 방전시키는 경우와, LMO/LTO의 리튬이온 전지 단위셀로 구성된 제2 에너지 저장 모듈(그래프에서 LMO/LTO)만으로 방전시키는 경우이다.
도 4의 그래프를 참조하면, 제1 에너지 저장 모듈(그래프에서 NiMH)는 1C의 조건에서 80% 정도 잔존 용량이 남아있으므로, 도 3의 납 축전지로 구성된 제1 에너지 저장 모듈에 비하여 출력 특성과 수명 특성이 우수함을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 제2 에너지 저장 모듈(그래프에서 LMO/LTO)은 1C에서 잔존 용량이 96% 내지 98%의 수준으로 거의 방전되지 않았으므로 리튬이온 전지 단위셀에 비해서 상기 니켈-수소 전지(NiMH) 단위셀의 전지 특성은 좋다고 할 수 없다.
니켈-수소 전지(NiMH) 단위셀과 LMO/LTO의 리튬이온 전지 단위셀을 조합한 듀얼 타입 2의 용량은 1C에서 중간 수준인 90% 정도이므로 본 발명에 따른 듀얼 타입 2와 같은 에너지 저장 장치는 출력 특성과 수명 특성을 우수하게 유지하면서도 수계 전지의 장점인 안정성과 경제성을 확보할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 에너지 저장 장치에서 수계 전지 단위셀 및 비수계 전지 단위셀의 구성에 따라 달라지는 수명 특성을 도시한 그래프이다.
도 5에서 수명 특성을 알아보기 위한 실험에 사용되는 실험예는 도 3의 실험예인 듀얼 타입 1의 에너지 저장 장치이다. 또한 비교예 역시 상기 도 3의 비교예들과 동일하다.
다만, 도 5의 실험예인 듀얼 타입 1에서 전체 에너지 저장 용량에서 차지하는 제1 에너지 저장 모듈의 납 축전지 단위셀 용량 비율을 50%, 60%, 70%씩 각각 증가시킨 세 개의 실험예 Dual 1(Pb50%), Dual 1(Pb60%), Dual 1(Pb70%)로 실시하였다.
즉, 상기 실험예 Dual 1(Pb50%), Dual 1(Pb60%), Dual 1(Pb70%) 각각에 포함되는 리튬이온 전지 단위셀 용량 비율은 상대적으로 전체 에너지 저장 용량에 대하여 각각 50%, 40%, 30%이다.
충방전 전압은 2.3V까지 충전하고 1.6V까지 방전하는 조건으로 1C-rate 조건에서 실험이 진행 되었다.
도 5의 그래프에서 가로축은 시간과 대응되는 방전 주기(cycle)이고, 세로축은 용량 보유율 (capacity retention)(%)을 나타낸다.
제1 에너지 저장 모듈만으로 방전시키는 비교예(Pb-acid)는 10 주기(cycle) 동안 70%까지 용량 유지율이 되도록 방전되는데 반하여 제2 에너지 저장 모듈만으로 방전시키는 비교예(LFP/LTO)는 50 주기(cycle)까지 실시하여도 거의 방전되지 않고 용량 유지율이 100% 가까이 유지되고 있다. 따라서, 납 축전지 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈은 수명이 짧지만 리튬이온 전지 단위셀로 구성된 제2 에너지 저장 모듈은 수명이 매우 길다는 것을 알 수 있다.
이러한 납 축전지의 짧은 수명 특성을 개선하기 위하여 본 발명의 에너지 저장 장치인 듀얼 시스템의 수명 특성을 살펴보면 도 5와 같이, 세 개의 실험예 Dual 1(Pb70%), Dual 1(Pb60%), Dual 1(Pb50%)로 갈수록 동일한 주기(cycle)에 높은 용량 보유율을 나타내고 있다. 즉, 비수계 전지인 리튬이온 전지 단위셀이 차지하는 용량 비율, 즉 제2 에너지 저장 모듈이 차지하는 용량 비율이 높아질수록 전체 에너지 저장 장치의 수명 특성이 우수하게 된다. 이는 수명 특성이 짧은 납 축전지 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈이 수명 특성이 우수한 LFP/LTO의 리튬이온 전지 단위셀로 구성된 제2 에너지 저장 모듈의 도움으로 수명이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 도 5에 따른 실시 예에 제한되지 않고 전체 에너지 저장 장치에서 리튬이온 전지 단위셀로 구성된 제2 에너지 저장 모듈이 차지하는 용량비율을 증가시킨다면 본 발명의 저장 장치에서 구현하고자 하는 수명 연장의 특성이 발현될 수 있다. 전체 에너지 저장 장치의 용량에 대비하여 차지하는 제2 에너지 저장 모듈의 용량비율은 제한되지 않으나 적어도 10% 이상일 수 있다.
도 5의 실험에서는 수명 특성이 좋은 실험예는 듀얼 타입 1의 Dual 1(Pb50%)임을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 에너지 저장 장치에서 리튬이온 전지 단위셀들이 차지하는 용량 비율이 증가할수록 전체 수명이 증가할 것이지만, 에너지 저장 장치의 생산 단가의 경제성을 고려하면 납 축전지 단위셀들의 용량비와 리튬이온 전지 단위셀들의 용량비가 동일한 Dual 1(Pb50%) 타입이 바람직하다. 따라서, 리튬이온 전지 단위셀들의 용량비율은 10% 내지 50%가 되도록 구성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에너지 저장 장치로 직렬 연결에 의한 시스템을 구성한 경우 충방전 곡선을 도시한 그래프이다. 충방전 조건은 0.5 C-rate으로 13.8V까지 충전하고 9.6V까지 방전하였다.
도 6에서 납 축전지 단위셀로 구성된 제1 에너지 저장 모듈(그래프에서 Pb-acid)의 충방전 전압 곡선은 기울기를 큰 반면 LFP/LTO 리튬이온 전지 단위셀로 구성된 제2 에너지 저장 모듈(그래프에서 LFP/LTO)의 충방전 전압 곡선은 기울기가 평탄하게 나타나고 있다.
두 종류의 에너지 저장 모듈을 조합한 Dual 1의 에너지 저장 장치에서, 제1 에너지 저장 모듈을 구성하는 납 축전지 단위셀의 전압(2.0V)이 제2 에너지 저장 모듈을 구성하는 LFP/LTO 리튬이온 전지 단위셀의 전압(1.8V)보다 높다. 따라서, 도 6의 그래프에서, 충전의 경우 충전전압이 낮은 LFP/LTO 리튬 이온 전지 단위셀들이 먼저 충전을 시작하고 그 후 납 축전지 단위셀들이 작동하는 것으로 나타났으며, 방전의 경우는 충전전압이 높은 납 축전지 단위셀들이 먼저 작동하고 그 후 LFP/LTO 단위셀들이 작동하는 것으로 나타났다.
이러한 충방전 특성 및 상기 C-rate 및 수명 결과와 비교하여 듀얼 시스템의 충방전 곡선으로부터 장점을 유추할 경우, 충전시 LFP/LTO 리튬 이온 전지 단위셀들이 먼저 작동하여 급속충전이 가능해지고, 방전의 경우는 LFP/LTO 전지 단위셀들이 납 축전지 단위셀들의 과방전을 방지하여 수명을 증가시킬 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예로서, 제1 에너지 저장 모듈을 구성하는 수계 전지 단위셀의 전압이 제2 에너지 저장 모듈을 구성하는 리튬이온 전지 단위셀의 전압보다 낮은 것으로 구성할 수 있는데, 그럴 경우 수계 전지 단위셀의 과충방전에 따른 데미지를 비수계 전지인 리튬이온 전지 단위셀의 조합에 의해 보호할 수 있게 된다.
본 발명의 에너지 저장 장치에 있어서, 수명 특성을 좋게 유지하면서 동시에 안정성과 경제성을 고려하려면, 수명 특성이 우수한 LFP/LTO 리튬이온 전지 단위셀들의 용량이 적어도 전체 용량의 50% 정도를 차지하도록 구성할 수 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
10: 에너지 저장 장치
110: 제1 에너지 저장 모듈 120: 제2 에너지 저장 모듈
130: 스위칭부 140: 제어부
150: 부하

Claims (15)

  1. 적어도 하나 이상의 수계 전지 단위셀이 직렬로 연결된 제1 에너지 저장 모듈; 및
    적어도 하나 이상의 리튬이온 전지 단위셀이 직렬로 연결된 제2 에너지 저장 모듈을 포함하고,
    상기 제1 에너지 저장 모듈 및 상기 제2 에너지 저장 모듈은 병렬로 연결되고,
    상기 리튬이온 전지 단위셀은 인산철 리튬(LiFePO4, LFP)의 양극 활물질과 리튬 티탄산화물(Li4Ti5O12, LTO)의 음극 활물질로 이루어지고,
    상기 제2 에너지 저장 모듈 전압은 상기 제1 에너지 저장 모듈 전압을 기준으로 상기 제1 에너지 저장 모듈 전압의 80%부터 120%인 범위에 속하는 에너지 저장 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 모듈 전압은 12V이고, 상기 제2 에너지 저장 모듈 전압은 9.6V 내지 14.4V인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수계 전지 단위셀은 납 축전지 또는 니켈-수소 전지의 단위셀인 에너지 저장 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 에너지 저장 모듈은 상기 수계 전지 단위셀의 전압보다 낮은 전압을 가지는 리튬이온 전지 단위셀로 이루어지는 에너지 저장 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 에너지 저장 모듈은 상기 수계 전지 단위셀의 전압보다 높은 전압을 가지는 리튬이온 전지 단위셀로 이루어지는 에너지 저장 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 수계 전지 단위셀의 전압은 1.0V 내지 2.5V이고, 상기 리튬이온 전지 단위셀의 전압은 1.5V 내지 3.5V인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 모듈의 저장 용량은 상기 에너지 저장 장치의 총 저장 용량의 50% 이상 100% 미만인 에너지 저장 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 에너지 저장 모듈의 저장 용량은 상기 에너지 저장 장치의 총 저장 용량의 10% 내지 50%인 에너지 저장 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는,
    상기 제1 에너지 저장 모듈 또는 상기 제2 에너지 저장 모듈에 연결된 적어도 하나 이상의 스위치를 포함하는 스위칭부; 및
    상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 선택 신호를 생성하고, 상기 제1 에너지 저장 모듈 또는 상기 제2 에너지 저장 모듈을 선택하는 제어부를 더 포함하는 에너지 저장 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 리튬이온 전지 단위셀의 양극 활물질 및 음극 활물질은, 나노 미터(nm) 크기의 일차 입자를 가지는 에너지 저장 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 일차 입자의 입경은 10nm 내지 2000nm인 에너지 저장 장치.
  15. 삭제
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