KR20100124684A - Auto car battery using olivine lithium rechargeable battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자동차용 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 단위전지로 사용되던 납축전지를 대체하여 인산철 리튬이온2차전지를 사용하도록 하며, 상기 인산철 리튬이온2차전지는 양극, 음극, 격리막 및 전해질 염과 유기용매를 함유하는 전해액 등으로 구성되되, 특히 양극활물질은 올리빈 구조의 LiMeFePO4 (Me=Co, Ni, Mn 중에서 선택되는 어느 하나)로 이루어지는 자동차용 배터리를 제공한다. The present invention relates to a battery for automobiles, and more particularly, to use a lithium iron phosphate secondary battery in place of a lead-acid battery conventionally used as a unit cell, the iron phosphate lithium ion secondary battery is a positive electrode, a negative electrode, a separator And an electrolyte solution containing an electrolyte salt and an organic solvent. Particularly, the positive electrode active material is LiMeFePO 4 having an olivine structure. An automotive battery comprising (Me = Co, Ni, Mn) is provided.
일반적으로, 자동차용 배터리는 엔진 시동에 필요한 전기에너지를 공급하고, 엔진 정지시나 또는 발전기(제너레이터) 고장시에는 자동차 전기 장치에 전기 에너지를 공급하는 역할을 수행한다. 또한, 자동차용 배터리는 발전기(제너레이터)로부터 보내오는 전기 에너지를 화학에너지로 변환한 후, 저장시켰다가 필요한 때에 이를 방출함으로써, 발전기(제너레이터)의 출력과 부하상의 시간적 불균형을 조절하는 역할을 수행한다.In general, a vehicle battery supplies electrical energy necessary for starting an engine and serves to supply electrical energy to the vehicle electrical apparatus when the engine is stopped or a generator (generator) breakdown. In addition, the automotive battery converts electrical energy sent from the generator (generator) into chemical energy, stores it, and releases it when necessary, thereby controlling the power output (generator) and the time imbalance on the load. .
즉 자동차용 배터리의 제1목적은 시동(Starting), 점등(Lighting) 및 점화(Ignition) 하기 위한 에너지를 제공하는데 있으며, 이들 배터리를 SLI 배터리라 불리운다. 그리고 제2목적은 자동차의 전기에너지 발생 시스템(알터네이터 및 레귤레이터)이 일시적으로 전기부하를 일시적으로 유지하지 못할 때의 주기동안에 에너지를 제공하는 데 있다. That is, the primary purpose of a battery for an automobile is to provide energy for starting, lighting, and ignition, and these batteries are called SLI batteries. The second purpose is to provide energy during the period when the electric energy generating system (alternator and regulator) of the automobile temporarily fails to maintain the electric load temporarily.
도 1은 현재 자동차용 배터리로 널리 사용되고 있는 종래의 납축전지 구조도로, 단위전지는 양극판(PbO2), 격리판 및 음극판(Pb)으로 구성되며, 1개의 단위전지는 약 2.1V의 기전력을 발생시키며, 예를들면 12V의 축전지는 6개의 셀을 각각 직렬로 연결된 것을 의미한다. 외장재로는 전해액 및 복수의 단위전지가 수용되는 전조와, 상기 전조의 상부를 착탈 가능하게 덮는 상부 커버로 구성되어 있다. 또한, 상기 상부커버에는 상기 전조의 내부에 수용된 복수의 단위전지와 전기적으로 연결되는 양극 및 음극 단자 등이 각각 설치되어 있다.
1 is a conventional lead acid battery structure that is widely used as a vehicle battery, the unit cell is composed of a positive electrode plate (PbO2), separator and negative electrode plate (Pb), one unit cell generates an electromotive force of about 2.1V For example, a 12V battery means that six cells are connected in series. The packaging material includes a roll for accommodating an electrolyte solution and a plurality of unit cells, and an upper cover for detachably covering an upper portion of the roll. In addition, the upper cover is provided with a positive electrode and a negative electrode terminal and the like electrically connected to the plurality of unit cells accommodated in the inside of the roll.
자동차의 전기장치는 엔진의 작동과 관련된 엔진의 전기장치와, 엔진 이외의 차체 각 부에 장착된 차체 전장품으로 나뉘어지고, 엔진의 전기장치에는 엔진을 시동하는 기동장치를 비롯한 점화장치와 충전장치가 있으며, 이들 장치는 엔진의 성능과 밀접한 관계를 가지고 있다. 또한, 차체 전장품으로는 엔진을 시동할 때 전력을 공급하는 배터리를 비롯하여 등화장치, 계기류에 대한 경고표시장치 및 냉난방장치 등이 있으며, 이들 전장품은 자동차의 안전한 운행 및 거주성을 좋게 하기 위한 장치들이다. 이와 같이 차량용 전기장치는 자동차용 배터리로부터 전원을 공급받고, 자동차용 배터리는 엔진의 구동에 의한 발전기로부터 충전을 한다. 자동차용 배터리는 자동차의 기동뿐만 아니라 자동차의 각종 전장품에 전류를 공급하는 것으로, 자동차의 운용에 각종의 편의를 위한 필수적인 장치이다.
The electric device of a vehicle is divided into the electric device of the engine related to the operation of the engine and the vehicle electric equipment mounted on each part of the body other than the engine, and the electric device of the engine includes an ignition device and a charging device including a starter for starting the engine. These devices are closely related to engine performance. In addition, the vehicle electronics include a battery that supplies electric power when the engine is started, a lighting device, a warning display device for the instruments, and an air conditioning and heating device. These electronic devices are devices for improving the safe operation and habitability of a vehicle. . In this way, the vehicle electric device is supplied with power from the vehicle battery, and the vehicle battery is charged from the generator driven by the engine. An automotive battery supplies electric current to various electric appliances of the automobile as well as starting of the automobile, and is an essential device for various conveniences in the operation of the automobile.
SLI 납축전지는 자동차 엔진 크랭크 회전의 시작시에 대전류 분출을 제공한다. 낮은 온도조건에서, 전형적인 5-리터 엔진은 종종 엔진 크랭크 회전시 1,600 암페어 이상을 유도한다. 크랭크 회전시에 대전류 방전은 많은 인자들에 의존하여 대략 10 밀리세컨드 동안 지속된다. 이 대전류 방전은 크랭크 회전시 일정 감소율로 계속된다. 도 2는 엔진 크랭크 회전시의 전압(배터리 단자 전후의) 파형곡선 및 전류 파형곡선으로, 배터리 동적 내부저항(IR) 및 분극(Polarization)을 검출하기 위한 동적 기준을 제공한다. 엔진 크랭크 회전은 최근 연속 연료분사 엔진의 경우 보통 2 엔진 회전수로 제한된다. 엔진 회전수를 제한하는 이유는 불필요한 탄화수소 배기가스의 생성, 자동차의 촉매 전환기의 손상, 시동장치 모터 과열 및 배터리 내부 극판 뒤틀림의 가능성을 회피하는 것을 포함한다.
SLI lead acid batteries provide high current ejection at the start of a car engine crank turn. At low temperature, typical five-liter engines often induce more than 1,600 amps in engine crank turns. In the crank rotation, the large current discharge lasts approximately 10 milliseconds, depending on many factors. This large current discharge continues at a constant rate of decrease during crank rotation. FIG. 2 is a voltage curve (current before and after battery terminals) and a current waveform curve during engine crank rotation, and provides a dynamic reference for detecting battery dynamic internal resistance (IR) and polarization. Engine crank rotation is usually limited to two engine speeds for modern continuous fuel injection engines. Reasons for limiting engine speed include avoiding the generation of unnecessary hydrocarbon exhausts, damage to the catalytic converter of the vehicle, overheating of the starter motor and distortion of the battery internal pole plates.
최근 자동차는 단순한 운송 수단의 차원을 뛰어 넘어 움직이는 사무실이라고 불릴 정도로 다양한 기능을 제공하고 있다. 이를 위해, 현재의 자동차에는 탑승자가 소지하거나 자동차에 탑재하는 각종 전자기기의 구동을 위하여 시거잭(cigarette jack)을 통하여 다양한 전원 공급을 하고 있다. 통상 승용차의 경우 직류전압 12V, 대형화물차의 경우 직류전압 24V의 전원이 자동차용 배터리로부터 공급된다. 차량내 구비되는 전자기기는 휴대폰, GPS(global positioning system)장치, MP3 Player, 네비게이션(navigation)장치, 노트북, 차량용 DMB(digital multimedia broadcasting) 장치등과 같이 다양하다. 따라서 소비자들은 자동차용 배터리는 크기는 그대로 두면서도 고용량, 고출력, 장수명 특성을 지닌 전지를 요구하고 있다. 이렇게 되면 자동차의 시동이 개선됨은 물론, 자동차와 기타 부속장비의 수명도 늘어난다. 그러나, 자동차의 기술과 안전성 측면에서 많은 부분이 개선은 이루어졌지만, 자동차용 배터리는 거의 변하지 않았다.
In recent years, cars offer a variety of functions that go beyond simple transportation and are called moving offices. To this end, current cars are supplied with various power supplies through cigarette jacks for driving various electronic devices carried by passengers or mounted in automobiles. Normally, power is supplied from a car battery with a DC voltage of 12V for passenger cars and a DC voltage of 24V for large trucks. Electronic devices provided in a vehicle are various, such as a mobile phone, a global positioning system (GPS) device, an MP3 player, a navigation device, a notebook computer, and a digital multimedia broadcasting (DMB) device for a vehicle. Consumers are therefore demanding batteries with high capacity, high output, and long life, while retaining the size of automotive batteries. This not only improves the starting of the car, but also extends the life of the car and other accessories. However, while much improvement has been made in terms of technology and safety of automobiles, automotive batteries have hardly changed.
자동차용 배터리의 성능 및 용량은 주변 온도, 전지 내부 상태 및 SoC (State-of-Charge)에 크게 영향을 받는다. 배터리 내부저항(IR), 전극 저항 및 SoC는 배터리 상태 및 성능의 실시간 전달을 제공하기 위한 자료로 활용된다. 예컨대, 배터리가 출력할 수 있는 최대순간전력은 내부저항에 역으로 비례한다. The performance and capacity of automotive batteries are greatly affected by ambient temperature, cell internal state and state-of-charge (SoC). Battery internal resistance (IR), electrode resistance and SoC are used to provide real-time transmission of battery status and performance. For example, the maximum instantaneous power that the battery can output is inversely proportional to the internal resistance.
보장된 성능 및 용량을 가진 배터리는 낮은 동적 내부저항(IR), 높은 SoC 및 고용량을 필요로 한다. 여기에서 사용된 " 동적 IR" 의 용어는 설치된 배터리가 엔진시동시 스타터 모터와 같은 고부하에 전류를 방전할 때에 측정된 배터리 내부저항을 의미한다. 정적 IR은 일반적으로 설계 및 품질의 일관성 및 보증을 증명하는 데 사용된다. 정적 IR 측정의 방법은 최대단자전압이 달성될 때에 결정되는 최대 충전상태(SoC)로 배터리를 충전하는 것을 필요로 한다. 최대 SoC로 충전되면, 배터리는 특정 시간주기동안에 일련의 부하를 증가시킨다.
Batteries with guaranteed performance and capacity require low dynamic internal resistance (IR), high SoC and high capacity. As used herein, the term "dynamic IR" refers to the battery internal resistance measured when the installed battery discharges current at high loads such as starter motors at engine start-up. Static IR is commonly used to demonstrate consistency and assurance of design and quality. The method of static IR measurement requires charging the battery to the maximum state of charge (SoC) determined when the maximum terminal voltage is achieved. When charged to the maximum SoC, the battery increases a series of loads over a specific time period.
배터리의 SoC는 그 시간에서의 평가된 배터리 용량에 대해 가용한 배터리 충전용량의 백분율로서 일반적으로 정의된다. SLI 납축전지는 SoC가 80%에서 95%까지 증가함에 따라, 배터리에 의한 전기(충전입력)로부터 화학 전환으로의 배터리의 전환 효율은 99%에서 95% 이하로 감소한다. 통상 납축전지는 충전말기(SoC 92% 이상)에 전해액의 전기분해로 인하여 배터리 내부의 전해액 감소 및 부식등과 같은 잠재적인 해로운 조건을 야기한다. 이러한 가능한 조건을 최소화하기 위해, 내연기관 구동 자동차내의 전압 조절기는 일반적으로 SLI 배터리 SoC의 충전을 대략 92%로 제한한다. 전압 조절기는 교류발전기 출력전압을 제어함으로써 SoC를 제한한다. SoC가 주변온도에 의해 영향을 받으므로, 전압 조절기는 온도변화 저항기를 채용한다. 이 기술은 배터리를 충전하는 데 사용되는 교류발전기 출력전압의 조정이 높은 주변온도 환경에서 높은 전해액 활성도를 제공하도록 하고, 낮은 주변 온도시에는 낮은 활성도 수준을 제공할 수 있도록 해준다. 높은 주변 온도 및 연속적인 배터리의 높은 전해액 활성도의 기간 중에, 배터리 기판의 부식 반응이 급격히 진행되어 배터리 고장의 원인이 된다. 이 문제는 교류발전기에 의한 배터리 충전의 복구를 허용하지 않는 짧은 기간 동안에 운전이 높은 온도 및 높은 습도환경에서 밤에 이루어 질 때 더 심각해진다. 전해액 활성도가 낮고 재충전의 가능성이 거의 없을 경우의 밤의 극도로 추운 주변조건도 배터리 고장의 원인이 된다.
The SoC of a battery is generally defined as the percentage of battery charge available for the estimated battery capacity at that time. In SLI lead acid batteries, as SoC increases from 80% to 95%, the conversion efficiency of the battery from electricity (charge input) to chemical conversion by the battery decreases from 99% to less than 95%. Normally, lead acid batteries cause potential harmful conditions such as electrolyte reduction and corrosion in the battery due to electrolysis of electrolyte at the end of charge (SoC 92% or more). To minimize this possible condition, the voltage regulator in an internal combustion engine driven vehicle typically limits the charging of the SLI battery SoC to approximately 92%. The voltage regulator limits the SoC by controlling the alternator output voltage. Since the SoC is affected by ambient temperature, the voltage regulator employs a temperature change resistor. This technology allows the adjustment of the alternator output voltage used to charge the battery to provide high electrolyte activity in high ambient temperatures and low activity levels at low ambient temperatures. During periods of high ambient temperatures and continuous high electrolyte activity of the battery, the corrosion reaction of the battery substrate proceeds rapidly, causing battery failure. This problem is exacerbated when the operation takes place at night in high temperature and high humidity environments for a short period of time that does not allow recovery of the battery charge by the alternator. Extremely cold ambient conditions at night when the electrolyte activity is low and there is little possibility of recharging can also cause battery failure.
자동차용 배터리의 충방전 수명은 주변 온도, 하중의 크기 및 지속시간, 낮은 SoC 지속시간, 진동 및 다른 사용조건에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 자동차용 배터리는 자동차의 엔진룸에 장착되어 사용되고 있다. 이 경우 배터리는 자동차의 엔진룸에서 발생되는 엔진열에 그대로 노출되어 축전지의 내부 온도가 상승된다. 축전지의 내부 온도가 상승되면 충전이 어려워지고, 자기 방전이 발생되어, 성능이 떨어지고 수명이 단축된다는 단점이 있었다. 특히 여름철과 같이 기온이 높을 때 자동차의 엔진룸에서 발생되는 온도는 최고 110℃ 이상으로 대폭 상승된다. 통상, 배터리의 온도가 10℃ 상승하면 배터리의 수명은 50% 가량 단축되게 되는데, 기존의 납축전지는 이를 신뢰성 있게 해결하지 못하고 있다.
The charge and discharge life of automotive batteries is affected by ambient temperature, load magnitude and duration, low SoC duration, vibration and other conditions of use. In general, automotive batteries are used in the engine room of a car. In this case, the battery is exposed to the engine heat generated in the engine room of the vehicle, thereby increasing the internal temperature of the battery. When the internal temperature of the battery is raised, charging becomes difficult, and self discharge occurs, resulting in a decrease in performance and a shortened lifetime. In particular, when the temperature is high, such as in summer, the temperature generated in the engine room of the car rises significantly up to 110 ℃ or more. In general, when the temperature of the battery rises by 10 ° C, the life of the battery is shortened by about 50%, but the existing lead acid battery does not reliably solve this problem.
또한 자동차용 배터리는 전해액이 들어있는 상태에서 배터리를 사용하지 않고 방치해두면 시간이 경과함에 따라 배터리 내부에서 화학 작용이 진행되어 자연 방전되어 용량이 감소하는 이른 바 자가방전 현상이 발생하게 된다. 상기 자가 방전은 전해액에 포함된 불순물, 기판의 안티몬(Sb) 함량, 활물질의 분리와 퇴적에 원인하는 단락 등의 영향을 크게 받고, 전해액의 온도와 비중이 높을수록 자기 방전은 가속된다. 통상 납축전지는 하루에 용량의 0.2 내지 1.0% 정도로 자가 방전이 진행된다. 즉, 완전 충전된 축전지가 +15℃에서는 약 4개월 정도 지나면 완전 방전되고, 온도가 +40℃에서는 약 2주일 정도 지나면 완전 방전된다. 일반적으로, 온도가 10℃ 상승됨에 따라 자기 방전율은 약 2배로 증가한다. 이러한 방전상태를 방치할 경우 엔진시동 뿐만 아니라 전기장치를 사용할 수 없게 되는 상태에 이르게 되는 문제점이 있다.In addition, if a battery for an automobile is left without using a battery in an electrolyte state, a so-called self-discharge phenomenon occurs in which a chemical reaction proceeds as time passes and a natural discharge results in a decrease in capacity. The self discharge is greatly affected by impurities included in the electrolyte, antimony (Sb) content of the substrate, short circuits caused by separation and deposition of the active material, and the higher the temperature and specific gravity of the electrolyte, the higher the self discharge is accelerated. Normally, lead-acid batteries undergo self-discharge at about 0.2 to 1.0% of their capacity per day. That is, a fully charged battery is fully discharged after about four months at + 15 ° C, and fully discharged after about two weeks at + 40 ° C. In general, as the temperature rises by 10 ° C., the self-discharge rate increases about two times. If the discharged state is left unattended, there is a problem that not only the engine start but also the electric device becomes unusable.
이로부터 종래 자동차용 배터리는 다음과 같은 문제점이 있음을 알 수 있다. From this it can be seen that the conventional automotive battery has the following problems.
첫째, 자동차 엔진 크랭크 회전 시작시 대전류 방전으로 인한 극판 열화등으로 인한 전지 수명 단축.First, shortening of battery life due to pole plate deterioration due to large current discharge at the start of car engine crank rotation.
둘째, 낮은 에너지밀도(30 ~ 40Wh/kg)로 인하여 전장품에 충분한 전원을 공급할 수 없음.Second, due to the low energy density (30 ~ 40Wh / kg) it is not possible to supply enough power to the electronics.
셋째, 낮은 SoC 상태로 인한 불완전한 연소로 인한 연비를 감소시킴.Third, it reduces fuel economy due to incomplete combustion due to low SoC conditions.
넷째, 고온 환경하에 의한 기판의 부식 가속 및 전해액 고갈 등으로 인한 배터리 충방전 수명을 단축시킴.Fourth, it shortens battery charge and discharge life due to accelerated corrosion of substrate and exhaustion of electrolyte under high temperature environment.
다섯째, 높은 자가방전율(약 30%/월) 및 환경 문제(Pb)를 유발함.Fifth, it causes high self discharge rate (about 30% / month) and environmental problem (Pb).
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 목적은 자동차용 배터리로 종래의 납축전지를 친환경적인 올리빈계 리튬이온2차전지로 대체하여 우수한 시동 특성, 높은 SoC 상태로 연비 개선 및 온도에 상관없이 우수한 장수명 특성, 고에너지밀도 특성, 낮은 자가방전율 특성 등을 지닌 자동차용 배터리를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to replace the conventional lead acid battery with an environmentally friendly olivine-based lithium ion secondary battery as an automotive battery, to improve fuel efficiency with excellent starting characteristics and high SoC state. And to provide an automotive battery having excellent long life characteristics, high energy density characteristics, low self-discharge rate characteristics, regardless of temperature.
상기 목적은 본 발명에 따라, 자동차용 배터리에 있어서, 단위전지로 올리빈계 리튬이온2차전지를 사용하는 것에 의해 달성된다.According to the present invention, the above object is achieved by using an olivine-based lithium ion secondary battery as a unit cell in an automotive battery.
바람직하게는 상기 올리빈계 리튬이온2차전지용 양극활물질로 LiMeFePO4 (Me=Co, Ni, Mn 중에서 선택되는 어느 하나)를 사용한다.Preferably, the positive electrode active material for the olivine-based lithium ion secondary battery LiMeFePO 4 (Me = Co, Ni, Mn) is used.
상기 단위전지에 배터리 운용 유닛(BMU)을 더 구비하도록 하는 것이 바람직하다.It is preferable to further include a battery operation unit (BMU) in the unit cell.
바람직하게는 배터리 운용 유닛(BMU)에 연료 게이지(Fuel Gauge)를 더 구비하도록 하여 일정 용량 이하로 방전이 되면 충전되도록 한다.Preferably, a fuel gauge is further provided in the battery operation unit BMU to be charged when discharged below a predetermined capacity.
상기 단위전지에 보호회로를 더 구비하여 과충전, 과방전, 과열 방지 기능을 구현하도록 하는 것이 바람직하다.It is preferable to further include a protection circuit in the unit battery to implement the overcharge, over-discharge, overheating prevention function.
본 발명에 따르면, 자동차용 배터리에 있어서 단위전지를 납축전지에서 친환경적인 인산철 리튬이온2차전지로 교체하여 사용하여, 초기 시동 특성 개선, 연비가 향상되는 작용효과가 있다. According to the present invention, by replacing the unit cell in the lead-acid battery with an environmentally friendly lithium iron phosphate secondary battery in the automotive battery, there is an effect of improving the initial starting characteristics, fuel economy.
또한, 고에너지밀도 및 고온하에서 충방전 수명 특성의 향상이 기대된다. In addition, it is expected to improve the charge and discharge life characteristics under high energy density and high temperature.
도 1는 종래의 납축전지 구조도,
도 2는 엔진 크랭크 회전시의 전압(배터리 단자 전후의) 파형곡선 및 전류 파형곡선,
도 3은 본발명의 자동차용 배터리 및 이의 회로도,
도 4은 본 발명품을 적용한 경우의 자동차 시동 특성도,
도 5는 종래 전지와 본 발명품의 점화 불꽃 특성 비교도 및
도 6은 정류 후 자동차 발전기의 전압 패튼도이다.1 is a conventional lead acid battery structure diagram,
2 shows waveforms of voltage (current before and after battery terminals) and current waveforms at the time of engine crank rotation;
3 is a circuit diagram of an automobile battery of the present invention,
Figure 4 is a car starting characteristic when the present invention is applied,
5 is a comparison of ignition spark characteristics of a conventional battery and the present invention and
6 is a voltage patten diagram of an automobile generator after rectification.
리튬이온2차전지는 고에너지밀도, 고출력, 장수명 특성 등으로 인하여 IT 전자기기에 널리 사용되고 있으며, 최근 수송기기(HEV, PHEV) 및 전력저장용(Load leveling) 등의 대형 에너지저장전원으로 활발히 연구개발이 진행되고 있다.
Lithium-ion secondary batteries are widely used in IT electronics due to their high energy density, high output, and long lifespan, and are currently being actively researched and developed as large energy storage power supplies such as transport equipment (HEV, PHEV) and load leveling. This is going on.
일반적으로 리튬이온2차전지용 양극활물질로 LiMeO2(Me=Co, Ni, Mn)가 있다.In general, a cathode active material for a lithium ion secondary battery is LiMeO 2 (Me = Co, Ni, Mn).
LiCoO2의 경우, 안정된 충방전특성과 평탄한 방전전압 특성을 갖지만, 코발트는 매장량 한정, 고가 및 인체에 대한 독성, 안전성 측면에서 여전히 문제를 안고 있다.LiCoO 2 has stable charge and discharge characteristics and flat discharge voltage characteristics, but cobalt still has problems in terms of limited reserves, high cost, toxicity to humans, and safety.
LiNiO2의 경우 LiCoO2보다 충방전 전위가 0.2V 낮아 전해액이 분해될 가능성이 작고, 비용면에서도 유리하며 고용량(약 200mAh/g)이다. 그러나 암염상 혼입에 의한 충방전 용량의 저하 및 화학량론적 조성의 LiNiO2 합성이 어렵고 슬러리의 안정성이 떨어지며 안전성이 미해결되어 있는 상태이다.In the case of LiNiO 2, the charge and discharge potential is 0.2V lower than that of LiCoO 2, so that the electrolyte is less likely to be decomposed, advantageous in terms of cost, and high in capacity (about 200mAh / g). However, it is difficult to reduce the charge-discharge capacity due to the mixing of the rock phase and to synthesize the LiNiO 2 having a stoichiometric composition, the stability of the slurry is poor, and the safety is unresolved.
스피넬 구조를 갖는 LiMn2O4는 이론용량이 148mAh/g 정도로 다른 재료에 비해 작고, 3차원 터널구조를 갖기 때문에 리튬이온의 삽입탈리시 확산저항이 커서 확산계수가 2차원 구조를 갖는 LiCoO2와 LiNiO2에 비해 낮으며, 쟌-텔러 효과 (Jahn-Teller effect) 때문에 충방전 싸이클 특성이 좋지 않다. 특히 55℃ 이상의 고온에서는 스피넬 구조내의 망간 용해로 인해 수명특성이 감소하는 문제점이 있다.
LiMn 2 O 4 having a spinel structure is smaller than the other material, so the 148mAh / g theoretical capacity, a three-dimensional because it has a tunnel structure of the diffusion resistance cursor on insertion desorption of the lithium ion diffusion coefficient and the LiCoO 2 having a two-dimensional structure It is lower than LiNiO 2 , and the charge / discharge cycle characteristics are not good because of the Jahn-Teller effect. In particular, at a high temperature of more than 55 ℃ there is a problem that the life characteristics are reduced due to the melting of manganese in the spinel structure.
상기와 같은 문제점으로 인하여 최근 올리빈계의 인산철리튬산화물이(LiFePO4)이 리튬이온2차전지용 양극활물질로 주목받기 시작하였으며, 차세대 대형 리튬이온2차전지를 실현하기 위한 유력한 기술로 관심을 끌고 있다.
Due to the above problems, olivine-based lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) has recently been attracting attention as a cathode active material for lithium ion secondary batteries, attracting attention as a powerful technology for realizing the next generation of large lithium ion secondary batteries. .
LiFePO4는 큰 이론용량(170mAh/g) 및 비교적 높은 전위(3.4V vs. Li/Li+) 및 자원적 제한이 없다. 또한 LiFePO4는 LiCoO2와 달리 산화환원의 전과정을 통하여, 제 1상으로서 리튬이 충만한 환원 형태(방전상태)의 LiFe(II)PO4 및 리튬이 완전히 탈리된 산화 형태(충전상태) Fe(III)PO4로 된 2상만이 존재하는 2상 평형 상태로 되어 있다. 이 결과, 충방전 전압 평탄성이 우수하기에 충방전 상태의 관리가 용이한 성질을 갖는다. 또한 고온(~400℃)에서도 산소 방출이 어렵고, 40V 이상의 과충전에서도 열폭주가 없어 전해액 연소를 피할 수 있기에, 현재까지 알려진 리튬2차전지용 양극재료중에서 가장 우수한 안전성을 나타낸다.
LiFePO 4 has no large theoretical capacity (170 mAh / g) and relatively high potential (3.4 V vs. Li / Li + ) and no resource limitations. Also, unlike LiCoO 2 , LiFePO 4 is a reduced form (discharged) LiFe (II) PO 4 filled with lithium as the first phase and an oxidized form (charged) Fe (III) in which lithium is completely desorbed as a first phase. It is in a two-phase equilibrium state where only two phases of PO 4 exist. As a result, it has the property of being easy to manage the charge / discharge state because of excellent charge / discharge voltage flatness. In addition, it is difficult to discharge oxygen even at high temperature (~ 400 ° C), and there is no thermal runaway even in overcharging of 40V or more, so that combustion of electrolyte can be avoided, thus showing the best safety among the cathode materials for lithium secondary batteries.
따라서, 본 발명은 양극 활물질로 올리빈계 인산철리튬산화물을 채택한 리튬이온2차전지를 장착한 자동차용 배터리라는데 특징이 있다.
Accordingly, the present invention is characterized in that it is an automobile battery equipped with a lithium ion secondary battery employing an olivine-based lithium phosphate oxide as a cathode active material.
도 3은 본 발명의 자동차용 배터리 외관사진 및 회로도를 나타내었다. 자동차용 배터리는 크게 전조, 상부 커버, 전지 모듈 및 회로부로 구성된다. 상기 전조는 소정의 금형에 폴리프로필렌(polypropylene) 등과 같은 플라스틱이 주입된 후 고압의 프레스에 의해 상부가 개방된 형태로 사출 형성된다. 이렇게 사출 형성된 전조의 내부에는 리튬이온2차전지 및 보호회로가 수용되고 있다. 상기 커버의 상부에는 복수의 전지와 전기적으로 연결되는 양극 단자 및 음극 단자로 이루어지는 한쌍의 단자 및 사용자의 손으로 잡을 수 있는 소정 형태의 손잡이가 상면에 설치되는 커버를 구비한다.Figure 3 shows the external appearance and circuit diagram of a battery for a vehicle of the present invention. Automotive batteries are largely composed of a rolling head, a top cover, a battery module and a circuit portion. The roll is injection-molded in a form in which an upper portion is opened by a high pressure press after plastic such as polypropylene is injected into a predetermined mold. The lithium ion secondary battery and the protection circuit are accommodated in the injection-molded precursor. The upper part of the cover is provided with a pair of terminals consisting of a positive terminal and a negative terminal electrically connected to a plurality of batteries, and a cover of a predetermined type that can be grasped by a user's hand on the upper surface.
자동차용 배터리의 전조 내부에 단위 전지가 다수 개 직렬 및 병렬로 연결되어 집합전지를 형성하고, 이들 집합전지와 BMU(배터리 운용 유닛, Battery Management Unit)가 전기적으로 연결되어 있다. BMU에서 써미스터는 전지 온도를 감지하다가 과열이 될 경우 전류를 차단하는 기능을 하며, Cell Balancing 기능은 충전중에 단위전지간의 전압을 인식하여 임의 전지가 만충전될 경우 바이패스하여 덜 충전된 전지가 충전되도록 한다. 또한 보호기능으로 과충전, 과방전 기능을 부가하여 안전성을 확보하도록 하였다. 또한 별도로 Fuel Gauge 기능을 부여하여 배터리가 약 85% 이하로 방전될 경우 충전되도록 하였다.
A plurality of unit cells are connected in series and in parallel to form an assembled battery in the precursor of an automotive battery, and these assembled batteries are electrically connected to a battery management unit (BMU). In the BMU, the thermistor detects the battery temperature and cuts off the current when overheating.The Cell Balancing function recognizes the voltage between unit cells during charging and bypasses when any battery is fully charged. Be sure to In addition, overcharge and overdischarge functions were added as protection functions to ensure safety. In addition, fuel gauge function was added to charge the battery when it is discharged below about 85%.
이하, 본 발명에 따른 인산철계 리튬이온2차전지를 적용한 자동차용 배터리의 특성 평가 결과를 서술한다.
Hereinafter, the characteristic evaluation result of the automotive battery which applied the iron phosphate type lithium ion secondary battery which concerns on this invention is described.
도 4는 본 발명품을 적용한 경우의 자동차 시동 특성도로 자동차 엔진 시동시 배터리의 전류 방출 특성 곡선으로 시동 즉시 약 450A의 전류가 인가되고, 이 후 전류는 서서히 감소되는 경향을 나타낸다.
4 is a motor starting characteristic in the case of applying the present invention is a current discharge characteristic curve of the battery at the start of the vehicle engine is applied to the current of about 450A immediately after starting, the current shows a tendency to decrease gradually.
도 5는 종래 전지와 본 발명품의 점화 불꽃 특성 비교도로 종래 납축전지와 본 발명의 인산철리튬2차전지에 대하여 점화플러그에 인가되는 아크 현상을 나타낸 것으로, 인산철리튬2차전지를 장착할 경우 아크가 매우 선명하게 나타났으며, 이것으로부터 점화 특성이 우수함을 알 수 있었다.
Figure 5 is a comparison of the ignition spark characteristics of the conventional battery and the present invention shows the arc phenomenon applied to the spark plug for the conventional lead acid battery and the lithium iron phosphate secondary battery of the present invention, the arc when the lithium iron phosphate secondary battery is installed Was very clear, and it was found that the ignition characteristics were excellent.
도 6은 정류후 자동차 발전기의 전압 패튼을 나타낸 곡선으로써, 납축전지보다 인산철 리튬2차전지의 전압이 높음을 알 수 있으며, 이것으로 자동차 구동시 자동차 연비 향상이 기대된다.
Figure 6 is a curve showing the voltage pattern of the vehicle generator after rectification, it can be seen that the voltage of the lithium iron phosphate secondary battery is higher than the lead acid battery, this is expected to improve the vehicle fuel economy when driving the car.
표 1은 각 차종에 인산철 리튬2차전지 및 납축전지를 장착하여 프리웨이 및 도심내에서 구동하여 연비 특성 결과를 나타내었다. 표로부터 알 수 있듯이 인산철 리튬2차전지를 장착할 경우 납축전지를 장착한 경우보다 연비는 최소 10%에서 최대 47%까지 향상됨을 알 수 있었다.Table 1 shows the fuel efficiency characteristics of each vehicle by installing a lithium iron phosphate secondary battery and a lead acid battery. As can be seen from the table, when the lithium iron phosphate secondary battery is installed, the fuel efficiency is improved by at least 10% to up to 47% compared with the case where the lead acid battery is installed.
Claims (5)
단위전지로 올리빈계 리튬이온2차전지를 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.In a car battery,
An automotive battery comprising an olivine-based lithium ion secondary battery as a unit cell.
상기 올리빈계리튬이온2차전지용 양극활물질로 LiMeFePO4(Me=Co, Ni, Mn 중에서 선택되는 어느 하나)를 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.The method of claim 1,
An automotive battery using LiMeFePO 4 (any one selected from Me = Co, Ni, and Mn) as the cathode active material for the olivine-based lithium ion secondary battery.
상기 단위전지에 배터리 운용 유닛(BMU)을 더 구비한 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.The method of claim 1,
An automotive battery, further comprising a battery operating unit (BMU) in the unit cell.
상기 단위전지에 보호회로를 더 구비하여 과충전, 과방전, 과열 방지 기능을 구현하도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.The method of claim 3, wherein
A battery for an automobile further comprising a protection circuit in the unit cell to implement an overcharge, overdischarge, and overheating prevention function.
배터리 운용 유닛(BMU)에 연료게이지(Fuel Gauge)를 더 구비하여 일정 용량 이하로 방전이 되면 충전되도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리.The method of claim 1,
A fuel gauge (Fuel Gauge) is further provided in the battery operation unit (BMU), the vehicle battery, characterized in that to be charged when discharged below a predetermined capacity.
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