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[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향 3]
리튬이온전지의 기술 동향
지금까지 비상용 전원으로서 태양광발전 및 축전지와 같은 다양한 에너지 디바이스들이 주목을 받아왔지만, 최근 전력수급의 어려움에 따라 기존의 백업 용도와는 다른 활용방법에 관심이 쏠리고 있다. 본고에서는 스마트 에너지 시스템의 핵심 디바이스인 리튬이온 축전시스템의 개략과 그 안전성에 관한 NEC(일본전기㈜)의 연구활동을 소개한다. 또한, 이러한 복수의 에너지 디바이스와 제어시스템을 조합한 ‘가정용 스마트 에너지 시스템’의 개략과 가능성에 대해서도 알아본다.
리튬이온을 이용한 축전시스템 대형 대용량 축전지의 니즈 리튬이온 2차전지(Lithium Ion Battery: LIB)는 기존의 휴대전화 및 디지털 카메라 등 소형 휴대기기를 비롯하여 전동 어시스트 자전거의 구동용 전원, UPS(무정전 전원장치)의 축전용 전원 등 폭넓은 용도로 사용되어 왔으며, 최근 지구온난화 등 환경문제에 대한 관심 고조 및 대규모 재해에 대응하기 위한 대책방안으로서 축전지의 대규모화 및 대용량화가 요구되고 있다. 휴대전화 및 디지털 카메라용 전지로서 지금까지 보급되어 온 LIB는 2011년 3월의 대지진 이후, 비상용 전원이나 주간의 전력피크를 저감하기 위한 전력저장용으로 개발이 진행되어 대형 LIB를 이용한 축전 시스템의 니즈는 날로 높아지고 있다. 또, 앞으로는 태양광발전 및 풍력발전과 같은 발전 제어가 불가능한 재생가능에너지가 대량 도입될 것으로 전망된다. 이에 따라 전력계통망에서의 수요와 공급 밸런스의 붕괴가 우려되고 있으며, 발전 제어가 불가능한 시스템을 유효하게 활용하기 위해 MWh급 대형 대용량 축전지의 이용이 검토되고 있다. 리튬이온 2차전지의 동작원리리튬이온 2차전지는 충방전 시의 에너지 손실이 적고, 환경규제물질(카드뮴, 납, 수은 등)을 사용하지 않는 친환경적인 전지이다. 동작원리는 [그림 1]에 나타난 것처럼 충전 시에 리튬의 화합물인 양극재료 안에 존재하는 리튬이온이 음극인 탄소재의 층간에 이동함으로써 충전전류가 흐르게 된다. 또 방전 시에는 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동함으로써 방전전류가 흐르게 된다. 이와 같이 리튬이온 2차전지는 리튬의 이동만으로 충방전이 이루어진다. 
대형 대용량 축전지를 지지하는 전지기술의 특징
대형 대용량 전지에는 높은 안전성, 긴 수명, 낮은 비용이 요구된다. 전지의 대형화에 따라 비축한 에너지 및 가연물인 전해액의 양이 늘어나기 때문에 높은 안전성 확보는 필수적이다. 대형 축전 시스템은 한번 구입하면 장기간 사용하려는 구매자가 많아 장기에 걸친 수명특성 및 신뢰성이 요구된다. 또 전지가 커지면 사용되는 재료도 다량으로 필요하기 때문에 합리적인 제품가격을 책정하기 위해서는 재료비용을 낮출 필요가 있다.
NEC(일본전기㈜)에서는 「안전성」, 「수명특성」 등의 평가기술 및 「저비용 양극재료」로써 이러한 요구에 대응하고 있다. 안전성 평가기술 리튬이온전지는 대용량화에 따라 저장 에너지도 커져서 사고 시 발열·발화의 위험성이 커지기 때문에 안전성을 확보하는 일이 중요하다. 또 LIB는 사용온도 및 전지의 열화상태가 안전성에 영향을 주기 때문에 시장에서의 안전성을 확보하기 위해서는 평가에 이러한 인자들을 가미할 필요가 있다. 특히, 저온환경에서 충전하면 금속 Li가 석출되어 안전성이 낮아진다는 연구결과가 있어 저온환경에서 충전된 셀의 안전성을 확보하는 일이 중요하다고 하겠다. NEC가 채용하고 있는 LIB에서는 저온환경에서의 충전조건을 최적화함으로써 안전성을 확보하고, 0℃ 이하의 환경에서 충전을 가능케 했다. 안전성 검증결과의 일례로서 0℃ 이하의 환경에서 충전한 셀의 못 관입시험을 실시했다.([그림 2] 참조) 그 결과, LIB에서의 발연·발화는 일어나지 않았으며 문제가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 또 NEC가 채용하고 있는 LIB에서는 전지 사양으로 설정되어 있는 충전 가능한 온도범위 및 방전 가능한 온도범위의 상하한(上下限)([그림 3] 참조)으로 안전성 시험을 실시하고 있다. 충전하한온도, 표준조건으로서 25℃, 충전 상한온도에서 충전한 LIB를 방전온도하한온도, 표준조건으로서 25℃, 방전상한온도환경에서 안전성 시험을 실시하고 있다. 또한, 열화된 LIB에 있어서도 안전성 시험을 실시하여 안전성이 확보되었는지를 검증하고 있다.  
수명특성 평가기술
가정용 축전설비에는 일반적으로 7~10년의 수명이 요구되고 있으며, 사용자에 따라서는 15년이라는 초장기 수명을 요구하는 경우도 있어 전지의 수명은 축전지 개발의 중요한 지표가 되고 있다. 일반적으로 휴대전화 등의 전지 수명이 2년 사용 후의 방전용량 유지율 80% 정도를 목표로 삼고 있는 것에 비해, 가정용 축전설비에 요구되는 전지 수명은 매우 엄격한 수준이라고 할 수 있다. 장기의 전지 수명을 보장하기 위해서는 장기간에 걸친 평가가 필요하며, 상품개발에 과도한 부하가 걸리게 된다. 예를 들어 실제로 가정용 축전설비가 사용되는 상태에 가까운 조건으로 평가하는 경우 15년간 25℃ 환경하에 매일 1사이클 충방전이 된다고 치면, 전지 수명을 확인하기까지는 4년 또는 5년이 요하게 된다. 이와 같이 대형 대용량 축전지의 개발·평가에는 방대한 시간과 비용이 요하게 되며, 이에 따라 상품개발이 늦춰진다는 것이 과제였다. 그리하여 NEC는 전지 수명 평가에 필요한 기간을 단축시키기 위해 열화가속평가를 도입했다. 실제 사용조건에 비해 조기에 열화되며 또한 전지의 열화모드가 실제 사용조건과 동등한 「열화가속조건」을 사용하여 이 조건으로 평가한 전지 수명이 실제 사용조건으로 평가한 경우 어느 정도의 기간에 상당하는가를 시뮬레이션함으로써 기존에 비해 전지 수명을 조기에 확인할 수 있었다.([그림 4] 참조)  저비용 양극재료NEC는 제품가격을 낮추기 위해 자원량이 풍부하고 재료조달이 용이하며 저비용의 망간산 리튬을 양극활물질로 사용한 LIB를 채용하고 있다. 망간산 리튬은 스피넬 구조를 가지고 있어 충전상태에 따라 결정구조가 변하지 않기 때문에 과충전이 되어도 재료로서 안정적이다.([그림 5] 참조) 하지만 기존의 망간계 양극재에는 수명특성이 충분하지 않다는 과제가 있었는데 전해액에 미량으로 포함되어 있는 물과 전해액인 육불화인산리튬이 반응하여 불산(플루오르화수소산)이 생성됨에 따라 망간산 리튬이 녹아버려서 수명 저하를 초래하고 있었다. 이에 수소이온을 포획하여 망간산 리튬의 용출을 억제할 수 있는 니켈산 리튬을 혼합함으로써 수명특성의 대폭적인 개선을 실현할 수 있었다.([그림 6] 참조) 또한, 니켈산 리튬은 망간산 리튬과 비교하여 이론 용량치가 크다는 장점도 있다. 이 수명특성이 개선됨에 따라 대용량의 LIB를 채용하였다.([그림 7] 참조)   
리튬이온을 이용한 축전 시스템의 개요
[그림 8]은 리튬이온을 이용한 가정용 축전 시스템의 일례를 나타낸 그림이다. 축전 시스템은 이하의 기능 블록으로 구성되어 있다. 본 시스템은 계통연계형 축전지 시스템이다. (1) 전지팩 복수의 LIB를 수용한 모듈로서, 전력이 이 모듈에 저장된다. (2) Battery Management Unit(BMU) LIB 모듈의 DC 레벨에서의 방전 및 모듈의 충전을 제어하는 단위이며, 동시에 LIB의 동작상태를 감시한다. (3) 파워컨디셔너 가정의 100V AC라인에 연결된다. LIB 모듈에서 출력되는 DC전압을 AC전압으로 변환하여 계통에서 공급되고 있는 전력과 함께 공급한다. 또 후술할 시스템 컨트롤러의 지시에 따라 충전/방전의 전환을 실시한다. 이와 동시에 계통에 연계하기 위한 보호기능이 구현된다. (4) 시스템 컨트롤러 축전 시스템 전체의 제어를 실시한다. 다양한 어플리케이션이 구현된다. 축전 시스템의 동작상태를 감시하고, 이상발생 시에는 시스템을 긴급 정지시키는 기능을 갖는다. 또한, 본 모듈에 통신기능을 구현하고 인터넷상에 배치된 서버와 통신을 실시함으로써 상황 감시 및 펌웨어의 업데이트 등 다양한 어플리케이션의 실현도 가능해지고 있다. 
스마트 에너지 시스템여기서는 스마트 에너지 시스템의 개요에 대해 소개한다. 스마트 에너지 시스템이란 기존에서처럼 전력회사로부터 공급되는 전력을 단순히 소비하는 것이 아닌, 태양광발전 등의 발전 디바이스와 축전지 시스템과 같은 축전 시스템을 결합하여 에너지 소비효율 및 경제 합리성을 추구하는 시스템을 말한다. [그림 9]에 스마트 에너지 시스템을 가정에 적용한 「스마트 하우스」의 개념을 나타냈다. 
스마트 에너지 시스템을 지지하는 에너지 디바이스스마트 에너지 시스템을 지지하는 에너지 디바이스는 이하의 3가지 유형으로 분류된다. (1) 발전 디바이스 전력을 발생시키는 디바이스. 대표적인 예로 전 세계에 널리 보급되어 있는 태양광발전시스템을 들 수 있다. (2) 축전 디바이스 전력을 저장하는 디바이스. 최근 보급이 활성화되고 있는 리튬이온을 이용한 축전지 시스템이 그 대표적인 예이다. 또한, EV 탑재 축전지에 저장된 에너지를 가정에서 이용할 수 있게 하는 연구도 현재 진행 중에 있다. (3) 제어 디바이스 발전 디바이스 및 축전 디바이스의 동작을 제어하는 시스템. Home Energy Management System(HEMS)이라고도 불린다. <Energy News>
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