[논문 리뷰] Comparing the suitability of Lithium ion, Lithium Sulfur and Lithium air batteries for current and future vehicular applications

Gorazd Lampič, Gorazd Gotovac외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 20.

Advanced Battery Technologies Research참고 문헌 47인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 주행 사이클 데이터를 활용하여 다양한 차량 유형의 성능 요구사항을 모델링함으로써 현재 및 향후 차량용 리튬이온(Li-ion), 리튬황(Li-S), 리튬산소(Li-O2) 배터리의 성능을 평가한다. 연구 결과, 현재의 리튬이온 배터리는 특정 에너지 밀도와 비용 측면에서 부족함을 보이지만, 완전히 실현된 리튬황 및 리튬산소 기술은 향후 요구사항을 충족시킬 수 있으며, 사이클 수명, 안정성, 확장성 측면에서 여전히 해결해야 할 도전 과제가 많다.

ABSTRACT

In this report, future performance demands of batteries for various vehicular applications are modeled. Vehicles ranging in size from electric bikes to heavy trucks are assessed using driving cycle data which allows key performance parameters such as desired range (km), specific energy of the battery (Wh/Kg), cycle life requirement and expected price per unit capacity (Euro/kWh) to be calculated. These projected performance requirements are compared with the outputs for three existing Li-ion batteries (namely (a) Kokam based high specific energy source (b) A123 based high power energy source and (c) Winston low cost system). The theoretical, current state of the art and projected performance parameters for 'beyond Li-ion' technologies (Li-S and Li-O2) are also compared to the modeled battery performance demands. The analysis indicates that current battery technologies are unlikely to meet future requirements in terms of required specific energies and will likely be too costly. In comparison, fully realized beyond Li-ion alternatives may deliver the required specific energy for the full range of vehicles examined. However, scale-up of these systems is a daunting challenge and their successful implementation will depend on improvements in terms of cycle life, electrode and electrolyte stability, rate performance and development of practical battery architectures.

연구 동기 및 목표

• 전기 자전거에서 중량 운반 트럭에 이르기까지 다양한 차량에 대해 향후 배터리 성능 요구사항을 모델링한다.
• 현재 리튬이온 배터리 기술이 향후 특정 에너지 밀도, 사이클 수명, 비용 측면에서 예측된 요구사항을 충족할 수 있는지 평가한다.
• 미래 요구사항에 비해 리튬황 및 리튬산소와 같은 새로운 초리튬이온 기술의 잠재력을 평가한다.
• 리튬황 및 리튬산소 시스템의 확장성과 실용적 구현을 저해하는 주요 기술적 장벽을 규명한다.

제안 방법

• 다양한 차량 유형의 주행 사이클 데이터를 분석하여 주행 거리, 특정 에너지(Wh/kg), 사이클 수명, kWh당 비용 등의 필수 배터리 파라미터를 도출하였다.
• 세 가지 대표적인 현재 리튬이온 배터리 시스템을 평가하였다: 고특정 에너지(코카무 기반), 고출력(에이123 기반), 저비용(윈스턴 기반) 변종.
• 리튬황 및 리튬산소 배터리의 이론적, 최첨단, 향후 성능 지표를 취합하여 모델링된 차량 요구사항과 비교하였다.
• 특정 에너지, 사이클 수명, kWh당 비용 등의 정량적 지표를 사용하여 성능 요구사항을 현재 및 향후 배터리 기술과 기준 비교하였다.
• 차량 유형 간 비교 분석을 통해 전반적인 응용 분야에서 기술의 적합성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 리튬이온 배터리 기술은 모든 차량 크기의 미래 전기차에 대해 예측된 특정 에너지 밀도, 사이클 수명, 비용 요구사항을 충족시킬 수 있는가?
• RQ2 리튬황 및 리튬산소 배터리는 다양한 차량 응용 분야의 미래 성능 요구사항을 어느 정도 충족시킬 수 있는가?
• RQ3 리튬황 및 리튬산소 시스템의 확장성에 장애가 되는 주요 기술적 제약 조건—특히 사이클 수명, 전극 안정성, 전해질 열화—는 무엇인가?
• RQ4 전기차의 성능 목표는 다양한 차량 등급 간에 어떻게 다를지, 이는 배터리 기술 선택에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 현재 리튬이온 배터리 기술은 향후 특정 에너지 요구사항을 충족하지 못하며, 특히 중량 운반 및 장거리 차량에서 문제가 된다.
• 고특정 에너지 코카무 기반 리튬이온 시스템은 약 250 Wh/kg에 도달하지만, 장거리 전기 트럭에 필요한 예측된 400–500 Wh/kg에 못 미친다.
• 리튬황 및 리튬산소 배터리는 이론적으로 각각 최대 500–600 Wh/kg 및 1000 Wh/kg의 특정 에너지를 가지며, 향후 응용 분야에 유망한 후보로 여겨진다.
• 사이클 수명은 리튬황 및 리튬산소 시스템에서 여전히 핵심적 한계로 남아 있으며, 현재 프로토타입은 수십에서 수백 사이클에 불과하여 상용화에 필요한 1,000+ 사이클에 크게 못 미친다.
• 전극 및 전해질의 불안정성과 낮은 고속 성능은 높은 이론적 에너지 밀도에도 불구하고 초리튬이온 기술의 실용적 구현을 크게 제한한다.
• 현재 리튬이온 시스템의 kWh당 비용은 여전히 목표인 €100/kWh를 초과하며, 리튬황 및 리튬산소 기술은 비용 절감 가능성이 있지만 대량 제조 과제는 여전히 남아 있다.