오늘, 배터리는 전기 자동차의 미래를 결정하는 결정의 핵심이되었다, 그것은 배터리 기술의 두뇌에 너무 많은 배터리 제조 업체를 이해하는 것은 큰 어려움을 기대하고, 야심적인 개발 목표의 다양한 개발, 배터리 시스템의 배터리 밀도는 250Wh / L에서 500Wh / L로 생산 비용을 크게 낮추는 반면, 한편으로는 배터리 소재를 더욱 최적화하여 배터리 에너지 밀도를 향상시킬 필요가있다. 제한된 공간에서 비 활성 물질의 경우, 기존의 배터리 팩 패키지는 많은 양의 비 배터리 활성 물질을 점유하고 제한된 배터리 공간을 충분히 활용할 수 없었습니다.이 목표를 달성하기 위해 IAV와 Thyssenkrupp AG 및 Fraunhofer Institute 세라믹 기술 및 시스템 (IKTS)은 섀시 임베디드 에너지 (EMBATT : 섀시 임베디드 에너지)를 배터리 섀시에 직접 개발하고 배터리 자체 구조의 볼륨을 크게 줄여 에너지 밀도 Wh를 향상시킵니다 / L 목표. 중심 아이디어의 EMBATT 개념은 양극성 b 이 공동 개발 프로젝트에서 IAV는 주로 차량 개념, 측정 안전성, 배터리 레이아웃 및 디자인, 제어 소프트웨어 보정 등을 포함한 차량 개발을 담당합니다 .IKTS는 배터리 재료 및 전극 제조 및 처리 기술의 사용자 정의를 담당합니다 .Thyssenkrupp AG 주로 늦은 배터리 생산을 담당합니다.
바이폴라 전지의 EMBATT 개념을 기반으로 다음 목표를 달성 할 수 있습니다.
• 시스템 복잡성을 현저히 줄이고 배터리 밀도를 500 Wh / L
· 내부 저항 감소 및 냉각 요구 사항 감소
적은 부품 사용으로 제조 비용을 절감 할 수 있습니다.
· 차량 안전 요구 사항 충족
· 에너지 밀도를 더욱 향상시키는 첨단 배터리 소재
현재의 리튬 이온 전지는 전극 (전지, 원통형, 정사각형 또는 부드러운 패키지)을 감은 후 감기거나 적층 한 다음 다른 구조 부품, 전자 장치, 관리 장치가 전지 시스템에 통합 된 상태로 감아 집니다. 비 활성 물질 (구조 부품, 전자 부품, 배선 하네스 등)이 많고 40-60 % (또는 그 이상)의 에너지 밀도 손실, 현재 배터리 시스템의 에너지 밀도가 약 120-300Wh이므로 배터리 시스템의 바디 배터리 / L (Wh / kg는 여기가 아님).
EMBATT 프로젝트의 배터리 개발 목표는 기존 배터리 및 모듈의 경계를 깨고 양극성 전극으로 만든 배터리를 섀시에 통합하고 패키지 크기에 따라 850-1200V (약 2)의 대형 배터리 전압 구성을 달성하는 것입니다 배터리의 평방 미터), 1000km 주행 거리를 가능하게합니다.이 개발 프로젝트의 과제 중 하나는 전극 양면에 두 개의 다른 전극이 필요하기 때문에 바이폴라 전극을 만드는 방법입니다 소재 중, 더 복잡한 준비 과정입니다 약 300 미크론의 최소 배터리 셀 두께. 달성하기 위해 내부 및 외부 지원 구조를 통해 배터리의 기계적 안정성.
이러한 전지 구조의 특수 설계 외에도 고효율 전지 소재의 사용에 초점을 맞추고 있습니다. EMBATT는 양극 재에 현재 리튬 티타 네이트 LTO, 리튬 망간 산화물 LNMO의 양극 선택, 단일 셀 전압 3.2V 정도 (다른 물질을 선택할 수도 있지만 전압은 낮아질 것입니다.), 다음 중요한 물질은 적절한 액체 전해질을 선택하는 것입니다. 고체 전해질에서 고체 전해질까지는 테스트의 범위 내에 있습니다. 전해질은 최고의 선택이 될 것입니다. 다이어프램 옵션 중 하나는 고체 전해질의 용액과 멤브레인을 통합하는 데 도움이되는 세라믹 다이어프램입니다. 전류 양쪽의 바이폴라 전극에있는 EMBATT 프로젝트는 LTO (다른 음극 재료도 될 수 있습니다.) 첫째, 레이저로 첫번째 바이폴라 전극은 첫 번째 프리 컷을 절단 한 다음 두 번째 펀치로 최종 전극 크기를 얻습니다. 극지방 패드는 배터리 셀 사이에 직렬 연결을 위해 적층되어 있으며, 프로젝트 진행에 따라 EMBATT 개념을 기반으로 한 1000km 전기 자동차가 2025 년에 출시 될 것으로 예상됩니다.
IKTS에 따르면 EMBATT 프로젝트 개념은 고체 산화물 연료 전지 SOFC 스택 구조 설계에서 비롯되었으며,이 프로젝트에서 IKTS는 주로 전지 셀 설계 개념 연구, 전지 활성 물질의 개발 / 최적화, 세라믹 다이어프램 및 전기 분해 액체, 배터리 유닛 제조 공정 개발.
현재 IKTS와 협력 기관은 EMBATT1.0과 EMBATT2.0 1.0과 2.0의 개발을 완료했다. 가장 중요한 변화는 NCM 또는 LFP 1.0 프로젝트의 음극 재가 금속 원소를 사용하여 LNMO로 업그레이드된다는 점이다 도핑 된 스피넬 리튬 망간은 상한 전압을 증가 시켰습니다. 다이어프램, 액체 전해질은 모든 고체 전해질로 업그레이드되어 배터리 셀의 생산에보다 도움이 될 것입니다. 각각 1.0 및 2.0, 200Wh / L 및 450Wh / L의 에너지 밀도 이는 현재의 전력 셀의 에너지 밀도에 비해 이점이 없으며, 미래의 배터리 시스템에 비해 몇 가지 이점을 가질 수 있지만, 바이폴라 전극에 의해 준비된 배터리는 아직 섀시에 내장되지 않았기 때문에 배터리 시스템 레벨 에너지 밀도 장점의 명확하지 않습니다. 따라서 EMBATT 3.0에서 부정적인 큰 변화, 네거티브로 금속 리튬의 사용, 그리고 유리 세라믹 모든 고체 전해질의 사용, 컬렉터는 더 이상 알루미늄에 국한되지 않습니다 (현재 800Wh / L 에너지 밀도 목표를 달성하기위한 이러한 최적화를 통해 유체의 특정 재료가 명확하지 않습니다.
제조 공정에서 1.0과 2.0의 제조 공정과 현재의 리튬 이온 전지 제조 공정은 모든 단단한 유리 세라믹 전해질을 사용하므로 3.0에서 큰 차이가 없으므로 전극과 전해질 조립은 동일한 단계에서 완료 될 수 있으며, 그러나 전극과 고체 전해질 인터페이스가 더 잘 접촉하도록하기 위해 열처리 링크의 후속 증가가 주로 이루어졌다.이 3.0 프로젝트는 전체 고체 전해질 개발, 전해질 및 전극 인터페이스 호환성 문제가 연구 내용에 중점을두고 있으며, 이것은 고체 배터리에 대한 일반적인 연구와 일치합니다.
이러한 재료는 리튬 이온 배터리 연구 핫스팟 흥미로운 것은 분야의 연구와 혁신 되었기 때문에 일반적으로, 가장 중요한 기능 EMBATT 혁신적인 물질이 아닌 것은 준비 EMBATT 전지는 양극 전극이 자동차에 직접 통합이다 벤 틀러 (Benteler)는 독립적 인 설계 및 개발과 새로운 에너지 자동차 섀시 시스템을 제안 - 섀시의 개념, 따라서 개념 흥미로운의 처리를 개선하기 위해 제조 공정에서 발생하는이 올해 상하이 모터쇼에 자동차 부품 공급 업체가 있다는 것입니다 섀시 시스템의 목표 중 하나는 통합 또는 모듈러 섀시 통합 배터리는 상기 단부 판에 통합 된 요소로 간주된다 달성하는 것이다. 또, 세계 자동차 업계 정상의 제 9 년 전동 섀시 유사한 플랫폼은 또한 반복적으로 강조되었습니다. 따라서,이 플랫폼은 전기 자동차의 추세의 발전이 될 것입니다.
리튬 이온 전지에 적용되는 개념 긴 바이폴라 전극은, 단일의 대규모 적용되지 않았 또한 긴 시간이다. 그래프는 종래의 리튬 이온 전지 (패널)과 바이폴라 리튬 전지 (b 비교 도는 모든 고체 리튬 금속이 있고 케이스) 드로잉, 일반적으로 구리 기판 상에 코팅 된 음극 부 일반적으로 알루미늄 기재에 도포 셀 () 및 네거티브 (각각 포함하는 세포);도 B. 두 개의 배터리 셀이 직렬로 연결된 경우, 음극으로서 현재 셀에서 바이폴라 전극의 한쪽, 다른 각 셀 단위 전지는 양극, 음극, 그러나 양극, 음극 활물질, 공통 기판을 포함 한면은 인접 셀 셀에서 양극으로 사용됩니다.
바이폴라 전극에 대한 연구는 이미 1990 년대에 2 ~ 30 년 동안 이루어졌으며 Yardney Technologies는 바이폴라 리튬 이온 배터리에 대한 연구를 수행했다. 이 설계는 셀 셀 스택의 인접한 셀 사이의 저항을 최소화하여 각 바이폴라 셀 셀의 양극 및 음극 활성 코팅의 표면에 전류 및 전위를보다 균일하게 분배합니다. 극성 셀의 셀은보다 높은 전력 특성을 갖는다.도 1은 복수의 바이폴라 배터리 셀로 구성된 전형적인 바이폴라 리튬 이온 배터리 섹션이다.도 2는 바이폴라 배터리 16a, 16b, ..., 16n은 배터리 셀의 음극 측, 18a, 18b, ..., 18n은 배터리 셀, 14a, 14b, ..., 14n은 배터리 셀의 양극 측, 20b, 20c, ..., 20n)은 집 전체 (예를 들어,도 2의 14a 및 16b는 집 전체를 공유 함)이고, 집 전체는 바이메탈 기판, 예를 들어 Cu-Al 2 금속, 음극 활물질 Cu 측에, 양극 활성 물질이 Al 측에 코팅되고, 24가 음극 활성 물질 26a는 양극 활성 물질, 28a, 28b, ..., 28n은 절연 접속 고정 구조체이고, 각 바이폴라 전극은 접속 구조에 의해 고정되어있다.도 1 및도 2에서, n-1 개의 바이폴라 전극 (집 전체의 양면에있어서의 양극 및 음극 활성 물질)에있어서, 최상층 (20a)은 음극의 한쪽만을 갖고, 다른 쪽은 음극 극 (29)과 접속하고, 최하층 (20n + 1)은 양극의 한쪽면과 다른 쪽 연결됨.
이중에서 32는 격막, 34는 집 전체, 36은 양극 전극, 양면은 양극 및 음극 활물질이다. 기본 구조 및 상기 예제는 동일합니다.
다음 그림은 세 개의 바이폴라 전극이있는 CR2032 버튼 셀입니다. 양극은 LFP이고 음극은 금속 고체 리튬 폴리머이며, 유사 고체 폴리머 전해질과 스테인레스 스틸 집 전체를 사용합니다. 전압 곡선에서 볼 수 있듯이 양극 전극 단위의 수를 배터리의 전압을 변경할 수 있습니다, 여기 1unit, 2units, 3units 전압 곡선을 제공합니다. 예를 들어, 그것은 5V 바이폴라 단위를 통해 12V 리튬 이온 배터리를 달성하기 쉽습니다, 오른쪽 그림은 일본입니다 Toshiba의 12V 바이폴라 배터리 단면도의 일부는 표 1의 파라미터에서 확인할 수 있습니다. 양극 재료는 LiMn0.85Fe0.1Mg0.05PO4이고, 양극 재료는 LTO이며, 집 전기는 Al이며, 고체 전해질 전해질은 Li7La3Zr2O12 (LLZ) 및 PAN을 포함한다. 포장 관점에서, 적층 된 연성 패키징은 바이폴라 배터리에보다 적합하다.
위의 구조와 데이터 관점에서, 바이폴라 전극 구조의 사용,보다 효율적으로 고전압 방법을 달성하기 위해 배터리의 숫자 이상으로 높은 배터리 전압을 달성하기 쉽습니다 : 배터리를 줄일 효과가있다 공간, 연결 저항을 줄입니다. 저속 진행에서 고전압 음극 재료의 개발과 비교하여, 바이폴라 전극은 배터리 고전압 출력을 달성하는 더 효율적인 방법이 될 수 있습니다. 물론, 앞서 언급했듯이 실제 실질적인 응용 프로그램은 또한 제조 문제를 많이 해결할 필요가있다. 우리는 2016 년 전기 자동차 기술 라인, 순수한 전기 자동차 배터리 시스템의 에너지 밀도 목표는 500Wh / L (2025), 700Wh / L (2030) 아마, 섀시 임베디드 배터리 기술을 사용하는 것이 이러한 목표를 달성하는 방법 중 하나 일 것입니다.
