최근 이차 전지를 사용하는 IT 모바일 기기에 대한 사용 시간을 늘리고싶은 소비자들의 요구는 계속해서 높아지고 있다. 현재 모바일 IT 기기, 전기자동차 등에 주요 전원으로서 사용되는 리튬이온 이차전지의 급속충전기능에 대한 필요성이 증대되고 있다.

기기의 소모전력이 늘고 배터리가 대용량화 됨에 따라 스마트폰을 중심으로 각종 급속 충전 기술들이 개발되고 있다. 기본적으로 충전에 사용하는 전압과 전류를 높이는 것으로 충전 속도를 향상시키는데 전자기기의 일반적인 사용 기간 및 소모품으로서의 배터리 사용 기간 등을 고려하여 적정한 수준에서 출력을 조절한다. 최근에는 기기와 충전기 간에 상태를 통신하면서 효율적인 급속충전이 이루어지도록 하는 충전 기술이 발전하고 있다.

전기차를 충전하는 방식에는 전기차에 플러그를 연결하여 에너지를 직접 공급하는 직접충전방식과 배터리 자체를 통째로 교환하는 배터리교환방식, 전자기 유도를 통해 전력을 전달하여 배터리를 충전하는 비접촉충전방식 등이 있다. 이 중 가장 일반적인 직접충전방식에는 충전 속도에 따라 일반적으로 직류를 이용하여 상대적으로 빠르게 충전이 가능한 급속충전방식, 교류를 이용하여 급속충전에 비해 느리게 충전이 되는 완속충전방식이 있다. 현재 전기차 배터리 업계에서의 기술은 20~30분 이내에 배터리 용량의 약 80%까지 충전 가능한 수준으로 개발 되고 있다. 100 % 충전에 약 6시간 가량 소요되는 완속 충전 방식에 비하면 빠르지만, 일반 내연기관 차량의 주유 시간에 비해서는 개선의 여지가 있다.

기존에 알려진 리튬이온 이차전지 급속충전기술의 경우 전지의 에너지밀도 손실이 수반되어 산업화에 직접 응용하기에는 한계가 있다. 따라서 에너지밀도의 손실 없는 급속충전 리튬이온전지를 구현하기 위해서 관련 전기화학 반응메커니즘에 대한 이해와 이를 바탕으로 한 새로운 혁신 소재 설계 및 개발이 반드시 필요하다. 급속충전 시에는 양극 산화물 결정구조 내에서 빠른 속도로 리튬이온이 탈리가 일어나야 하며, 음극 소재로서 가져야 할 성능 파라미터로서 낮은 방전 전위, 높은 단위 중량 및 체적 당 비용량이 우선 간주된다. 소형 리튬 이온 전지에 널리 사용되고 있는 흑연 음극 외에도 고 용량, 고 안전성, 고 내구성을 노린 차세대 음극 재료에 대한 검토가 이루어져야 한다.

본 리포트에서는 급속충전 기술 및 배터리 소재와 셀 기술들을 살펴보고 IT와, 전기차용 급속충전기술의 국가별/업체별 개발동향과 상용화 전망을 해본다.

본 보고서의 Strong Point는

① 충전기술 및 급속충전기술에 대한 개념 정리

② 급속충전기술 이슈 및 소재, 셀, 전극설계 기술에 대한 고찰 

③ 급속충전기술 국가별/업체별 기술 동향 정리 

④ 주요 업체별 급속충전기술 적용 사례 제시 

⑤ 급속충전기술 관련 기술 및 특허 소개

등에 대해서 최근까지의 급속충전기술 동향 정보를 제공하고 있다.

- Contents -

1.           충전 기술의 이해

1.1. 충전기 기술

1.1.1. 충전기의 개요

1.1.2. 기기에 전원을 전달하는 충전기

1.1.3. USB 규격을 통한 충전

1.1.4. 배터리를 직접 충전하는 충전기

1.2. 무선충전 기술

1.2.1. 무선충전기술의 개요

1.2.2. 자기유도방식

1.2.3. 공진유도방식

1.2.4. 자기유도방식vs공진유도방식

1.2.5. 무선충전기술의 장단점

2.           급속충전 기술의 이해

2.1. 모바일 IT 기기 급속충전기술

2.1.1. 전력 변환 기술

2.1.2. 전력 전송 기술

2.1.3. Power I/C 기술

2.1.4. 충전 알고리즘 기술

2.1.5. 급속충전용 배터리 기술

2.2. 전기차 급속충전기술의 이해

2.2.1. 전기차 충전 방식의 비교 “완속vs급속”

2.2.2. 전기차 급속충전 기술범위 및 이슈

2.2.2.1 무선충전기술

2.2.2.2 배터리 교환방식

2.2.2.3 고속 충전 배터리 기술

2.2.3. 급속충전네트워크

2.2.3.1 PORSCHE MISSION E concept

2.2.3.2 ABB TERRA HP program

2.2.3.3 CONTINENTAL ALLCHARGE program

2.2.3.4 Toshiba SciB Battery program

3.           급속충전전지 소재 및 셀 기술

3.1. 급속충전전지 양극소재기술

3.1.1      리튬이온전지용 양극 작동원리 및 요구조건

3.1.2      층상계 양극소재

3.1.2.1 LCO/NCA

3.1.2.2 NCM 삼원계

3.1.2.3 NCM 삼원계 양극소재 급속충전기술(1)

3.1.2.4 NCM 삼원계 양극소재 급속충전기술(2)

3.1.3      스피넬계 양극소재

3.1.3.1 스피넬계 양극소재

3.1.3.2 스피넬계 양극소재 급속충전기술

3.1.4      전이금속 포스페이트계 양극소재

3.1.4.1 전이금속 포스페이트계 양극소재

3.1.4.2 전이급속 포스페이트계 양극소재 급속충전기술

3.2. 급속충전전지 음극소재기술

3.2.1      Graphite(흑연)

3.2.2      Amorphous Carbon

3.2.3      Metal Anode (비탄소계음극)

3.2.4      Lithium Titanate (LTO)

3.2.5      산화물계 고전위 음극

3.3. 급속충전전지 전해질소재기술

3.3.1      개요

3.3.2      전해질 구성 소재

3.3.2.1 유기용매

3.3.2.2 리튬염

3.3.2.3 첨가제

3.3.3      급속충전전지용 전해질 물성 기준

3.3.4      급속충전전지용 전해질 설계 사례: 고농도염 설계

3.3.5      급속충전전지용 전해질 설계 사례: 이종염 설계

3.4. 급속충전전지 전극 및 셀 기술

3.4.1      급속충전전지용 전극 설계 원리 (Electrode tortuosity)

3.4.2      급속충전전지용 전극 설계 연구 사례1

3.4.3      급속충전전지용 전극 설계 연구 사례2

4.           급속충전기술 국가별/업체별 기술 동향

4.1. 급속충전기술 국가별 기술 동향

4.1.1      한국

4.1.2      일본

4.1.3      중국

4.1.4      미국

4.1.5      유럽

4.2. 급속충전기술 업체별 기술 동향

4.2.1      Enevate

4.2.2      Toshiba

4.2.3      Storedot

4.2.4      Honda

4.2.5      Nissan

4.2.6      Dyson

4.2.7      Toyota

4.2.8      Porsche

4.2.9      Daimler

4.2.10 BMW

4.2.11 PNNL

4.2.12 Stanford University

4.2.13 University of Texas

4.2.14 A123

4.2.15 GP Battery

4.2.16 Battrion

4.2.17 BESS technology

4.2.18 ABB

4.2.19 NTU

4.2.20 Drexel University

4.3. 급속충전기술 관련 2015~2017 Patent Review