Modular Inverter

http://www.centric-automotive.com/product-applications/inverter.html



Centric AutoMotive's new, state of the art traction-inverter, the Modular Inverter, currently under development, can control AC motors up to 200kW nominal power and 250kW maximum power.


Please note, this photograph is based on an early prototype.
The eventual product will look different.


Properties
High input voltage range (100 - 750VCD, nominal)

Supply voltage range 8-30 V: suitable for 12V and 24V auxiliary systems

Powerstage based on powerful, efficient and reliable Semikron IGBT modules

Motor Control Unit (MCU) based on a dedicated, high performance, motor controller

Drive Control Unit (DCU) designed as an external modular unit

DCU access via analogue, digital and CAN signals

Additional custom designed software modules can be integrated in DCU

Liquid cooled power stage

Rugged design, high degree of protection

Onboard diagnosis (OBD2) via ISO 9141 or CAN

Additional diagnosis and parameter setting by means of PC/laptop

Flexible motor control software, capable of controling most types of AC motors/generators:


•Asynchronous


•PM synchronous


•Brushless DC (3 phases)
and capable of receiving motor signal inputs from a range of different sensors:

•different encoders


•resolvers


•or sensorless

국내 인버터 산업 현황 및 전망은?

국내 인버터 산업 현황 및 전망은?

글 / 임향묵 기자 mwpkorea@yahoo.co.kr



1. 인버터란
인버터란 모터(3상 유도 전동기)의 속도를 변화시키는 장치로 에너지 절약, 공장자동화 합리화에 필수불가결한 장치를 말한다.
인버터의 특징으로는 주파수와 전압을 가변하여 모터의 속도를 제어하는 방식으로 0.5ZH에서 40HZ까지 다양하게 변화시킬 수 있으며, 에너지 절약 분야, 전기자동차, 엘리베이터, 전철 등의 민생분야, 섬유기계, 공작기계, 반송기계, 공장프로세스라인 등의 공장자동화 분야 등에 쓰이고 있다.
이러한 인버터는 지난 1950년대 미국의 GE에서 사이리스터 방식으로 처음 개발되어 시장에 등장하였는데, 처음 공장자동화 분야를 중심으로 수요가 급속히 늘어나면서 이제는 가장 널리 사용되는 전동기 가변속기기가 됐다.
국내에는 80년대 초반 생산성 및 품질 향상을 목적으로 공장자동화 기기를 대상으로 사용되다가 점차적으로 에너지 절약의 중요성이 부각되면서 생산성 및 품질향상 외에도 에너지 절약을 목적으로 사용되고 있다.
인버터는 사용용도에 따라 전용인버터와 범용인버터로 나눠지는 경우가 대부분이며, 전용인버터의 경우 무정전전원장치, 유도가열장치, 용접기의 응용 등 산업구분 용도에 따라 제작되어 그 산업의 특성에 맞는 전용인버터를 제작, 사용하게 된다. 이에 반해 범용인버터의 경우 산업플랜트 등의 공장설비에서부터 공작기계, 가정용에 이르기까지 광범위하게 활용되고 그 종류도 상당히 많다. 인버터를 적용하기 위해서는 사용자가 사용자 특성에 맞는 인버터를 선정하는 것이 상당히 중요한 과제다.
전용인버터는 특정한 특성을 위해 제작된 인버터로서 불특정 사용자 다수를 위해 제작되거나 필요산업에서 용도에 맞게 제작, 사용자에 의해 공급자가 조정이 필요한 인버터(벡터제어형인버터 등), 사용자로서는 취급을 할 수 없는 정도의 대용량인 인버터(전압형GOT인버터, 용량이 400Kw 이상인 인버터) 등 용도별, 부하 특성별, 운전형태, 시스템 형태에 알맞게 설계?적용되어지는 것을 전용인버터로 분류하고 있다.
인버터는 사용전원의 일정전압과 일정주파수를 입력으로 시스템자체서 교류를 직류로 변환하여 다시 직류를 교류로 전압과 주파수를 가변하여 교류전동기의 가변속도 제어 및 전력을 가변속 할 수 있어 광범위한 산업분야에서 각광받고 있다.

2. 주요 핵심기술
(1) 센서리스 벡터제어관련 기술
센서리스 벡터제어 기술은 수 년간 인버터관련 핵심기술로서 부각되어 왔으나, 기존에는 Encoder 가격, 배선의 번거로움 및 노이즈 문제 등으로 고성능이 필요한 분야에 한정되어 사용됐다.
그러나 최근의 제어알고리즘과 마이크로 프로세서 기술의 발전은 센서리스 벡터제어기술의 진보를 가져왔다. 센서리스 벡터제어기술은 다음과 같이 나눌 수 있다.

① 변수 추정 기술
변수 추정 기술은 Off-line tuning과 On-line tuning으로 나눠지는데, 이는 모두 유도전동기의 내부 변수들인 고정자 저항, 회전자 저항, 상호 인덕턴스, 누설인덕턴스, 자기포화양 등을 계산하는 과정이다.
이 과정이 정확하게 이뤄져야만 속도 추정 성능이 구현 가능한 것으로, 과거에는 이러한 계산을 위한 별도의 운전과정 즉, Autotuning운전을 통해 계산 한 후 모터의 실제응용운전에 사용했다.



② 속도 추정 기술
속도 추정 기술은 인버터의 전압과 전류만으로 모터의 운전속도를 계산하는 방법으로서 기존의 속도센서를 대체하기 위한 필수적 기술로 속도제어범위, 토크내량, 속도오차량, 속도제어기대대역포 등 4개의 항목의 의해 성능이 평가된다.

(2) 전력변환 기술
① 전력스위칭 소자
전력스위칭 소자는 인버터 기술의 또 다른 중요한 핵심으로서 오늘날과 같은 인버터산업의 발전은 전력스위칭 소자의 발전에 힘입은 바가 매우 크다고 할 수 있다.
현재 스위칭 소자는 IGBT가 일부 대용량을 제외하면 거의 대부분의 인버터에서 사용되고 있다. IGBT를 내장한 IPM은 기존의 Gate driver기능과 보호기능 외에 전류센서 등의 주변기능을 함께 포괄하는 형태로 발전해 나가고 있다.

② 펄스폭변조(PWM) 변조기법
마이크로 프로세서의 응용은 과거 아날로그 PWM방식에서 쓰이던 단순 비동기 sine-삼각파 PWM방식을 지양하고 매우 발전된 방식을 채용하고 있다. SPACE 벡터 변조의 경우 기존 방식보다 전압이용률이 높고 고조파 함유율이 작다는 이점을 가지며, 불연속 변조기법을 도입한 인버터도 늘어나고 있는 추세다.
불연속 변조기법에서는 전류의 크기에 따라 스위칭 안하는 구간을 선택하는 방법에 의해 더욱 더 열손실을 줄일 수 있으며 이러한 변조기술 또한 인버터의 소형화를 위해 필수적이다. PWM변조기법 중 대용량 및 고속모터를 중심으로 한 3-레벨 인버터를 들 수 있다.

(3) 전원회생 및 고조파/역률 관련 기술
기존 인버터의 전원측은 대부분 다이오드 정류방식에 의한 것인데 고조파 왜곡이 많다는 문제점을 갖고 있다. 따라서 이러한 왜곡에 의한 국내외적인 규제 및 실제 현장에서의 트러블 발생에 따라 인버터의 노이즈 및 고조파 억제가 중요한 사안이 되고 있다.
최근에는 이러한 고조파 억제를 위해 DC link Reactor를 장착하여 역률을 개선하는 인버터가 선보이고 있다. 이 제품은 입력 고조파 억제 이외에도 주정류 Capacitor의 리플 전류를 줄임으로서 인버터의 수명 향상에 기여하고 있다.

(4) 인터페이스(Interface) 기술
최근 산업전자제품의 네트워크화의 급속한 진전에 따라 인버터도 이에 대응하는 제품들이 꾸준히 출시되고 있다. 기존의 단자대, 입출력 모듈, 릴레이 접점 등이 모두 직렬(serial) 통신에 의해 대체되고 있는 추세에 부응하기 위한 것이라 할 수 있다.
CPU의 성능향상으로 정보의 전송속도도 빨라지고 온라인으로 정보 교류가 가능해짐에 따라 인버터 내부의 상태 및 지령 전달 등을 상위제어기에서 시행함으로써 종합적인 운전이 가능토록 네트워크 카드 등이 장착된 인버터가 늘어나고 있다.

3. 국내 인버터 산업 현황
세계적으로 전기에너지에 대한 수요와 공급의 불균형으로 에너지 절약의 일환으로 인버터에 대한 수요가 급증하기 시작했다. 특히 1973년 제1차 에너지 파동과 1979년 석유파동(제 2차 에너지 파동)을 계기로 산업기계나 설비 구동원으로서 에너지 절약 효과를 높이기 위한 개발이 가속화됐다.
즉, 인버터를 이용한 에너지 절감효과가 크다는 인식이 확산되어 정부 및 관련기관에서도 에너지 절약설비 중 가장 효과적인 것으로 인버터를 선정하며 인버터확산 사업을 추진했다.
90년대 국내 인버터 시장은 국내 기술력이 세계수준에 미치지 못하는 상황에서 국내 업체 및 시장을 보호하고자 정부에서 수입선다변화제도를 시행하기에 이르렀다. 이 제도에 의해 인버터의 경우 해외업체에서 직접적인 판매를 할 수 없게 됐다. 결국 당시 국내 인버터 제조업체인 LG산전, 현대중공업, 삼성항공 등에서 외국회사와의 기술제휴를 통해 생산판매를 해야만 했던 시기다.
그 후 2000년대 들어 외국업체들의 직접 판매가 가능하게 되면서 국내시장에 수입업체들의 진출이 활발하게 이뤄지고 있다.
인버터는 기술적인 부분에 있어서도 과거 트랜지스터를 쓰던 것에서 IGBT라는 신소자로 대체되고 있으며, 제어자체도 고정밀 고기능으로 변화하여 단순히 모터를 구동하는 것이 아닌 기계 특성에 맞게 아주 세밀한 제어가 가능하게 됐다.
한편, 인버터 업계관계자들에 따르면 2008년 국내 인버터 시장은 약 1300~1400억원으로 추정되고 있다. 이 가운데 고압 인버터 및 특수 인버터 시장을 제외한 일반 범용 인버터 시장의 경우 약 500억원 안팎으로 나타났다.
국내 인버터 시장은 처음 도입된 80년대 이후 90년대 이르기까지는 매년 20~30%의 꾸준한 성장을 보여 왔으나, 최근 몇 년 동안은 성장세가 미미한 수준으로 주춤한 모습을 보이고 있다.
현재 국내 인버터 시장은 30~40% 이상의 점유율을 보이며 가장 큰 시장을 차지하고 있는 LS산전을 비롯한 국내 제조업체들과 야스카와, 지멘스, 로크웰, ABB, 댄포스, 미쓰비시 등의 수입업체들이 경쟁하고 있는 추세로, 아직까지는 국내 업체들의 점유율이 다소 높은 것으로 추정되고 있으나 향후 그 격차는 더욱 줄어들 것으로 보이고 있다.

4. 국내 인버터 산업의 당면과제
인버터는 모터가 쓰이는 산업에 있어서는 거의 다 사용되고 있을 정도로 산업 전반에 큰 영향을 주어왔다. 과거 팬이나 펌프에 많이 사용되었으며, 자동화 산업 발전의 큰 혁신을 불러 온 계기를 가져옴에 따라 공장 자동화 기계도입으로 무인화되어 가면서 일 처리 능률 상승, 생산 속도 상승, 불량품 감소 등 업무효율이 개선됐다. 또한 에너지 절감에 큰 역할을 하여 에너지를 만들기 위한 공해를 줄이는 친환경산업으로써 도움을 주며 많이 보편화됐다.
이처럼 산업과 밀접한 연관을 갖는 인버터 산업이 계속 활성화되기 위해서는 현재의 경기침체가 해소되어 생산을 위한 기계 설비투자가 이뤄져야 한다.
그러나 현재 국내 인버터 산업은 국내 시장이 이미 포화상태가 되어 업체간의 경쟁이 심화된 가운데 세계적인 경기 불황으로 인해 기업의 설비 투자가 감소, 그로 인한 인버터 시장의 감소 및 정체로 인한 문제점을 보이고 있다.
또한, 금액적인 증가를 보이지 않는 문제에 대해 가이오산업㈜의 김무환 부장은 업체들의 가격덤핑으로 인해 수량이 늘어도 금액적인 시장 증가가 이뤄지지 않는다는 의견을 보였다.
그에 따르면 국내 인버터 시장은 특히 고효율 인버터에 대해 지나치게 저렴한 가격으로 판매하고 있어, 고효율 인버터의 수량이 매년 꾸준히 증가하고 있음에도 불구하고 현실적으로 금액적인 수치가 늘어나지 않는 상황인 것이다.
한편, 국내 인버터의 기술적인 부분에서의 문제점을 살펴보면 국내 업체가 범용인버터에 있어서는 수입제품과 비교해 뒤처지지 않을 만큼의 경쟁력을 갖추고 있지만, 여전히 수입제품에 비해 어플리케이션의 제한이 크다는 것이다.
현재 국내 인버터 시장에서의 점유를 살펴봐도 전체적인 시장 점유는 국내 업체가 절반 이상의 많은 부분을 차지하고 있지만, 특수 인버터 시장에 한해서는 대부분 수입업체가 차지하고 있다는 것에서 이러한 문제를 확인할 수 있다.

5. 국내 인버터 산업의 육성방안
위에서 언급했듯이 국내 인버터 산업 시장은 이미 포화상태로 인해 업체간의 경쟁이 치열해짐에 따라 과다경쟁으로 인한 가격덤핑과 더불어 세계적 경기 침체로 인한 산업 설비 투자 감소로 인한 어려움의 이중고를 겪고 있다.
인버터 시장이 활성화 되기 위해서는 우선 전반적인 산업 활성화가 가장 우선되어야 하지만 이는 인버터 업체가 할 수 있는 사항은 아니라고 봤을 때 업체 스스로 어려움을 타개하기 위해서는 포화상태인 국내 내수시장에서 벗어나 새로운 시장 개척을 모색해야 한다고 본다.
국내 시장은 포화된 상태에서 새로운 수요처 개발을 하지 못하는 상황에서 수요창출을 위해 세계시장으로의 진출에 보다 적극적으로 모색해야 할 것이다.
세계시장 진출은 새로운 시장 개척 외에도 해외 업체들과의 경쟁을 통해 기술발전을 이룰 수 있는 계기도 마련 되어 질 것이기 때문이다.
한편, 인버터 산업은 에너지 절감 부분에 있어 고효율 인버터 시장에 있어 정부의 정책 지원이 절대적이라 할 수 있다. 이처럼 정부의 지원책이 산업 활성화에 있어 큰 역할을 하는 만큼 기업의 투자 확대가 이루어질 수 있도록 정부의 지원이 지속적으로 필요한데 지난해에는 많은 부분에 있어 지원이 감소되는 모습을 보였다.
특히 정부에서는 태양광 등 친환경 관련 에너지 절감에 대한 인버터 관련 투자를 많이 하고 있지만, 저압인버터에 한해서만 적용하고 있는데 실질적으로 고압인버터, 대형인버터에 대한 지원도 필요하다.
인버터로 인한 에너지 절감은 어느 제품이나 당연하지만, 저압인버터로 인해 얻는 절감 효과는 같은 퍼센트의 효과라도 해도 고압인버터 및 대형인버터에 비해 미미한 것이 사실인 만큼 앞으로 고압인버터 및 대형인버터에 대한 정부의 지원이 절실히 요구되어진다.

6. 국내 인버터 산업의 향후 전망
인버터는 과거 팬이나 펌프 등에 많이 사용되며 에너지 절감에 따른 효율성 등으로 산업 전반에 많은 영향을 주었으나, 어플리케이션에 있어 상당히 제한적이어서 고 특성을 요하는 부분에 있어 커버가 되지 않는 경향이 있었다.
그러나 최근에는 인버터가 커버 가능할 만큼 기술발전이 상당히 이뤄진 상태라고 할 수 있으며, 앞으로도 새로운 분야로의 발전 가능성 역시 높다고 할 수 있다. 국내 인버터 시장 규모는 앞에서도 언급했듯이 처음 국내에 도입된 80년대 초반부터 90년대 후반까지는 매년 꾸준히 20~30% 가까운 성장세를 보여왔으나, 최근 몇 년 동안은 전체 시장 규모가 1300~1500억원 수준에 머무르고 있는 상황이다.
이와 같은 상황은 시장 규모의 포화상태로 인한 시장 정체 등 여러 가지 원인이 있겠지만, 세계적인 경기 불황으로 인한 산업 설비 투자의 감소가 하나의 원인으로 지목되는 것도 사실이다.
이러한 상황을 봤을 때 올해는 지난해보다 더욱 경기가 좋지 않을 것이라는 각계 전문가들의 의견에 따라 다른 산업과 연계되어 발전되는 인버터 산업의 특성상 올해 국내 인버터 산업 역시 어려운 상황에 직면해 있다고 봐야 할 것이다. 인버터 업계관계자들에 따르면 올해 국내 인버터 시장은 지난해보다 20% 이상 감소되거나 비슷한 수준이 될 것으로 전망하고 있다.
그러나 한편으로는 이처럼 어려운 상황 속에서도 지난해와 비슷한 수준을 전망하는 것은 에너지 절약 및 환경 문제 관련이 세계적인 이슈로 부각되면서 그에 따른 친환경 인버터가 지속적으로 성장할 것이라는 예상 때문이다.
또한, 범용 인버터 시장과 전용 인버터 시장이 비슷한 시장 점유를 보이고 있는 가운데 고객의 특성에 맞춘 전용 인버터로의 발전이 더욱 두드러질 것으로 내다보기 때문이다.
따라서 국내 인버터 제조업체들도 이와 같은 세계적 추세에 맞춰 제품과 조직의 전문화를 구성해 보다 안정적으로 고객의 특성과 니즈에 맞춘 적합한 제품을 생산?공급해 국가적 경쟁력을 갖출 수 있도록 노력해야 할 것이다.

A : 인버터 원리

A : 인버터 원리
답변자 : 비공개 l 2004-02-05 03:49 작성 태클달기 l 신고하기

옛날엔 직류모터만 속도제어가 가능했어여 교류 모터의 속도는 제어가 어렵웠지여
왜그러냐면여 주파수가 일정하다 보니까 교류모터는 일정한 속도로 밖에 회전할 수 없었지여 근데 인버터가 나오면서 교류모터의 회전속도를 제어할 수 있어서여
일단 기본식은여 (N = 120F/P) 여기서 N은 3상 교류모터의 회전수 이고여, F는 주파수이고여, P는 모터의 극수에여 극수는 모터자체에 정해져 있는거고여, 보시면 아시겠지만 회전수 N을 크게 해야 속도가 빨라지고 N을 작게 하면 속도가 늦어지는걸 알 수 있을 거에여 근데 그렇게 할 수 있는 방법이 식에서 보시면 아시겠지만 주파수 F 밖에 손델게 없다는 거였지여 주파수를 크게하면 회전수는 빨라지고 주파수를 작게하면 회전수를 줄일 수 있다는 것을 알수 있을거에여 그래서 인버터로 이 주파수를 가변시킨거지여 그래서 인버터의 원리는 60헤르츠 교류전원을 컨버터를 이용해서 직류 전원으로 바꾼다음에여 다시 이 직류를 다시 교류로 바꾸는 것을 의미하고여 이때 주파수도 우리 임의대로 바꿀수 있다는데 의미가 있지여 그럼으로써 교류모터도 속도 제어가 가능해졌고여 그래서 요즘은 왠만하면 엘리베이터, 에스카레터 등 산업현장에선 대부분 인버터 모터가 활용되고 있네여

교류와 직류

교류와 직류.
雜論 2009/04/23 16:10
마침 이걸 가지고 이야기가 있어 말을 더 보태보도록 하겠습니다.

철도에서 쓰는 전기는 사실 엄청나게 다양다종합니다만, 크게 보아서 직류와 교류로 쪼개볼 수 있습니다(당연한 말이지만). 깊게 들어가면 역사적으로, 또 현재로도 다양한 전기가 사용되고 있고, 이 전기를 차량에 공급하는 방식 역시 생각 이상으로 다양합니다. 이걸 정리하는 것만으로도 사실 책 한권은 나오지 않을까 싶기는 하지만, 뭐 쓸 자신이 없으니 길게 이야기를 하지 않는게 맞다 하겠습니다. 또, 여기서는 동력용 전기와 일반 업무용 전기의 구분이 있어야 하겠지만(통계연보에서도 구분하고 있고), 후자에 대해서는 적외선굴절기이므로사실 별로 할 이야기가 없으니 자세한 설명은 생략합니다.

사실, 역사적으로 본다면 철도에서 쓰는 전기는 직류가 먼저였습니다. 왜 직류를 썼는가 하면, 철도차량에는 직류 모터를 썼기 때문입니다. 직류 모터가 철도에 처음 쓰이게 된 것은, 우선 제어가 용이하고, 또한 비교적 차량 같은데 쓰기 좋은 특성을 가지고 있었기 때문입니다. 특히, 직류모터는 전압을 조절하면 일단 기본적인 제어(기동부터 정속가동까지)가 가능했기 때문에, 초기의 그리 발전하지 못한 전기 기술로도 쉽게 쓸 수 있었다는 장점이 있었습니다. 그래서, 직류로 전기를 받아, 전압 등의 조정을 하는 제어부(대개 저항기 같은)를 거쳐서, 모터에 전기를 공급한다는 간단한 구조의 장비가 초기에 자리잡게 됩니다.

그러나, 직류의 경우는 이미 에디슨과 테슬라가 아웅다웅 하던 시절에도 알려져 있다시피, 송전효율이 나쁘다는 문제가 있었습니다. 굵은 전선과 조밀하게 몰려있어야 하는 변전소가 필수적이었기 때문인데, 전기철도에서도 이 부분은 그대로 작용하게 되어서, 초기의 전기철도는 배출가스 등으로 인해 증기기관차가 다니지 못하는 도심부의 궤도나 철도, 아니면 장대터널이나 높은 구동력이 필수적으로 소요되는 산악철도같은 구간이 짧은 특수한 경우의 대안이 되었습니다.

특히나, 직류철도의 경우 변전소가 조밀하게 있어야 하는 것도 있지만, 변전소 측에 전력설비 역시 변압기 이외에 교류를 직류로 바꾸는 정류기가 대대적으로 들어가야 하는 어려움이 존재하였습니다. 특히, 과거의 정류기는 지금의 실리콘 다이오드 같은 것이 아닌 수은 같은 걸 쓰는 것으로, 기기 특성 자체가 상당히 까다롭고 비싼 물건이다 보니, 이걸 대량으로 설치해야 한다는 것은 여러모로 부담이 컸던 면이 있었다고 합니다.

그러다 보니, 유럽쪽에서는 이런 단점을 극복하기 위해서 2차대전 이전에 교류전기를 철도에 쓸 방법을 모색하게 되었고, 그래서 교류철도가 전쟁 직전에 헝가리에서 실용화되게 됩니다. 의외로 독일이나 서유럽 국가가 아닌게 의외라면 의외라 하겠습니다. 이때 개발된 것이 독일같은데 전파가 되었는데, 당시 개발된 교류가 바로 16과 2/3Hz 규격 15kV교류였습니다. 지금도 독일같은 중부유럽에서는 이 전력이 표준 철도 전기로 쓰입니다.

그러나, 사실 이런 좀 변칙적인 교류는 역시 설비면에서 장점이 없다는 면이 있었고, 그래서 독일에서는 아예 당시 널리 쓰이는 50Hz 25kV 전압을 쓰는 전기철도를 개발해서, 1936년에 50km 구간의 산악구간에 적용을 했다고 합니다. 이걸, 프랑스 애들이 2차대전 후에 가져와서, 자기 나라에서 대대적으로 활용하기 시작한게 교류를 쓰는 전기철도가 확산된 시초라 할 수 있습니다.

다만, 교류 전기철도가 확산이 어려웠던 교류 모터가 제어가 어렵기 때문입니다. 또한, 특성 역시 철도차량에 쓰기엔 썩 맞는 것이 아니어서, 천상 교류를 직류로 바꿔서 직류 모터를 구동하는 방법을 써야 했다고 합니다. 그러나, 이 직류로의 전환을 위해선 차량마다 변압기와 정류기를 설치해야 하는 문제가 생기는데, 이 두 장비는 동작조건도 까다롭고 무게도 상당해서 차량 설계가 꽤나 어려워졌다는 과제가 생기게 됩니다.

물론, 그래도 설비비를 대폭 절감하기 때문에, 유럽처럼 간선 철도가 발달된 나라에서는 이 방식이 주류가 되고, 이 기술을 프랑스로부터 70년대에 배워온 우리나라도 간선의 전철화는 상용 교류 방식을 따르게 됩니다. 다만, 프랑스와는 달리 60Hz 25kV를 쓰게 됩니다. 이렇게 된건, 우리나라의 전기설비가 애시당초 독일제 전기장비가 아니라 미국제 전기장비로부터 유래했기 때문입니다. 이것 덕에 좀 웃지못할 이야기가 많이 전해지는데, 그래도 일본처럼 동일본은 60Hz, 서일본은 50Hz라는 상황은 아니니 다행이라면 다행이겠습니다.

이후에 교류 급전은 대전력을 쉽게 공급할 수 있다는 점에서 크게 각광을 받는 한 편, AT기전 방식 같은 교류급전의 단점들을 해소하는 여러 기법들이 발달하면서 지금에 이르고 있습니다. 한편, 직류 급전도 손놓고 놀고 있던 건 아니어서, 여러 운영기법을 발달시켜 가면서 지금에 이르고 있습니다.


여기에서 조금 화제를 바꿔서, 그래서 교류급전이 우월하냐 직류급전이 우월하냐를 두고 많이들 싸우는데, 이런 건 사실 별 의미가 없습니다. 그냥 그때그때 다를 뿐더러, 지금에 있어서는 어디에 어떤게 좀 더 적합하고 덜 적합하고의 차이가 있는 정도로, 그냥 약간의 비효율을 감내하면 어느걸 쓰건 별 차이가 없는 수준에 이르렀기 때문입니다.

직류급전의 강점은, 전압이 낮다는 점입니다. 이는, 지하철처럼 터널단면 하나에 목숨을 거는 경우에는 복음과도 같은 이야기라 할 수 있습니다. 즉, 전기안전을 위한 이격 거리를 줄일 수 있고, 그만큼 전차선같은 걸 더 조밀하고 구조물이나 차량에 가깝게 설치해도 된다는 이야기가 됩니다. 그래서 비록 750V 정도의 비교적 낮은 전압이지만, 제3레일 급전 같은 걸 해볼 수 있는 거고, 또 강체가선 방식을 취했을때도 소형의 애자를 달고 터널 천정에 가깝게 붙여놓을 수 있게 됩니다. 차량 역시 교류전철보다 더 낮게 팬터그래프를 설치할 수 있게 되고.

여기에, 또한 직류급전은 구분소와 같은 설비를 달지 않아도 된다는 강점이 있습니다. 물론, 유지보수 관계 때문에 필요하기는 하지만, 기본적으로는 여러 변전소가 하나의 회로에 전기를 공급하는게 가능해 집니다. 그래서, 피크타임때에는 이른바 합동급전이라고 해서 한 구간에 두 변전소가 동시에 급전하거나 하는 것이 가능하고, 그만큼 피크타임에 강하다는 의미도 됩니다.

또, 차량 쪽의 설비가 간단해 진다는 장점이 있습니다. 일단 차량측에 변압기같은게 빠지기 때문에, 차량이 가볍고 저렴해집니다. 이 점은 또한 차량 도입단가가 낮아진다는 이야기가 되며, 따라서 같은 예산이라면 차량 수량을 더 많이 도입할 수 있다는 강점을 가집니다. 이런 장점을 취합해 보면, 지하철이나 도시내부 철도같은 데에서 직류급전은 강점을 가진다고 할 수 있습니다. 터널도 작게 하고, 차량도 많이 사서, 필요시에 왕창 때려부을 수 있으니.

그러나, 직류의 경우 문제가 되는 건 변전소 설비의 확충이라고 할 수 있습니다. 특히, 도시철도에 있어서 이 부분은 매우 크리티컬하다고 할 수 있습니다. 직류는 여러모로 기기가 덩치가 크고(변압기와 정류기를 모두 구비해야 하니), 또 여러 군데에 변전소를 설치해야 하는 압박이 있습니다. 이는 도시철도에 있어서는 매우 문제가 되는 요소인데, 바로 토지 확보가 곤란하기 때문입니다.

일본에서 이 문제가 특히 유명해진건, 주오 선에 신성능 전동차(모하90계/101계)를 도입하려 하면서 불거졌기 때문입니다. 당시 신성능 전동차는 구형 전동차보다 고성능을 가진 차량으로, 고 가감속을 바탕으로 해서 주오 선의 과밀을 해소할 것으로 기대를 했는데, 문제는 가감속 성능이 높아진 만큼 전력 소모도 늘어났다는 것에 있습니다. 결국 변전소 용량 증설이 요구되어버려서, 결국 10량 전M차 구성에서 가감속능력을 낮춰 2T나 4T를 끼워넣는 것으로 변경하는 등의 응급조치 비슷한 변경을 하게 되었다고 합니다.

한편, 교류의 경우는 직류와 정 반대의 양상을 가지게 됩니다. 즉, 전압이 높기 때문에 여러 안전설비가 소요되고, 애자 역시도 비교적 크고 긴 것을 써야 하는 등, 안전 문제가 걸리게 됩니다. 그래서 제3궤조 중에서는 교류급전이 없다시피 하게 됩니다. 600V급 3상교류 급전은 경전철용으로 쓰인다고 하지만, 이건 좀 논외고. 또한, 차량에 변압기, 정류기 같은 무겁고 큰 것들을 더 설치해야 해서 단가와 중량이 늘어나는 단점이 생깁니다. 특히, 요즘의 주류가 된 3VF 급전방식에서는, 교류를 받아 전압을 낮추고, 이걸 다시 직류로 바꾼 다음, 이 직류를 다시 3상교류로 바꾸는 말로 풀어쓰면 삽질같아 보이는 일을 해야 하게 됩니다. 실제로는 회로상의 일이라 그렇게까지 삽질은 아닌 듯 하지만서도. 직류라면 앞의 여러 단계가 변전소로 넘어가는 만큼, 차량이 심플해 지게 됩니다.

더욱이, 교류를 쓸 경우 변전소 별로 일종의 위상차가 생기게 됩니다. 즉, 주파수가 한 시점에서 어떤쪽은 -, 어떤쪽은+ 이런식이 되기 때문에, 한 구간에 한 변전소만이 물려있게 되고, 또 변전소 사이에는 둘을 구분해 주는 절연구간이 필요하게 됩니다. 물론, 전철을 타 보면 알겠지만, 교류-교류 절연구간에서는 조명이 잠깐 꺼지는 정도로, 체감적으로 문제가 될 정도의 난해함은 없기는 합니다만, 이런 부분이 필요하다는 점은 불편하면 불편했지 이득이 될 건 아니게 됩니다. 또, 당연히, 이런 부분때문에 합동급전같은 것은 쓸 수 없다는 문제가 있습니다.

그러나, 대신 교류는 변전소 하나가 공급할 수 있는 전력이 크고, 효율이 좋아서, 장거리에 걸쳐 전력을 공급할 수 있고, 전압강하 같은 문제도 적습니다. 실제 일본에서 예전에 직류 전철화를 한 로컬구간 같은 경우, 변전소 용량이 적다보니, 열차 교행시 동시 출발이 불가능해서, 대향 차량 출발 후 2~3분간 대기한 후에 출발하는 다이어를 짜는 경우까지 있다고도 합니다. 미국의 무인운전을 채용한 어느 지하철 쪽에서는 아예 피크전력 관리를 위해서 노치단수를 변전소 사정을 봐가면서 관제측에서 제어한다거나 까지 한다고도 할 정도고. 물론, 교류도 기본적인 제약은 있지만, 이런 부분에서는 좀 여유가 있다고 하겠습니다. 덕분에, 교류 급전은 고속철도에서는 거의 기본적인 급전 시스템이 되다시피 한 면이 있습니다.

이것만 보면, 간선의 교류, 도시철도의 직류라는 공식이 서겠지만, 사실 세상은 그렇게 간단한 것이 아닙니다. 우리나라는 이 공식에 충실하게, 지하철은 직류 기반, 간선철도나 지상철도는 교류 기반을 취하고 있지만, 세계적으로 보면, 오히려 직류가 전기철도의 과반 이상을 차지한다거나 하는 경우가 종종 보입니다.

이것은, 결국, 전기를 어떤걸 쓸 거냐 하는 부분은, 기존에 가지고 있는 네트워크가 어느쪽으로 되어 있느냐, 또 해당 구간의 성격이 어떻게 되냐에 달려있다고 할 수 있습니다. 예를 들어서 일본의 호쿠리쿠 본선 같은 경우, 최초의 교류전철화 구간이기도 하고(비록 건축한계와 타협해서 국제표준이 아닌 독자의 20kV 교류를 쓰지만), 과거 계속 교류 기반의 차량들이 투입되어 왔었는데, 근년에 이르러서는 신쾌속 같은 차량의 직결운행 편의 때문에 기왕의 교류전철화를 포기하고 다시 직류 구간으로 일부를 바꾸어버렸다는 경우가 존재합니다. 독일같은 경우도 16 2/3Hz 15kV 급전이 효율적인 건 아니지만, 이걸로 망이 구성되어버려서 결국 이것이 표준 전기로 쓰이게 되어버린 케이스라 하겠습니다.

전기자동차 선택인가? 필수인가?

전기자동차 선택인가? 필수인가?
2009.10.30 19:13 | 경제신문 |

http://kr.blog.yahoo.com/jnda84/1366158


[머니투데이 이치훈 웅진루카스투자자문 애널리스트][웅진루카스의 시장을 보는 눈]




오는 12월 코펜하겐 유엔기후변화협약을 앞두고 세계는 지금 배출가스 규제 문제에 상당히 민감해져 있다. 자동차산업에서 이와 같은 환경규제에 부응하기 위해서는 기존 내연기관의 개선만으로는 어렵기 때문에 HEV(Hybrid), PHEV(Plug-in type), EV(Electric Vehicle)의 시장이 커질 수밖에 없다. 2015년까지 미국과 유럽은 CO2배출량을 회사 평균으로 130g/km 이하로 맞출 것을 요구하고 있고 이를 초과할 경우 적지 않은 할증금을 부과할 것으로 확정 발표했다. 또한 미국의 경우 2016년까지 승용차는 39mpg, Light Truck은 30mpg 이상의 연비를 요구하고 이 경우에도 벌금을 부과할 것으로 보인다.




최근 미래에셋증권이 보고서를 통해 미국과 유럽 내 주요 자동차회사들의 2016년 기준 과징금 규모를 추정한 것을 보면 원화 환산기준 수천억원에서 1조원이 넘는 회사가 있는 것으로 나타나고 있다. 따라서 HEV 및 EV시장 규모는 강제적으로 커질 수밖에 없다.




이렇게 환경 관련 규제의 움직임이 최근에 들어서 급작스럽게 활발해진 이유는 글로벌 경기침체를 겪으면서 미국의 GM 등 대형 자동차회사의 로비력이 약화되어 정부의 적극적인 규제가 이전보다 쉽게 시장에 적용될 수 있게 되었기 때문이다(민간기업에서는 새로운 기술에 대한 투자가 이루어져야 하기 때문에 반가운 뉴스만은 아니기 때문에 이전에는 정부측과 민간기업의 중간수준의 규제로 시장에 적용되었다).



↑미국 내 주요 자동차 회사별 연간 과징금 규모(2016년 기준), 출처: 미래에셋증권






↑유럽 내 주요 자동차 회사별 연간 과징금 규모(2016년 기준), 출처: 미래에셋증권







어쨌든 이렇게 급격하게 커질 가능성이 높은 전기자동차시장에서 국내 업체들은 발 빠르게 준비해서 경쟁력을 키워야 함이 분명하다. 그렇다면 전기자동차시대에서는 어떤 부품들이 주목을 받을 것인지를 알아야 하며 이를 위해서는 각종 부품에 대한 이해가 필요하다.




◆전기자동차, 무엇을 필요로 하는가?




자동차가 내연기관의 힘이 아니라 순수하게 전기의 힘만으로 구동된다면 자동차 부품시장도 지금과는 많이 달라질 것이다. 가장 먼저 생각해 볼 수 있는 것은 자동차에서 에너지의 근원인 엔진이 모터로 바뀐다는 것인데 자동차를 굴러가게 할 정도의 힘이 있는 구동모터는 일반직류모터의 효율로는 아직 구현하기 힘들고 교류모터라 하더라도 단상이 아닌 삼상 모터가 사용되어야 한다(삼상모터는 교류전압 및 전류가 sine파형으로 발생하게 될 때 3개의 발전코일이 있어 sine파형을 120도 간격으로 발생시키게 되어 효율이 높은 모터를 말함). 따라서 2차전지로부터 전기를 공급받는 구동모터는 교류를 직류로 변환 시켜주는 인버터(Inverter)가 필요하며 대전력이 소요되기 때문에 대전력 스위칭 및 제어용 파워모듈인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)모듈(KEC)도 포함되어야 한다. 충전되는 전압과 구동모터에 사용되는 전압이 다른 경우라면 컨버터도 필요하다.




또한 구동모터에서는 수백볼트의 고전압을 필요로 하지만 보조기기에서는 12V의 저전압이 사용되기 때문에 DC/DC 컨버터(Converter)는 필수적이다. 도요타에서는 인버터와 컨버터 등을 묶어서 하나의 모듈로 만들어 PCU(Power Control Unit)라고 부르고 있는데 이것이 최근에는 그냥 통용되고 있는 추세이다(LS산전).




현재의 자동차에서도 전장부품을 제어하기 위해 ECU(Electric Control Unit)가 사용되고 있지만 전기자동차에서는 각 부문에서 추가로 ECU가 필요하게 된다. 가장 대표적인 것이 에어컨 시스템인데 내연기관자동차에서는 엔진에 연결된 벨트로 에어컨을 가동하지만 전기자동차는 정지한 상태에서 아무런 동력이 작동하지 않기 때문에 에어컨을 작동하기 위한 모터가 따로 필요하다(하이브리드자동차의 경우에도 정지 시에는 엔진이 정지하므로 마찬가지다). 따라서 이를 제어하기 위한 ECU도 새롭게 필요하게 되며 이때 모터의 과열을 방지하기 위해 기존의 냉매보다 우수한 냉매의 개발도 이루어져야 한다. 히터의 경우도 마찬가지이다. 냉각수가 데워지는 것을 이용한 기존 방식에서 고전압을 이용한 전기가열식의 PTC 히터와 이를 제어하는 시스템의 개발이 필수적이다(한라공조, 우리산업).




그리고 기어변속을 제어하거나 각종 부위의 온도를 감지하여 제어하기 위한 ECU도 필요하게 될 것이며 지금도 계속 발전 중인 Steer by wire, Brake by wire 등의 각종 X by Wire(현재의 벨트식 구동을 모터로 대체하여 제어하는 전선으로 연결되는 각종 시스템을 일컬음)도 그 중요도가 점차 높아질 것이다(S&T대우, 현대모비스).




전력을 공급하게 될 2차전지(LG화학, 삼성SDI)는 보호회로를 통해 BMS(넥스콘테크, 파워로직스)로 제어하게 되며 배터리의 안전을 위해서는 BMS의 경쟁력을 키우는 것도 중요하며 아직 배터리에 비해 밀도가 낮아서 전력원으로 사용하기는 힘들지만 저장장치로서의 Ultra Capacity(LS산전)도 개발속도에 따라 그 중요도가 높아 질 가능성이 높다.



↑전기자동차의 주요 부품구성도(각 부품의 위치는 모델에 따라 달라질 수 있음. 그리고 각 바퀴마다 모터를 장착하는 In wheel 방식의 경우는 위의 구성과는 약간 달라질 수 있음), 출처 : 웅진루카스투자자문





지금까지 순수전기자동차의 경우만 다루었다면 하이브리드자동차에서는 모터의 동작유무에 따라 스위치를 켜거나 닫는 EV Relay도 추가로 필요하다. 하이브리드자동차는 병렬형과 직렬형에 따라 모터의 작동시기가 다르지만 엔진에 대한 보조동력으로서 항상 작동될 필요가 없기 때문이다(LS산전).




그리고 마지막으로 부품은 아니지만 자동차가 전장화 될수록 구리(LS니꼬동)의 사용이 늘어날 수밖에 없음도 주목해야 하는데 각종 X By wire 시스템은 점차 확대 될 수밖에 없기 때문이다. 또한 전기자동차의 구동모터뿐 아니라 자동차에 사용되고 있는 각종 소형 일반DC모터도 효율을 높이기 위해 BLDC모터의 사용이 확대 될 수밖에 없을 것으로 보여 이에 대한 기술발전도 필요하다(아모텍, 모아텍, 에스피지). 구동모터로 사용되는 200V 이상의 BLDC모터를 제조할 수 있는 곳은 별로 없는데 현대기아차그룹에서는 구동모터는 현대모비스를 통해 직접 개발하기로 방침을 정하고 기타 자동차에 사용되는 소형모터는 외부에서 조달 받을 것으로 방침을 정한 것으로 알려지고 있다.




◆BLDC(Brushless DC) 모터란?




DC 모터의 정류자(commutator)와 bursh의 역할을 반도체 스위치와 Hall 센서가 대신 하며 DC 모터와는 달리 가운데(권선)가 고정자가 되고 바깥쪽(자석)이 회전자가 되어 Brush에서의 마찰이 적어 보다 효율이 높고 소음도 없어지는 모터이나 기술적 차이로 단가가 높다는 단점이 있다. 최근에는 자동차에서 점차적으로 BLDC모터의 사용이 확대되는 추세에 있다.





↑ 일반 DC모터(좌)와 BLDC모터(우)의 작동원리, 출처 : 경민테크




↑ 자동차에 사용되는 모터의 종류와 구성비율, 출처: 김중교 네이버 블로그




↑ 자동차 보조기기용 모터의 종류, 출처: 김중교 네이버 블로그




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자동차용 2차전지 전쟁이 더욱 가속화될 조짐을 보이고 있다.

SK에너지가 지난 24일 독일 다임러 그룹 미쯔비시 후소사의 하이브리드 자동차(HEV)에 장착될 리튬이온 배터리 공급업체로 선정된 가운데 삼성SDI, LG화학과 함께 시장 선점을 위한 치열한 경쟁이 예상되기 때문이다.

◆LG화학 릴레이 성과…선두 자존심


LG화학은 지난 1월 미국 GM의 세계 첫 상용 전기자동차인 시보레 볼트용 리튬이온 배터리 단독 공급업체로 선정, 이 분야 선두주자로 나선 후 잇따른 성과를 보이고 있어 기대감을 높이고 있다.

이후 지난 7월에는 현대·기아자동차의 아반떼 하이브리카에 장착되는 리튬이온 배터리를 단독으로 공급하고 있는 가운데 배터리 양산체계를 가동하고 있는 상황이다.






이와 함께 이달 20일에는 도시형 전기차(NEV) 전문 생산업체인 CT&T에 내년부터 리튬이온 배터리를 공급하기로 하는 배터리 공급 계약 및 협약식을 가지는 등 한 발 앞선 행보를 보이고 있다.

이에 LG화학은 하이브리드 자동차와 전기자동차 시장에 이어 NEV 시장에도 진출하게 됐다. 이미 CT&T에 프로토카(개발 및 테스트용 차량)용 배터리를 공급, 실차 시험을 진행하고 있다.

뿐만 아니라 미국정부에서는 LG화학 전기자동차 현지공장 건설에 파격적인 지원책을 발표하는 등 해외 공장 건설에 박차를 가하고 있는 동시에 충북 오창테크노파크에 1조원을 투자할 계획을 밝히기도 했다.

◆삼성SDI, BMW수주 ‘도약 발판’




삼성SDI 역시 지난 8월 독일 보쉬(BOSCH)와 설립한 합작회사인 SB리모티브(SB Limotive)가 BMW의 차세대 전기자동차 2차전지 업체로 선정되면서 본격적인 시장 공략에 나섰다.

이에 SB리모티브는 BMW의 전기자동차 전용모델 개발 프로젝트인 메가시티 비히클(Megacity Vehicle, 도심형 자동차) 2차전지를 단독으로 공급하게 됐다.

BMW의 이번 모델 개발 프로젝트는 HEV를 제외한 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)와 전기차(EV)를 개발하는 것.

지금까지 대부분의 전기자동차 초기 단계인 HEV의 경우 내연기관을 기본으로 하는 반면, 이번 프로젝트는 내연기관 대신 동력원으로 오직 배터리만을 사용토록 하고 있다. 이에 고용량 배터리를 사용할 수 있도록 제작된 특징을 보이고 있는 가운데 향후 그 중요성이 더욱 커질 전망이다.

내년부터 시제품 생산에 들어가 오는 2013년부터 본격적인 생산을 시작, 2020년까지 제품을 공급할 계획이다.

◆SK에너지, 기술력으로 추격


SK에너지는 그동안 국내외 유명업체와의 계약설 등 이 분야 사업진출에 기대감을 심어줬다. 하지만 소문만 무성한 가운데 답보상태에서 이렇다 할 성과를 보여주지는 못했다.

SK에너지는 이 분야 진출을 오래전부터 꿈꿔왔다. SK에너지는 오랜 기다림 끝에 세계시장에서 기술력을 인정받았다.

이번 2차전지 공급업체 선정에는 세계 3번째로 상업화에 성공한 리튬이온 전지 분리막(LiBS) 소재 제조기술, 30년 이상 축적된 박막 코팅 기술, 배터리 팩·모듈 제조기술 등 SK에너지의 리튬이온 전지 관련 소재 및 제품의 제조 기술력이 높게 평가된 것으로 알려졌다.

전 세계적으로도 리튬이온 전지, 리튬이온전지 분리막, 배터리 팩·모듈 등 소재와 전지·배터리 팩 제조의 핵심기술들을 동시에 보유한 업체는 SK에너지가 유일하다.

SK에너지는 2차 전지 외에도 국가연구과제인 스마트그리드, 에너지저장시스템(ESS) 및 국내외 여러 2차 전지 관련 프로젝트에도 적극 참여하고 있다.

◆배터리 산업, 1위 탈환 가시화

국내 기업들의 이 같은 선전은 배터리 산업에서 부동의 1위를 고수하고 있는 일본을 따라잡을 수도 있다는 기대감마저 주고 있다.

지금까지 일본 완성차 업체와 2차전지 업체가 HEV 시장을 주도해 왔다. 그에 따라 지금까지의 2차전지도 거의 니켈수소 전지(Ni-MH)를 채용했다.

이는 리튬이온 전지의 경우 Ni-MH 대비전기적 특성은 우수하나 원가 경쟁력이 불리했기 때문이다. 하지만 리튬이온 전지 재료의 발달로 인해 전기자동차의 새로운 동력원으로 관심을 받기 시작했다.

이에 따라 일본의 완성차업체와 2차전지 업체들도 리튬이온 전지에 초점을 두기 시작했으며 국내의 경우 LG화학이 GM과 현대차에 공급하는 등 후발주자였던 국내 업체들이 선발업체와의 격차를 빠르게 좁혀가고 있다.


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길이와 무게가 경차의 2/3 정도 밖에 되지 않고 연료비는 월 1만 원 정도에 불과한 전기차가 도로를 누비게 될 날이 가까워오고 있다.

자동차 정책부서인 국토해양부 관계자는 “근거리전기차의 도로주행 허용 방안을 담은 ‘자동차관리법’ 개정안이 이달말 법사위와 본회의를 통과하면 11월말 쯤 정부 공표를 거쳐 내년 2월쯤, 늦어도 3월이면 국내에서 근거리전기차 운행이 가능해 질 것”이라고 말했다.

근거리전기차란 일반자동차와 같은 속도를 내는 풀 스피드 전기차와 달리 시속 60km/h 이내의 속도로 근거리 이동수단으로 쓰이는 전기차를 말한다.

미국과 일본에서 운행중이며 ‘NEV(Neighborhood Electric Vehicle)’로 불린다. 일본의 경우 경차와 같이 노란색 번호판을 달고 일반 도로를 자유롭게 다니는 ‘NEV’를 쉽게 볼 수 있다.

국내에서는 풀스피드(full-speed) 전기차와는 달리 근거리전기차에 대한 법적인 규정이 갖춰지지 않아 그 동안은 이용이 불가능했다.

이 때문에 국내 대표적인 근거리전기차 메이커인 CT&T도 지난해 6월부터 ‘이존(e-Zone)’이라는 이름의 차량을 상업 생산하고 있으면서도 주로 해외로만 수출했다.

미국에 4000대, 일본 3000대, 대만 2000대를 수출했거나 수출할 계획이다.

‘이존’은 2인승으로 길이 2570mm, 높이 1560mm, 너비 1440mm로 경차 모닝에 비해 길이는 1m 정도 짧고 너비도 15cm 가량 좁지만 높이는 8cm 정도 길다. 무게는 강화플라스틱을 이용해 520kg(배터리 제외) 정도로 모닝보다 377kg 정도 가볍다. 변속기어는 없고, 전진(D)과 후진(R)을 가리키는 스위치가 있을 뿐이다.

최고속도 60km/h로 한 번 충전으로 70km를 달릴 수 있으며 월 유지비가 1만 원 가량(1회 충전 6.1kwh, 1개월 20회 충전 기준)으로 저렴하다. 이 차는 특히 일반자동차와 같은 충돌시험을 통과해 외국산 근거리전기차와는 차원이 다르다는 것이 회사측의 설명이다.

에이디텍스라는 회사도 지난해 ‘오로라’라는 이름의 전기차 개발을 마쳤다.

이 차는 최고 속도 40km/h로 1회 충전으로 최대 70km까지 주행이 가능하며 한 달 전기료는 ‘이존’과 똑 같이 1만 원 정도로 예상된다.

최고속도와 최대이동거리에 이 처럼 한계가 있어서 시내에서 주로 운행될 것으로 보인다.

물론 1회 충전으로 70km는 거뜬히 운행할 수 있고 안전성도 대폭 보강돼 NEV라는 이름을 쓰기에는 아까운 측면이 있다. CT&T가 ‘이존’을 ‘시티-EV’라는 새로운 이름으로 범주화 한 것도 이 때문이다.

이 차의 용도는 세컨드카(second car)로 이용될 것으로 예상된다.

시장을 보러가거나 자녀들 픽업용 아니면 가까운 거리의 출퇴근용도로도 활용될 것으로 보인다.

일본에서는 특히 우편배달이나 주차단속 같은 관용차로 각광을 받고 있다고 한다. 일본 우정성은 우편배달 차량 1만 8000대를 ‘이존’으로 교체하기로 한 것으로 전해졌다.

국내에서 근거리전기차 이용이 활성화되기 위해서는 몇가지 과제도 선결돼야 할 것 같다. 충전시설이다. 근거리전기차는 220V 전압으로 6~8시간 정도의 충전시간이 필요하다. 충전인프라가 갖춰져 있지 않기 때문에 당분간은 집에서 충전할 수밖에 없다.

400V로 30분 정도 소요되는 급속충전 시설이 있기는 하지만 가격이 비싸다는 것이 단점이다. 이 밖에 실질적인 구매가 이뤄질 수 있도록 정부의 지원도 필요해 보인다.

CT&T의 ‘이존’의 가격은 납축전지를 탑재한 기본형이 1350만원, 리튬폴리머전지 모델은 1900만원이다. 에이디텍스의 ‘오로라’는 1200만원선이다.

일본에서는 215만엔 짜리 ‘이존’에 대해 중앙정부에서 72만엔(937만원), 지방정부에서 5~10만엔(65만원~130만원) 정도의 보조금을 지원한다고 한다.

이 외에 통행료나 주차료 같은 다양한 분야의 지원도 전기차 활성화에 필요한 과제로 보인다.

twinpine@cbs.co.kr


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日 자동차사, 태양전지 차량 개발경쟁


태양광 패널이 장착된 도요타 프리우스(AFP=연합뉴스)

(도쿄=연합뉴스) 최이락 특파원 = 일본의 주요 자동차 제조사들이 태양전지를 탑재한 신차 개발 경쟁에 나서고 있다.

닛산(日産)자동차는 내년에 발매하는 전기자동차에 태양광 패널을 장착하는 방안을 검토 중이고 혼다는 태양전지를 탑재한 자동차의 시제품을 만들었다고 니혼게이자이(日本經濟)신문이 21일 전했다.

이들 업체가 태양전지 탑재 차량 개발에 속속 나서는 것은 여기서 얻는 전력을 에어컨 등의 보조 전원으로 활용해 연비를 절약하기 위한 것이다.

도요타자동차도 신형 프리우스에 태양전지 패널을 장착할 수 있도록 옵션화한 데 이어 최신 환경 기술 채용을 통한 연비 개선에 힘을 쏟고 있다.

닛산자동차는 5인승 전기 자동차 리프(leaf)의 천장 부분에 태양전지 패널을 채용할 계획이다. 주로 에어컨이나 음향기기 등 차량내 장치의 보조 전원으로 사용해 주전원을 이용한 주행거리를 늘리는 것을 목표로 하고 있다.

닛산은 이 자동차를 내년 후반에 일본과 미국, 유럽에서 판매할 방침이다.

혼다는 시제품을 내놓은 전기자동차 'EV-N'의 천장에 그룹사인 혼다솔틱스가 만든 태양전지를 채용했다.

미쓰비시자동차도 같은 방식의 차량 개발에 나서 2013년에는 자사 전기자동차 '아이 미브(i-MiEV)'에 적용할 계획이다.

choinal@yna.co.kr

[경남] 중소기업 전기자동차 핵심기술 개발

고유가시대를 맞이 하면서 국내에서도 수소연료나 전기 등 차세대 에너지 자동차에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

김해의 한 중소기업에서 전기자동차 구동의 핵심기술을 개발해 전기자동차 상용화를 추진하고 있습니다.

CJ 케이블넷 심지훈 기자가 보도합니다.

[리포트]

김해시 한림면의 국도 위를 작은 소형차 한대가 힘차게 달려갑니다.

겉보기에는 국내 기업의 경차와 다름없는 모습이지만 이 차는 휘발유 대신 100% 전기로 움직이는 차세대 전기 자동차입니다.

리튬베터리를 사용할 경우 한번 충전으로 최대 100km를 운행할 수 있고 최대 시속 60km로 달릴 수 있습니다.

김해의 한 중소기업에서 제작한 전기자동차의 핵심 기술은 모터제어기술.

저속으로 회전할 때 높은 출력과 정밀제어가 어려웠던 기존의 교류 모터의 문제를 해결하면서 전기자동차의 상용화에 한발 다가섰습니다.

그 동안 골프카나 전동지게차 등의 전기자동차에 사용됐던 직류 전원 모터는 기술적인 문제로 유지보수비용이 많이 드는 등 일반 자동차로 사용하기에는 어려운 점이 많았습니다.

[인터뷰:윤여진, 개발업자]
"저속회전에서 높은 힘을 낼 수 있는 기술개발이 상당히 어려웠기 때문에 못쓰고 있었는데 그런 부분을 저희들이 기술개발을 해서..."

전기자동차의 가장 큰 장점은 무엇보다 친환경 시스템.

전기로 자동차가 구동되면서 차량에서 온실가스는 전혀 발생되지 않으며 연료비로 따져도 10km에 200원 정도로 일반 휘발류 차량의 7분1 수준입니다.

[인터뷰:윤상기, 김해시 경제환경국장]
"우리시에서도 친환경정책을 펴고 있기 때문에 시에서 가급적이면 시험구매해서 시험적으로 운영할 계획입니다."

그동안 대기업을 중심으로 이뤄지던 차세대 자동차의 연구 개발이 지방 중소기업에서도 이뤄지면서 본격적인 친환경자동차의 상용화시대를 앞당기는 계기가 될것으로 전망되고 있습니다.

CJ 케이블넷 뉴스 심지훈입니다.

The Lithium Air Battery Race

October 14, 2009 | Leave a Comment
IBM has made a major splash in the battery industry with their announcement that the company is going to research lithium air battery technology. They are a little further along than the press and media are allowing. IBM plans to get a jump on the process by using its nano membrane technology developed for water-purification systems to separate water and other elements from the oxygen in air. They will use their nano-structure expertise developed for the semiconductor industry to help distribute oxygen evenly around the interior of the battery cells – preventing blockages. Supercomputing will be used to model techniques for moving individual atoms through the membranes.

The race is on because lithium air batteries approach the energy density of fuel cells without the plumbing and carrying the fuel needed for these devices; in theory, the maximum energy density is more than 5,000 watt-hours per kilogram, or more than 10 times that of today’s lithium-ion batteries. Lithium air batteries are also very lightweight because it’s not necessary to carry a second reactant.


Lithium Air Battery Activity Flow Chart. Click image for the largest view.
The main problem with using lithium metal as a battery electrode is the material reacts rapidly and violently with water. Lithium air batteries have been considered for decades, but there’s always water in the air. Exposure to even traces of water rapidly degrades the material. Lithium air batteries are unique in that instead of being a sealed system, they use atmospheric oxygen, essentially harnessing the oxygen in the air as the cathode of the battery. Since oxygen enters the battery on demand, it offers an essentially unlimited amount of reactant, metered only by the surface area of its electrodes.

That violent reaction with water has consequences. About 20 years ago the Canadian company Moli Energy recalled its rechargeable lithium-metal batteries, which used not air but a more traditional cathode, after one caught fire; the incident led to legal action, and the company declared bankruptcy. That was a very cold water splash.

Until the IBM announcement only a handful of labs around the world, including those at PolyPlus Battery in Berkeley, CA, Japan’s AIST and St. Andrews University, in Scotland, have been working on lithium air batteries. Since the IBM announcement news leaked that Toyota recently began looking into lithium air technology. Its not any kind of secret that General Electric is investing $150 million over five years to develop massive sodium batteries for use in locomotives and electrical grids. It has also made an equity investment in A123, a small company that supplies lithium-ion batteries for plug-in electric vehicles.

But IBM will partner with Oak Ridge, Lawrence Berkeley, Lawrence Livermore, Argonne, and Pacific Northwest national labs. The company and its collaborators are currently working on a proposal for funding from the U.S. Department of Energy under the Advanced Research Projects Agency-Energy bringing a very large and diverse set of intellects to the race.

Along with the water plus lithium violence potential there are two other problems. First, the design of the cathode needs to be optimized so that the lithium oxide that forms when oxygen is pulled inside the battery won’t block the oxygen intake channels. Second, better catalysts are needed to drive the reverse reaction that recharges the battery.

Recharging also has safety issues. When lithium air batteries are charged and discharged, there is an electroplating and then stripping of the metal over and over again in each cycle. Over time, just as in a lithium ion battery, the lithium air surface becomes rough, which can lead to thermal runaway, when the battery literally burns until all the reactants inside are used up. The savior in that is the lithium air construction would limit incoming air making such a heat buildup impossible without cracking open the battery case.

IBM is pursuing the risky technology attempt instead of lithium-ion batteries because it has the potential to reach high enough energy densities to change the transportation system. IBM Almaden Research Center’s manager of science and technology Chandrasekhar Narayan said, “With all foreseeable developments, lithium-ion batteries are only going to get about two times better than they are today. To really make an impact on transportation and on the grid, you need higher energy density than that.”

The motivator is a goal, a lightweight 500-mile battery for a family car. The Chevy Volt has only 40 miles on board and the Tesla can get to 300 miles before recharging. The room for growth is virtually the entire personal transport market, worldwide.
The U.S. also has another concern. IBM is also eager to reclaim U.S. leadership in battery tech from Asia. While many of the original breakthroughs for the batteries that power today’s laptop computers and cell phones happened in the U.S., those batteries now come primarily from Japan and Korea.

Industry leaders have called for just this kind of concerted effort amid concern that the U.S. will miss out on one of the most important technology shifts in history—the switch from gasoline to electricity as the primary power source for light vehicles. The worry is that the U.S. will trade its current dependency on the Middle East for oil with a new dependency on Asia for vehicle batteries. “We lost control of battery technology in the 1970s,” laments Andy Grove, former chairman of chip giant Intel. “Battery technology will define the future, and if we don’t act quickly it will go to China and Japan.”

The race is on. Major players in industry and science are on board. The problems to start with are well known. Experience in other fields might bring solutions. That electric drive for personal transport looks more likely each time the news is checked. Storage for intermittent grid generation is getting answered as well. Batteries are getting more interesting than seen in decades with idled ideas getting new life from connections with other technologies. It’s a major race, indeed.

Development of an Easily Recyclable “Lithium-Copper Rechargeable Battery”

Development of an Easily Recyclable “Lithium-Copper Rechargeable Battery”
- An innovative high-capacity, low-cost storage battery using metals as positive and negative electrodes -
( Translation of AIST press release of August 24, 2009 )
Points
A solid electrolyte separator divides the organic electrolyte solution used on the negative electrode side and the aqueous electrolyte solution used on the positive electrode side.
The discharge capacity density of the positive electrode active material (843 mAh/g) exceeds that of conventional lithium-ion batteries by five times or more.
The battery includes electrodes made of metallic lithium and copper, because of which easy recycling of the electrode materials is possible.
Summary
Haoshen Zhou (Leader), the Energy Interface Technology Group, the Energy Technology Research Institute (Director: Yasuo Hasegawa) of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (President: Tamotsu Nomakuchi), and Yonggang Wang (Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Postdoctoral Fellow), have succeeded in developing an easily recyclable high-capacity “lithium-copper rechargeable battery.”

Lithium-ion batteries are widely used in cellular phones and notebook PCs. Recently, extensive research has been conducted on the development of high-capacity lithium-ion batteries for electric vehicles. Owing to limited lithium resources, the development of inexpensive and recyclable lithium-ion batteries is expected.

In our lithium-copper rechargeable battery, the negative electrode made of metallic lithium is dipped into an organic electrolyte solution, and the positive electrode made of metallic copper is dipped into an aqueous electrolyte solution. Mixing of the two electrolyte solutions is prevented by using a solid electrolyte separator. Lithium ions (Li+) can pass through the separator, while other ions (Cu2+, H+, OH-, etc.) cannot migrate from the aqueous electrolyte to the organic electrolyte; hence, the battery reactions proceed smoothly. The discharge capacity density of this battery is 843 mAh/g (per unit weight of copper consumed in the positive electrode reaction), which is more than five times the capacity of positive electrode in conventional lithium-ion batteries. The discharge capacity decreases only slightly even after 100 charge/discharge cycles. Recycling of conventional lithium-ion batteries, which contain electrodes having complex structures, is extremely difficult. However, the electrodes in our lithium-copper battery are made of metallic lithium and copper and have simple chemical reaction concept and electrode structures; hence, the manufacturing cost of this battery is low, and it can be easily recycled.

The results of this research will be presented at Scalable Energy Storage, which is sponsored by IBM, held in San Jose, USA, on August 26 and 27, 2009.



(left): Schematic illustration of the novel “lithium-copper rechargeable battery”
(right): Comparison of performances of the lithium-copper battery and a conventional lithium-ion battery
Unit: Discharge capacity per unit weight of active material used in the positive electrode (mAh/g)

Research Background
Lithium-ion batteries are widely used in cellular phones and notebook PCs, and extensive research is being carried out on the development of high-capacity batteries that can be used in electric vehicles. However, in the conventional lithium-ion batteries, the positive electrode contains cobalt or manganese, whose resources are limited. Further, when manufacturing these batteries, complex and expensive processes such as high-temperature sintering and control of fine structures are necessary. In addition, when recycling dead batteries (after hundreds or thousands of charge/discharge cycles), it is difficult to separate the active material from conductive additives, carbon, binder and the collector electrode. To overcome these problems, it is expected to develop inexpensive, high-capacity lithium-ion batteries that can be easily recycled.

History of Research
Research carried out on the development of next-generation lithium-ion batteries at the Energy Technology Research Institute, AIST, showed that nano-structuring of electrode materials helps increase the power density of these batteries (AIST press releases on January 18, 2005; November 19, 2007; and August 27, 2008). Extensive studies have also been carried out on the development of “lithium-air batteries” with enhanced energy density for use in electric vehicles (AIST press release on February 24, 2009). Currently, researchers at AIST are focusing on the development of high-capacity lithium-ion batteries that can be easily recycled.

This research was supported in part by the Grants-in-Aid for Scientific Research of JSPS.

Details of Research
In this study, we have developed a rechargeable battery in which organic and aqueous electrolyte solutions are used on the negative electrode (metallic lithium) and positive electrode (metallic copper) sides, respectively; the two electrolyte solutions are partitioned by a solid electrolyte separator to prevent them from mixing. The electrolyte separator allows only lithium ions (Li+) to pass to the positive electrode side, but does not allow any other ions (Cu2+, H+, OH-, etc.) to migrate to the organic electrolyte on the negative electrode side; hence, stable battery reactions (charging/discharging) are realized.

During charging, the following reactions occur at the electrodes:

1) Negative electrode: Li+ + e- → Li
Lithium ions (Li+) from the aqueous electrolyte solution on the positive electrode side pass through the solid electrolyte separator and reach the surface of the negative electrode; here, they are supplied with the electrons from the external circuit and precipitate as metallic lithium (plating).

2) Positive electrode: Cu → Cu2+ + 2e-
Metallic copper dissolves in the aqueous electrolyte solution as copper ions (Cu2+), and electrons are released to the external circuit.



The following reactions occur during discharging:

1) Negative electrode: Li → Li+ + e-
Metallic lithium dissolves as lithium ions (Li+) in the organic electrolyte solution, and electrons are released to the external circuit. The lithium ions then migrate to the aqueous electrolyte solution on the positive electrode side through the solid electrolyte separator.

2)Positive electrode: Cu2+ + 2e- → Cu
The copper ions (Cu2+) migrating from the aqueous electrolyte solution to the surface of the positive electrode precipitates as metallic copper with the electrons supplied from the external circuit.




Figure 1. Charge/discharge curves (left) and charge/discharge cycle performance properties (right) of the developed battery

The density of the discharge capacity of the positive electrode in this lithium-copper battery is around 843 mAh/g (per gram of copper reacting on the positive electrode). This discharge capacity is substantially larger than that of the positive electrode of a conventional lithium-ion battery (120–150 mAh/g, a literature value). From Fig. 1 (left), it is apparent that the discharge capacity of our battery decreases only slightly even after 100 charge/discharge cycles.

The electrodes in the lithium-copper rechargeable battery are constructed from pure metals and have simple structures. During charging and discharging, dissolution of the metal ions and precipitation (plating) of the metal occur. Therefore, the active electrode materials remain in metallic form after use, and this enables easy recycling of the materials (collection and recovery of active materials). Besides, since the aqueous and organic electrolyte solutions are divided by the solid electrolyte separator, each electrolyte can be recovered separately. Thus, recycling of these batteries is markedly easier than that of conventional lithium-ion batteries, because the recycling cost of the novel battery is expected to be very low.

The charging/discharging reactions occurring in this battery involve dissolution of metal ions on the metal surface and ”plating” of the metal electrode surface, and no complex processes such as compound formation occur; therefore, the current density of charge/discharge in this battery is expected to be very high. However, the lithium ion conductivity of the solid electrolyte separator is not sufficiently high, and hence, further research is necessary for enhancing the power density.
Future Study
Although the discharge capacity density of the lithium-copper rechargeable battery developed in this study is much larger than that of conventional lithium-ion batteries, its power density must be improved so that it can be used in electric vehicles that consume a large amount of power. This will be possible if the lithium ion conductivity of the solid electrolyte separator is increased. AIST is planning to carry out further research for increasing the power density of this lithium-copper rechargeable battery.

IBM Invests in Battery Research

IBM Invests in Battery Research
The company hopes to develop powerful, lightweight lithium-air batteries.

By Katherine Bourzac
Thursday, June 11, 2009


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IBM Research is beginning an ambitious project that it hopes will lead to the commercialization of batteries that store 10 times as much energy as today's within the next five years. The company will partner with U.S. national labs to develop a promising but controversial technology that uses energy-dense but highly flammable lithium metal to react with oxygen in the air. The payoff, says the company, will be a lightweight, powerful, and rechargeable battery for the electrical grid and the electrification of transportation.


Waterproof power: This protective casing envelops a functioning lithium-metal battery electrode, excluding water but letting lithium ions pass. It’s part of a prototype battery made by PolyPlus Battery of Berkeley, CA.
Credit: PolyPlus

Lithium metal-air batteries can store a tremendous amount of energy--in theory, more than 5,000 watt-hours per kilogram. That's more than ten-times as much as today's high-performance lithium-ion batteries, and more than another class of energy-storage devices: fuel cells. Instead of containing a second reactant inside the cell, these batteries react with oxygen in the air that's pulled in as needed, making them lightweight and compact.

IBM is pursuing the risky technology instead of lithium-ion batteries because it has the potential to reach high enough energy densities to change the transportation system, says Chandrasekhar Narayan, manager of science and technology at IBM's Almaden Research Center, in San Jose, CA. "With all foreseeable developments, lithium-ion batteries are only going to get about two times better than they are today," he says. "To really make an impact on transportation and on the grid, you need higher energy density than that." One of the project's goals, says Narayan, is a lightweight 500-mile battery for a family car. The Chevy Volt can go 40 miles before using the gas tank, and Tesla Motors' Model S line can travel up to 300 miles without a recharge.

One of the main challenges in making lithium metal-air batteries is that "air isn't just oxygen," says Jeff Dahn, a professor of materials science at Dalhousie University, in Nova Scotia. Where there's air there's moisture, and "humidity is the death of lithium," says Dahn. When lithium metal meets water, an explosive reaction ensues. These batteries will require protective membranes that exclude water but let in oxygen, and are stable over time.

Story continues below

IBM does not currently have battery research programs in place. However, Narayan says that IBM has the expertise needed to tackle the science problems. In addition to Oak Ridge, IBM will partner with Lawrence Berkeley, Lawrence Livermore, Argonne, and Pacific Northwest national labs. The company and its collaborators are currently working on a proposal for funding from the U.S. Department of Energy under the Advanced Research Projects Agency-Energy.

Research on lithium-metal batteries stalled about 20 years ago. In 1989, Canadian company Moli Energy recalled its rechargeable lithium-metal batteries, which used not air but a more traditional cathode, after one caught fire; the incident led to legal action, and the company declared bankruptcy. Soon after, Sony brought to market the first rechargeable lithium-ion batteries, which were safer, and research on lithium-metal electrodes slowed nearly to a halt. (After restructuring, Moli Energy refocused its research efforts and is now selling lithium-ion batteries under the name Molicel.) Only a handful of labs around the world, including those at PolyPlus Battery, in Berkeley, CA, Japan's AIST, and St. Andrews University, in Scotland, are currently working on lithium-air batteries.

Waterproof Lithium-Air Batteries

Waterproof Lithium-Air Batteries
A California company's lithium metal-air batteries are lightweight and energy dense.

By Katherine Bourzac
Friday, June 26, 2009


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A company based in Berkeley, CA, is developing lightweight, high-energy batteries that can use the surrounding air as a cathode. PolyPlus is partnering with a manufacturing firm to develop single-use lithium metal-air batteries for the government, and it expects these batteries to be on the market within a few years. The company also has rechargeable lithium metal-air batteries in the early stages of development that could eventually power electric vehicles that can go for longer in between charges.


Water power: A prototype battery made by PolyPlus uses lithium metal as the anode and salt water as the cathode to power an LED. As the battery discharges, lithium ions diffuse into the water, but the device doesn’t harm the surrounding clown fish.
Credit: PolyPlus

Interest in lithium metal-air batteries has been growing in recent years, along with the demand for lighter power sources for devices ranging from plug-in hybrid vehicles to laptops. In lithium-ion batteries, the electrodes are made of materials such as graphite, while in a lithium-metal battery, the anode is made up entirely of lithium metal, and the surrounding air can act as the cathode.

Lithium-metal batteries approach the energy density of fuel cells without the plumbing needed for these devices; in theory, the maximum energy density is more than 5,000 watt-hours per kilogram, or more than 10 times that of today's lithium-ion batteries. Lithium metal-air batteries are also very lightweight because it's not necessary to carry a second reactant. Lithium metal is "the holy-grail battery material," says Steven Visco, chief technical officer and founder of PolyPlus.

IBM recently announced that it would develop lithium metal-air batteries for the energy grid and for transportation. "Lithium ion is the gold standard, but what can beat it is lithium metal," says Paul Beach, president of battery manufacturer Quallion of Sylmar, CA.

Using lithium metal as a battery electrode, however, has proved problematic, mainly because the material reacts rapidly and violently with water. "People have thought about lithium-air batteries for decades, but there's always water in the air," says Visco. Exposure to even traces of water rapidly degrades the material.

Story continues below

PolyPlus has solved this problem by developing what the company calls a "protected lithium electrode." The device consists of a flat, rectangular piece of lithium metal overlaid on either side with a ceramic electrolyte material called lisicon. The solid electrolyte is impermeable to water but lets lithium ions pass through. Another coating protects the electrolyte from reacting with the lithium metal. And finally, the edges of the device are sealed with an aluminum-polymer laminate similar to a potato-chip bag. The laminate provides a watertight seal, and it's flexible, so it doesn't create any strain when the electrode shrinks with use.

When the lithium-metal electrode is placed in water, lithium ions leak out and react with oxygen dissolved in the water or with the water itself. To make a lithium metal-air battery, the device is fitted with a gas-diffusion electrode similar to those used for zinc metal-air hearing-aid batteries. When the battery is switched on, the electrode draws in oxygen through the membrane to react with the lithium ions. But unlike hearing-aid batteries, these devices won't self-discharge over time. "You can leave the battery on the shelf for months and expect it to work because the membrane protects it," says Visco. And because they're based on high-energy lithium metal, these batteries last much longer and are more lighter than zinc-air batteries.


[1] 2 Next »

Aluminum Air Battery 만드는 법

Aluminum Air Battery
Foiled again

Introduction

A simple battery can be made from aluminum foil, salt water and activated charcoal that will make 1 volt and 100 milliamps.

Material


Modesto gathers the materials for an aluminum air battery.
Aluminum foil
Activated Charcoal, for aquariums
salt, water, a bowl
paper towel
two clip leads
a DC motor, masking tape
optional,l an electric meter capable of measuring 1 volt and 1 amp.
Assembly

Make a saturated salt solution by mixing salt and water in the bowl. Some undissolved salt should remain in the bottom of the bowl after mixing.


Shaking salt all around the vicinity of the bowl Modesto Tamez shows the chemical precision mixing needed to make the salt water solution...none.

Lay down a sheet of aluminum foil (approximately 30 cm long by 15 cm wide.)

Cover the aluminum foil with a doubled over piece of paper towel.
Soak the paper towel in the salt solution before using it to cover the aluminum.


Chef Modesto begins to prepare his burrito battery. He places salt water soaked paper towel over a sheet of aluminum foil.

Pour a layer of activated charcoal over the wet paper. Make it about a centimeter thick.


Make a layer of activated charcoal over the wet paper.

Place one metal lead on top of the carbon.

Clip the second lead to the aluminum foil.



Fold the aluminum foil over to make a burrito.
Important points:

The internal metal lead should touch only carbon,
The paper should keep the carbon from direct contact with the aluminum foil.

The aluminum foil is folded over to make a burrito with one electrical lead in its center.

Attach a "flag" made of masking tape to the shaft of the motor.

Clip the other electrical lead to the aluminum foil.

Clip both leads to the motor.

To Do and Notice

Notice that nothing happens.

Push down on the burrito and notice that the motor spins rapidly.


Pressing on the battery increases the current it delivers to the motor.

Measure the voltage and current produced by the battery, perhaps 1 volt and 100 ma. Notice that the outside aluminum electrode is the low voltage electrode, it is the source of electrons.

What's Going On?

This is called an aluminum air battery. The reaction that powers the battery occurs between the aluminum foil and oxygen from the air. The battery will deliver power for tens of minutes as the aluminum oxidizes.

Activated charcoal has many gas pockets giving it a large surface area this surface area provides the oxygen electrode.

The reaction with aluminum occurs in aqueous solution.

The maximum current delivered by the battery is determined by the voltage produced by the battery and by the internal resistance of the battery. The internal resistance can be reduced by making the electrode areas larger. It is also reduced by using salt water which has a lower resistance than pure water. The charcoal is a conductor, but its resistance decreases as the grains are pressed together.

So What?

The aluminum air battery produces useful amounts of power from safe chemicals.

Acknowledgments:

This activity was developed by Modesto Tamez from materials presented at the Exploratorium by Japanese teachers from Galileo Workshop.

Lithium-Air Battery

Lithium-Air Battery Could Have Up to 10x Storage Capacity of Current Lithium-Ion Tech
by Michael Graham Richard, Ottawa, Canada on 05.18.09
Science & Technology
Buzz up!


Photo: EPSRC

Will this Turn Out to Be the Battery Breakthrough We've Been Waiting For?
It's still too early to tell if this lithium-air battery technology will perform well enough to make its way to real-world products, but the lab results that have been publicized so far are very promising. With current battery chemistry, "energy storage is limited by the lithium cobalt oxide electrode (0.5 Li/Co, 130 mAhg-1). The University of St Andrews design replaces the lithium cobalt oxide electrode with a porous carbon electrode and allows Li+ and e- in the cell to react with oxygen from the air." This could allow up an increase in storage capacity by up to 10x. Read on for more details.

The EPSRC says:

The new design has the potential to improve the performance of portable electronic products and give a major boost to the renewable energy industry. The batteries will enable a constant electrical output from sources such as wind or solar, which stop generating when the weather changes or night falls.
Improved capacity is thanks to the addition of a component that uses oxygen drawn from the air during discharge, replacing one chemical constituent used in rechargeable batteries today. Not having to carry the chemicals around in the battery offers more energy for the same size battery. Reducing the size and weight of batteries with the necessary charge capacity has been a long-running battle for developers of electric cars.


I guess this means that this battery wouldn't work under water or in outter space. Not exactly a problem for most people...

Cheaper Too?
Another advantage is that this new porous carbon electrode would be cheaper than the current lithium cobalt oxide component it would replace.

But of course it's still in the lab, and professor Peter Bruce of the Chemistry Department at the University of St Andrews estimates that it will be at least five years before the STAIR cell is commercially available. Still, it's good to know that this is in the pipeline. What I wonder is if this can be combined with other types of battery chemistries and other breakthroughs...

Via Green Car Congress

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zinc-air primary battery system

TECHNICAL BULLETIN

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Entire Zinc Air Bulletin

1. Introduction
The zinc-air primary battery system is different from most other batteries in that it “breathes” oxygen from the air for use as the cathode reactant. The virtually limitless supply of air enables the zinc air cell to offer many performance advantages compared to other batteries.

The electrochemical system can be more formally defined as zinc/potassium hydroxide/oxygen, but “zinc-air” is the common name and is used throughout this text. Other zinc anode battery systems are also referred to by their popular abbreviated names:

Zinc/alkaline/manganese dioxide -> Alkaline
Zinc/mercuric oxide -> Mercury
Zinc/silver oxide -> Silver


2. General Characteristics

2.1 System Description
The zinc-air battery was discovered in the early nineteenth century, but did not find its first commercial use until the 1930s when large industrial-type cells were constructed for railway signaling. The development of the thin and efficient air cathode used in today’s zinc-air cells occurred in the early 1970s. This led to miniaturization and ultimately to the commercialization of zinc-air button cells in 1977. The world of zinc-air today includes button cells, batteries, and a small number of customized battery packs. Zinc-air delivers the highest energy density of any commercially available battery system, and at a low operating cost. This advantage is derived from its use of atmospheric oxygen as the cathode reactant. It allows the zinc-air cell to be filled with more zinc "fuel", which is the only material consumed during discharge. This increased amount of anode material enables the cell to offer up to 5 times more capacity than conventional zinc anode systems which must contain their oxidant within the cell. For example, alkaline cells store oxygen in the form of manganese dioxide, which comprises about 60% of the cell weight. Most batteries contain roughly the same amount of anode material as cathode material, so their service life is limited by whichever is consumed first.

A schematic representation of a conventional zinc anode cell and a DURACELL® zinc air cell is shown in Figure 2.1.1. DURACELL® zinc-air batteries are used in a number of consumer and industrial applications. They are best suited for devices that are used frequently or continuously, operate at low-to-medium drain rates, and require high energy density and low operating cost. Hearing aids are an ideal application for zinc-air because they are usually worn for up to 16 hours per day and have a low-to-moderate requirement for electrical current (a few milliamperes on average). Zinc-air batteries are often used to power a number of medical devices, such as patient monitors and recorders, nerve and muscle stimulators, and drug infusion pumps. They are also well suited for use in telecommunication devices such as pagers and wireless headsets.

DURACELL® zinc-air cells can be combined in series and series-parallel connections to form a number of battery pack configurations. Such packs have been designed for use in communications equipment and emergency lighting products. To achieve optimum battery performance in the application of interest, Duracell may be contacted for assistance.



2.2 Advantages
The advantages of using DURACELL® zinc air cells are described below:

•High Energy Density – The zinc-air cell has a gravimetric energy density of up to 442 Watt-hours/kilogram (Wh/kg) (200 Watt-hours/pound) and a volumetric energy density of up to 1673 Watt-hours/liter (Wh/l) (27.4 Watt-hours/cubic inch). This is up to five times the energy of alkaline and mercury systems. The highest energy is delivered under conditions of frequent or continuous use, low-to-medium drain rates, and operating temperatures between 0 ºC and 50 ºC (32 ºF and 122 ºF).

•Flat Discharge Profile – Typically zinc-air cells maintain a constant output voltage between 1.1 and 1.25 volts throughout the discharge life of the cell.

•Excellent Sealed Shelf Life – The sealed (unactivated) zinc-air cell has been demonstrated to retain greater than 98% of its rated capacity after one year of storage at 21 ºC (70 ºF). The unactivated storage life is rated at 3 years.

•Intrinsically Safe – Zinc-air cells offer a means of self-venting any internally generated gases through air-access holes located on the cathode can, eliminating the possibility of cell rupture or explosion. In addition, zinc-air cells are generally considered environmentally safe, and under most conditions do not require special handling or disposal procedures.

•Low Operating Cost – Zinc-air cells and batteries offer a low operating cost on a per-milliampere-hour basis when used in frequent or continuous use applications.

2.3 Comparison of Primary Battery Systems



Primary batteries are most often described by their energy as a function of cell weight and volume. A per-unit-weight comparison of zinc-air with other primary systems is shown in Figure 2.3.1. The gravimetric energy density is greater than all other primary batteries over an operating temperature range of 0 ºC to 50 ºC (32 ºF to 122 ºF). The comparison on a volumetric basis is provided in Figure 2.3.2. Zinc-air to delivers its greatest energy per unit volume over a similar temperature range. Under some conditions not shown in the figure (50-100 mA/cm2), DURACELL® zinc-air cells can deliver up to five times the energy of other zinc-anode systems.






Figure 2.3.3 shows the discharge characteristics of conventional zinc-anode battery systems for cells of the same size over their discharge life at 21 ºC (70 ºF). Unlike alkaline cells, DURACELL zinc-air cells provide a constant output voltage during discharge.

During storage, zinc-air cells are sealed to prevent oxygen, the cathode reactant, from entering the cell. This characteristic gives the zinc-air cell excellent shelf life as shown in Figure 2.3.4. At 21 ºC (70 ºF) storage, a sealed zinc air cell retains 98% of rated capacity over a one-year period. Zinc-air cells are best if used within 3 years of manufacture.






3. Composition and Chemistry

3.1 Cell Chemistry
A DURACELL® zinc-air cell consists of a zinc anode, an aqueous alkaline electrolyte and an air cathode. Power is derived from the reduction of oxygen at the cathode, and the oxidation of zinc at the anode. The simplified net reaction is shown below:

Zn + ½O2 -> ZnO

3.2 Anode
The anode in a zinc air cell is a powdered zinc amalgam. The zinc powder contains a very low level of mercury (max. 25 mg per cell) to prevent internal pressure buildup due to hydrogen evolution from the self-discharge of the zinc in the electrolyte. A gelling agent is also mixed with the zinc amalgam to maintain the uniformity of the zinc powder-electrolyte mixture during discharge.

In the cell reaction, the zinc in the anode is oxidized to form zinc hydroxide in the form of the soluble zincate [Zn(OH)42-] ion. The half reaction for the anode is shown below:

Zn + 4OH- -> Zn(OH)42- + 2e-

The zinc hydroxide accumulates around the zinc particle, but does not impede either ionic or particle-to-particle conductance until the zinc is fully oxidized. As the discharge proceeds, the zincate ions eventually precipitate to form zinc oxide (ZnO).

Zn(OH)42- -> ZnO + H2O + 2OH-

Theoretical capacity of the anode is 0.82 ampere-hours per gram of zinc (23 ampere-hours per ounce of zinc).

3.3 Cathode
The air cathode in a zinc-air cell is a mixture of carbon, Teflon, and a small amount of manganese dioxide impressed onto a nickel-plated screen. This material is then laminated with a Teflon layer on one side and a separating membrane on the other. The Teflon layer allows gases, most importantly oxygen, to diffuse into and out of the cell, and also provides resistance to leakage. The separator acts as an ion conductor between the electrodes and as an insulator to prevent internal short-circuiting.

Atmospheric oxygen reacts with catalysts in the air electrode and electrolyte to produce hydroxide ions.

The half reaction for the air cathode is shown below:

½O2 + H2O + 2e- -> 2OH-

Theoretical capacity of the air electrode is 820 mAh/g, or 4.79 ampere-hours per liter (0.079 ampere-hours per cubic inch) of molecular oxygen, which is roughly equivalent to one ampere-hour per liter of air.

3.4 Electrolyte

The alkaline electrolyte employed in a zinc air cell is an aqueous solution of potassium hydroxide with a small amount of zinc oxide to prevent self-discharge of the anode. Potassium hydroxide provides good ionic conductance between the anode and cathode to permit efficient discharge of the cell.


4. Construction

4.1 Cell Construction
The button cell is a widely used battery configuration for hearing aids, calculators, infusion pumps, and pagers. The major components that make up a DURACELL® zinc-air cell are illustrated in Figure 4.1.1.

The anode subassembly includes the anode can and the insulator. The anode can, which holds the zinc anode, is a tri-clad material comprised of a copper interior lining for good chemical compatibility, a stainless steel layer in the middle for strength, and nickel layer on the outside for good electrical contact. A nylon insulator surrounds this can and insulates the negative terminal from the positive terminal. A sealant coating is applied to the insulator prior to its assembly with the anode can.

The cathode subassembly consists of the cathode can and the air electrode. The cathode can is made of nickel-plated steel, and contains multiple air holes punched into the bottom to provide air access to the cathode. These air holes provide the pathway for oxygen to enter the cell.
Placed directly over the holes is a porous membrane that helps ensure uniform air distribution across the air electrode. On top of this membrane is a loose layer of Teflon to help form the cathode seal, and then the air electrode itself (i.e. cathode), which is oriented with its Teflon side toward the air holes. There is an interference between the ends of the nickel screen that protrude from the perimeter of the cathode, and the cathode can to form a low resistance contact. The zinc-anode mix and the electrolyte are dispensed into the anode subassembly, over which the cathode subassembly is placed and sealed.




4.2 Tab Seal

Once constructed, the cells are sealed to provide a consistently fresh product to the end user. The seal comprises a special tab that is placed over the air holes and attached via a mild adhesive. DURACELL® zinc-air button cells are sealed with an EASYTAB, a tab that is longer than the tab on ordinary hearing aid batteries — making it easier to remove from the pack, handle and insert into the device.




4.3 Battery Construction
Battery cases are made of injection molded plastic with special porous inserts to allow air circulation around the cells. Some batteries may utilize a shrink-wrap plastic with air access ports. Cells are packaged to allow adequate and equal air access to each cell’s air access ports.

5. Performance Characteristics

5.1 Preparing Batteries for Use
Zinc-air cells are stored with an adhesive tab seal or, when in a battery, in a metallized plastic pouch that inhibits gas and vapor transfer. The batteries are ready to be used when the seal or pouch is removed, allowing oxygen from the air to enter the batteries. In most cases, nominal voltage levels are attained immediately after the seal is removed.

5.2 Voltage
The nominal open circuit voltage for a zinc air cell is 1.4 Volts. The operating voltage during discharge is dependent on the discharge load and the temperature. Typically, the operating voltage per cell is between 1.25 and 1.0 Volts. Zinc-air cells are noted for a relatively flat discharge profile, i.e. the voltage is relatively constant during use. The typical end point or cutoff voltage, by which most of the cell capacity has been expended, is 0.9 Volts.

5.3 Energy Density
Zinc-air batteries offer the highest gravimetric and volumetric energy density of any primary battery system, due to their use of atmospheric oxygen as the cathode reactant. The air electrode, the site at which the cathode reaction occurs, occupies very little internal volume and does not degrade throughout the discharge of the battery. The result is an increase in the volume available for the zinc anode (fuel), which translates into higher capacity.

To determine the energy density of a zinc air cell under specific conditions of load and temperature, simply multiply the capacity in ampere-hours that the cell delivers under those conditions by the average discharge voltage, and divide by the cell volume or weight. The equations for gravimetric and volumetric energy densities are shown below.

Gravimetric Energy Density:

(Drain in Amperes x Service Hours) x Average Discharge Voltage = Watt-Hours
Weight of Cell in Pounds or Kilograms lb. or kg

Volumetric Energy Density:

(Drain in Amperes x Service Hours) x Average Discharge Voltage = Watt-Hours
Volume of Cell in Cubic Inches or Liters in3 or L



CELL VOLUMETRIC ENERGY DENSITY GRAVIMETRIC ENERGY DENSITY
Watt-hours/liter
(Wh/L) Watt-hours/cubic inch
(Wh/in3) Watt-hours/kilogram
(Wh/kg) Watt-hours/pound
(Wh/lb.)
DA5 1,430 23 294 134
DA10 1,657 27 351 159
DA312 1,439 24 340 154
DA13 1,756 29 411 187
DA675 1,673 27 442 201


Table 1. Typical energy density of DURACELL® zinc-air button cells



As a general rule, energy density decreases as the cells get smaller since the percentage of inactive materials, such as insulators, current collectors and cell containers, consume proportionately more of the cell weight and volume. Table 1 lists the approximate energy density of various DURACELL® zinc air button cells.

5.4 Capacity

Zinc-air capacity is usually expressed in ampere-hours or milliampere-hours. The rated capacity of a particular cell is what is derived under the recommended specification for that cell. DURACELL® zinc-air cells are offered in a wide range of sizes and capacities. The capacity can be determined from the respective datasheet for each cell. As with all battery systems, performance of a zinc-air cell is dependent on the discharge current. As an example, capacity is plotted as a function of discharge current for various DURACELL® zinc-air cells in Figure 5.4.1. This graph provides an estimate of effective capacities and is to be used as a general guideline. For anticipated cell performance in a specific application, contact Duracell for information.

Cell performance can also depend on temperature and ambient relative humidity. Figure 5.4.2. shows how the delivered capacity of a DURACELL® zinc air cell is affected by the operating temperature.







5.5 Oxygen Starvation
Because of the unique design of the zinc-air battery and its use of air as the cathode, the zinc-air cell's performance is susceptible to the relative availability of air and must be considered when evaluating the capabilities of the zinc-air system. Technically speaking for all batteries, their performance begin to decline precipitously due to the finite speed at which the reactants and products can be delivered to and from the electrodes. In zinc-air, this is generally due to oxygen starvation. That is, as the current demand increases, the cell must provide air to the cathode at an increasing rate. When the rate of oxygen reduction is about equal to the replacement of air in the cell, the discharge current can be maintained without air starvation. At higher drain rates, the voltage begins to steeply decline. The reason that this parameter is so design dependent is that it is most typically correlated with the size and number of air holes. Zinc-air battery designers configure their cells to provide the just the right amount of air access for the applications in which the cells are used. Adding holes or making the holes larger increases the cell's rate capability, but it also decreases the activated life (see Section 5.9). DURACELL® zinc-air cells are optimized for maximum performance and life in the applications listed in this guide. Customers wishing to exploit the advantages of zinc-air cells in other applications should consult with Duracell to assess the product options.


5.6 Pulse Current Capability

The pulse current capability for a zinc-air battery can be many times greater than the maximum current that can be sustained under continuous discharge. Actual performance will depend on the pulse width and duty cycle. This relationship is illustrated in Figures 5.6.1. and 5.6.2., which show the pulse load performance of a typical zinc-air button cell. In Figure 5.6.1, a pulse current that is more than double the magnitude of the average current is applied, but the width and frequency are sufficiently low that that the cell does not become oxygen-starved before the end of a single pulse. The voltage profile exhibits the ripple effect of the pulse current, but the cell maintains a constant average operating voltage. In contrast, the cell in Figure 5.6.1 is subjected to an average load that is high relative to the pulse current. It suffers from oxygen starvation and exhibits a progressively declining load voltage.




5.7 Internal Impedance
Cell impedance is a critical consideration in some applications such as hearing aids where low impedance is required for proper operation. The internal impedance of zinc-air batteries is comparable to other zinc anode batteries of similar size. The internal impedance specification for each DURACELL® zinc-air battery (at 1000 Hz) is provided on the individual product datasheets.


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5.8 Shelf Life

Shelf life measures the ability of a sealed cell to retain capacity under specified storage conditions. Zinc air cells are essentially dormant until the cathode reactant, oxygen, is allowed to enter. Oxygen is excluded during storage by means of a low-porosity tab seal placed over the air holes. Removing this seal activates the cell by allowing oxygen to enter. As was shown in Figure 2.3.4., a sealed zinc-air cell stored at 21ºC (70ºF) will retain more than 98% of its rated capacity over a one-year period. The rated storage life is three years.


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5.9 Activated Life
Zinc-air activated life is a measure of the ability of the cell to retain its performance after the tab is removed (and not replaced). This differs from Service Life in that it refers to the undischarged condition. It is what happens to the battery when the tab is removed or the package is opened and it is placed on a shelf or counter top. Since zinc-air cells obtain the cathode reactant from the air, they are subject to the influence of the environment. More specifically, they can dry-out under conditions of low humidity, or become waterlogged at high humidity due to the ingress of water vapor. They also absorb oxygen and carbon dioxide from the air. The oxygen can dissolve in the electrolyte and react with the zinc. The carbon dioxide reacts with the electrolyte. Although the amount of carbon dioxide in the environment is small, its effects on the battery are cumulative.

It is possible to prolong the life of the battery by re-covering the air holes with the tab after each use, but the benefits of this strategy vary considerably and are highly dependent upon the environmental conditions. The best practice is to place the cell in the device and use it until it is discharged.


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5.10 Discharge Characteristics

In most applications, zinc-air cells provide a very stable output voltage throughout the life of the cell. The discharge characteristics of a typical zinc-air battery as a function of temperature are illustrated in Figure 5.10.1. The discharge rate is defined with respect to the cell capacity. For example, a 300-hour rate for a DA13 cell (nominal capacity ~ 290 mAh) would correspond to a discharge rate of approximately 0.95 mA (290 mAh/300 h).







Effect of Temperature
Optimum performance for zinc air batteries is achieved at temperatures between 0ºC and 50ºC (32ºF and 122ºF). At lower temperatures, a continually sloping voltage profile will be exhibited, with the degree of slope dependent upon on the temperature and the discharge rate. Performance at temperatures above this range may actually be improved in the short term, but long-term exposure to elevated temperatures can accelerate moisture loss, which can reduce performance.

Figures 5.10.2 and 5.10.3 show the effects of temperature at two additional rates of discharge. The curves illustrate that temperature becomes more significant parameter as the discharge rate increases.

Effect of Humidity
Relative humidity can affect the performance of a zinc air battery over long periods of use. Moisture transfer through the battery’s air access holes results from the difference in relative humidity between the interior of the cell and the environment. The effect of continued moisture loss or gain from the electrolyte would be seen as shortened life or loss of power. Best results over long-term discharge are achieved at relative humidity conditions between 35 and 80 percent.

Figure 5.10.4 shows an intermittent discharge (4 hours per day) of a DURACELL® zinc air battery at 30, 60 and 90 percent relative humidity conditions. Under conditions of 40-60% R.H., the outside world most closely matches the interior of the cell, at the maximum performance is obtained.



5.11 Cell Expansion
The discharge of a zinc-air cell results in a small increase in the overall cell volume as the zinc is oxidized. In the case of a DURACELL® DA675 cell, cell height increases by about five thousandths of an inch when fully discharged. If the battery is constrained so that it cannot expand, it may not realize its full capacity. In a multi-cell battery, the cells are packaged so that sufficient space is allowed for growth during discharge. All DURACELL® zinc-air cells are designed to fit within the IEC cell specifications during discharge.

6. Applications

6.1 Fundamentals of Battery Selection

To optimize battery performance, the battery selection process should begin in the early stages of equipment design before the battery cavity is fixed. In this way the most effective trade-off can be made between battery capabilities and equipment features.

In the battery selection process, the following fundamental requirements should be considered:


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Voltage: Environmental Conditions:
Maximum permissible voltage, minimum operating voltage, startup time. Shock; vibration, humidity, other atmospheric conditions.

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Load or Current Drain: Shelf Life:
Average current, constant power; variable load, pulse requirements. Capacity retention requirements, storage time, temperature.

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Duty Cycle: Reliability:
Continuous or intermittent. Permissible variability, failure rates, potential for gassing or leakage.

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Service Life: Safety:
Length of time operation. Type of usage (consumer, industrial, or military), abusive conditions.

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Physical Properties: Contacts/terminals:
Size, shape, and weight. Compatibility with cell terminals, corrosion prevention.

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Temperature: Cost:
Operating temperature range, storage temperature range. Operating or life cycle cost (i.e. cost per milliampere hour) and initial per-unit cost.


When the important fundamental requirements are identified, decisions can be made on the best battery system for the application. With so many types of batteries available today, choosing the best one can be a difficult task. There is no singular battery or battery system than best fulfills the needs of all applications.

If the application requires a low-cost, longer-life battery under a continuous or frequent use (many hearing aids used only on weekends) and/or a small battery package with high energy density, then DURACELL® zinc air batteries are an excellent choice.

6.2 Special Zinc-Air Design Considerations
The unique air-breathing property of zinc-air cells is the key to their high energy density and high capacity. This factor introduces application design considerations that do not pertain to conventional primary battery systems:

•Air Access
Air access is a critical aspect of designing equipment to use zinc air batteries. Air is admitted through the holes in the positive cap of each cell, so the holes must not be blocked. The oxidation of each atom of zinc requires a fixed amount of oxygen and provides four electrons to the external circuit. Based on this simple relationship, the amount of air required per ampere-hour of capacity is about 1.2 liters at standard temperature and pressure. It is difficult to provide hard and fast rules for designing proper air access, such as the size and number of holes or apertures, but simple calculations of gas transport via diffusion of air provide a good starting point. DURACELL ® zinc-air cells are designed to provide the most efficient air access for optimum power. Figure 6.2.1 provides an example of sample hole patterns for DURACELL ® and competitor cells.




•Contact Methods
The recommended locations for making electrical contact are the anode can top (-) and the cathode can side wall (+). If contact to the bottom of the cathode can is required, care should be taken to avoid the air holes and the "+" mark at the center of the can. An additional concern is the shape of the bottom of the battery which may either be flat or stepped, see Figure 6.2.2. The device manufacturer must correctly design their battery cavities to handle both battery shapes, since both bottom styles exist side-by-side in the marketplace. Improper design may result in poor fit of the cell within the device cavity. Table 2 provides some useful design criteria for use with DURACELL ® zinc-air cells.






•Device Voltage Cutoff
The nominal cutoff voltage for zinc-air cells is 0.9 Volts. They can be discharged to lower values, but deep discharge to 0.5 Volts or less can result in electrolyte leakage from the air holes. The recommended practice is to design the device with a voltage cutoff feature that shuts the equipment off at a predetermined voltage setting.

6.3 Zinc-Air Application Design Guidelines

The following design guidelines are provided to aid in identifying the types of applications that zinc-air batteries will best serve. They deliver their optimum service in devices that require:

•Highest capacity in a compact and lightweight form; (40 - 600 mah in single button cells, depending on size, and up to 1,500 mah in multicell batteries)
•Low to moderate drain rates (up to 20 mAh for the DA675) at an operating voltage of 1.25 to 0.9 Volts or a multiple thereof..
•Continuous or frequent use that fully discharges the battery within a two- to three-month period.
•Operation between 0°C and 50°C (32°F and 122°F).
•Long shelf life when in a sealed state awaiting use.
Application Examples

•Home Health Care Devices (e.g.. Crib Monitors)
•Hearing Aids (Behind-the-Ear and In-Canal Aids)
•Pagers
•Patient Monitors (Telemetry Transmitters)
•Portable Data Loggers
Figure 6.3.1 shows the discharge profile of a DURACELL ® zinc-air cell during a test typical of a conventional BTE hearing aid.






7. Handling and Disposal
The following care and handling procedures pertain to the various zinc-air cells manufactured by Duracell.

7.1 Safety

DURACELL® zinc-air cells are safe to use because they offer a means of self-venting any internally generated gases through the air access holes located on the cathode can. This eliminates the probability of cell rupture or explosion.

7.2 Packaging and Transportation
All DURACELL® zinc-air batteries are supplied in the sealed state in one of the following packaging styles:

•Two or more individual button cells sealed on one piece of adhesive tape
•Individual cells with their own tape seal (tab)
•Multicell batteries individually sealed in a metalized plastic pouch.
The factory seal should not be removed or the pouch opened until the battery is required for use. Generally DURACELL® zinc air batteries do not require special handling or shipping precautions for land, sea or air transportation.

7.3 Storage
As with any electrochemical system, ambient storage temperatures of 21°C (70°F) or cooler are recommended for best capacity retention. When storing zinc air batteries, do not stack more than three cases high, as the additional weight may cause damage to the internal cell packaging and potentially the cells.

7.4 Usage
Zinc-air cells should be used within the recommended operating conditions specified for each cell size. Optimum performance is obtained via operation on a frequent or continuous use basis within a temperature range of 0°C to 50°C (32°F and 122°F) and a relative humidity range of 25-80%. As is the case with all battery systems, zinc-air batteries should be removed from equipment that will not be used for prolonged periods of time.

When inserting zinc-air cells into equipment, attention must be paid to the polarity. Reverse insertion can cause charging and possible leakage. When a device requires more than one battery, all batteries should be replaced at the same time. Always use cells of the same chemical system to prevent voltage incompatibilities and potential leakage.

7.5 Disposal

DURACELL® zinc-air cells do not require special disposal or reclamation after being discharged