(주)BK동영테크
회사소개
신재생에너지
주방가전
개발용역
태양광 가로등
고객센터
신재생에너지
울트라콘덴서배터리
Customer Center
궁금하신 사항은 문의해주세요.
031-295-4046
FAX : 031-225-4001
[복사본] 울트라콘덴서배터리
울트라캡 배터리
(UltraCap Battery)
“
Highly Safe
,
High Power
with
Longevity
Improved Ultracapacitor as Rechargeable Battery
”
*Ultracapacitor는 전하와 대항이온간의 물리적 대전으로 전기에너지를 저장하는 소자로 화학적 발열반응결합에 의한 리튬이온배터리 대비 안전(발열발화 無), 출력, 수명, 저온동작 등 탁월한 특성에도 에너지 밀도 한계(리튬이온배터리 대비 5~10%수준)로 확대 적용에 어려움이 있으나 에너지 밀도를 50%(리튬이온배터리 대비)까지 확대하는데 성공(100% 이상 목표로 추가 개발 및 상용화 진행중)
콘덴서 4000F
2. Classification
Name
4000F
Model
SC4R2V402F24*70
3. Specification data
Descriptions
Unit
"Specificationdata"
Conditions
Rate voitage
V
4.2
-
Rate capacity
F
4000
"StandardCharge/Discharge"
Capacity Tolerance
/
±20%
"StandardCharge/Discharge"
Maximal recharging voltage
V
4.2
-
Maximal charging current
mA
4000
-
Discharge termination voltage
V
2.70
-
Maxima discharging current
mA
6000
"Pulse Current discharge 30A"
Using temperature scope
℃
-30 ~ 70
-
" Storage environment temperature"
℃
-20 ~ 45
-
Storage environment humidity
%
≤85%
-
About Weight
g
60.00
-
콘덴서 21000F
2. Classification
Name
21000F
Model
77Wh
Classification
Rechargeable capacutor of nano-pouch
3. Technical Specification
Item
Condition
Specification
Nominal Capacity
"Standard Charge Or Standard Discharge"
21000F
Nominal Voltage
-
4.2V.DC
Standard Charge (Refer to 5.4)
Constant Current
20.00A
Charge Limited Voltage
4.25V
Charge Cut-off Current
1.00A
Temperature
25℃±5℃
Standard Discharge (Refer to 5.5)
Constant Current
20.00A
Discharge Cut-off Voltage
2.70V
Temperature
25℃±5℃
Max.Cont. Charge Current
RT
42.00A
Max.Cont. Discharge Current
RT
60.00A
Max.Peak Charge Current
50%SOC, 10s. Charge
60.00A
Max.Peak Discharge Current
50%SOC, 10s. Discharge
80.00A
Internal Resistance
AC,1kHz
≤1.50mΩ
About Weight
-
350.0g±10.0g
Temperature Range
Charge
-20℃ ~ 60℃
Discharge
-20℃ ~ 55℃
Reduce the charge current when charge in a low temperature environment.
Ultracapacitor
(
LS엠트론, 비나텍, 맥스월테크놀로지
)
*전하-대항이온간 물리적 대전 원리를 이용한 전기에너지 저장 소자
리튬이온전지
*화학발열전하결합반응 원리를 이용한 전기에너지 저장 소자
- 특성 :
① 발열동반, ② 저속반응, ③ 부분비가역, ④ 온도조건, ⑤ 희토류소재
- 단점 :
안전성(발열/발화), 저출력(장시간충전), 단수명, 저온동작불량
Ultracapacitor
*화학반응에 기인한 단점이 없는 탁월한 특성에도 낮은 에너지 밀도(LIB 대비 5~7%) 때문에
확대 적용 한계(5~7 Wh/kg)
Ultracap Battery
*구조개선으로 에너지 밀도를 기존 Ultracapacitor 대비 28.6~48.2 Wh/kg 수준 개선 성공
*리튬이온전지 수준 개선 목표 개발 및 상용화 진행(82~420 Wh/kg)
Ultracapacitor (또는 Supercapacitor)는 미국 Maxwell Technologies(최근 Tesla 인수), 일본 Murata, 한국 LS엠트론(안양), 비나텍(전주) 등 2000년대 중반부터 이미 상용화하여 판매하고 있는 제품으로 안전성, 고출력특성, 저온동작, 수명 특성에서 탁월하지만 에너지 밀도(단위 무게에 전기에너지를 저장할 수 있는 용량)가 리튬이온 배터리(LIB: Lithium-Ion Battery)의 5%수준(LIB와 동일한 전기에너지를 저장하기 위해서는 20배 이상의 무게/부피 필요)의 낮은 한계로 경쟁에 어려움 있는 것이 현상입니다. 때문에 일부 안전성, 고출력, 장수명 특성이 특별히 필요한 분야에 한정적으로 사용되고 있고 재료측면에서는 희토류를 사용하지 않아 저가격 실현이 가능함에도 규모 경제 실현이 어려워 CI에 한계가 있어 LIB대비 경쟁력이 약화되어가는 실정입니다.
하지만, 단점인 에너지 밀도만 개선된다면(LIB 대비 50%~100%~↑) 안전성, 고출력, 장수명, 저온동작특성, 사용재료 측면에서 특성이 비교할 수 없을 정도로 뛰어나기 때문에 경쟁력 확보와 함께 시장도 확대될 것으로 기대됩니다
당사는,
AI
에너지연구소에서 개발중인
Ultracapacitor
는 기존 에너지 밀도가
LIB
대비
5%
수준의
Ultracapactor
와는 다른 제품 구조를 적용하며 재료에서 추가적인 개선을 통해 에너지밀도를 LIB 대비
50%~100%
~↑까지 개선 가능한 새로운 개념의
Ultracapacitor
입니다.
기술적
‘break-through’
라는 측면에서는 구조적인 측면에서는 기존
Ultracapacitor
와는 다른 새로운 구조를 적용함으로서 에너지밀도를 50% 수준까지 개선하는 부분은 이미 시제품 제작을 통해 결과를 확인했으며 재료적인 측면에서는 미주, 유럽, 중국, 싱가폴 및 국내 산학계 등에서 개선되는 결과들이 보고되고 있습니다.
따라서 당사가 개발 중인 구조적인 측면에서의 기술과 재료적인 측면에서의 기술개발이 접목되면 탁월한 안전성, 초고출력, 초장수명, 극저온동작특성과 LIB 대비 동일 또는 그이상의 에너지밀도 특성을 동시에 가지는 새로운
Ultracapacitor
"UltraCap Battery"
제품이 기대됩니다.
Ultracapacitor(Supercapacitor)
Li+ Battery 발열/발화 사고 사례
Ultracapacitor 구조
UltraCap Battery
(
Improved Ultracapacitor as Rechargeable Battery
)
서울외대 vs. 상용제품(LS, 비나텍) Energy density 비교
□ Ultracapacitor 에너지 밀도(Wh/kg) 분석
- LS엠트론, 비나텍 제품 활성탄 기준
16.56 ~ 17.14
(소자 기준 3.46 ~ 4.58)
- BK동영테크 개발 샘플 활성탄 기준
59.79
*에너지밀도 개선효과 확인
리튬이온 배터리와 UC 배터리의 장단점 비교
아래의 리튬이온 배터리와 UC 배터리의 장,단점 비교를 보면 UC 배터리의 가능성이 얼마나 큰지를 잘 알 수 있습니다. 아래에서 보듯이 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높다는 장점 이외에는 UC배터리에 비해 장점이 별로 없습니다.
리튬이온 배터리
UC 배터리
비고
재료 가격
리튬+코발트 등의 고순도 희토류 이므로
외국으로부터 수입하여야 하므로 고가
카본 : 국내 생산 가능하므로 저가
생산 원가
높은 방습, 방청 제조 환경 필수(고가)
청정 환경(저가)
안전성
충격, 대전류 사용 및 고온환경으로 인한
화학반응 열폭주 현상에 따른 화재, 발열 고위험
화학반응이 없이 물리적 축적현상으로 화재,
발열 유발 요인 없음
무게
무겁고
가볍다
동작
저온환경에서 화학반응이 급격히 감소,
-10ﾟC이하 환경에서는 작동 잘안됨
화학반응이 없어 전해질이 결빙점인
-45ﾟC환경까지 정상 작동
수명
3-5년
반영구적 (50년 이상)
충전시간
길다
짧다 (초고속 충,방전)
에너지 밀도
100~220 Wh/kg
기존 사용 UC : 15Wh/kg 전후
BK동영테크 : 77Wh/kg 이상
Ultracapacitor 고전압 응용
현재 추진중인 연구 및 개발
1. 하이브리드 에너지저장장치(ESS) 시제품 제작:리튬이온배터리와 UC배터리 혼합용
▪ 현재 리튬이온 ESS시장은 잦은 고열로 인한 폭발사고로 사실상 기존 설치된 ESS는 가동이 멈춘 상태이며 ESS제작업체들도 고열과 발화의 위험으로 인한 책임 문제로 추가 설치 작업을 거의 중단한 실정입니다.
▪
발화 위험이 전혀 없는 UC 배터리 ESS를 제작하기 위해서 에너지 밀도 50% 전후의 UC배터리를 사용할 경우 리튬이온배터리에 비해 배터리 셀을 더 많이 사용해야 하니까 비용 부담이 더 큰 것 같아 보일 수 있습니다. 그렇지만, ESS의 작동 과정에서 생기는 화재 예방을 위해서 정부가 리튬이온 배터리 ESS용량의 70% 범위내에서 작동을 하라는 지침에 의하면 리튬이온배터리에너지밀도도 그만큼 줄어들 수 밖에 없으며, 여기에 냉난방시설에 들어가는 설치비용이나 공간문제, 냉난방시설을 작동시키는데 필요한 배터리 소모비용이나, 단위 시간당 큰 전류를 보내지 못해서 솔라셀에서 나오는 전기를 ESS에 저장시키지 못하고 흘러보내는 전기 손실 비용, 원통형리튬이온배터리 적용 경우 공간 로스 비용이나, 별도의 ESS하우스를 마련해야하는 공간 비용등이 UC배터리ESS에 비해 엄청나게 들어갑니다. 특히 4~5년 이내에 전체 ESS제작 비용의 70%에 달하는 배터리를 전량 교체해야 하는 고비용 등이 큰 문제점으로 지적되고 있습니다. 또한 리튬이온 배터리처럼 UC배터리도 대량생산에 들어갈 경우 원자재값이 싸다는 점과 배터리 구조가 리튬이온 배터리에 비해 훨씬 간단한 점 등으로 배터리 단위셀당 생산원가가 리튬이온 배터리보다 훨씬 싸다는 장점 등으로 인해 오히려 UC배터리 ESS 제작, 설치 비용이 리튬이온 배터리 ESS와 비교가 되지 않을 정도로 더 적게 들어간다고 볼 수 있습니다.
▪ 특히 당사가 개발한 UC 배터리는 분리막이 없기 때문에 기존 UC의 생산원가보다 10% 전후 원가를 절감할 수 있는 장점이 있으며, 기존 상용 UC 보다 에너지밀도가 매우 높은 등의 장점으로 인해서 기존 상용 UC를 이용하여 (ex, Maxwell Technologies社 Grid용) ESS를 제작하는 것보다 1/5 정도만 셀이 들어가도 되는 등의 장점이 많습니다.
전문가들은 리튬 이온 배터리 ESS는 에너지밀도는 높지만 폭발, 화재 등의 문제와 단수명 등의 문제를 근본적으로 해결하기 힘들기 때문에 이 문제를 해결하지 않고는 더 이상 ESS 사업을 해서는 안된다고 합니다. 따라서 UC배터리 ESS가 리튬이온 배터리 ESS보다 성능이 앞선다는 시제품에 생산에 성공한다면 수십조원 이상의 국내외 ESS 시장은 UC 배터리 ESS가 주도할 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.
▪
이러한 장점이 있는 UC배터리와 리튬이온배터리로 하이브리드 ESS를 제작하면 기존 리튬이온배터리만으로 제작 한 ESS보다 다음과 같은 장점이 있습니다.
1) 하이브리드 ESS의 장점
(1) UC배터리의 빠른 충전 응답속도(전자를 받아 들이는 속도)에 따라 솔라셀 패널 내부에 빛 에너지에 의한 활성화 전자가 순간적으로 열을 배출하면서 비활성화되기전에 활성화 전자가 외부로 인출되는 양을 증가시킬 수 있어 기존 화학반응에 의한 저속 충전 응답속도 배터리(황산, 리튬이온)를 이용한 ESS사용 경우보다 발전 효율을 2배이상 개선할 것으로 기대된다.
(2) 때문에 동일한 발전 용량에 필요한 솔라셀 패널 수요를 절반 수준으로 축소 가능하고, 솔라셀 패널의 동적출력변화(극히 짧은 순간의 빈번한 큰 전류값 변화)를 UC배터리가 평활화(큰 변화가 없도록, 충전기 전해콘텐서 같은 역할)함으로 리튬이온배터리 동작환경을 안정화함에 따라 수명을 연장함으로 리튬이온배터리 교체주기를 2배이상 연장할 수 있어 리튬이온배터리 비용을 절반 수준으로 절감할 것으로 기대된다.
(3) 기존의 리튬이온배터리가 솔라셀 패널에서 나오는 불규칙적인 전압에 즉각적으로 대응해야 하기 때문에 고열로 인한 화재 발생 우려가 있는데, 하이브리드 ESS는 UC배터리가 불규칙적인 전압에 즉각적으로 대응할 수 있기 때문에 화제 염려도 전혀 없으며 리튬이온배터리의 수명도 길어진다.
(4) 리튬이온배터리 ESS는 고열로 인한 화재나 한겨울이나 한여름에 온도가 지나치게 오르내리는 것을 방지하기 위한 냉난방시설을 많이 해야 하는데, 하이브리드 ESS는 냉난방시설을 최소화할 수 있다.
(5) 기존의 리튬이온배터리 ESS는 배터리 용량의 70% 수준에서 운영하라는 지침이 있는데, 하이브리드 ESS는 이 기준을 지키지 않아도 된다. (정부에 기준 변경을 요청할 수 있다.)
(6) 하이브리드 ESS는 ESS하우스의 시설을 저비용으로 할 수 있다.
(7) 하이브리드 ESS는 리튬이온배터리만 정기적으로 교체하면 되고 UC배터리는 50년 이상 교체할 필요가 없기 때문에 ESS제작 및 유지 비용이 저렴해질 수 있다.
: 리튬이온배터리 수명이 2배 늘어나기 때문에 리튬이온배터리 교체비용도 1/2로 줄어들 수 있다.
2) 하이브리드 ESS에 들어갈 UC배터리로 44.58V 모듈을 만들 경우
(1) 용량
① 미국 맥스웰테크놀로지 UC = 165F
② LS엠트론 UC사업부 = 165F
③ 당사가 개발한 UC = 21000과 4000F
(2) 출력
① 미국 맥스웰테크놀로지 UC배터리는 리튬이온배터리의 127배 전후
② LS엠트론 UC사업부 UC배터리도 리튬이온배터리의 127배 전후
③ 당사가 개발한 UC배터리는 리튬이온배터리의 600배 전후
3) 하이브리드 ESS의 시장 전망
(1) 현재 국내 ESS업체는 수천곳 이상 되는 것으로 파악되고 있음
(2) 몇개월 전 국내 태양광 ESS에서 여러 건의 화재 발생한 결과 전국의 모든 ESS업체들이 가동을 중단한 상태임
(3) 화재원인이 리튬이온배터리로 밝혀졌음
(4) 이 결과 리튬이온배터리를 생산하는 삼성SDI, LG화학, SK이노베이션 등 국내 3대 배터리 회사들이 화재예방장치를 개발하고 있음
(5) 그러나 이들 배터리 회사들이 개발하는 화재예방장치는 화재가 근본적으로 일어나지 않게 하는 장치를 개발하는 것 이 아니고, 화재가 발생했을 경우 조기에 불을 끄는 장치를 연구하고 있음
(6) 왜냐하면 리튬이온배터리로 ESS를 제작하는 한 리튬이온배터리의 속성상(리튬이 고열을 받던지, 공기 중에 노출되 면 폭발하는 특성) 근본적으로 화재 예방을 할 수 없기 때문임
(7) 따라서 화재 염려가 전혀 없고 솔라셀 패널 면적도 ½로 줄일 수 있는 등의 장점이 많은 하이브리드 ESS를 제작해서,가동 중단 중인 전국의 ESS 업체나 신규 ESS사업을 하는 업체들, 더 나아가서 해외 시장까지 진출한다면 수십조원 이상의 시장에 진출할 수 있음. 우선 가동 중단 중인 국내 ESS시장에 판매하더라도 수조원 이상의 시장이 될 것임
2. 수소차 및 전기차용 배터리 시제품 제작
1) 수소차용 배터리
▪ 당사가개발한 UC 배터리 에너지 밀도가 50% 이상인데, 이 정도면 수소차용 배터리에 적용할 수 있다는 평가를 받아두고 있습니다. 여기에 당사가 특허의 3번째 내용인 보호회로와 UC에 적용된 BLS 기술까지 적용하면 순간 고출력을 요구하는 수소전기차용 배터리에 적용하기에 더욱 적합할 것이기 때문에 수소차용 배터리 시제품 제작을 ESS 시제품 제작과 병행해서 해보려 하고 있습니다.
▪
수소차용 연료전지는 리튬이온배터리 보다 에너지밀도가 탁월한 반면 출력 특성(단위 시간내 대전류방전)이 현저히 낮아 대전류 공급이 필요한 급가속 또는 제로백 환경 요구 특성 구현을 위해 현재 리튬이온 배터리 또는 기존상용UC를 이용 별도의 전기에너지 저장장치를 부가하여 대응하고 있으나.
1. 리튬이온배터리는 출력특성이 만족스럽지 못해 한정된 공간내에서 구현하는데 부족하며,
2. 기존 상용UC 경우는 출력특성은 충분하나 에너지밀도가 현저히 낮아 한정된 공간내에 구현하는데 부족하여
상용UC대비 에너지밀도가 2배 정도 수준이라도 개선되는 UC 제품이 있다면 바로 적용가능하다는 평가입니다. 물론, 높은 특성을 보이는 고가의 재료(비표면적이 월등히 큰 활성탄, 고기공 분리막, 극미세 이온 및 용매)를 적용하여 에너지밀도를 개선하는 사례들이 있으나 고가의 재료를 이용한 제품의 경쟁력 확보에 어려움이 있어 기존 상용 재료를 사용하고서도 에너지밀도를 높일 수 있는 고기능 UC가 있다면 이를 적극적으로 적용해 보겠다는 의향을 가지고 있는 것으로 확인되고 있어
▪ 수소차 시장이 아직은 초기단계로 단기적인 성과를 기대하기는 부족한 측면이 있으나 당사가 개발UC기술을 상용화할 수 있는 좋은 기회로 판단하고 시제품제작에 대해 협의를 진행하고 있습니다.
2) 전기차용 배터리
▪ 수소차용 배터리 시제품제작과 병행해서, 기존의 전기차용 리튬이온 배터리와 당사가 개발한 UC배터리를 하이브리드 형태로해서 새로운 형태의전기차용 배터리 시제품도 개발해 보려 하고 있습니다. 전기차용 하이브리드배터리는 기존의 리튬이온 배터리와 UC배터리의 장단점을 상호보완할 수있는 새로운 형태의 전기차용 배터리가 될 것으로 업계에서는 기대를 가지고 있습니다. 개발이 완료되면 당사가 개발한 하이브리드배터리를 탑재한전기차와 국내 현대전기차 그리고 미국 테슬러 전기차 들의 성능과 비교해서 어느 전기차의 성능이 우수한지 시험 테스트를 해볼 계획입니다.
향후 추진할 계획 및 목표
▪ 지금의 UC 배터리 에너지 밀도 50%를 빠른 시간내에 100% 이상까지 끌어올리는 연구를 계속 하면서, 그래핀 상용화(현재 80% 수준에 도달한 것으로 알고 있음)등 재료적인 측면에서의 개선(여러연구소나 회사들이 추진하고 있는)이 이루어질 경우, 이것을 당사가 개발한 구조적인 측면에서의 연구와 결합시키면 전세계 배터리 시장의 90% 이상을 차지하고 있는 리튬이온 배터리 시장을 상당부분 잠식해나갈 수 있을 것으로 판단하고 연구 개발을 계속할 계획입니다
.
현황 요약
▪ 당사는 (주)UC에너지콤을 설립예정이고 벤처기업인증을 받아, 2020년 6월부터 특허내용에 관한 1차 실험분을 한국전자부품연구원(KETI)에서 10월 진행 에정이며 이것을 바탕으로 연구소를 운영 에너지밀도 50%의 단위셀(6cm×9cm) 제작하여, 2020년 10월 25일 자로 의뢰 한국기계전기전자시험연구원(KTC)으로부터 시험성적서를 발부 받을 예정에 있습니다.
▪ 현재는 연구 및 시제품 개발에 필요한 기계장비구입 등의 비용을 국내 및 재외국인로부터 투자를 받고 서울 중량구(부지 1000평 이상)에 공장을 설립코져 투자업체들과 협의 중 입니다. UC배터리 시제품과 ESS시제품 제작을 해보려 하고 있으며, 시제품 제작에 성공할 것에 대비해서 수소차용배터리생산과 ESS제작 및 설치사업을 본격적으로 하기 위해 소요되는 자금의 투자처를 물색하고 있는 중입니다.
▪ 특허는 국내특허등록을 1차 출원하였고, 미국, 유럽, 일본, 중국, 베트남 등 5개 국에 PCT 국제 특허 출원을 준비 중이며 이를 통해 각 지역 및 국내 출원 진입 단계에 있습니다.
