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Material (상) : EV배터리, 차원 다른 조역 -- 수명 12배/ 3D접착 대용량
  • 카테고리스마트카/ 항공·우주/ 부품
  • 기사일자 2017.9.6
  • 신문사 일경산업신문
  • 게재면 1면
  • 작성자hjtic
  • 날짜2017-09-12 17:08:10
  • 조회수172

Material X – 제2부 미래를 만들어라(상)
EV배터리, 차원이 다른 조역
규칙적인 균열이 핵심, 수명 12배 / 3D 접착으로 대용량 실현

전기자동차(EV)나 스마트폰을 필두로 하여 2차 배터리 성능이 모든 제품의 경쟁력에 직결되기 시작하였다. 차량탑재용 리튬이온 배터리 소재의 경우는 일본의 대형 화학기업이 세계를 리드하고 있다. 그러나 벤처 기업이 속속 개발 경쟁에 뛰어들고 있고, 조역이었던 재료가 능력의 한계를 돌파한다. 신기술을 엄청난 속도로 습득하고 있는 중국과 한국을 따돌리고, 미래를 만드는 배터리를 만들어 낼 수 있을까? 경쟁은 새로운 단계로 접어들었다.

「리튬이온 배터리의 수명을 12배로」. 도요타자동차나 미국 GM을 고객으로 확보하고 있는 엔진부품 생산업체인 야스나가(安永)가 작년 11월에 공표한 독자 기술은, 문자 그대로「차원이 다른」배터리 개발로 이어질 가능성을 내포하고 있다.

미에현 이가시. 야스나가의 본사 공장에서 이나다(稲田) 전무가 꺼낸 것은, 언뜻 보기에는 아무런 특별함이 없는 평범함 알루미늄 박이다. 단, 머리위로 올려 조명을 가리자, 천장의 조명이 어렴풋이 비친다. 이 알루미늄 박에는 0.4mm 간격으로, 육안으로는 보이지 않는 미세한 구멍이 뚫린 돌기가 무수하게 형성되어 있다. 금속침이 무수하게 꽂혀 있는 꽃꽂이 침봉 모양으로 만든 것이다.「이 기술이 있으면, 기존의 연장선상에 없는 배터리를 만들 수 있다」

리튬이온 배터리의 전극은, 정극의 경우 알루미늄 박으로 만든 집전체에, 인산철 등 리튬이온의 수수를 담당하는「활물질」을 도포하여 만든다. 충방전하면 활물질이 팽창과 압축을 반복하면서 집전체와의 사이에 간격이 생기기 쉬워진다. 또한 활물질에 불규칙한 균열이 생기고 벗겨져서, 성능이 열화하는 원인이 된다.

야스나가가 개발한 집전체는 기존의 2배 두께로 활물질을 도포해도 돌기의 구멍에 걸려서 쉽게 벗겨지지 않는다. 또한 활물질이 마르면 규칙적으로 정렬되어 있는 돌기 때문에 표면에 바둑판 모양의 규칙적인 금이 생긴다. 집전체에 실시한 미세가공으로 일부러 활물질에 금을 만들어, 벗겨지지 어렵게 한다는 역전의 발상으로 내구력 향상에 성공하였다. 지금까지 없는 고속 충전이나 고출력 배터리의 개발에 길이 열렸다.

-- 기세등등한 중국과 한국 --
「자동차에서 내연기관이 없어지는 사태도 상정해라」. 야스나가는 매출의 60%를 엔진 부품으로 벌어들인다. 야스나가 사장이 신규 사업의 창출을 서두르는 것은 급속히 진화하는 EV에 대한 강한 위기감 때문이다. 1910년대 농기구 제조와 수리로 창업한 야스나가는 사업을 여러 번 유연하게 바꾸면서 생존해 왔다. 유명한 자동차회사의 신뢰를 받고 있는 정밀가공기술을 무기로, EV 시대에서도 생존을 도모하고 있다.

이미 자동차나 스마트폰용 집전체를 시험 출하. 8월 하순에 출전한 중국 상하이 견본시에서는 현지 기업으로부터「이런 가공도 가능합니까?」라고 반대로 제안을 받았다고 한다. 기세등등한 중국 등 해외 기업과도 교섭이 진행되고 있어「움직임이 빨라서 일본보다 먼저 채용이 결정될지도 모른다」라고 말한다.

영국과 프랑스가 주장한「탈 가솔린 자동차」정책, 2018년부터 시작되는 중국의 자동차환경 규제. 세계 각지에서 EV 보급을 후원하는 움직임이 확산되는 가운데, 자동차에 파괴적 이노베이션을 초래하는 리튬이온 배터리에는 전세계의 기업이 뜨거운 시선을 보내고 있다.

2025년의 EV용 2차 배터리의 세계 시장은 4조 6천억 엔으로, 17년 예상과 비교하여 3.5배로 성장한다는 전망이다. 리튬이온 배터리 제조업체는 전선을 확대하고 있으며, 한국 삼성SDI와 LG화학은 금년에 동유럽에 연이어 공장을 건설. 미국에서는 파나소닉과 테슬라가 진행하는 세계 최대의「기가팩토리」가 1월에 가동하였다.

2000년대 중반까지 일본의 핵심 기술이었던 휴대전화 등에 사용하는 민생용 리튬이온 배터리는, 지금까지는 끊임없는 기술 추구로 가격 지배력을 장악한 한국, 중국에 세계 시장 점유율의 대부분을 빼앗겼다. 그러나 차량탑재용으로 한정한다면 정극재, 부극재, 절연재의 주요 3부재는 아직 일본이 장악하고 있다. 그러나 호시탐탐 신기술을 노리는 중국과 한국에게 차량탑재용 시장까지 빼앗기게 되면, 일본의 배터리 소재 산업의 미래는 불안하다.

배터리 용량이나 내구성, 안전성 등 자동차회사가 배터리에 요구하는 성능은 천차만별이다. 에너지 밀도를 우선시키면 안전성 위험이 높아지는 등 모든 성능을 충족하기 위해서는 배터리의 고도의 설계 기술이 요구된다. 또한, 개개의 재료의 성능을 어디까지 이끌어 내는가로 소재업체의 진가가 드러날 것이다. 기회는 대기업뿐 아니라 중소, 벤처기업에게도 찾아왔다.

-- 본업은 수지 재료 --
수지재료를 생산하는 I.S.T(시가현 오쓰시)가 23년 전에 미국의 듀폰(Du Pont)에서 인수한 폴리이미드 수지 사업. 이 수지가 난항하고 있던 차세대 전극의 개발을 전진시키는 “강심제”의 역할을 하려고 한다.

현재, 리튬이온 배터리의 부극재에는 주로 탄소계 흑연이 사용되고 있다. 그러나전극 제조업체는 차세대 전극으로서 이온을 대용량으로 모을 수 있는 실리콘에 주목한다. 그러나 실리콘은 충방전에 의한 팽창∙수축이 매우 크고, 단시간에 벗겨져서 사용할 수 없게 된다는 근본적인 문제를 안고 있다.

I.S.T가 올해 개발한 것은 실리콘 100%의 부극재와 집전체의 동박을 붙이는 접착재다. 재료인 폴리이미드 수지는 내열성이나 약품에 대한 내구성이 높고, 전기가 흐르기 쉽다는 특징이 있다.

「어떻게 하면 전극을 쉽게 벗겨지지 않게 할 수 있을까?」개발진이 시행 착오 끝에 도달한 답은, 폴리이미드 수지에 3차원의 그물코를 만들어, 실리콘의 팽창과 수축을 뒤따르는 구조다. 이 접착재를 실리콘 가루에 섞어 동박에 도포하면, 실현이 어려웠던 벗겨지기 어려운 부극재가 만들어진다.

성능 시험에서는 수명은 1.7배, 용량은 1.5배로 향상하는 것을 확인하였다. EV 등의 항속 거리를 늘리기 위해, 도요타자동차와 독일 메르세데스 벤츠 등이 관심을 보이고 있다.

I.S.T는 1994년에 듀폰으로부터 폴리이미드 사업을 인수. 인수액을 둘러싼 교섭은 한때 파행을 겪었으나 창업자인 사카네(阪根) 회장은「포기할 수 없다」라며 큰 승부를 걸고 손에 넣었다. 그 후에 미국 Monsanto로부터도 폴리이미드 사업을 인수하였다. 프린터의 토너 정착 튜브 등, 세계 시장 점유율 1위의 폴리아미드 제품을 잇달아 실용화하였다. 사카네 회장은「대형 배터리 업체와 협력하여 접착재로 배터리의 상식을 깨고 싶다」라고 의욕을 보였다.

정극과 부극 사이에 끼어서, 절연하면서 이온 만을 투과하는 세퍼레이터. 이온이 왕래하는 미세한 구멍은 고온이 되면 녹아서 막기 때문에, 발화도 방지하는 중요 부재다. 아사히카세히와 도레이의 2대 기업이 세계 점유율의 과반을 차지하지만, 맹추격하는 업체가 있다.

도쿄증권거래소 1부에 상장된 세퍼레이터 기업인 더블 스코프. 한국인인 최원근 사장이 고향을 떠나 일본에서 창업한 업체다. 민생용이 중심이며, 지금까지는 2대 기업의 그늘에 가려져 있었지만, 대형 배터리 기업이 더블 스코프의 생산기술에 큰 관심을 보이기 시작하였다.

  -- (중)에 계속 --

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