일본산업뉴스요약

차세대 배터리 -- 혁신의 파워 (하)
목표는 탈(脫)리튬
저렴한 가격이 매력, 전극에 적합한 재료 찾기가 과제

리튬이온전지에 꼭 필요한 리튬의 가격 상승이 계속 이어지고 있는 가운데, 리튬 대신 지구에 풍부하게 존재하는 나트륨과 마그네슘으로 대체한 차세대 배터리 개발이 추진되고 있다. 크기 등 성질이 다르기 때문에 각각의 전극에 적합한 재료를 찾아야 하는 것이 과제이다. 하지만 조만간 출력과 용량이 향상되어, 가격이 저렴한 상품 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

도쿄이과대학의 고마바(驅場) 교수는 11월, 나트륨을 활용한 차세대 배터리에 대한 국제 회의를 도쿄에서 열었다. 올해로 4번 째인 이 회의는 12개국에서 약 100명의 연구자가 모여 성과를 발표했다. 고마바 교수는 “실용화에 필요한 기초 기술은 다 완성되었다”라며 자랑스러워 했다.

고마바 교수는 해수로부터도 채취할 수 있는 마그네슘에 주목했다. 2011년, 망간과 니켈의 층형 산화물을 정극으로, 하드 카본(Hard Carbon)이라고 하는 탄소 재료를 부극으로 사용한 배터리를 시작(試作)해, 100회 충∙방전에 성공. 현재는 미쓰비시케미컬과 협력해 연구를 추진하고 있다.

연구에서는 철과 망간을 사용해 코발트 등 고가의 희귀 금속을 포함하지 않는 정극도 개발했다. 부극에 사용하는 금박도 저렴하지만 리튬과 잘 반응하는 알루미늄박으로 대체할 수 있다고 한다. 이를 통해 배터리 가격을 리튬이온전지의 80% 정도로 낮출 수 있을 전망이다.

도쿄덴키(東京電機)대학의 야부우치(藪內) 조교수는 충∙방전을 반복해도 용량이 잘 줄어들지 않는 전극을 개발했다. 그는 “충전 시간은 짧아졌고 출력은 높아졌다”라고 기대감을 나타냈다.

나트륨은 리튬에 비해 용매를 끌어들이는 힘이 약해 이온이 자유롭게 돌아다니기 쉽다. 반면, 이온의 크기가 커 배터리가 무거워지는 단점도 가지고 있다. 마그네슘으로 대체될 경우 배터리 용량은 커진다. 도쿄이과대학의 이데모토(井手本) 교수는 “이론적으로는 용량이 2배가 된다”라고 설명한다. 리튬이나 마그네슘은 하나의 이온으로 하나의 전자가 움직이지만, 마그네슘은 하나로 두 개의 전자를 움직일 수 있기 때문이다.

고용량으로 이어지는 이러한 특성은 문제도 일으킨다. 이온의 플러스 전기가 강해져 많은 용매를 끌어당기기 때문에 전해액 및 전극에서의 움직임을 방해하는 것이다. 고온을 유지해 이온을 움직이기 쉽도록 하는 등의 기술이 필요하다.

이데모토 교수 팀은 수 회의 충∙방전에 견디는 정극과 리튬이온전지를 뛰어넘는 고용량 정극을 개발했다. 앞으로는 정극의 내구성을 높이고, 부극 등을 개발하는 연구 팀과 협력해 배터리 시작을 목표로 하고 있다. 고온에서 사용될 수 있도록 자연 에너지로 생산한 전기를 저장하는 고정용 축전지를 상정하고 있다.

사이타마(埼玉) 현 산업기술종합센터는 혼다(本田)기술연구소 등과 공동으로 전해액과 정극을 개발. 전해액으로 정극의 표면에 막을 만들어 이온의 출입이 쉬워지도록 했다. 정극은 바나듐의 층형 산화물을 활용. 암모니아를 이용해 이온이 들어갈 수 있는 빈 공간을 넓혔다.

개발한 전해액과 정극을 시험한 결과, 50회의 충∙방전에도 용량은 90% 유지되었다. 산업기술종합센터의 구리하라(栗原) 전문연구원은 “상온에서도 사용이 가능한 것이 특징이다”라고 말한다. 현재 용량은 높지만 출력이 낮아, 스마트폰 등으로의 응용을 계획하고 있다.

리튬을 다른 원소로 대체한 배터리는 리튬이온전지 공장에 있는 생산 설비를 활용할 수 있어, 전고체 배터리 등 차세대 배터리에 비해 생산 비용을 낮출 수 있게 된다. 리튬이온전지의 정극 재료를 발견한 미즈시마(水島) 도시바 리서치컨설팅최고책임자는 “고가의 코발트밖에는 좋은 전극이 없어, 리튬이온전지만으로 자동차를 움직이는 것은 어려울 것이다. 철과 망간으로 전극을 만들 수 있는 나트륨에도 주목해주었으면 한다”라고 말한다.

고마바 교수는 “리튬 외에도 전극에 사용될 가능성이 있는 재료는 많다”라고 말한다. 기대하는 성능을 끌어내기 위해서는 재료 탐색이 꼭 필요하다. 좋은 재료가 발견된다면 리튬이온전지가 직면하고 있는 비용 및 성능의 한계를 뛰어넘는 기폭제가 될 수 있을 것이다.

▶ 리튬과 대체 재료의 특징

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