전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.2 (p10~12)

도시바가 2028년에 LNMO 배터리 실용화
5분만에 충전 및 수명은 6천 번, 음극 측도 고안해 기존 전해액으로도 높은 신뢰성 확보

도시바는 2023년 11월 28일, 5V 급의 고전위 양극 재료인 스피넬(Spinel) 구조의 니켈 망간산화물(LNMO)과 고용량 및 고출력의 음극 재료인 니오브티타늄계 산화물(TiNb₂O₇: NTO)을 이용한 새로운 리튬이온2차전지(LIB)를 개발했다고 발표했다.

이 신형 LIB는 기존의 LIB와 달리, 코발트(Co)를 일절 사용하지 않고, 음극에 리튬이 나뭇가지 형태로 석출되는 ‘덴드라이트(수상돌기)’가 성장해 단락 가능성이 거의 없고, 부반응에 의한 가스 발생도 없는 등 안전성이 높다.

또한 에너지밀도도 인산철리튬계 LIB(LFP)와 동등하거나 조금 높고, 충∙방전도 매우 빠르다. 도시바에 따르면, “5분만에 0%에서 80%로 충전할 수 있다”. 또한, 저온에 강하고 60℃의 고온에도 강하다. 뿐만 아니라 충∙방전 사이클 수명이 약 6,000회로 길다. 용량은 1.5Ah라고 한다.

-- 저전압을 고전위 양극으로 해결 --
도시바는 지금까지 음극에 티탄산리튬(LTO)을 사용한 독자적 LIB ‘SCiB(Super Charge ion Battery)’를 개발해 전기자동차(EV)와 신칸센 등 다양한 용도로 실용화하고 있다. 일반적인 LIB에 비해 안전성이 높고, 수명이 길며, 급속 충∙방전, 저온에 강하다는 등, 많은 특징을 갖추고 있다.

하지만, SCiB에는 과제도 있었다. 출력 전압이 약 2.4V로 낮고, 에너지 밀도도 낮다는 점이다. 그 이유는 크게 2가지. (1)LTO의 전위가 일반적인 LIB에서 사용되는 흑연 음극보다 높기 때문에 정극 재료와의 전위차가 작다는 점 (2)LTO의 전류 용량 밀도 자체가 낮다는 점이다. (1)은 리튬 석출이 어려우며, 이것은 안전성이 높다는 것의 반증이기도 하다.

도시바는 2021년, LTO 음극을 대신해 NTO 음극을 이용함으로써 (2)의 에너지밀도 과제를 크게 개선했다고 발표했다. NTO는 전위나 급속 충∙방전 성능이 LTO와 거의 같고, 전류 용량 밀도는 약 3배 높다. 도시바에 따르면, NTO 음극을 이용한 차세대 SCiB의 샘플 출하를 2024년에 개시한다고 한다.

한편, (1)의 출력 전압이 낮다고 하는 과제는 거의 그대로 남아 있었다. 이번에 도시바는 양극의 활물질로서 전위가 매우 높은 5V 급 LNMO를 채택함으로써 NTO 음극과의 전위차를 넓혀 출력 전압을 3.15 V까지 높였다.

이를 통해 덴드라이트가 생기기 어려운 점은 SCiB와 같은 수준이면서 출력 전압은 LFP와 거의 동등, 에너지밀도도 동등하거나 약간 웃도는 배터리를 실현했다.

-- 계속되는 부작용 --
하지만, 지금까지 5V 급 양극 재료를 이용하는 시도에는 해결해야 할 과제가 산적해 그 배터리의 실용화는 진행되지 않았다. 구체적으로는, 양극 재료의 전위가 높기 때문에 전해액이 분해되는 부반응이 일어나 가스가 발생. 또한 용출된 양극 재료의 금속이온이 음극에 도달하고, 거기서도 부반응이 일어나 가스가 발생한다. 그 결과, 배터리의 수명은 짧고, 안전성도 담보할 수 없었다.

지금까지, 고전위 양극에 대한 이러한 과제에는 전해액으로 불소계 용매나 이온 액체를 이용하거나, 고농도 전해액을 이용하는 대책이 시도되어 왔다. 그러나, 리튬이온의 전도성이 저하되는 등의 상충관계가 있어, 실용화에는 이르지 못했다.

-- 음극 측의 대책으로 과제를 해소 --
이번에 도시바는 기존의 전해액을 이용하면서 지금까지의 과제를 2가지 대책으로 거의 해소할 수 있었다고 한다. 하나는, 양극 재료의 입자를 표면 코팅해, 전해액과의 부반응을 억제한 점. 또 하나는 용출된 금속이온을 음극 쪽에서 물리적으로 제어해 전해액 안의 금속이온 농도가 높아지지 않도록 한 점이다. 이를 통해 가스 발생이 거의 없어졌다고 한다.

지금까지 전해액의 분해를 억제하는 수단으로 양극 재료의 코팅은 이미 실용화되어 있었지만, “양극과 음극 전체에 대한 대책을 마련한 것은 우리가 처음. 특히, 산화물계 음극 재료에 대해서는 지금까지의 노하우를 활용”(도시바), 음극에 있어서의 금속 이온 제어가 기여했다고 한다.

-- 5분만에 충전, 고온에도 강하다 --
새롭게 개발된 신형 배터리는 전술한 바와 같이, SCiB와 마찬가지로 5분에 80%까지 충전할 수 있고, 출력도 방전 레이트 5C 이상으로 대전류를 낼 수 있다. 또한 기존의 LIB에서는 충∙방전 사이클이 거의 작동하지 않는 60℃의 고온에서도 높은 용량 유지율을 유지할 수 있다. LFP의 과제인 저온에 대한 내성도 높다.

도시바는 이 배터리를 2028년에 실용화하는 것을 목표를 내걸고 있다. 초기 응용처는 고전압·고출력을 필요로 하는 한편, 소형이어도 문제가 없는 전동 공구나 산업 기기 용도를 상정하고 있다. 향후에는 차량 용도로의 적용도 상정하고 있지만, “배터리를 대형화, 대용량화 했을 경우에 새로운 과제가 나오는지에 대한 검증은 지금부터 실시할 예정이다”(도시바)라고 한다.

 -- 끝 --

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