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Nikkei X-TECH_2024.10.17

무라타제작소, 새로운 구조의 리튬이온전지 선보여
전류가 통하지 않는 집전체 시트로 출력 4배

무라타제작소(村田製作所)는 첨단기술종합박람회 ‘CEATEC 2024’(지바 시 마쿠하리멧세, 10월 15~18일)에서 새로운 구조의 리튬이온2차전지(LIB) 집전체 시트와 셀을 선보였다. 무라타제작소는 이 기술 개발에 대해 올 9월 30일에 발표한바 있다.

무라타제작소는 이 기술을 통해 LIB의 용량 및 에너지 밀도를 저하시키지 않고 출력 밀도를 4배로 높일 수 있으며, 충전 시간을 1/4로 단축할 수 있다고 한다. 이 기술은 미국 스탠퍼드대학과 공동으로 개발한 기술이다.

-- 외관상으로는 바이폴라 구조 --
이 LIB의 구조는 한쪽 면에 양극, 다른 한쪽 면에 음극이 형성되어 있는 시트를 겹쳐 만들어진 것이다. 이것만 들으면, 바이폴라(Bipolar) 구조의 배터리와 같다고 생각할지도 모른다. 그러나 바이폴라 구조와는 결정적인 차이가 있다. 시트가 수지 절연체라는 점이다.

각 전극은 각각의 집전체와 함께 수지 시트상에 형성되어 있다. 즉, 수지 시트의 양극 측에는 우선 알루미늄의 집전체 층을 형성하고, 거기에 양극 재료를 성막. 시트의 음극 측에는 구리의 집전체 층을 형성하고, 그 다음 음극 재료를 성막한다.

이번에 무라타제작소가 선보인 것은 양극 재료나 음극 재료를 성막하기 전인 알루미늄과 구리의 집전체 층만을 형성한 수지 시트 ‘다공성 집전체(Porous Current Collector, PCC)’와 그것을 이용해 제작한 셀이다. PCC는 한쪽 면을 보면 마치 알루미늄박, 다른 쪽 면을 보면 구리박인 것처럼 보인다. 하지만 이 집전체 층 자체가 다공질 형태로 되어 있어 리튬이온 등이 통과한다.

-- 집전체 시트가 세퍼레이터 역할도 겸해 --
이 PCC는 이름은 집전체이지만, 수지 시트 자체는 절연체로, 전자로 이루어진 전류는 시트를 관통하는 방향으로는 통과하지 않는다. 한편, 다공질 형태로 되어 있기 때문에 전해액이나 리튬이온은 통과한다. 기존의 집전체는 전류는 통과하지만, 리튬이온 등은 통과하지 않는다. 즉, PCC의 역할은 기존의 집전체와는 반대로, 세퍼레이터에 가깝다. 하지만, 기존의 세퍼레이터도 이 수지 시트와는 별도로 사용해 셀을 적층해 나간다.
참고로 전류는 기존형의 적층셀과 같이 양극과 음극의 각 집전체로부터 탭 등을 통해 셀 외부로 일단 빼내고 직렬의 경우에는 다음 셀에 접속한다.

-- 리튬이온의 경로 길이가 1/2로 --
그 결과, 각 전극, 예를 들면 양극은 충∙방전 시에 그 양쪽 면으로부터 리튬이온이 출입한다. 기존의 한쪽 면에서만 리튬이온이 출입하는 케이스에 비해 양극 재료를 통과하는 리튬이온의 경로 길이가 1/2이 된다.

음극에서도 마찬가지로 리튬이온의 경로 길이가 1/2이 된다. 즉, 리튬이온의 양극과 음극간의 거리가 실질적으로 1/2이 되는 것이다. 전류 흐름의 용이성에 대해서는 기존 타입의 LIB와 다르지 않지만, “전지의 내부 저항은 각 전극 내부에 있어서의 리튬이온의 전도 용이성에 의해 거의 결정된다”(무라타제작소). 따라서, 내부 저항치는 약 1/2, 전류치는 약 2배가 된다.

이 때, 회로 부하에 있어서의 전력은 전류의 제곱에 비례하기 때문에, 배터리의 출력 밀도는 4배, 충전 시간은 1/4이 된다.

에너지 밀도는 약 10% 높아진다고 한다. 기존 집전체의 알루미늄박이나 구리박에 비해 집전체 층이 얇아지기 때문에 셀 중량이 약 10% 가벼워지기 때문이다.

-- 셀로 6분 충전을 실증 --
이 PCC를 사용해 시작(試作)한 셀은 4C(15분만에 만충전이 되는 전류치)~10C(6분만에 만충전이 되는 전류치)라는 높은 출력 밀도로 충∙방전해도 셀의 실효적인 용량이 저하되지 않았다고 한다.

-- EV에서 비행체까지 사용 가능 --
무라타제작소는 이 기술이 대용량 배터리에도 적합해 기존의 전동 공구나 전기자동차(EV)는 물론, 지금까지 LIB로는 대응할 수 없었던 대형 버스나 트럭, 나아가 비행체의 전동화에도 도움이 될 가능성이 있다고 한다.

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