일본산업뉴스요약

리튬이온전지의 전해질 고체화 추진
전고체전지, 고속충전∙대용량화 및 발화방지기능 향상

휴대폰과 자동차에 필수적인 리튬이온 전지의 성능을 높이려고 하면, 발화 위험성이 증가한다. 전해질에 불타기 쉬운 액체를 사용하고 있기 때문이다. 때문에 전해질을 불타지 않는 세라믹스 등의 개체로 변환하는 ‘전고체 전지’의 개발이 추진된다. 고속 충전과 대용량화를 목표로 대학의 연구 상황을 알아보았다.

“현재 스마트폰의 충전에는 1시간 이상이 소요되지만, 새로운 전지라면 1초 이하로도 가능하다.”라고 호언장담하는 것은 도쿄공업대학의 히토스기 교수이다. 고체 전해질과 전지의 정극 간의 특성을 높이는 것으로 지금까지 없던 순간 충전을 실현하려고 하고 있다.

충전에 시간이 소요되는 것은 다른 고체의 산화물끼리 접촉 불량으로 전기 저항이 높아지기 때문이다. 히토스기 교수는 “원자 수준에서 다른 종류의 고체 사이를 이어준다면 전기 저항이 내려간다.”라는 생각으로 실험을 거듭했다.

정극에는 자동차 업체가 특히 주목하고 있는 ‘산화 리튬∙니켈∙망간’을 전해질에는 인산 리튬을 활용했다. 최첨단 반도체 제조 기술로 정극 표면에 전해질 박막을 성막. 고체 전해질과 정극 간의 저항을 액체 전해질과 정극 간의 5분의 1에서 10분의 1로 줄였다.

대형 반도체 관련 기업과 공동으로 1년 후에는 실용적인 전지의 시제품을 예정하고 있다. 다음 타겟은 자동차 용이다. 대형 자동차 업체와 협력해 박막에서 실증한 저저항을 덩어리로 실현시키고, 장시간 이용 가능한 전지의 개발을 목표로 한다.

과학 기술 진흥 기구(JST)의 프로젝트에서 산화물 전해질을 사용하는 전고체 전지의 개발을 통괄하는 물질∙재료 연구 기구의 다카다 부거점장은 “박막은 순조롭더라도 자동차용 덩어리를 변환하는 데에는 시간이 소요된다.”라며 신중하다. 그런데도 히토스기 교수는 “박막으로 문제를 해결한다면 덩어리에도 통용한다.”라고 자신감을 내비쳤다.

한편 JST 프로젝트에 참가하는 나가사키대학의 야마다 교수는 전류밀도를 올려 대용량화하는 연구를 추진해왔다. 전해질에 세라믹스의 ‘산화 리튬∙란탄∙탄탈’, 부극에 금속 리튬을 사용한다.

전기가 모이는 양에서 부극재로서 금속 리튬보다 나은 것은 없다. 그러나 충방전을 반복하면서 금속 리튬에서 덴드라이트라 불리는 수지 결정이 성장하고, 전해질을 관통하여 정극에 도달해 쇼트하는 문제가 있다.

야마다 교수는 덴드라이트의 성장을 제어하는 기술을 개발하고, 3월에 도쿄도 하치오지시에서 개최된 전기화학회에서 발표했다.

전해질은 산화물 입자를 태워 굳혀서 만든다. 덴드라이트는 소결 후에 입자 간의 틈새를 통해 성장한다. 그러면 입경 약 2마이크로미터의 산화물 입자와 낮은 융점의 수산화 리튬을 혼합해 소결했다. 그 결과 입자 표면을 두께 약 0.05마이크로미터 수산화 리튬이 덮어 틈새가 닫혔다.

통전 실험한 결과, 피복하지 않는 입자를 사용한 타입과 비교해, 쇼트 직전의 전류 밀도를 3배로 올라가는 것이 밝혀졌다. 야마다 교수는 “태양광과 풍력, 진동으로 충전 가능한 센서용 전원으로 실용화를 목표로 한다.”라고 말한다.

전고체 전지의 상품화는 지금부터이지만, 안전하며 고성능이라는 것은 커다란 매력이다. 자동차 이외에 ‘IoT’용 센서와, 원거리에서 자연 에너지 회수용 등의 용도로 기대 받고 있다.

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