일본산업뉴스요약

Material X – 제2부 미래를 만들어라(하)
군웅할거의 차세대 배터리
산요화학,「오일 수지」에 도전

「배터리의 거의 대부분을 수지로 만들 수 있게 된다」. 교토를 지반으로 하는 화학품업체 산요화학(三洋化成)의 가쓰라연구소가 극비 프로젝트로서 개발을 추진해 온 차세대 배터리는 놀라운 구조를 갖는다. 이온의 수수를 담당하는 활물질 등 극히 일부를 제외하고 금속을 사용하지 않는다고 한다.

--「유령사원」취급 --
전극재료가 되는 활물질의 입자를 젤 상태의 전해액으로 싸서, 수지 기재에 도포하여 전극을 형성한다. 전극을 두껍게 할 수 있는 데다, 배터리 소자를 직렬로 적층하여 셀로 하는「바이폴라 식」배터리가 가능해진다. 보다 작고, 고출력, 고용량의 배터리가 가능하면, 설계 자유도가 올라가고 초소형 기기나 웨어러블 기기의 실용화의 길이 열린다.

프로젝트의 시동은 2012년이었다.「이례적인 체제로 추진해 왔다」라고 후쿠이(福井) 소장은 회상한다. 사내에서 모인 약 50명의 연구원은 소속이 없었다. 직책도 명함도 없는「유령사원」취급이었다. 정보 누설을 방지하기 위해 개발 내용은 사장과 담당 임원만이 공유하였다. 지금도 기술의 상세한 내용에 대해서는 함구한다.

「사내에 배터리 전문가는 없다. 모두 아마추어다」. 후쿠이 소장은 이렇게 말하며 웃는다. 산요화학이 주로 제조하는 것은 기저귀용 수지나 토너 재료 등 배터리 재료와는 무관한 것이다. 신형 배터리를 제창하고, 프로젝트에 참여하는 게이오대학 정책∙미디어연구과의 호리에(堀江) 교수는「신형 배터리의 열쇠가 될 요소기술을 갖고 있던 것은 산요화학이었다. 첫 미팅에서 협력하기로 결정하였다」라고 말한다.

도전성 재료와 함께 겔 상태로 가공하는 전해액. 자기 무게의 수백 배의 수분을 흡수하는 기저귀용 수지 기술이다. 미세한 입자를 겔 상태의 전해액으로 감싸는 구조에서는 토너 수지의 경험을 활용하였다.「요구를 듣고, 사내 기술에서 해결책을 찾는다. 하는 일은 지금까지와 동일하다」라고 에너지사업추진 프로젝트의 신도(進藤) 리더는 말한다.

이미 복수의 소재업체와 제휴를 맺었다. 사업화에는 새로운 제조장치도 필요하다. 앞으로는 프로젝트에 참가해 줄 장치 제조업체를 찾을 생각이다. 프로젝트에는 닛산자동차도 참여한다. 차량탑재용으로 고용량화를 더욱 추진할 필요가 있으며, 오일 수지 배터리에 대한 도전은 이제 막 시작되었다.

리튬이온 배터리의 패권을 둘러싼 투자 경쟁이 과열되는 가운데, 수면 밑에서는 2차 배터리 시장의 세력도를 바닥부터 완전히 뒤집는 차세대 배터리의 개발이 조용히 진행되고 있다.

현재의 차량탑재용 리튬이온 배터리를 대신하는 최고의 차세대 배터리로 평가 받는 것이「전고체 배터리」다. 주요 4부재 중 이온을 이동시키는「전해액」을 고체로 하여,「세퍼레이터(절연재)」가 불필요해진다. 누액으로 인한 발화 위험이 낮고, 고용량, 긴 수명, 급속 충전이 가능한 꿈의 배터리다. 중국이나 영국, 프랑스 정부의 지원으로 가장 유력한 차세대 에코카로 부상한 전기자동차(EV)용으로 도요타자동차 등이 개발을 서두르고 있다.

고체 전해질은 용제에 유화물계 분말을 섞어 도포하고, 건조시켜 생긴 전해질을 전극에 겹쳐 쌓아서 만드는 것이 주요 제조 방법이다. 전자 부품 제조에 사용하는 전기로에서 양산을 목표로 하는 미쓰이금속이나, 석유의 정제 과정에서 나오는 유황을 활용하는 이데미쓰코산(出光興産) 등, 고체 전해질에 착안하는 기업은 많다.

히타치조선도 야망을 품은 기업 중 하나다. 히타치조선이 주목한 것은 자회사인 에이치앤에프가 갖고 있는 자동차 차체의 대형 프레스 가공 기술이다. 분말만을 직접 프레스 성형하여 널조각 모양의 전해질을 만드는 기술을 고안해냈다.

타사가 모방할 수 없는 것은「프레스 전에 분말을 균일한 두께로 깔아서 전극층과 고밀도로 밀착시키는 기술」(기능성재료사업추진실의 스나야마(砂山) 참사)이다. 유화물계 분체(粉體)는 부드럽고 프레스하면 늘어난다. 분체가 평면 상에 정밀하게 늘어서 있으면 있을수록 전극의 활물질에서 나오는 리튬이온의 왕래는 활발해진다.

타사의 전고체 배터리와의 비교 검증은 어렵지만,「용량은 크게 할 수 있고, 수명을 연장시킬 가능성은 높다」(스나야마 씨)라고 보고 있다. 제조 공정에 도포나 건조 공정은 없고, 분체를 정밀하게 늘어놓고 프레스만 하면 되기 때문에 저비용으로 생산할 수 있다는 이점도 있다.

현재의 전해질 두께는 100마이크로미터(마이크로는 100만분의 1)지만, 액체 수준인 15~20마이크로까지 슬림화하는 것을 목표로 한다. 이미 혼다에 시작품을 제공하고 있으며, 성능을 확인 중이다. 이르면 20년에라도 실용화하고 싶다.

-- 세력의 교체 --
기존의 리튬이온 배터리와 구조가 다른 전고체 배터리의 등장은, 정극이나 부극 등 주요부재의 제조업체가 완전히 교체될 가능성을 품고 있다.

FDK와 후지쓰연구소가 공동 개발한 전고체 배터리 대응의 정극 재료「피로인산 코발트 리튬(Li2CoP2O7)」은 업계의 이목을 집중시켰다. 기존의 정극재보다 높은 전압에 견딜 수 있고, 1.5배의 에너지 밀도가 있다. 이론 상으로는 2배로 높일 수도 있다고 한다.

유화물계와 산화물계의 2개로 대별되는 고체 전해질 중, 배터리의 출력에 직결하는 이온 전도율은 뒤떨어지지만 취급이 용이한 산화물계와 조합하여, 주로 웨어러블 단말 등의 소형기기에서의 사용을 전망하고 있다. 올해 말까지 전고체 배터리의 샘플 출하를 목표하고 있다.

활발하게 연구 개발이 진행되고 있는 고전체 배터리지만, 최대 난관은 양산 기술의 확립이다. 그래서 미쓰비시가스화학이 주목한 것은 유화물계도 산화물계도 아닌 제3의 복병「착수소화물(Complex hydrides)」이다. 리튬과 붕소, 수소의 화합물로「유화물계나 산화물계보다 양산성이 훨씬 뛰어나다」라고 신규사업개발부의 가시바(加柴) 매니저는 설명한다. 최대 특징은 액체에 녹는다는 것이다. 도포나 인쇄 등 가공성에 뛰어나고, 유연하며 성형하기 쉽다. 상당히 가벼운 점도 특징이며, 연구에서는 무게를 기존 전고체 배터리의 절반 이하로 할 수 있었다고 한다.

과제는 이온의 전도율이 유화물계나 산화물계와 비교하여 낮다는 점이다. 5종류의 착수소화물의 특성에 맞춰, 시행착오를 겪으면서 성능 개선을 하고 있다. 우선은 소형 전자기기 용도 등, 10개 이상의 배터리 제조업체에게 전해질의 평가를 받고 있다.

가장 빨리 양산 체제를 완비하여, 차세대 배터리의 거대 시장을 제패하는 것은 누구일까? 소재 기술의 정수를 살린 전쟁에서 승리가 결정될 날이 멀지 않았다.

  -- 끝 --