일본산업뉴스요약

차세대 배터리 – 혁신의 파워 (상)
전고체형, EV의 원동력
고출력이지만 양산 등이 과제

최근 전세계적으로 전기자동차(EV)와 재생 가능에너지 발전에 꼭 필요한 차세대 배터리 개발이 활발하다. 비용 및 성능 등에서 기존의 리튬이온전지를 앞서는 재료들이 속속 등장. 해외에서는 가솔린차 판매 금지를 검토하기 시작하고 있어, 특히 EV 배터리에 관심이 집중되고 있다. 배터리 혁신의 원동력이 될 것으로 기대를 모으고 있는 새로운 기술의 현황을 살펴보았다.

“차세대 배터리로는 전고체형이 가장 실용화 가능성이 높다”라고 주장하는 사람은 아사히카세이(旭化成)의 요시노(吉野) 명예 펠로우. 리튬이온전지를 탄생시킨 장본인 중 한 사람으로, 노벨 화학상 후보에도 올랐다. 이러한 인물이 전고체형에 대한 전망을 높이 평가하는 것은 의미가 크다.

리튬이온전지는 정극과 부극 사이를 리튬이온의 통로가 되는 전해액이 흐르는 구조이다. 현재 사용되는 리튬이온전지는 연소되기 쉬운 유기용매를 사용하고 있다. 전고체 배터리는 잘 연소되지 않는 고체 전해질을 사용하기 때문에 안전성이 향상된 것으로 알려져 있다.

전고체 배터리에 대한 관심이 높아진 계기가 된 것은 2011년 도쿄공업대학의 간노(菅野) 교수 팀이 도요타자동차 등과 공동으로 개발한 새로운 고체전해질 때문이다. 리튬이온이 잘 흐르는 정도를 나타내는 이온 전도율 수치에서 전고체형은 기존의 전해액을 능가했다. 이온 전도율이 높을 경우, 배터리의 출력이 높아진다. EV에 탑재된다면 많은 전력을 필요로 하는 발진 및 가속 등의 주행 성능이 향상될 전망이다.

도쿄공업대학 등으로 구성된 연구팀은 원소의 종류 등을 바꿔 재료 개선을 추진. 2016년에는 전고체형의 이온 전도율이 기존 전해질과 비교해 약 2배, 출력은 3배 이상 향상되었다. 시작(試作)한 배터리는 충∙방전을 천 번 반복해도 용량은 거의 낮아지지 않았고, 수명도 길어졌다.

급속 충전도 가능해질 것으로 기대되고 있지만, 기존의 리튬이온전지와 마찬가지로 내부에 결정이 생겨 쇼트가 발생하는 문제가 발견되었다. 이 문제가 해결된다면 수 분만에 충전할 수 있는 길이 열리게 된다.

현재의 고체 전해질은 유황을 포함하고 있어 공기 중의 수분과 접촉할 경우 가스가 발생된다는 결점도 가지고 있다. 연구팀의 실험실에는 특수한 밀폐 용기가 있어 장갑을 사용해 내부에서 작업을 추진. 외부로부터 공기가 유입되지 않도록 하고 있다. 재료 합성에서 배터리 조립까지 모든 과정에 주의가 필요해 양산에는 아직 많은 걸림돌이 있다.

이를 해결할 방법은 이온 전도율을 향상시키는 것이다. 요시노 명예 펠로우는 “전도율이 전해액의 10배가 된다면 간단히 제조할 수 있다”라고 지적. 분말 혼합 등 간단한 공정으로 배터리를 조립할 수 있게 될 것으로 전망하고 있다.

간노 교수 팀이 올해 개발한 희귀 금속을 사용하지 않는 고체 전해질은 비용을 3분의 1로 낮아졌지만, 전도율은 액체와 거의 동일한 수준까지 낮아졌다. 가스 발생을 낮추는 등의 개선을 추진하기 위해서는 기존 성능을 높이지 않으면 안 된다. 배터리의 용량을 결정하는 전극 선택도 어렵다. 간노 교수는 “현재 여러 연구팀들이 전극에 적합한 재료를 찾고 있는 단계이다”라고 말한다.

물질∙재료연구기구의 다카다(高田) 부거점장 팀은 새로운 부극을 개발. 일반적으로 사용되던 탄소에서 실리콘으로 바꿔 부극의 용량을 기존 리튬이온전지의 약 10배로 높였다. 배터리 전체 용량은 50% 정도 늘어날 전망이라고 한다. 산소를 혼합하는 등의 방법을 통해 실리콘이 균일하게 팽창하도록 해 전극의 파괴를 방지했다. 다카다 부거점장은 “원리는 실증에 성공했지만 양산을 위한 기술이 필요하다”라고 말한다. 실험에서는 기판에 실리콘 막을 만들어야 하는 공정이 있어 손이 많이 간다고 한다.

도요타는 2020년대 전반에 전고체전지의 실용화를 목표로 하고 있다. 2020년대 중반까지 기술적인 과제를 해결할 수 있다면 2030년경에는 EV로의 탑재가 실현될 수 있을 전망이다. 리튬이온전지를 능가하는 성능이 발휘될 수 있을 지가 보급의 열쇠가 될 것이다.

▶ 고출력의 전고체전지 양산 등에 과제

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