일본산업뉴스요약

차세대 배터리 – 혁신의 파워 (중)
한계를 뛰어넘는 ‘농후 전해액’
리튬이온전지의 발화 위험 억제

소니와 아사히카세이(旭化成) 등이 1997년에 최초로 실용화한 리튬이온전지. 이후 개량이 이루어지며 성능은 향상되었지만 그 한계도 보이기 시작하고 있다. 리튬이온전지의 한계를 뛰어넘을 수 있을 것으로 기대를 모으고 있는 기술이 고체 전해질에 가까운 성질을 가진 ‘농후 전해액’이다. 전극을 개량해 성능을 높이는 연구도 추진되고 있다.

요코하마국립대학의 와타나베(渡辺) 교수는 농후 전해액에 대해 “전해액 농도를 짙게 만들어 고체에 가까운 성질을 가진 것이다”라고 말한다. 고체와 동일하게 휘발되지 않고 잘 연소되지 않는 특징이 있어, 안전한 배터리로 이용될 수 있다. 와타나베 교수는 기존에 비해 리튬이온의 농도를 3배로 높인 전해액을 개발한 장본인이다.

통상적인 전해액에서는 일부 유기 용매의 분자만이 리튬이온에 결합했다. 결합하지 않는 자유로운 분자는 전해액에서 멀어져 공기 중에 휘발되기 쉽고, 충전과 방전이 반복되면서 전자 등과도 반응해 전해액과 전극 등이 열화(劣化)되는 원인이 되기도 한다. 이를 해결하기 위해 와타나베 교수가 주목한 것은 ‘글라임(Glyme)’이라는 종류의 유기 용매의 리튬이온을 둘러싸는 성질이다. 혼합 비율을 연구해 글라임의 거의 모든 분자가 리튬이온에 결합하는 조건을 발견. 전극 등의 열화를 억제하고 긴 수명의 배터리가 될 수 있을 것으로 전망하고 있다.

도쿄대학의 야마다(山田) 교수 팀은 2014년, 농후 전해액을 이용해 배터리의 충전 시간을 3분의 1 이하로 줄이는데 성공했다. 야마다 교수는 “당시에는 고농도의 리튬이온은 반응이 늦어 전해액에 적합하지 않다고 인식되었다”라고 말한다.

올해에는 잘 연소되지 않는다는 특성뿐만 아니라, 소화기 역할도 하는 농후 전해액을 개발했다. 인산트리메틸이라는 잘 연소되지 않는 유기 용매를 활용. 불에 가까이 대도 인화되지 않고, 섭씨 200도까지 가열하면 증기가 발생되어 불이 꺼진다. 발화 위험성을 낮춘 배터리 개발로 이어질 수 있을 것이라고 한다.

이처럼 다양한 기능을 기대할 수 있는 농후 전해액이지만, 비용 측면에서 과제가 남아 있다. 리튬이온을 포함한 물질은 실험용으로 합성된 재료로, 가격이 비싸다고 한다. 야마다 교수는 “특수한 재료가 아니기 때문에 양산된다면 가격은 낮아질 것으로 보인다”라고 말한다.

전극 개량에서는 새로운 재료 등을 혼합해 용량 및 출력 향상을 목표로 하고 있다. 광학 유리 제조사인 오하라는 급속 방전 및 저온으로 용량이 저하되는 것을 막기 위한 첨가제를 개발했다. 이것은 독자적으로 개발한 ‘LICGC’라고 하는 유리 재료로, 정극에 혼합해 사용된다.

시작(試作)된 배터리는 충전의 3배 속도로 급속하게 방전될 경우 기존 배터리에 비해 용량이 약 40% 증가. 섭씨 영하 20도에서는 약 25% 증가했다. 추운 장소에서도 안정되게 작동하는 배터리 개발로 이어질 수 있을 전망이다. 다른 실험에서는 충전 시간 단축 및 출력 향상 등도 확인되었다고 한다.

급속 충∙방전이 가능한 정극을 개발한 사람은 오카야마(岡山)대학의 데라니시(寺西) 조교. 그는 리튬이온을 끌어당기는 성질을 가지고 있는 금속 산화물에 주목, 티탄과 바륨 등을 포함하는 물질을 입자로 만들어 정극의 표면에 부착했다. 시작한 배터리는 기존의 약 5배의 속도로 충전이 가능했다.

현재 전기자동차(EV)는 급속 충전의 경우에도 수 십 분은 걸려 기름을 공급하면 바로 주행이 가능한 가솔린차에 비해 편리성이 떨어진다. 데라니시 조교는 “이 새로운 기술을 응용할 수 있다면 EV 충전 시간이 단축될 수 있을 것으로 보인다”라고 말한다.

전해액과 전극의 개량으로 리튬이온전지의 성능이 높아질 가능성이 보이기 시작했다. 기존의 상식을 깬 새로운 기술 개발이 추진된다면 리튬이온전지에도 차세대 전지로 나아갈 수 있는 길이 열리게 될 것이다.

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