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TDK, 세라믹 전고체배터리 개발
IoT기기에 활용 전망

TDK는 전해질에 고체의 산화물을 사용한 세라믹제의 칩 모양의 전고체배터리 ‘CeraCharge’를 개발하였다. 전자기판에 직접 실장할 수 있으며, IoT기기용 배터리로서 이번 봄에 양산을 시작한다. 전해질이 액체인 코인 모양의 배터리와 비교하여 내구성이 높고, 충방전할 수 있다. 세라믹을 태울 때 부서지기 쉬웠지만 동(銅)으로 된 집전체를 사용하는 등의 방법으로 쉽게 부서지지 않도록 하였다.

전고체배터리는 전해질 등 모두 고체재료로 만들고 있다. 리튬이온 배터리나 건전지, 버튼형 배터리는 액체 전해질을 사용하고 있다. 전고체배터리는 전해질이 빠져나와 인화(引火)할 위험성이 없고 고온이나 저온 환경에서도 쉽게 열화되지 않는다. 컴퓨터나 스마트폰, 자동차에서 일반적인 리튬이온 배터리를 대신하여 차세대 배터리로서 기대를 받고 있다.

‘CeraCharge’는 전해질이나 전극에 리튬계 세라믹 산화물을 사용하여 적층하여 제조한다. 적층세라믹콘덴서(MLCC)의 제조기술을 활용하여 양산에 대한 계획을 세웠다.

MLCC는 전하를 모으기만 하지만 세라차지는 화학반응으로 전력을 일으키기 때문에 MLCC와 비교하여 전력량을 수십~수백 배로 늘릴 수 있다. 소형 IoT기기의 전원으로 이용할 수 있다.

세라차지의 개발을 주도하는 오이시(大石) 씨는 태양광 배터리에 세라차지를 조합한 소형 비콘을 시작(試作)하였다. 배터리 교환이 불필요한 구조로 하여 보수 점검의 횟수를 줄인다. 오이시 씨는 고객기업과의 대화를 통해 “지금까지 없었던 시장을 개척하고 싶다”라며 많은 주문을 받고 있다.

TDK가 전고체배터리의 개발을 본격적으로 시작한 것은 2014년. MLCC의 생산기술을 사용하면 칩 모양의 전고체배터리를 개발할 수 있을 것으로 생각했다. 전극 재료로 화학반응에 관계하는 활물질 소재를 선택하여 배터리 용량을 늘렸다.

과제는 세라믹 재료를 적층한 후에 가열하여 굽는 소성공정이다. 열을 가할 때에 재료가 부서지거나 품질이 안정적이지 못한 문제가 있었다.

오이시 씨는 다양한 재료로 시작을 거듭하여 집전체에 동을 사용하면 소성공정에서도 안정적으로 제조할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 오이시 씨는 “안정된 생산을 실현하는데 고생했다”라고 말한다. 전해질이나 내부 배터리에 리튬계 세라믹 산화물, 집전체에 동을 사용함으로써 안정적으로 생산이 가능하다는 것을 알았다.

세라차지의 크기는 폭 4.5mm, 안 길이 3.2mm, 두께 1.1mm로 작다. 큰 전자기기의 주전원으로는 적합하지 않다. 칩 모양의 전고체배터리는 소비전력이 작은 민생기기용으로 적합하다.

도요타자동차 등이 개발을 추진하고 있는 전기자동차용 전고체배터리는 구조가 다르다. 입자 모양의 전해질을 층 모양으로 적층한 구조로 되어 있다. 아무튼 TDK의 이시구로(石黒) 사장은 “전고체배터리에 대한 요구는 높아지고 있다”라고 말한다.

MLCC를 제조하는 무라타제작소와 다이요유덴(太陽誘電)도 개발을 추진하고 있으며, 19년 전후에 시장 투입을 목표하고 있다. 무라타제작소에 앞선 TDK는 우선 세라차지를 소전력의 시계 부품이나 근거리무선통신 ‘블루트스’의 발신기, 태양광 배터리의 축전지용으로 제공한다. 오스트리아의 공장에서 월 3만개 정도 생산하여 조기 사업화를 목표한다.

▶전고체배터리
전해질 등 모든 구성재에 고체 재료를 사용한 배터리. 안전성이 높고 대용량화나 급속충전에 적합하다는 특징이 있다. 고체의 전해질 개발이 과제다. 널리 보급되고 있는 리튬이온 배터리는 전해액에 쉽게 연소하는 유기용매나 폴리머를 사용한다. 때문에 충돌 등의 충격으로 파손되어 전해액이 새어 나오거나 인화하여 연소될 위험이 있었다.

전기자동차(EV) 등에 탑재하는 대용량 형은 자동차회사나 자동차부품회사가 2020년대 전반 무렵의 실용화를 목표하고 있다. 고온∙저온의 환경에서도 사용할 수 있기 때문에 항공우주 분야에서의 이용도 기대된다.

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