일본산업뉴스요약

리튬이온 배터리 전해질, 안전성향상과 대용량화 실현
히타치와 맥셀, 반고체로 난연 및 분말 사용

리튬이온 배터리에서 이온이 전극 사이를 왕래하는 전해질을 개량하는 움직임이 가속되고 있다. 히타치제작소는 점성이 있는 물질을 사용해 ‘반고체’로 함으로써 난연(難燃)을 실현하여 안전성을 높였다. 맥셀(Maxell)은 분말 상태의 고체 전해질과 전극이 융합되기 쉬운 배터리를 개발하여 용량을 1.5배로 늘리는데 성공하였다. 전고체 전해질의 개발을 서두르는 TDK나 도요타자동차에 대항한다.

-- 히타치, 반고체로 난연(難燃) 실현 --
리튬이온 배터리는 충∙방전할 때에 전극 사이를 이온이 왕래하는 매체(유기용매)로서 전해액을 사용하고 있다. 그러나 유기용매는 20도 이하의 온도에서 인화하기 때문에 사고나 충돌로 배터리가 강한 충격을 받아 파손되면 전해액이 새어 나와 발화할 위험이 있다. 발화를 방지하는 보강재나 냉각기구를 마련할 필요가 있어 소형화에는 한계가 있었다.

그래서 히타치는 도호쿠대학 다원물질과학연구소와 공동으로 연구를 추진, 고체 전해질의 분말을 점성 물질에 균일하게 분산시킨 ‘반고체’ 상태의 전해질을 개발하였다. 알루미늄제 라미네이트로 덮은 용량 100와트시의 시작품을 제작한 결과, 인화점이 유기용매보다 100도 이상 높아졌다.

전기자동차(EV)용으로 2020년의 실용화를 목표한다. 안전성을 확인하기 위해 발화 원인이 되는 쇼트(단락)상태를 발생시키는 ‘Nail Penetration’시험을 실시. 기존의 전해액을 사용한 리튬이온 배터리에서는 발화하였지만 반고체의 시작(試作) 배터리에서는 발열이 억제되어 발화하지 않았다.

전해액이 새어 나오지 않도록 주위를 감싸거나 보강재를 마련할 필요가 없기 때문에 배터리를 소형화할 수 있다. 용량의 저하로 이어지는 전극 표면에서의 전해질의 분해 반응을 억제하여 전도성을 높여 용량을 늘릴 수 있다. EV 탑재 시에 문제가 되는 충전 속도도 기존의 리튬이온 배터리와 동일한 정도의 속도를 목표한다. 양산화를 위해 제조 비용을 삭감한다.

차세대 리튬이온 배터리로 주목 받고 있는 전고체배터리는 전해액 대신에 고체 전해질로 이온이 지나는 길을 만든다. 고체이기 때문에 히타치의 시작품보다 안전성에는 뛰어나지만 제조 비용이 높다. 도요타와 파나소닉은 20년대 전반에 실용화하는 것을 목표하고 있다.

히타치그룹의 히타치카세이는 작년 12월에 전고체배터리의 주요 부재 업체인 미국의 Ionic Materials(매사추세츠주)에 출자하였다. Ionic의 시작품을 검증하여 히타치카세이의 배터리 재료에 대한 기술 활용을 검토하고 있다.

-- 맥셀, 분말 재료 사용 --
맥셀은 리튬이온 배터리에서 고체 전해질과 전극재를 개량하여 용량을 늘리는 기술을 조합하여 배터리 용량을 기존보다 50% 늘리는데 성공하였다. 고체 전해질을 사용함으로써 내열성이 높아지고 액체 누출과 발화 위험성도 줄일 수 있다. 이 기술을 활용한 IoT 기기용 리튬이온 배터리를 2020년까지 실용화한다.

맥셀은 15년에 나노 실리콘과 탄소의 복합재료를 부극 재료에 사용하여 배터리의 용량을 늘리는 ‘ULSiON’이라는 기술을 개발하고 있다. 이번에 실리콘 계열의 부극재에 가장 적합한 분말 상태의 고체 전해질을 사용, 구조를 최적화하여 배터리 용량을 1.5배 증가시켰다.

통상의 실리콘이온 배터리의 전해액과 비교하여, 분말 상태의 고체 전해질은 전극층에 융합되기 어렵다는 과제가 있었다. 맥셀은 전극과 고체 전해질이 제대로 접촉하도록 표면을 가공하였다. 또한 배터리 내의 전극층과 부극층이 서로 나뉜 상태로, 전극층 사이에 전해질이 균일하게 섞이는 구조를 설계하여 전해질이 잘 융합되도록 하였다. 도쿄 빅사이트에서 28일 개최한 ‘국제 2차배터리 전시회’에 출전하여 고객 기업에 채용을 호소하였다.

  -- 끝 --