일본산업뉴스요약

기술로 미래 개척: 산총연의 도전
이차전지의 탈 희소금속화
유기물의 산화환원에 의한 축전
야오 마사루(八尾 勝) / 산총연 전지기술연구부문 신에너지매체연구그룹 연구원

-- 큰 시장 --
전기를 축전하는 디바이스인 이차전지 가운데서도 리튬이차전지(리튬이온전지)의 시장은 크다. 그 용도는 휴대전화 등의 포터블 전자기기부터 전기자동차까지 광범위하게 걸쳐 있다. 그러나 이 이차전지에는 몇 개의 과제가 있다. 그 중 하나가 전극재료에 사용되고 있는 코발트 등의 희소금속의 양을 얼마나 저감시키는가에 대한 문제다. 또한, 전지의 사용 조건에 따라서 과도하게 발열하는 문제에 대한 대책도 급선무다.

우리 연구그룹은 리튬이온 이차전지의 과제에 대응하기 위해 전극재료로서 산화환원 활성을 갖는 유기물에 주목하여 연구개발을 진행해 왔다. 유기물 특유의 다전자이동(Multi-electron Transfer)형 산화환원 반응을 잘 이용한다면 고용량의 재료가 될 수 있다. 우리들은 이미 현행의 희소금속계 정극 부재인 코발트산리튬의 2배 이상의 방전용량을 갖는 퀴논계 유기 정극 부재를 찾아냈다. 또한, 어떤 종류의 인디고류는 저용량이면서도 수명이 길어 3,000번 이상의 충방전이 가능하다. 매일 충전해야 하는 용도에서도 10년 정도 사용할 수 있는 성능을 제시하였다. 내구성이 약하다고 여겨지는 유기재료라도 분자설계에 따라서는 상당히 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다는 사실을 제시하였다. 또한 최근에는 인쇄기술을 사용한 플렉시블 배터리의 개발에도 착수하였다.

-- 흡열반응을 이용 --
배터리의 열안전성 향상에 있어서는 정극에서 나오는 열 발생을 억제하는 것이 유효하다. 일반적으로 이용되고 있는 희소금속계 정극은 기온이 상승할 때 발열 반응을 일으키기 때문에 열폭주가 일어날 위험성이 있다. 한편, 일부 유기재료는 반대로 흡열반응을 일으킨다는 것을 우리들의 연구를 통해서 알게 되었다. 이러한 유기재료의 흡열반응을 이용하여, 대형 이차전지의 안전성 향상에 공헌할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또한, 리튬자원 자체도 산출 지역이 편재하고 있기 때문에 보다 보편적인 원소인 나트륨(Na)이나 마그네슘(Mg)으로 대체하는 연구가 진행되고 있다. 그러나 이들 이온을 가역적으로 이용할 수 있는 전극재료는 적다. 우리들은 유기재료의 적용 가능성을 조사하여, 몇 개의 유기재료가 이러한 대체원소를 이용하는 새로운 이차전지에서도 기능하는 것을 찾아냈다.

-- 분자설계 --
유기 전극재료에는 극복해야 할 과제는 있지만 지금까지 없었던 타입의 전극재료로서 가능성을 안고 있다. 분자설계와 함께 배터리 구성의 최적화나 개량을 추진함으로써 유기 이차전지의 성능 향상과 실용화로 이어질 것으로 생각하고 있다.

  -- 끝 --