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Start Up Innovation / Science
축전지, 100배 속도로 충방전 가능
돗판인쇄, 미소립자 전극에 인쇄

돗판인쇄는 기존의 100배 스피드로 충전 및 방전이 가능한 축전지 기술을 개발했다. 스타트업 기업과 연대하여 인쇄기술을 응용해 해결하지 못했던 저항치를 끌어내리는데 성공했다. 전동차 등의 주행 시에 발생되는 ‘회생전력’을 효율적으로 회수할 수 있을 뿐 아니라, 단기간에 고출력이 요구되는 의료기기 등에도 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 2020년에는 양산을 목표로 하고 있다.

축전지는 전기를 저장했다가 반복해서 사용할 수 있는 배터리의 총칭. 리튬이온전지가 그 대표격이다. 돗판인쇄는 도쿄대학 발(發) 스타트업 기업으로 수소를 이용한 축전지의 개발 등을 하고 있는 엑셀기 파워 시스템즈(Exergy Power Systems) (도쿄)와 제휴. 돗판인쇄의 인쇄기술을 응용함으로써 독자적으로 개발한 전극을 이용한 축전지를 공동으로 개발해 왔다.

개발에 있어서, 축전지에 요구되는 성능 중 저장되어 있는 전기의 용량 및 내구성 향상뿐만 아니라, 충방전의 고출력화에 초점을 맞췄다. 그 중에서 돗판인쇄 기술이 고출력화에 큰 역할을 했다.

-- 저항치를 줄인다 --
축전지의 출력은 내부의 저항치에 의해 크게 좌우된다. 저항치가 높으면 열에너지로 변환되어버려 출력이 떨어진다. 지금까지의 일반적인 축전지는 전극 전체가 고르게 코팅되어 있다. 그러나, 입자 등이 커서 어느 정도는 저항치가 발생되었다.

입자를 작게 만들면 전기의 흐름이 활발해져 축전지의 출력이 올라간다. 돗판인쇄는 미세한 입자의 금속 등을 잉크 상태로 만들어 접착제로서 기능하는 수지를 혼합시켜 전극에 인쇄했다.

이 때 수지가 많으면 전극에 달라붙기는 쉬우나, 저항치가 상승하므로 조합 비율이 쉽지 않다. 문제 해결을 위해 잉크 안에 입자를 균일하게 하는 연구를 실시했다. 정극에는 수산화니켈, 부극에는 수소흡장합금을 사용하는 등 치밀하게 조정해 나갔다.

그러나, 이 구조를 사용하면 출력은 높아지는 반면, 발열 및 산화에 의해 내구성이 저하될 우려가 있었다. 이에 원통의 용기 안에 정극과 부극을 교차로 겹치게 해 전극이 용기와 직접 닿지 않게 함으로써 열이 빠져나가기 쉽게 하는 구조를 채택했다.

정극과 부극의 전극 중심에는 구멍을 뚫어 원형 기둥이 관통할 수 있게 했다. 정극이 바깥 측의 원통, 부극이 중심의 원기둥에 접촉하게 만들어 그곳에서 열이 빠져나가게 한다. 축전지 전체가 열 교환기와 같은 기능을 하여 효율적으로 방열할 수 있기 때문에 온도의 상승을 평상 시보다 5도 이내로 낮출 수 있다고 한다.

또한 입자의 소형화에 의해 우려되었던 내구성의 저하도 새로운 연구를 통해 해결했다. 축전지 안에 수소를 충진 시킴으로써 산화로 인한 영향을 최소한으로 줄였기 때문이다. 질소 등 복수의 성분을 시도해 보았으나, 수소가 가장 열화(劣化) 방지에 효과가 있었다고 한다. 일반적인 축전지에 비해 10배의 내구성이 있으며 급속 충전을 15만회 이상 반복할 수 있다고 한다.

-- 이용 범위가 넓어 --
충∙방전의 스피드 업과 발열 억제와 더불어, 높은 내구성을 지닌 새로운 축전지의 이용 범위는 확산될 전망이다. 그 한 예가 회생전력의 회수이다.

전동차 등이 멈췄을 때 발생하는 회생전력을 효율적으로 활용하기 위해서는 재빨리 축전지에 저장시킬 필요가 있다. 그러나 “현 상황에서는 회생전력의 거의 활용하지 못하고 있다”라고 돗판인쇄 비즈니스 이노베이션 센터 개발본부의 하야카와(早川) 부장은 지적한다.

이에 비해 충전 스피드가 100배라는 새로운 축전지를 사용한다면 회생전력의 효율적인 활용 폭이 확산될 것으로 보고 있다. 돗판인쇄 등은 2018년 2월, 아이치(愛知) 현의 나고야(名古屋)항에서 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)의 실증실험에 협력했다.

크레인에 매단 컨테이너를 지면에 내릴 때 발생하는 회생전력을 축전지에 회수. 저장한 전력을 이용하여 지면에 놓여진 컨테이너를 끌어 올렸다. 크레인을 내리는데 소요되는 30초 동안에 발생하는 거의 모든 회생전력을 저장할 수 있었다고 한다.

개발한 축전지는 리튬이온전지에 비해 출력은 크지만 용량 면에서는 뒤떨어진다. 따라서 향후 보급이 예상되는 전기자동차(EV)의 분야에서는 자동차 자체에 탑재시키는 것이 아니라, EV용 충전 스테이션 등에서의 이용을 상정하고 있다.

또한 자기공명영상장치(MRI) 등의 의료기기에서도 쉽게 사용할 수 있을 전망이다. 단시간에 고출력을 낼 필요가 있는 의료기기는 일반적인 축전기로는 대응이 어려웠다. 새로운 축전지를 사용하면 전원이 확보되지 않을 경우에서도 사용이 용이해진다.

돗판인쇄는 기술의 실용화에는 목표치를 달성했다고 보고, 지난 2월에는 엑셀기 파워 시스템즈와 자본 업무 제휴를 체결했다. 4월부터는 샘플 출하를 시작하고 있으며 2020년에는 양산을 시작할 계획이다. 2025년에는 축전지 사업에서 100억엔의 매출을 목표로 한다.

 -- 끝 –