일본산업뉴스요약

선진 머티리얼
고강도 차세대 배터리 재료
도호티타늄, 티탄을 배합해 출력과 강도 양립

티탄 제조업체인 도호(東邦)티타늄이 개발한 차세대형 리튬이온전지 재료 ‘고체전해질’에 자동차∙배터리제조사의 관심이 집중되고 있다. 실용화가 기대되고 있는 안전하고 대용량인 ‘전고체 배터리’’의 성능 향상을 둘러싸고 많은 기업들의 경쟁하고 있는 가운데 도호티타늄은 티탄을 포함한 재료의 배합을 연구해 실현한 높은 강도로 승부하고 있다. 향후 차세대 배터리의 보급을 위한 양산 준비도 정비하고 있다.

도호티타늄은 주로 자동차분야에서 실용화 연구가 추진되고 있는 전고체 배터리와 그 다음 세대의 ‘에어 배터리’ 개발을 위해 2012년, 고체전해질을 개발했다. 현재 주류인 리튬이온배터리는 액체 전해질 안의 정국과 부극 사이를 이온이 왕래하며 전기를 생산한다. 그 주요 부재는 정극, 부극, 액체전해질, 그리고 정극과 부극을 나누는 세퍼레이터의 4가지로, 흔들림이나 충격으로 인한 누수의 위험성이 있고 충전 시간이 길다는 등의 문제점을 가지고 있다.

전고체 배터리는 전해질을 액체가 아닌 고체를 채택. 누수 및 발화 위험을 없애고 에너지 밀도를 높여 충전 시간을 단축할 수 있다. 세퍼레이터를 사용하지 않기 때문에 비용도 절감된다. 하지만 고체의 경우, 액체에 비해 리튬이온의 왕래가 활발하지 못해 출력을 높이는 등의 문제가 있다.

도호티타늄은 희토류의 일종인 란탄(La)과 희귀금속의 일종으로 자사의 주력 제품인 티탄을 리튬과 배합해 높은 출력을 실현할 수 있는 고체전해질을 개발했다. 개발은 전고체 배터리를 연구하는 가쿠슈인(学習院)대학의 이나구마(稻熊) 교수와 공동으로 실시. 개발된 고체전해질은 판 모양으로 만들어 정극과 부극에 끼우는 형태로 배터리에 탑재한다.

란탄과 티탄을 배합한 재료는 소결한다. 지금까지는 소결 시 란탄의 취급이 어려워 리튬이 쉽게 증발해버린다는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 도호티타늄은 가장 쉽게 소결할 수 있는 재료의 최적의 배합 양을 찾아내 양산이 가능하도록 했다. 전체 재료 가운데 란탄의 사용량을 거의 60%, 티탄을 거의 30%로 배합했다.

“출력과 강도가 모두 높은 것이 특징이다”. 도호티타늄의 사카이(堺) 수석엔지니어는 도호티타늄의 고체전해질에 대해 이렇게 설명했다. 란탄과 티탄을 사용한 도호티타늄의 고체전해질은 산화물 계열로 내열성과 내수성이 우수하다. TDK와 무라타제작소(村田制作所)도 같은 종류의 고체전해질을 개발하고 있다. 도호티타늄의 제품은 휘어짐과 진동에 보다 강해 차량용에 적합한 성능을 가지고 있다고 한다.

도호티타늄은 란탄과 티탄의 화합물을 섭씨 1,400도 이상의 고온으로 소성(燒成)하는 독자적인 기술을 통해 보다 높은 강도를 실현했다. 통상적으로 1,300도 이상에서의 소성은 어렵다고 한다.

이처럼 전고체 배터리용으로 도호티타늄이 개발한 고체전해질은 차세대 리튬에어 배터리로도 이용이 가능하다. 리튬에어 배터리는 충∙방전에 산소를 사용, 용량은 현재의 리튬이온배터리의 5배 이상이라고 한다. 도호티타늄은 란탄과 티탄 등을 배합한 소재를 튜브 형태로 소성하는 등의 방법으로 에어 배터리에 도입할 계획이다.

도호티타늄은 차량용 전고체 배터리를 빠르면 2020년대 전반에 실용화하는 것을 목표로 하고 있다. 도호티타늄의 고체전해질은 현재 샘플 출하 단계로 연 생산량은 150kg정도이지만, 전고체 배터리 사용을 검토하는 자동차∙배터리 제조사로부터 실험용으로 이용하기 위한 사전문의가 잇따르고 있다. 사카이 수석엔지니어는 “최근 학회 등에서 강연하는 기회가 급증했다”라며 이미 양산을 위한 설비 설계가 추진되고 있어 이젠 “시장이 형성되는 것만을 기다라고 있다”라고 말한다.

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