일본산업뉴스요약

차세대 선도자
리튬이온배터리의 고용량화
'적합하지 않은' 물질에서 광맥을 찾는다
요코하마국립대학 야부우치 나오아키(藪内 直明) 교수

여러 번 사용할 수 있는 ‘2차배터리’의 대표격인 리튬이온배터리는 스마트폰이나 전기자동차(EV) 등에 사용되고 있으며 지금은 생활에 없어서는 안 될 기술이 되었다. 요코하마국립대학의 야부우치 교수는 리튬이온배터리의 고용량화와 함께 새로운 배터리를 연구하고 있다. 배터리에는 적합하지 않다는 물질을 사용하는 등 상식에 얽매이지 않는 발상이 핵심이다.

야부우치 교수는 2016년, 리튬이온배터리의 성능을 대폭으로 높이는 기술을 개발하여 주목을 받았다. 티탄에 망간을 섞은 재료를 정극에 사용, 세계 최고의 배터리 용량을 경신하였다. 일반적인 리튬이온배터리의 1.3배. 이 기록은 지금도 깨지지 않고 있다. EV에 탑재하면 한 번 충전으로 주행할 수 있는 거리가 길어질 것으로 기대된다.

신재료는 지구 상의 어디에나 존재하는 물질만으로 정극을 만들 수 있다는 점이 이점이다. 현재는 주로 희소금속인 코발트가 포함된 재료를 정극에 사용하였지만 코발트 자원에는 한계가 있다. 본격적으로 EV가 보급되면 부족해질 우려가 있다.

야부우치 교수는 “아무도 주목하지 않았던 재료가 새로운 발견으로 이어졌다”라고 말한다.

리튬이온배터리의 고용량화를 테마로 연구를 시작한 13년은 리튬을 과잉 포함한 재료로 정극을 만드는 성과가 이어졌었다. 이에 대해 야부우치 교수는 누구도 주목하지 않았던 니오브를 포함한 재료에 주목하였다. 니오브는 리튬을 많이 포함하고 있지만 전기가 통하지 않기 때문에 전극에는 부적합하다고 여기는 재료였다.

그래서 일부를 전기가 잘 통하는 망간으로 교체하여 정극에서 사용할 수 있도록 하였다. 당시로서는 세계 최고의 용량을 실현하여 15년에 논문으로 발표하였다. 고가의 니오브를 싼 티탄으로 교체하는 개량을 통해 지금보다 싸게 제조하는 기술도 개발하였다.

소니 등이 1991년에 실용화한 리튬이온배터리는 장기에 걸친 연구개발로 성능 향상이 이어졌다. 한편으로 배터리 용량의 확대가 한계에 이르렀다는 분위기 속에서 야부우치 교수는 “용량은 더 커질 수 있다. 새로운 광맥을 찾는 연구가 중요하다”라고 말한다. 그 광맥의 하나가 니오브의 활용이었다.

그 외에도 광맥은 많다고 보고 있다. 희소금속이기도 한 리튬을 저가의 나트륨으로 교체한 차세대배터리를 개발한다. 전극을 출입하는 이온의 크기 등이 다르기 때문에 전용 전극이 필요해진다. 야부우치 교수는 12년에 도쿄이과대학의 고마바(駒場) 교수와 함께 철과 망간을 포함한 정극 재료를 개발하였다. 용량은 리튬이온배터리와 동등 이상이다.

고마바 교수는 11년에 희소금속인 니켈과 망간을 포함한 정극 재료로 나트륨이온배터리를 개발. 야부우치 교수는 니켈 대신에 철을 사용하는 배터리를 목표하였다. 희소금속을 전혀 사용하지 않는 배터리를 실현할 수 있기 때문이다.

철은 나트륨과 궁합이 나쁘다. 충전 시에 정극에서 나트륨이 떨어져 틈이 생기면 철이 그 틈으로 들어가 재료가 망가지게 된다. 틈의 크기를 조정하여 철이 쉽게 들어가지 못하도록 하였다.

발표 논문은 뛰어난 배터리 기술로 인정 받아 독일에서 표창을 받았다. 야부우치 교수는 “배터리에는 항상 자원 문제가 얽혀 있다. 해결에 도움을 주고 싶다”라고 말한다.

야부우치 교수는 원래 기술관련 공무원을 지망했다. 고등전문학교에서 리튬이온배터리를 연구하고 있던 오사카부립대학의 오즈쿠(小槻) 교수의 논문을 읽게 되었다. 대학에 진학하여 오즈쿠 교수 연구실로 들어간 야부우치 씨는 코발트를 섞은 재료 개발에 착수하게 되었다. 니켈과 망간은 잘 섞이지 않기 때문에 보통은 선택하지 않는 조합이지만 굳이 선택하였다.

연구팀이 개발한 재료는 지금도 EV 등에 사용된다. “세상에 없는 재료를 처음부터 하나하나 합성하는 즐거움을 알게 된 순간이었다”라고 말한다.

대학원 수료 후에는 MIT에서 배터리연구를 계속하였다. 그곳에서 공동연구를 했던 학생이 졸업 후에 바로 벤처기업을 설립하는 등 실패를 두려워하지 않고 도전하는 자세에 자극을 받았다. 안정된 공무원이 아니라 항상 실패의 위험이 따르는 연구자를 목표하게 되었다.

배터리에 적합하지 않은 재료에도 과감하게 도전하여 리튬이온배터리 연구 등에서 성과를 올렸다. 야부우치 교수는 “앞으로도 꿈이 있는 새로운 연구 테마를 계속 쫓을 생각이다”라고 말한다.

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