일본산업뉴스요약

리튬이온 배터리의 진화
주행거리 500km 목전, 1회 충전으로 도쿄-오사카 주행

1회 충전으로 도쿄-오사카의 500km를 주행할 수 있는 리튬이온 배터리의 기술 개발이 활발하다. 세키스이화학공업은 리튬이온 배터리의 기술 개발의 돌파구를 찾았고 아사히카세이도 이에 근접하였다. 양사의 기술은 모두 기존의 전극을 사용할 수 있다. 2020년대 전반의 실용화를 목표한다. 경제산업성은 배터리 성능을 100% 전부 사용하는 기술 개발을 지원한다. 전세계적으로 전기자동차(EV)화가 가속화되고 있는 가운데 과제였던 주행거리가 크게 늘어나면 리튬이온 배터리가 주역인 시대는 한동안 계속될 것이다.

100% 충전으로 500km를 주행할 수 있다면 가솔린차 성능에 필적한다. 경제산업성은 EV 보급을 위한 하나의 조건으로 보고, 2030년의 달성을 목표하고 있다. EV가 급속하게 보급되고 있는 중국은 주행거리가 150km에 미치지 못하는 차종에 대한 보조금을 중지, 주행거리가 긴 차종에 대한 보조금을 증액하였다.

리튬이온 배터리는 1991년에 상품화되면서 노트북이나 비디오카메라 등에 사용되었다. 2009년에는 양산형 EV에 채용되었다. 100% 충전으로 주행할 수 있는 거리는 200km 정도였다. 2010년대 초반의 기술로는 500km 주행 달성은 어려웠다. 30년 무렵에 전고체 배터리 등 차세대 배터리로 교체될 것으로 전망했었다.

차세대 배터리는 전세계적으로 활발하게 개발되고 있지만 아직 기술적인 과제가 많다. 한편, 리튬이온 배터리 기술이 개발되면서 500km 주행거리 돌파에 대한 실현 가능성이 보이기 시작했다. 연구자들은 “앞으로 10년 정도는 더 리튬이온 배터리를 사용할 수 있을 것이다”라고 예상한다.

리튬이온 배터리는 플러스(정)와 마이너스(부)의 전극 사이를 리튬이온이 왕래하면서 전기를 발생하거나 충전하거나 한다. 용량을 늘리기 위해서는 전극에 축적할 수 있는 이온을 늘리거나 내부의 전기 저항을 줄여 전자가 쉽게 통하도록 해야 한다.

세키스이화학은 정극에 사용하는 기술을 개발하였다. 혼합하는 탄소 재료의 구조를 연구하여 전기가 쉽게 흐르도록 하였다. 전자가 통과하는 정극 속의 길을 넓힘으로써 기존의 10배 정도로 전자 흐름이 쉬워진다. 발생한 전류를 많이 빼낼 수 있고 전극이 쉽게 깨지지 않아 내구성이 향상된다.

정극을 두껍게 하여 리튬이온을 보다 많이 가둘 수 있도록 한다. 실험에서는 배터리 용량이 30% 정도 향상하였다. 주행거리를 현재의 400km에서 500km 이상의 수준으로 늘릴 수 있다. 21년에 부재로서 판매할 계획이다.

아사히카세히는 부극에 산화규소를 섞음으로써 용량을 20% 정도 증가시켰다. 탄소계 재료를 사용하는 부극에 규소(실리콘)계 물질을 섞으면 리튬이온을 쉽게 모을 수 있어 용량을 늘릴 수 있다. 그러나 일부 이온을 잡은 채 방출하지 않는 문제가 있었다. 부극에 미리 이온을 주입하여 잡는 부분이 작동하지 않도록 하여 리튬이온의 흡수와 방출을 원활하게 하였다. 수년 후의 실용화를 목표한다.

기존에 없는 전극 재료를 사용하는 연구도 진행 중이다. 요코하마국립대학의 야부우치(藪内) 교수는 파나소닉과 공동으로 불소를 섞은 정극을 개발하였다. 전극 내에서의 전자 교환에 금속뿐 아니라 산소도 사용할 수 있게 되면서 용량이 2배가 되었다. 스미토모화학은 알루미늄을 사용하는 부극을 개발하여 용량을 2.5배로 높이는 것이 목표다.

경제산업성은 19년부터 리튬이온 배터리를 100% 전부 사용할 수 있는 기술 개발을 추진한다. 발화 사고 등을 방지하기 위해 배터리는 상한보다도 작은 용량으로 사용하고 있다. 잔량을 정확하게 측정할 수 있는 센서를 개발하여 사용 가능량을 늘린다. 내년 예산에 2억 5천만엔을 계상하여 23년까지 실용화한다.

일본은 리튬이온 배터리로 세계를 석권하였지만 11년 이후부터 특허출원이 줄고 있다. 중국은 대학과 기업 등의 출원이 증가하고 있다. 15년에는 일본과 중국이 전체 특허 출원의 3분의 1씩을 차지하는 상황이 되었다. 주행거리를 늘리기 위해 배터리 용량을 대폭으로 늘리는 기술이 개발되고 있어 중국의 출원은 더욱 증가할 전망이다.

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