일본산업뉴스요약

전고체 배터리에 기술 집결
고출력에 안전, 우주∙자동차 분야에 활용/ 미래 사회의 초석을 위해 충전 중

전기자동차(EV)나 IoT(사물인터넷) 보급의 열쇠를 쥐고 있는 ‘전고체 배터리’를 둘러싸고 많은 업체들이 개발 경쟁을 벌이고 있다. 전고체 배터리는 가연성의 액체가 아니라 쉽게 연소되지 않는 고체 전해질을 사용하는 것이 특징이다. 안전하며 보다 큰 에너지 출력을 발휘한다. 2020년대 중반의 보급을 위해 양산 기술을 확립하는 등의 과제에 도전한다.

2월 말, 도쿄 도내에서 열린 2차배터리 국제 전시회. “상세한 내용을 알려 주세요” “팜플렛은 있나요?” 등 전시회장은 영어와 중국어로 왁자지껄하다. 외국인 방문객의 뜨거운 관심을 받은 것은 전고체 배터리의 최신 기술이다. 그 중에서도 히타치조선과 후지쓰 산하의 전자부품 제조업체인 FDK의 부스에는 많은 사람들이 모여들었다.

-- 열에 강하고 수명이 길다 --
기술 누설 등을 우려해서인지 히타치조선의 담당자는 방문객의 사진 촬영을 금지하였다. 방문객이 찍으려 했던 것은 히타치조선이 샘플 출하를 시작한 전고체 배터리 ‘AS-LiB’다. 섭씨 100도 이상의 고온에서도 가동이 가능하기 때문에 우주 분야에서도 활용할 수 있다고 한다. 19년 중에 오사카 시내에 생산 설비를 설치한다.

전고체 배터리의 실용화는 EV보다도 경량의 전자기기나 센서용부터 시작될 전망이다. FDK는 반도체 칩과 같은 소형 케이스를 전시. 이르면 2020년 발매를 계획하고 있다.

전고체 배터리는 시장에서 주류인 ‘리튬이온 배터리’와 원리는 거의 같다. 배터리 내부의 정극과 부극 사이를 리튬이온이 왕래하며 충방전하는 구조다.

큰 차이는 전극 간의 전해질이 액체냐 고체냐의 차이다. 리튬이온 배터리의 액체 전해질은 가연성이기 때문에 파손되면 발화의 우려가 있다. 한편, 전고체 배터리의 고체 전해질은 누출의 우려가 없다. 또한, 고체가 리튬이온이 이동하는 속도가 빨라 충전에 필요한 시간을 단축할 수 있다.

동력원으로서도, 고성능 리튬이온 배터리의 1kg당 에너지 출력은 200~250kWh지만 전고체 배터리는 500kWh로 약 2배다. 리튬이온 배터리는 이온이 전해액에 녹기 때문에 충방전을 반복할수록 능력이 저하되는 결점이 있다. 그러나 전고체 배터리는 이온이 녹지 않고 왕복하기 때문에 리튬이온 배터리보다 수명이 길다.

국제에너지기관(IEA)에 따르면 17년에 세계에서 팔린 100만대 이상의 EV와 플러그인하이브리드차(PHEV)의 대부분이 리튬이온 배터리를 채용. 전고체 배터리는 2020년대 중반부터 서서히 채용이 확산될 것으로 보인다. 후지경제에 따르면 35년의 시장 규모가 약 2조 8천억 엔으로, 30년의 3,300억 엔부터 급증할 전망이다.

급증의 배경으로 자동차업체의 개발 열기를 들 수 있다. 도요타자동차와 파나소닉은 20년에 차량탑재 배터리 회사를 설립한다. 대용량 리튬이온 배터리나 전고체 배터리의 노하우를 공유한다.

전고체 배터리의 활약은 지구에 국한되지 않는다. 일본특수도업은 독자적으로 개발한 전고체 배터리를 우주탐사 스타트업 기업인 ispace(도쿄)에 공급. ispace가 21년 무렵에 발사하는 탐사기로 달 표면에 운반할 계획이다.

-- 부재 개발 경쟁도 열기 --
한편 ‘전고체 붐’의 수면 하에서 전해질이나 정극재, 부극재와 같은 기간 부재를 전개하는 소재 업체도 개발 경쟁을 벌이고 있다.

고체 전해질에서는 미쓰이금속이 황, 리튬, 인 등이 원료인 전해질 개발을 계획하고 있다. 각각을 소결하는 방법을 독자적으로 개발. 양산성이 뛰어나며 25년 무렵의 실용화를 목표하고 있다. JX금속도 전해질 개발에서 도호티타늄과 협력하고 있다. 석유업체인 이데미쓰흥산은 자동차업체 등과 개발을 추진하고 있으며 특허도 이미 취득하였다. 20년대의 실용화를 목표하고 있다.

정극재는 배터리 내를 왕래하는 리튬이온을 방출하기 위한 부재다. 코발트 등의 희소금속을 많이 사용하며 리튬이온 배터리용에서 실적이 있는 기업이 뛰어나다.

스미토모금속광산은 기존의 정극재를 전고체 배터리에도 응용. 스미토모화학은 희소금속을 사용하지 않는 타입으로, 니켈∙망간계의 정극재 개발을 추진한다.

부극재는 배터리 내부를 이동해 온 리튬이온을 유지하며 ‘충전한 상태’를 초래하는 부재다. 부극재의 성능이 배터리 용량을 크게 좌우한다. 부극재에서는 GS유아사가 금속 실리콘을 활용하여, 지금까지의 약 3배의 에너지 밀도를 실현할 수 있는 제품을 개발하였다. 미쓰이금속처럼 고체 전해질부터 정극재, 부극재까지 일괄적으로 개발하는 기업도 있다.

전고체 배터리에서 일본은 세계를 리드하고 있다고 볼 수 있다. 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)가 선두에 서서 도요타나 파나소닉, 아사히카세이, 도레이 등이 참가하는 개발 체제도 있다.

과제는 생산 비용의 압축과 양산 체제의 확립이다. 고체 전해질은 종류에 따라서는 분말 상태의 물질을 소결하는 설비를 사용한다. 양산하기 위해서는 대형 소결 설비가 필요하다. 때문에 유기 용매에 다양한 화학물질을 반응시켜 만드는 리튬이온 배터리의 전해액 이상으로 거액의 투자가 요구된다.

경량∙대용량의 신형 배터리인 ‘공기배터리’의 개발 경쟁 등 새로운 조류도 생겨나고 있다. 전고체 배터리의 상용화를 서두르는 움직임도 확산될 것 같다.

 -- 끝 --