일본산업뉴스요약

전고체, 전수지 등 이차전지의 개발 경쟁
차세대 배터리, 교토에서 맹 충전

전자부품이나 기계부품 산업을 키운 교토에서 이차전지의 개발 경쟁이 치열하다. 핵심은 신기술의 실용화를 추진하는 스타트업 기업과, ‘포스트 리튬이온 배터리’에서 가장 주목 받고 있는 기술의 실용단계에 들어간 대기업 등이다. 교토는 19세기말에 일본에서 처음으로 납축전지가 실용화된 이른바 일본의 축전산업의 발상지다. ‘축전의 도시’가 담당하는 기술을 알아보자.

-- ‘축전의 도시’, 기술기반도 축적 --
교토∙오사카∙나라의 3개 도시에 걸쳐 있는 ‘케이한나 학연도시’에 있는 CONNEXX Systems(교토). 종업원 50명 정도의 이 회사에서 ‘셔틀 배터리’라고 불리는 차세대 배터리가 개발되고 있다. 2022년 판매를 목표한다.

셔틀 배터리는 고체산화물형 연료전지(SOFC)에 철-공기전지를 조합한 축전지다. SOFC는 수소와 산소 이온을 반응시켜 발전한다. 연료전지는 수소를 공급할 필요가 있지만 셔틀 배터리는 철의 산화환원반응을 사용해 수소를 만든다.

셔틀 배터리는 이론상으로 같은 크기의 리튬이온 배터리의 5배의 에너지를 낼 수 있다. 쓰카모토(塚本) 대표는 “값싼 철을 사용하고 있어 가격도 억제할 수 있다. 우선은 백업 전지부터 시작하고 싶다”라고 말한다.

일본의 배터리 역사는 ‘일본의 엔진’이라고 불린 시마즈제작소의 2대 사장 시마즈 겐조가 1895년에 납축전지를 국내에서 처음으로 개발한 것이 시작이다. 시마즈제작소의 전지부문이 독립해서 만든 것이 현재의 GS유아사다. ‘GS’는 시마즈 겐조의 이니셜에 유래한다.

-- 노벨화학상 요시노 박사가 이사장 --
GS유아사는 세계 첫 전기자동차(EV)용 리튬이온 배터리를 양산한 실적이 있다. 현재는 배터리의 정극에 사용되는 희토류와 코발트의 사용량을 줄인 저비용 리튬이온 배터리를 개발하고 있다.

포스트 리튬이온 중에 가장 유력시되는 전고체 배터리의 개발도 본격화. 노벨화학상을 수상한 요시노 아키라 박사가 이사장을 맡고 있는 기술연구조합 ‘리튬이온전지재료평가연구센터(LIBTEC)’(오사카후)에서 파나소닉과 도요타자동차와 연구에 착수한다. 무라오(村尾) 사장은 “25년에라도 차량탑재용 전고체 배터리를 개발하고 싶다”라고 의욕적이다.

무라타제작소는 다른 업체보다 먼저 무선 이어폰 등의 웨어러블 단말에 사용할 수 있는 소형 전고체 배터리의 양산화 계획을 세웠다. 시가현에 위치한 사무소에 수억 엔을 투자해 제조 설비를 도입, 20년부터 월산 10만개의 생산을 목표한다.

리튬이온 배터리는 발화하기 쉬운 액체 전해질을 사용하지만 전고체 배터리는 고체 전해질을 활용. 잘 연소되지 않아 안전성이 높다. 무라타제작소는 재료 연구를 통해 2~25밀리암페어시로 업계 최고 수준을 달성. 10월에 지바현 마쿠하리에서 열린 가전박람회 ‘CEATEC 2019’에서는 경제산업성 장관상을 수상했다.

화학기업 산요화성공업이 전개하는 것은 ‘전수지 배터리’다. 닛산자동차에서 ‘리프’ 개발에 관여한 게이오대학의 호리에(堀江) 교수와 공동으로 개발했다. 기존에는 금속이 사용되는 집전체를 수지로 대체했다. 세퍼레이터가 필요 없어 기존의 리튬이온 배터리와 비교해 비용을 최대 60% 줄일 수 있다.

호리에 교수가 설립한 스타트업 기업에 출자, 자회사화해 사업을 육성한다. 21년 초에는 150억엔을 들여 신형 배터리 공장을 후쿠이현에 건설하는 안을 검토하고 있다. 산요화성공업의 안도(安藤) 사장은 “안전성은 전고체 배터리보다도 높다”라고 강조한다.

11월, 도쿄 도내에서 열린 결산설명회에서 교세라의 다니모토(谷本) 사장은 “다른 용도로 확대하고 싶은 생각이 없는 것은 아니지만 앞으로 몇 년은 주택용만으로도 벅차다”라고 설명했다. 교세라는 전해액을 전극에 넣어 점토 상태로 만드는 신기술로 차세대형 리튬이온 배터리를 개발, 20년 가을부터 양산한다. 교세라가 이차전지를 자사 생산하는 것은 처음이다. 전극을 분리하는 세퍼레이터나 집전체를 줄일 수 있기 때문에 제조 비용을 30% 정도 낮출 수 있다.

우선은 주택용 축전시스템의 축전지로서 상용화한다. EV용 등 다른 용도에도 응용할 수 있지만 주택용만으로도 양산 거점인 시가현 공장의 공급 능력을 초과하는 주문이 들어오고 있다. 다니모토 사장은 “몇 년 동안은 주택용 이외의 다른 용도로 확대하기는 어렵다”라고 말한다.

-- 교토대학도 일익 담당 --
교토대학도 차세대 배터리 개발 경쟁에 이름을 올리고 있다. 우치모토(内本) 교수 연구팀은 도요타자동차 등과 공동으로 차세대 배터리 ‘전고체 플루오르화물 이온 배터리’ 개발에 착수했다. 리튬이온 대신에 플루오르화물 이온을 사용한다. 실현된다면 기존의 리튬이온 배터리보다 10배 이상의 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다고 한다. 전해질에 고체를 이용하는 ‘전고체형’으로 잘 연소되지 않아 안전성에도 뛰어나다.

교토에서 새로운 배터리 개발이 활발한 이유는 기술적인 기반이 있기 때문이다. 산요화성공업은 오랫동안 축적한 계면활성제 기술이 전수지 배터리에 도움이 됐다. 무라타제작소나 교세라는 주력 사업인 세라믹 부품의 제조 기술을 신형 배터리 제조에 응용하고 있다.

차세대 이차전지 개발에서는 도요타자동차나 TDK 등의 일본기업 외에 해외 기업도 경쟁하고 있다. 전고체 배터리에서는 독일의 폭스바겐이 EV용을 개발하는 미국 벤처기업 QuantumScape에 출자해 25년의 시장 투입을 목표하고 있다. 대만의 배터리 기업 ProLogium Technology는 중국의 EV 업체용으로 전고체 배터리를 개발하고 있다.

교토에서는 높은 기술력으로 컴퓨터나 스마트폰 등의 기간 부품을 만듦으로써 일본전산, 무라타제작소, 교세라와 같은 대기업이 성장했다. 배터리에서도 우위성을 유지할 수 있을까? ‘축전의 도시’가 만들어내는 신기술에서 눈을 뗄 수 없다.

신흥기업 CONNEXX, 수소 생성하는 연료전지
배터리혁신, 교토의 전통 예능 / 철분(鐵粉) 이용, EV에 기대

시마즈제작소 2대 사장 시마즈 겐조 씨는 일본 첫 납축전지를 1895년에 개발했다. 그 후에 시마즈제작소에서 배터리 부문을 독립시켜 일본전지(현, GS유아사)를 설립했다. 미국에서 전기자동차(EV) ‘디트로이트 호’를 수입해 직접 개발한 납축전지를 싣고 교토 시내의 자택에서 회사까지 다녔다고 한다.

그 후에도 교토에서 생겨난 배터리 산업은 기술혁신을 거듭하고 있다. 스타트업 기업인 CONNEXX Systems(교토후)도 혁신을 담당하는 회사 중 하나다.

개발을 주도하는 쓰카모토 대표는 교토대학 공학부 출신이다. 일본전지를 거쳐 미국에서 의료용 등에 사용되는 신뢰성이 높은 리튬이온 배터리 개발을 전개했다. 2011년의 동일본대지진으로 인한 장기 정전을 목격하고 “공부한 축전지 지식을 활용하기 위해 CONNEXX Systems을 설립했다”(쓰카모토 대표).

CONNEXX는 4월에 간사이전력그룹과 자본업무제휴를 맺었다. 이러한 배경도 있어 쓰카모토 씨는 “셔틀 배터리를 우선은 정치용 백업 배터리 등의 용도부터 사용해 나가고 싶다”라고 말한다. 그러나 기술적으로는 EV용 배터리 등으로서도 사용할 수 있다고 한다.

CONNEXX가 개발에 착수하는 셔틀 배터리는 고체산화물형 연료전지(SOFC)를 활용하고 있다는 점에서 타사가 개발 중인 축전지와는 구조가 다르다.

CONNEXX의 기술 포인트는 수소를 철분의 산화 반응을 통해 공급한다는 점이다. 셔틀 배터리에서는 산화 반응으로 수증기에서 생성된 수소가 SOFC에 공급되면서 발전된다. 동시에 철은 산화해 산화철이 된다. 충전 시에는 수소와 산화철을 연결시켜 물과 철로 되돌린다. 일부터 충전하지 않아도 산화철을 용기에서 꺼내서 산화하지 않은 새로운 철분으로 교환하기만 해도 다시 발전이 가능해진다.

타사가 개발하는 전고체 배터리나 전수지 배터리 등은 전기를 축전하거나 방출하는 것으로, 현재의 리튬이온 배터리와 기본적인 발상은 같다. 그만큼 이 영역은 개발 경쟁이 치열하다.

한편으로 연료전지차(FCV)에 탑재되는 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응에 의해 발전하기 때문에 수소 공급을 받지 않으면 발전하지 못한다. ‘배터리’라는 이름이 붙으면서도 그 자체는 축전지처럼 전기를 축적할 수 없다. 셔틀 배터리는 이 구조를 활용한 이차전지다.

2대 시마즈 겐조 사장이 디트로이트 호를 사용해 교토 거리에서 ‘EV 통근’을 실현한지 100년이 지났다. 해결해야 할 배터리 과제로 인해 EV 보급에는 시간이 필요했다. 교토의 거리를 교토 기업의 기술을 활용한 차세대 배터리를 탑재한 EV가 주행하는 시대가 올지도 모른다.

‘전수지 배터리’, 이르면 21년에 양산
발화가 없어 안전성에 자신
산요화성공업의 안도 다카오(安藤 孝夫) 사장

못을 박아도 발화하지 않는 배터리. 배터리 부재를 금속에서 수지로 대체한 차세대 배터리 ‘전수지 배터리’ 양산이 2021년에 본격화된다. 산요화성공업과 게이오대학 연구팀이 공동으로 개발. 기존의 리튬이온 배터리와는 전혀 다른 구조로 안전성이 높다. 차세대 배터리 개발이 과열되는 가운데 어떻게 실용화를 목표할 것인가? 산요화성의 안도 사장에게 물었다.

Q: ‘전수지 배터리’의 개발 배경은 무엇인가?
A: 산요화성은 화학업체로서 자동차용 첨가제 등을 개발하고 있었지만 배터리 그 자체에 참여할 생각은 없었다. 우연히도 게이오대학의 호리에 교수와 알게 되었다. 우리 회사의 ‘계면제어기술’ 등 화학적인 기술을 사용하면 문제가 점점 해결됐던 것 같다.

Q: 전수지 배터리의 매력은 무엇인가?
A: 전수지 배터리는 주로 집전체를 금속에서 수지로 대체해 안전성이 높은 점이 특징이다. 전고체 배터리보다도 안전성은 분명히 높다. 기존의 리튬이온 배터리에서는 단락이 발생해 발화할 위험이 있었지만 전수지 배터리는 발화하지 않는다. 셀과 셀을 연결하는 부품도 필요 없고, 겹치면 용량을 크게 할 수도 있다. 건조 공정도 필요 없기 때문에 비용을 최대 60% 줄일 수 있다.

Q: 호리에 교수가 설립한 스타트업 APB(도쿄)에 출자해 자회사화했다.
A: 산요화성처럼 화학업체가 배터리를 만든다는 것은 정말 ‘이례적’인 일이다. APB에 출자해 실용화를 주도함으로써 속도감 있게 개발할 수 있다. JFE스틸의 자회사인 JFE케미컬의 출자도 받았다. 그 외에도 출자 상담이 진행 중이다. ‘올 재팬’ 체제를 만들 수 있다면 바람직하다.

Q: 실용화는 언제쯤이 되는가?
A: 전고체 배터리 등과 비교해 실증 면에서 과제가 있다. 현재는 파일럿 플랜트에서 제조하고 있다. 현재의 요소 기술을 양산 수준까지 끌어올린다. 21년 초에 생산을 시작하고 싶다. 후쿠이현에 생산 거점을 만드는 안을 점토 중이다. 3만㎡의 부지로 최초 설립에 약 100억엔을 투자한다. 추가 투자를 통해 21년에는 1기가와트 급의 거점으로 만들고 싶다. 총액 150억엔으로 이르면 12월 중에 결정할 것이다.

Q: 어느 분야를 타깃으로 판매하는가?
A: 정치 용도부터 시작하고 싶다. 재해 비상용 등 콤팩트하고 안전성이 요구되는 영역이다. 차량탑재용은 최후로 돌린다. 거액의 투자가 필요하기 때문에 비용 승부가 돼 버리기 때문이다.

Q: 일본촉매와 경영 통합을 한다.
A: 일본촉매와의 통합으로 보다 속도감을 갖고 배터리의 실용화를 추진할 수 있다. 10년 후에 1,500억엔 정도의 사업이 됐으면 좋겠다.

Q: 교토에서 차세대 배터리 개발이 활발하다.
A: 일렉트로닉스 관련 기업이 많다. 그것은 도기 등 교토의 전통산업과 밀접하게 관계가 있다. 지금까지 이상으로 배터리가 중요해지는 시대다. 모든 것이 인터넷과 연결되는 ‘IoT’ 등에서도 그럴 것이다.

 -- 끝 --