일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
전고체 배터리로 1,000km 달리는 EV
안전하고 대용량, 비상시에도 활용

차세대 리튬이온 배터리인 ‘전고체 배터리’가 전기자동차(EV)를 일변시킬 것으로 기대를 모으고 있다. 2020년대 전반에는 제조 기술이 확립될 전망이다. 30년 무렵에는 1회 충전으로 현재의 2배 이상에 해당하는 1,000km를 주행하는 것도 꿈이 아니다. 잘 발화하지 않는 전고체 배터리는 높은 안전성이 주목을 받고 있지만 용량이 대폭 증가하는 이점도 있다. 배터리가 소진될 우려를 불식할 뿐 아니라 큰 축전지로서 태양광 발전 등의 전기를 축적하거나 비상용 전원으로 사용할 수 있다. 전기자동차가 ‘발전소’가 될 가능성도 안고 있다.

203ⅹ년의 연휴 첫날. 당신은 도쿄에서 오사카까지 여행하기로 정했다. 전기자동차를 자택 전원에 연결하자 불과 10분만에 80%까지 충전할 수 있었다. 이제는 오사카까지 가기만 하면 된다. 전고체 배터리를 실은 차체는 급속 충전이 가능하고 1회 충전으로 1,000km나 주행한다. 전기자동차는 충전이 불편하고 거리에서 밖에 탈 수 없다고 말했던 때가 그립다. 집이 정전일 때는 전기자동차의 전기를 사용한다.

전고체 배터리는 주로 리튬이온 배터리의 안전성을 높이는 발상에서 개발이 시작됐다. 연소되기 쉬운 액체 전해질을 고체 재료로 대체해 연소가 어렵게 한다. 큰 발견도 있었다. 전기를 만드는 리튬이온의 움직임이 빨라진 것이다. 급속 충전이나 용량의 대폭 향상이 갑자기 현실적이 이야기가 되기 시작했다.

연구에 주력하는 곳은 2019년 노벨 화학상을 수상한 요시노 아키라 씨가 이사장을 맡고 있는 ‘기술연구조합 리튬이온 배터리 재료평가연구센터’(이하 재료평가연구센터)다. 전고체 배터리의 위탁사업에 도요타 자동차 등의 기업과 대학이 참가한다. 차량탑재용 전고체 배터리 표준 모양을 22년에 완성시키는 계획을 세우고 대학 등을 지원한다.

도요하시기술과학대학의 마쓰다(松田) 교수 연구팀은 고체 전해질의 이온 움직임을 더욱 빠르게 할 수 있을 것으로 보고 있다. 황화물의 고체 전해질에 이트륨 등을 섞으면 전해질에 공간이 생겨 이온이 움직이기 쉬워진다. 섭씨 50도에서는 전해질의 저항이 10분의 1이 됐다. 시산에 따르면 배터리의 방전 용량은 약 2.5배로 향상한다.

오사카부립대학의 다쓰미사고(辰巳砂) 교수 연구팀은 보다 많은 리튬이온을 부극에 축적해 배터리의 용량을 늘리기 위해 연구하고 있다. 부극에 금속 리튬을 사용하는 전고체 배터리를 연구한다. 전해질에 염소 등을 섞은 전고체 배터리에서는 전극에 달라붙는 리튬을 그때까지의 고체 전해질보다도 줄일 수 있다고 한다. 다쓰미사고 교수는 “용량을 2배로 늘릴 가능성이 있다”라고 기대한다.

고난대학의 마치다(町田) 교수 연구팀은 실리콘을 사용하는 새로운 부극을 고안했다. 실리콘은 탄소 부극보다도 2~3배의 리튬이온을 모을 수 있다고 한다. 액체 실리콘을 사용해 부극의 열화를 억제했다.

어느 조사에 따르면 전고체 배터리 시장은 35년에 2조 7,000억엔을 초과한다고 한다. 요시노 씨는 12월의 노벨상 수상기념강연에서 ‘리튬이온 배터리가 전기자동차나 재생가능에너지 축전에 널리 보급되는 미래 사회’를 소개했다. 전고체 배터리에 거는 기대는 크다.

-- 국산 개발에서 앞설 수 있을까? --
차량탑재용 전고체 배터리는 2011년에 도쿄공업대학의 간노(管野) 교수와 도요타자동차가 리튬이온 배터리의 성능을 이끌어내는 전해질을 발표하며 본격적으로 연구가 가동되기 시작했다. 일본발 배터리의 실용화를 위해 정부도 지원한다. 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)는 18년부터 5년 동안 100억엔의 예산을 투입한다.

재료평가연구센터가 22년에 완성을 전망하는 표준 배터리는 주행거리와 관계된 ‘에너지 밀도’라는 성능이 최신 리튬이온 배터리에 근접하다. 현재의 차량탑재용 리튬이온 배터리에 필요한 냉각 장치 등이 전고체 배터리에서 필요 없어지면 많은 배터리를 실을 수 있다. 재료평가연구센터의 이시구로(石黑) 이사는 “1회 충전으로 500km는 주행하는 자동차가 되지 않을까 생각한다”라고 말한다. 그러나 하이브리드차 등은 1회 충전과 급유로 1,000km를 주행하는 자동차도 있다. 전고체 배터리에서도 1회 충전으로 1,000km 이상의 성능을 목표한다.

미국이나 대만의 벤처기업도 20년대 전반의 실용화를 위해 차량탑재용 전고체 배터리를 연구하고 있다. 어느 국가의 배터리가 시장을 장학할 것인지는 불투명하다. 나트륨이온 배터리 등 다른 차세대 배터리의 연구도 활발해지고 있다. 전고체 배터리의 개발에서 앞설 수 있을지 주목된다.

● 리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 역사

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