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Nikkei X-TECH_2022.8.2

플라잉카, 사회 구현을 향해 카운트다운
전고체 배터리, 플라잉카에서 활용성 뛰어나
실용화의 열쇠를 쥐고 있는 ‘바이폴라 셀’

“전고체 배터리의 특성은 전기자동차(EV)보다 플라잉카(eVTOL: 수직이착륙기)에서 더욱 활용성이 뛰어나다”. 막셀(Maxell)에서 전고체 배터리 개발을 추진하는 신사업총괄본부 배터리 이노베이션부의 야마다(山田) 부장은 이렇게 말한다.

이 회사는 ‘아기로다이트(Argyrodite)형 고체 전해질’이라는 황화물계 전고체 배터리를 개발하고 있다. 전고체 배터리의 고체 전해질에는 황화물계와 산화물계가 있으며, 이온 전도도가 2~3자릿수 높은 황화물계는 세계 자동차 업체들이 EV용으로 치열한 개발 경쟁을 벌이고 있는 배터리이다.

막셀은 코인형과 표면 실장이 가능한 세라믹 패키지형의 소형 배터리 개발을 마친 상태이며, 세라믹 패키지형의 양산을 2023년도에 개시할 예정이다. 크기는 10.5mm×10.5mm×4mm이며, 용량은 8mAh이다(‘PSB4010H’의 경우). 우선은 산업용 로봇이나 엘리베이터 등의 인프라 설비용이다.

이와 동시에 신에너지산업기술종합개발기구(이하 NEDO)가 실시하는 '로봇 드론이 활약하는 에너지 절약 사회 실현 프로젝트'(DRESS 프로젝트)의 조성 사업으로서 동일한 재료계를 사용한 드론용 전고체 배터리 개발을 추진하고 있다. 아직 구체적인 사업화 계획은 없으나, ”2030년을 목표로 드론이나 eVTOL과 같은 항공 모빌리티 전용 사업을 시작할 방침이다”(야마다 부장)라고 말한다.

2022년 3월에는 그 개발 성과로서 용량이 1Ah(Ampere-hour)인 명함 크기의 라미네이트형 셀의 시작(試作)을 보고했다. 소형품의 경우는 고체 전해질의 가루를 압축시켜 굳히는 것만으로 성형이 가능하지만, 대형일 경우에는 그것을 고정밀도로 균일하게 만들기 어렵다. 그렇기 때문에 슬러리 상태로 만든 고체 전해질을 도포하여 성형했다.

다만, 현 시점의 에너지 밀도는 120Wh/kg으로, 전해질에 유기용매를 이용하는 일반 리튬이온전지의 첨단 제품이 나타내는 250Wh/kg의 레벨에는 도달하지 않았다. 또한, 드론에 응용하려면 용량이 적어도 3Ah 이상, 가능하다면 10Ah는 필요하며, 아직 개량을 필요로 하고 있다. (야마다 부장)

그런데도 출력 밀도는 0.7kW/kg으로, 에너지 밀도를 중시한 민생용 각형 리튬이온 전지의 약 2배(막셀 제품대비)이다. 따라서 경량 및 고출력이 중시되는 드론이나 eVTOL에 응용할 수 있는 가능성을 충분히 갖고 있다.

막셀은 향후, 리튬이온전지와 동등한 에너지 밀도인 250Wh/kg, 그리고 드론용으로 실용 범위의 출력 밀도인 1kW/kg 이상의 실현을 목표로 개량을 진행시킬 방침이다.

-- 전류의 응답성이 중요 --
고체 전해질을 이용하는 전고체 배터리는 리튬이온전지에 비해 안전성과 신뢰성을 높일 수 있어 드론과 eVTOL 등 항공 모빌리티 업계에서도 큰 기대를 모으고 있다.

리튬이온전지는 기화하기 쉬운 유기용매를 전해질로 사용하기 때문에 추락 위험이 없다고 할 수 없는 드론에서는 엄중한 안전대책이 필요하며, 사람을 태우는 eVTOL의 경우에는 보다 엄격한 안전대책이 불가피해진다. “리튬이온전지는 드론이 추락했을 때 발화 위험이 없다고 단언할 수 없다”(드론용 배터리를 개발하는 한 업체 담당자).

반면 전고체 배터리는 전극끼리 고체로 격리돼 있어 리튬이온전지보다 쇼트(내부 단락)가 일어나지 않으며 내열성이 높은 고체 전해질을 사용해 안전성과 신뢰성도 높은 것으로 알려져 있다.

전고체 배터리에서는 리튬이온전지에 필요한 안전장치를 생략할 수 있기 때문에 그만큼의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 뿐만 아니라 지금까지는 전해액에 녹아버리기 때문에 사용할 수 없었던 고성능 전극 재료도 전고체 배터리라면 사용할 수 있을 가능성도 있다. 따라서, 전고체 배터리는 비행 시간과 직결되는 용량을 높일 수 있는 잠재력이 크다고 할 수 있다.

또한 드론이나 eVTOL은 수직이착륙 시나 강한 바람이 불 경우에는 평소보다 프로펠러를 고회전으로 가동하여 기체를 제어할 필요가 있다. 그 때의 전류치는 통상적인 비행 시의 2배 정도가 될 수도 있다고 한다. 이 때문에 배터리에는 EV 이상으로 전류가 높은 응답성이 요구되므로, 이 점에서는 전고체 배터리가 상당히 뛰어나다.

“액체 전해질의 경우, 리튬(Li)이온은 단독으로 움직일 수 없기 때문에 용매와 함께 움직인다(용매화). 대전류가 흐르게 되면 전해액 안에서 용매가 편재되므로, 그 안에서 리튬이온을 운반하기가 어려워진다(확산 저항의 증대). 이것이 드론 등의 성능 면에서 문제가 되지만, 전고체 배터리에서는 리튬이온이 단독으로 전해질 속을 이동하기 때문에 이러한 문제가 발생하지 않는다. 따라서 몇 배의 출력을 낼 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 할 수 있다”(야마다 부장)

-- 바이폴라 셀 구조에 기대 --
무엇보다 현재의 전고체 배터리는 산화물계 소형품이 실용화되기 시작한 단계이며, EV용 등 대용량품의 실용화는 세계적인 대규모 투자에도 불구하고 아직 시간이 걸릴 것이라는 전망이 많다. eVTOL 전용도 상황은 마찬가지다. 해결해야 할 기술 과제가 산적해 있기 때문이다.

야마다 부장은 eVTOL 전용 전고체 배터리 실용화를 위한 열쇠로 ‘전극의 대형화 기술’과 ‘바이폴라 셀 구조에 의한 고출력화 기술’의 확립을 꼽고 있다.

후자의 바이폴라 셀이란 1개의 배터리 내에 복수의 전극체를 적층하여 직렬로 연결하는 구조이다. 일반 리튬이온전지에서는 전해액이 흘러 들어가버리기 때문에 이 구조를 실현할 수 없지만, 고체 전해질에서는 그런 염려가 없어진다. 배터리의 내부에서 발전 소자에 접속할 수 있기 때문에 고출력화가 가능하게 된다고 한다. 바이폴라 셀 구조는 eVTOL용 전고체 배터리에서 중요한 기술이 될 가능성이 있다.

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