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Nikkei X-TECH_2023.11.28

첨단기술 뉴스 플러스
도시바, 2028년에 5V급 양극 배터리 실용화
수명은 6000회로 장수명

도시바는 2023년 11월 28일, 5V급 고전위 양극 재료인 스피넬 구조의 니켈 망간 산화물(LNMO)과, 고용량이면서 고출력의 음극재료인 니오브티타늄계 산화물(TiNb2O7：NTO)을 이용한 새로운 리튬이온 2차전지(LIB)를 개발했다고 발표했다.

이 신형 LIB는 기존 LIB와 달리 코발트(Co)를 일절 사용하지 않고, 음극에 리튬(Li)이 나뭇가지 형태로 석출돼 단락될 가능성이 거의 없고, 부반응에 의한 가스 발생도 없어 매우 안전하다.

그러면서도 에너지 밀도는 리튬인산철계 LIB(LFP)와 비슷하거나 다소 높아 충방전이 매우 빠르다. 도시바에 따르면 0%에서 80%로 충전하는데 5분이면 된다고 한다. 그리고 저온에 강하고, 섭씨 60도의 고온에도 강하다. 또한 충방전 사이클 수명이 약 6,000회로 길다. 용량은 1.5Ah라고 한다.

-- LTO/NTO 음극 배터리의 마지막 과제를 고전위 양극으로 커버 --
도시바는 지금까지 음극에 LTO(Lithium Titanate Oxide)를 이용한 자체 LIB ‘SCiB’를 개발해 전기자동차(EV)와 신칸센 등 다양한 용도로 실용화하고 있다. 일반적인 LIB에 비해 안전성이 높고, 수명이 길며, 급속 충방전이나 저온에 강하다는 많은 특징을 갖고 있다.

그런데 이 SCiB에는 과제도 있었다. 출력 전압이 약 2.4V로 낮고, 에너지 밀도도 낮은 점이다. 그 이유는 크게 2가지다. (1) LTO의 전위가 일반적인 LIB에서 이용하는 흑연 음극보다도 높아서 양극 재료와의 전위차가 작아져 버리는 것, (2) LTO의 전류 용량 밀도 자체가 낮다는 것이 이유였다. (1)은 Li가 쉽게 석출되지 않아 안전성이 높다는 것의 반증이기도 하다.

도시바는 2021년, LTO 음극을 대신해 NTO 음극을 이용함으로써 (2)의 에너지 밀도 과제를 크게 개선했다고 발표했다. NTO는 전위나 급속 충방전 성능이 LTO와 거의 같고, 그러면서도 전류 용량 밀도가 약 3배 높다. 도시바에 따르면 NTO 음극을 이용한 차세대 SCiB의 샘플 출하를 24년에 시작한다고 한다.

한편, (1)의 출력 전압이 낮다는 과제는 거의 그대로 남아 있었다. 이번에 도시바는 양극재료로서 기존보다 전위가 높은 5V급의 LNMO를 채택함으로써 NTO 음극과의 전위차를 넓혀 출력 전압을 3.15V까지 높였다. 이로 인해 에너지 밀도도 LFP를 상회할 가능성이 나오기 시작했다.

-- 그 상태로는 부반응이 속속 발생 --
다만, 지금까지 5V급 양극재료를 이용하는 시도에는 과제가 많아서, 그 배터리의 실용화는 진행되지 않았다. 구체적으로는 양극재료가 그 높은 전위 때문에 전해액을 분해하는 부반응이 일어나 가스가 발생한다. 더욱이 용출된 양극재료의 금속이온이 음극에 이르고, 거기서도 부반응이 일어나 가스가 발생하는 것이다. 결과적으로 배터리는 수명이 짧은데다 안전성도 보장할 수 없었다.

지금까지 이러한 고전위 양극에 대한 과제에는, 전해액으로서 불소계 용매나 이온 액체를 이용하거나 고농도 전해액을 이용하는 대책이 시도되어 왔다. 그러나 Li 이온의 전도성이 저하되는 등의 트레이드오프가 있어 실용화에는 이르지 못했다.

-- 음극 측의 대책에서 브레이크스루 --
도시바는 기존의 전해액을 이용한 상태로, 지금까지의 과제를 2개의 대책으로 거의 해소할 수 있었다고 한다. 하나는 양극재료의 입자를 표면 개질(코팅)하여 전해액과의 부반응을 억제하는 대책이었다. 또 다른 대책은 용출된 금속이온을 음극 쪽에서 물리적으로 포착해 전해액 속의 금속이온 농도가 높아지지 않도록 한 것이다. 이로 인해 가스가 발생하는 일은 거의 없어졌다고 한다.

지금까지 전해액의 분해를 억제하는 수단으로서 양극재료를 코팅하는 것은 이미 실용화되어 있었다. 하지만 양극과 음극의 양쪽에서 종합적으로 대책을 강구한 것은 도시바가 처음이라고 한다. 특히, 산화물계 음극재료에 대한 지금까지의 노하우를 활용할 수 있었기 때문에 음극에서 금속이온을 포착한 것이 주효했다고 한다.

-- 5분이면 충전 가능하고 고온에도 강하다 --
개발한 신형 배터리는 전술한 바와 같이 SCiB와 마찬가지로 5분에 80%까지 충전할 수 있고, 출력도 방전 레이트 5C 이상으로 대전류를 낼 수 있다. 게다가 기존 LIB가 만족스럽게 작동하지 않는 섭씨 60도의 고온에서도 높은 용량 유지율을 유지할 수 있다. 출력 전압은 LFP와 거의 같고, 에너지 밀도는 같거나 약간 웃돈다. 특히 LFP의 과제인 저온에 대한 내성이 높다.

도시바는 이 5V급 양극 배터리를 28년에 실용화하는 목표를 세우고 있다고 한다. 당초의 응용처는 고전압/고출력을 필요로 하는 한편, 소형이라도 괜찮은 전동공구나 산업기기 용도를 상정하고 있다. 장기적으로는 차량탑재 용도에 적용하는 것도 상정한다. 도시바는 “하지만 배터리를 대형화, 대용량화 했을 경우에 과제가 발생할지 여부에 대해서는 지금부터 검증해 나가야 한다”라고 설명했다.

 -- 끝 --

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