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Nikkei Electronics_2023.6 Hot News (p18-20)

소프트뱅크, '플라잉 기지국'용 리튬금속 배터리를 성층권에서 동작 실증
에너지 밀도 275Wh/kg의 배터리 팩이 3일간 정상 작동

소프트뱅크는 자사의 R&D부문인 첨단기술연구소가 2023년 3월 22~23일에 개최한 기술전시회 ‘기술의 힘 ADVANCED TECH SHOW 2023’에서, 플라잉 기지국 ‘HAPS(High Altitude Platform Station, 성층권 플랫폼)’의 실용화를 향한 현재의 개발 상황을 공개했다.

HAPS는 고도 20km의 성층권을 장기간 날아다니는 비행체로, 이동통신시스템 기지국을 탑재함으로써 기지국이 정비되지 않은 지역에 브로드밴드(광대역) 서비스를 제공한다.

‘Starlink’(미국 스페이스X) 등 인공위성을 사용하는 위성 광대역 서비스와 비교하면 전용 안테나가 필요 없고 스마트폰으로 직접 통신할 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 게다가 위성보다도 비행 고도가 낮기 때문에 저지연/대용량 통신서비스를 실현할 수 있을 가능성이 있다.

-- 성층권과의 통신 실증에 성공 --
HAPS는 날개에 탑재하는 태양전지의 전력을 동력원으로 사용해 성층권을 시속 50~60km 속도로 원을 그리듯 날아간다. 1기로 직경 200km의 구역을 커버한다. 일본 전역을 수십 기로 커버할 수 있다고 한다.

소프트뱅크는 17년부터 HAPS 관련 프로젝트를 시작해, 드론 개발 기업인 미국 Aero Vironment와의 협업을 통해 검증기 ‘Sunglider(선글라이더)’를 개발했다. 양사의 역할 분담은 소프트뱅크가 HAPS의 사양 책정과 주요 부품을 개발하고, Aero Vironment가 기체의 설계/제조를 담당한다.

2020년 9월에는 미국 뉴멕시코주에 있는 우주공항 ‘Spaceport America’에서 Sunglider의 성층권에서의 비행과 성층권으로부터의 LTE 통신의 실증 실험에 성공했다. 성층권에서의 통신시스템이 사업으로서 충분한 포텐셜을 갖고 있는 것을 확인했다고 한다.

HAPS에서 중요한 것은 기체의 에너지 효율이다. 그래서 날개가 옆으로 길고 가벼워 태양전지를 많이 부착할 수 있는 대형기가 유리하다고 알려져 있다.

실제 Sunglider는 기체의 폭이 점보 제트기 수준인 약 80m이며, 길이는 불과 2m 정도이다.  프로펠러는 10대 탑재한다. 페이로드는 HAPS에서는 세계 최대급인 50kg으로 알려졌다.

-- 사업화의 목표 시기는 2027년 --
한편 실증실험 결과를 통해 사업화에는 기체 구조의 경량화와 모터의 고성능화, 배터리의 고용량화 등이 필요한 것으로 나타났다고 한다.

현재는, 후계기 개발을 위해 부품 단계부터 개발에 임하고 있다. 또한 이번 전시회에서는 HAPS 전용으로 개발한 플라이트 시뮬레이터를 최초 공개했다.

사업화 목표 시기는 27년이다. 우선은 적도 부근 지역을 대상으로 서비스를 제공할 예정이다. HAPS에서는 태양전지가 낮에 만들어내는 전력만이 동력원이 된다. 야간에는 날개 내에 탑재한 배터리에 축적한 전력을 사용해 비행하지만, 현재 추산으로는 일본처럼 위도가 비교적 높은 지역에서는 야간비행에 충분한 전력을 확보할 수 없기 때문이다.

-- 리튬 금속의 과제 극복 --
소프트뱅크는 일본을 포함한 다양한 지역에서 HAPS 서비스를 제공할 수 있도록 차세대 대용량 배터리 개발을 추진하고 있다. 이번 전시회에서는 음극에 리튬 금속박을 이용한 리튬 금속 배터리 팩을 선보였다. 현행 리튬이온 배터리보다 소형/경량화/고용량화가 가능한 포텐셜을 갖는다.

다만 리튬 금속 배터리에는 사이클 수명이 짧다는 큰 과제가 있다. 충전 중에 리튬이온에서 금속리튬으로 환원될 때 덴드라이트(침상결정) 상태의 리튬이 석출. 충방전을 반복하는 과정에서 그것이 성장하며 내부 구조를 파괴하고, 최악의 경우 발화에 이른다.

이 과제를 해결하는 대처로서 충방전 시에 높은 구속압력을 배터리 셀에 가하는 것이 유효하다고 알려져 있다. 소프트뱅크는 배터리 셀에 3~5기압의 구속압력을 가함으로써 덴드라이트의 발생을 억제해 수명이 대폭 향상되는 것을 발견했다.

다음 과제는 구속압력을 유지하는 구조를 어떻게 배터리 팩에 내장하는가에 있었다. 처음에는 강한 스프링을 이용해 구속하는 방식 등도 검토했지만, 그만큼 배터리 팩이 무거워진다. 그래서 스폰지 상태의 소재를 사용한 쿠션으로 구속압력을 가하는 기구를 개발. 실용에 충분한 사이클 수명을 확보할 수 있는 것을 확인했다고 한다.

소프트뱅크는 이번에 Enpower Japan(도쿄)의 중량 에너지 밀도가 439Wh/kg인 리튬 금속 배터리 셀을 이용해, ENAX(도쿄)의 협력 하에 쿠션 구속 기구와 히터, 단열재 등을 도입한 배터리 팩을 개발했다.

배터리 팩의 무게는 1.16kg으로, 275Wh/kg의 중량 에너지 밀도를 달성했다. 이는 고성능 리튬이온 배터리를 이용한 HAPS용 배터리 팩의 약 190Wh/kg과 비교해 1.44배 수준이다.

-- 3일간 정상적으로 작동 --
2023년 1월 30일~2월 2일, 소프트뱅크는 미국 뉴멕시코주에서 이 배터리 팩을 성층권 기구 시스템에 탑재해 저온/저압 환경에서 작동 테스트를 실시했다. 3일간의 비행중, 배터리의 충방전과 히터가 정상적으로 작동하는 것을 확인했다고 한다.

지금까지는 성층권 환경의 온도/기압을 모방한 시험 환경에서 작동 실증을 진행했는데 이번에 처음으로 성층권에서 정상적으로 작동하는지 실증에 성공했다.

앞으로는 목표로 제시한 300Wh/kg을 실현해 나감과 동시에 더 큰 대형 배터리 팩도 개발해 HAPS 뿐만 아니라 산업용 드론에 탑재하는 것도 검토한다고 한다.

 -- 끝 --

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