전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.9 Hot News (p22-23)

고체 전해질의 이온 전도율 기록 경신, 저온에서 3.8배
지금까지의 10~50배 두꺼운 양극도 이용 가능

도쿄공업대학과 도쿄대학 연구진은 리튬(Li) 이온의 전도율이 높은 고체 전해질 재료를 개발해 영국 시간으로 23년 7월 6일자로 영국 학술지 ‘Science’에 논문을 발표했다.

전도율은 25℃로, 기존 최고치의 약 2.7배. 또한 용량 면밀도가 기존의 1.8배인 양극 재료도 제작할 수 있게 되었다. 이로써 급속 충방전 성능이 매우 높은 배터리를 제조할 가능성이 높아졌다. 뿐만 아니라 향후 전고체 리튬이온 2차전지(LIB) 개발 방침이 전극을 보다 후막화(厚膜化)하는 방향으로 바뀔 수 있다고 한다.

-- 최고 전도율의 재료를 개량 --
새로 개발한 리튬이온 고체 전해질은 이른바 황화물계 재료의 일종이다. 화학 조성은 Li_9.54 [Si0.6 Ge0.4]_1.74 P_1.44 S_11.1 Br_0.3 O_0.6이다.

개발한 곳은 도쿄공업대학 과학기술창성연구원 전고체전지연구센터의 호리(堀) 교수, 간노(菅野) 교수, 사이토(齊藤) 교수, 그리고 도쿄대학 생산기술연구소의 미조구치(溝口) 교수 등이다.

지금까지 리튬이온 전도율이 최고치였던 Li₁₀GeP₂S₁₂도 간노 교수 등이 개발했으며 이번에 개발한 재료는 그 후계 재료가 된다.

-- 저온에서는 3.8배 --
신재료인 리튬이온 전도율은 25℃로 32mS/cm. 한편 Li₁₀GeP₂S₁₂는 27℃에서 12mS/cm로, 약 2.7배 또는 그 이상으로 향상되었다. 신재료는 -30℃ 저온에서도 리튬이온 전도율이 비교적 높아 Li₁₀GeP₂S₁₂와의 차이는 3.8배로 벌어진다고 한다.

전도율이 높아지면 배터리로서는 (1) 급속 충방전에 강해진다, (2) 전극에 이 고체 전해질을 혼합함으로써 전극 중의 활물질 이용률이 높아진다는 장점이 있다.

-- 양극의 대폭적인 후막화가 가능해진다 --
(2)는 전극을 후막화하기 쉬워진다는 것이기도 하다. 실제로 이번 연구진은 신재료를 이용해 코발트산 리튬(LiCoO₂) 기반의 양극 두께를 0.8~1mm로, 대부분의 LIB의 20µ~100µm보다 크게 후막화한 배터리를 시험 제작했다. 음극에는 인듐(In)-Li 합금이나 금속Li를 이용했다.

그리고 이 두꺼운 양극은 분체를 건식 혼합하여 제작했다. 이른바 '드라이 전극'이 전고체 배터리에서도 사용될 수 있는 가능성을 보여줬다.

배터리 특성을 조사한 결과, 양극의 용량 면밀도는 25mAh/cm2를 넘었다. 이것은 기존의 전고체 배터리의 1.8배라고 한다. 전극을 후막화할 수 있으면 케이스나 집전체, 세퍼레이터와 같은 용량 향상에 직접 기여하지 않는 부재의 셀 전체에 대한 체적이나 중량의 비율을 줄일 수 있어, 배터리의 에너지 밀도를 높이는 새로운 설계 기법이 될 수 있다.

-- 불규칙성과 복잡성의 증대가 주효 --
이 신재료는 상술한 바와 같이 Li₁₀GeP₂S₁₂를 바탕으로 하면서도, 그 엔트로피를 높이는 것을 지침으로 개발했다. 결과적으로 높은 이온 전도율을 실현하는 데 열쇠가 되었다고 한다.

엔트로피는 불규칙성이나 복잡성의 지표로, 그것을 높인다는 것은 재료를 구성하는 원소의 종류를 늘리고, 게다가 원자 배열이 규칙성이 높은 상태에서 더 낮은 상태로 만드는 것이다. “지금까지 경험적으로 엔트로피를 높이면 이온 전도율이 향상된다고 알려져 있었다”(도쿄공업대학의 호리 교수). 그래서 이번에도 고엔트로피화를 목표로 한 것이 주효했다.

고엔트로피가 높은 이온 전도율로 이어지는 것에 대한 직감적인 이유는 “에너지 장벽(화학 포텐셜)의 산이 낮아져 ‘길’이 완만해지는 것이다”(도쿄공업대학의 간노 교수).

엔트로피가 낮을 경우 리튬이온에서의 ‘길’은, 산이 높고 계곡은 깊고 험준하다. 그것이 리튬이온 전도를 방해하는 요인이 된다. 반면 엔트로피가 높으면 산과 계곡의 차이가 작아진다.

물론 고엔트로피라고 해도 비정질처럼 구조가 없는 재료에서는 리튬이온 전도의 길 자체가 상실될 가능성이 높다. “리튬이온 전도의 기본적인 구조는 중요하다”(간노 교수).

-- 양산 기술의 확립이 과제 --
과제도 남아 있다. 그것은 재료 속의 원소 수를 늘려 복잡성이 증가함으로써 재료를 만들기 어려워지는 것이다. 단순히 조성비대로 재료를 혼합하는 것만으로는 목표로 한 구조의 재료가 만들어지지 않는다. “(Li₁₀GeP₂S₁₂ 등에 비해) 만들기 어려워진 것은 확실하다. 다만 적절한 조건을 제대로 도출해 그대로 만들면 같은 재료를 만들 수 있다는 것까지는 알고 있다”(호리 교수).

이것이 높은 수율의 양산으로 이어질지 여부가, 이 재료나 고엔트로피화라는 지침으로 개발된 미래의 고체 전해질 재료의 실용화를 좌우할 것 같다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Electronics] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.

[목차]

Hot News
● 생성 AI용으로 엔비디아 추격, AMD가 개발한 초고성능 GPPU
   메모리 대역 폭을 늘려 개발 환경 정비

● 차량용도 2nm 세대로, 삼성과 TSMC의 어필 경쟁
  제조 능력을 서로 과시, GaN 파워 반도체 제조에서도 격전

● GaN 결정덩어리에서 웨이퍼 박리, 디스코의 신기술 통해 레이저로 빠르고 낭비 없이
  시간당 생산 수, 기존 대비 6배 개선

● 오므론과 웨더뉴즈가 기상 센서 발매, 현장의 날씨를 클라우드로 파악
  건축 현장이나 농장의 원격 감시, 드론 운행 판단 지원

● 고체 전해질 이온 전도율에서 기록 경신, 저온에서는 3.8배
  기존의 10~50배 두꺼운 양극도 이용 가능

● GF와 ST가 프랑스에서 공동 공장 설립, 유럽 내 생산능력 증강
  유럽 반도체법에 따른 ‘대규모 조성금’ 전망

Breakthrough 특집1
반도체 패권의 향방 2
가속화되고 있는 미국, 일본, 유럽의 블록화 형성

제1부: ITF
반도체 이벤트 ‘ITF’의 일변, 미·중 마찰로 정치색 짙어져

COLUMN1 ● 일본×유럽
imec CEO "일본의 거점은 홋카이도, 대학과 연계한다”

제2부: 업계 지도
미·중 마찰로 급변하는 반도체 업계, 훈풍 부는 국내 첨단 제품 양산

COLUMN2 ● 군사×첨단 반도체
‘반도체 전쟁’의 저자가 말하는 미래, “생성 AI의 군사적 이용도 시작되었다”

제3부: 일본
‘돌관공사’가 진행되는 국내 양산 기반, 라피더스·TSMC·PSMC 삼총사

COLUMN3 ● AI×반도체 설계
전직 애플 반도체 엔지니어가 예측, “AI로 인해 반도체 설계자 거의 필요 없어져”

Emerging Tech＆Biz
기술 분야 탑에게 묻는다
 

기술을 향한 ‘안테나’는 현장에 설치, 중앙연구소는 보유하지 않아
르네사스일렉트로닉스의 요시오카(吉岡) 집행임원 겸 CTO

파워 반도체
65W급 GaN가 탑재된 USB 충전기 평가, 종합 1위를 차지한 의외의 제조사

파워 일렉트로닉스 어워드 2023
파워 일렉트로닉스를 안전하게 사용하는 기술에 주목, 운전 영역이 넓어지는 가변계자(可變界磁) 모터도

New Products Digest
AMD가 세계 최대 규모의 FPGA 발표, 7nm세대 다이 4개를 1개의 패키지에 구현

Readers' Voice
방위 기술은 피해갈 수 없는 과제