LiB, 항속거리 350km 한계 … 500km에 코스트·안전성이 과제
화학저널 2016.11.21
스마트 사회를 실현하기 위해 에너지 자급자족 활동이 현재화함에 따라 혁신전지의 필요성이 부상하고 있다.
신재생에너지로 발전한 전력을 자체 소비하며 EMS(Energy Management System)를 통해 효율적으로 제어하는 활동이 일반가정에서 빌딩, 지역 전체로 확대될 것으로 예상된다.
전기의 안정공급을 가능케 하는 축전지는 신규 시스템 구축에 필수적으로 요구되며 LiB(Lithium-ion Battery)는 고성능화가 진행되고 있으나 성능에 한계가 나타나고 있어 새로운 혁신전지가 탄생할지 주목된다.
축전지 시장은 LiB가 주류를 이루고 있는 가운데 전기자동차(EV) 등의 항속거리를 향상시키는 고용량화와 시동용 배터리 및 전동공구 등 입출력을 반복하는 용도에 적합한 고출력화가 이루어지고 있다.
고용량화는 정극재에 3원계, 부극재에 실리콘(Silicone)계를 활용할 것으로 예상되고 있다.
그러나 LiB는 성능이 한계치에 달해 LiB를 탑재한 EV는 항속거리가 120-200km 수준에서 2020년경에도 250-350km로 확대되는데 그칠 것으로 판단되고 있다.
닛산(Nissan)자동차는 LiB의 한계가 명확한 것으로 판단하고 성능을 한계치까지 끌어올리는데 주력하면서도 포스트 LiB로서 새로운 축전지 개발을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
일본에서는 전지 성능을 더욱 향상시키기 위해 「All Japan」 체재를 통한 움직임이 가속화되고 있다.
신에너지·산업기술종합연구기관(NEDO)은 5월 「혁신형 축전지 첨단과학 기초연구 사업(RISING)」의 후속 프로젝트로서 2016-2020년 동안 시행하는 「혁신형 축전지 실용화 촉진 기반 기술개발(RISING-Ⅱ)」을 추진한다고 발표했다.
자동차기업을 비롯한 10개 관련기업 및 16개 대학, 4개 연구기관과 공동으로 2030년까지 항속거리 500km의 신규 축전지 실용화를 목표로 하고 있다.
소니(Sony), 토요타(Toyota), 토요타중앙연구소, 닛산, 파나소닉(Panasonic), Hitachi Chemical, Hitachi, Hitachi Maxell, Honda R&D, Mitsubishi Motors 등이 참여하고 있다.
RISING 기간 중에 발견한 「아연공기전지」, 「나노계면제어전지」, 「황화물전지」 3개의 신규 전지를 대상으로 5암페어 용량의 실제 셀을 시험제작해 차체용에 적합한 성능을 검증함으로써 항속거리를 가솔린 자동차 수준인 500km로 늘리는 것을 목표로 하고 있다.
5년 동안 국비 약 150억-180억엔을 투입해 Kyoto대학을 중심으로 연구거점을 설치하고 참가기업들이 파견 및 출장을 통해 프로젝트 관련 정보를 공유할 방침이다. 대학 및 공공기관이 밀접하게 연계하는 등 자유로운 기술 논의도 실시할 계획이다.
신규전지 가운데 아연공기전지의 개발 가능성이 가장 높은 것으로 파악되고 있다.
아연공기전지는 정극재에 공기(산소)와 촉매, 부극재에 아연을 사용한다. 아연의 충진 밀도를 높여 에너지 밀도를 향상시키고 전지를 충전할 때 전극금속이 수지상결정(Dendrite)으로 석출되는 현상을 방지함으로써 사이클 수명을 향상시킬 수 있는 것으로 알려졌다.
나노계면제어전지는 비활성 소재의 계면을 나노 수준으로 제어해 충·방전을 가능케 한다.
NEDO는 할로겐화물을 사용한 도전성 전해질 소재의 개발에 주력해 액체계 및 고체계의 고성능화를 검토하고 있다.
황화물전지는 금속다황화물을 사용한 정극재로 고용량·고출력을 실현하기 위해 전해액에 대한 용출을 억제하고 고차원적인 안전성을 확립할 계획이다.
NEDO는 RISING 기간에 개발한 「오퍼랜드 해석기술」을 통해 신규 전지의 가능성을 발견한 것으로 알려졌다.
오퍼랜드 해석기술은 전지가 작동하는 조건에서 축전지 반응을 해석할 수 있는 것이 특징이다.
기존에는 전지에 문제가 생겼을 때 해체하지 않으면 해석을 할 수 없었으나 방사광 빔라인과 중성자 빔라인을 사용함으로써 전지의 충·방전 시에도 현상 및 구조를 파악하는 것이 가능한 것으로 알려졌다.
또 약 30마이크로미터의 매우 작은 심폭 영역을 측정하는 해석기술 「공초점 XRD 공법」도 개발했으며, 해당 공법은 전극 위치의 정밀한 분해 측정이 가능한 것이 특징이다.
NEDO는 RISING-Ⅱ 기간 동안 복수의 해석기술을 조합해 플랫폼을 구축하고 신규 축전지의 현상 규명 및 셀 설계 피드백을 실시할 계획이다.
계산과학과 정밀 충·방전 해석, 전자현미경·X선현미경 등 각 기술을 융합해 에너지 밀도를 향상시키는데 그치지 않고 입출력 특성, 코스트, 내구성, 안전성을 포함한 신규 전지의 연구개발을 가속화할 방침이다.
신규 전지는 모든 연구개발 항목의 목표 난이도가 매우 높고 전극 개발 등은 아직 검토단계에 지나지 않아 해결해야 할 과제가 산적해 있다.
뿐만 아니라 차체용으로 실용화하기 위해서는 절대적인 안전성과 제조코스트 절감이 요구된다.
이에 따라 2030년까지 실용화하기 위해서는 2020년대 전반까지 3개의 혁신형 축전지 가운데 개발 가능성이 높은 전지를 선정하고 셀 기본설계 사양 등을 명확히 해야 할 것으로 파악된다.
하나의 기관만으로는 개발에 한계가 있기 때문에 All Japan을 통해 관련기관들이 부재에서 전지, 자동차에 이르기까지 협력하면 보다 원활한 전지 개발을 보다 원활히 추진할 수 있을 것으로 판단되고 있다.
또 오퍼랜드 해석기술을 활용할 수 있는 환경을 정비하고 있는 만큼 LiB의 성능을 뛰어넘는 전지 개발을 실현할 것으로 예상되고 있다.
RISING-Ⅱ는 자동차 탑재용 전지 개발에 주력하고 있으나 해당 성과가 스마트 사회의 실현에도 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
하우스 건설기업이 보급을 추진하고 있는 제로 에너지 하우스는 대용량 태양전지로 생성한 전기를 축전지에 모아 사용하는 방안을 검토하고 있다. 축전지에는 거치형 LiB를 활용하고 있으나 고용량 EV로 대체할 수 있는 것으로 알려졌다.
EV는 재해가 발생하면 비상용 전력 공급원으로서도 활용할 수 있다.
자동차와 축전지의 기능을 제공하는 활동으로는 Mitsubishi Electric 등이 V2H(Vehicle to Home) 전개를 강화하고 있으며 앞으로 비슷한 솔루션을 전개하는 움직임이 확대될 것으로 예상된다.
또 자동차는 LiB 및 차세대 전지의 적용 외에도 연료전지자동차(FCV)의 보급이 본격화하고 있다.
토요타 및 혼다(Honda)는 현재 PEFC (고체고분자형연료전지)를 탑재한 FCV를 시장에 투입하고 있다.
FCV도 외부 급전기를 활용하면 달리는 전지로서 활용하는 것이 가능하다.
이밖에 닛산은 바이오에탄올을 활용해 발전한 전기로 주행할 수 있는 연료전지 시스템을 개발했으며 세계 최초로 SOFC(고체산화물형연료전지) 자동차에 탑재할 계획이다.
전지는 스마트사회를 이끄는 핵심 소재인만큼 다양한 전지 개발에 이목이 집중된다. <이하나 기자>
<화학저널 2016년 11월 21일>
|