코스트·기능성 맞춘 연구개발을… 전기자동차(EV) 등 친환경자동차 수요가 급증할 것으로 예상되는 가운데 일본에서도 리튬이온 2차전지(LiB)에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.LiB의 성능은 정극과 부극에 의해 크게 좌우되며, 특히 리튬이온 공급원인 정극의 역할이 가장 중요하지만 정극재의 용량밀도가 부극재의 50% 수준에 불과해 개선이 요구되고 있다. 친환경자동차용 수요 증가 “확실” LiB는 친환경자동차용 수요가 폭발적으로 증가할 전망이다. EV용 2차전지는 연축전지에서 니켈수소 2차전지로 대체됐지만 EV 가격은 대당 1억원을 호가하고 있어 코스트 감축이 최대과제로 부상했다. 하지만, 최근 니켈수소전지에서 LiB로 바뀌면서 코스트를 대폭 감축할 수 있는 상용화의 길이 열리고 있다. 이에 따라 Panasonic 및 Sony 등 대기업 뿐만 아니라 EV 개발 벤처기업인 SIM-Drive도 LiB를 상업화함으로써 저가의 LiB를 자동차 탑재용으로 공급할 방침이다. 세계 자동차 탑재용 LiB 시장규모는 2017년 6조3000억원, 민수용은 10조원에 달할 것으로 예상되는 가운데 일본기업들은 자동차 탑재용 시장에서 우위를 선점해 과거 액정TV와 마찬가지로 삼성전자에 시장을 빼앗기는 우를 범하지 않도록 소재 개발에 박차를 가하고 있다. 전극재료로 올리빈 주목 LiB 수요는 휴대폰이나 노트북 등에서 EV 등 친환경자동차로 이동하고 있으며, 높은 안정성과 저코스트화가 요구되고 있는 가운데 성능을 크게 좌우하는 전극재 개발에 관심이 집중되고 있다. 전극재는 안정성을 이유로 일반적으로 코발트산리튬을 사용하며 부극재로는 리튬을 포함하지 않은 흑연계 탄소소재를 주로 사용하고 있다. 충·방전할 때 정극과 부극의 전위 차이가 클수록 전지의 출력이 증가하고. 충방전에 활용할 수 있는 정극의 리튬이온량이 많을수록 전지용량이 증가해 정극은 올리빈(Olivine) 및 스피넬(Spinel), 층상(Layered) 결정구조가 주목받고 있다. 하지만, 정극의 용량은 이론의 50-70% 수준에 불과해 정극의 용량밀도를 향상시킬 필요성이 지적되고 있다. 이에 따라 전압을 높여 LiB 성능을 향상시키는 방법이 채용되고 있다. 실제 정극전압이 4V, 부극이 1V이면 LiB에서 3V까지 출력할 수 있고 스피넬계(LiM2O4), 올리빈계(LiMPO4), 층상산화물계(LiMO2)를 사용하면 50V 이상도 가능한 것으로 알려졌다. 다만, 전해질과 반응해 가스가 발생하고 체적이 변화돼 심각한 사고를 일으킬 가능성이 커 주의가 요구되고 있다. 따라서 정극재 개발은 전해질과의 반응이 크지 않은 4V 전압에 고용량화가 추진되고 있으나 코발트 가격이 높아 친환경자동차용으로는 적합하지 않은 것으로 나타났다. 결론적으로 경제성 및 안정성이 우수한 올리빈철이 주목받고 있으며 중국이나 미국의 LiB 벤처기업에서 채용이 증가하고 있다. 표, 그래프 | 일본의 정극재 물성 비교 | 일본의 LiB 정극재 생산능력 | 일본의 LiB 부극재 생산능력 | <화학저널 2010/10/18> |
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