1. 국립 연구개발 법인인 종합연구개발 기구가 차세대 전지 개발에 나섰습니다.
종합연구개발 기구가 2023년 4월에 현재의 Battery Elelctric Vehicle이나 Plug-in Hybrid Electric Vehicle에 탑재되는 Li-ion Battery의 성능과 제조 가격 양쪽 측면에서 더 뛰어난 혁신형 전지의 연구개발 사업을 시작했습니다. 현재 액체 Li-ion Battery의 전고체화에도 나서고 있지만, 새로운 프로젝트는 차세대형 2차 전지입니다. 사업은 산학관 연대로 진행되는데, 내연기관의 열효율 향상으로 큰 성과를 거둔 정부 주도의 전략적 혁신 창조 프로그램과 같은 산학관 프로젝트로서, 국립연구개발법인 과학기술 진흥기구의 첨단 탄소화 기술개발에서 2013년도부터 진행 중인 차세대 축전지 개발 프로그램 등과도 연대합니다. 그런 의미에서 국가적인 차세대 2차 전지 프로젝트라고 할 수 있습니다. 그 가운데 종합연구개발 기구는 불화물 전지와 아연 음극 전지를 대상으로 2021년부터 5년 계획으로 개발을 시작하였습니다. 이것과는 별개로 먼저 시작한 전고체 Li-ion Battery 연구개발 프로젝트도 제2기에 들어섰습니다. 나아가 종합연구개발 기구는 일본 내의 전지연구개발 성과를 연대시키는 관리 이사회에도 참가하고 있습니다. 종합연구개발 기구의 개발 테마는 불화물 전지와 아연 음극 전지입니다. 개발 담당자 말로는 " 불화물 전지는 Li-ion Battery의 다음 세대 전지로, 고에너지 밀도가 목표입니다. 에너지 밀도란 단위질량당 단위용적에서 일정시간 내에 어느 정도 출력을 계속 유지할 수 있느냐는 지표로서, 셀당 전압이 낮아도 에너지 밀도를 기대할 수 있는 극 소재입니다. 에너지 밀도에는 활물질이 갖는 이론용량이라는 개념이 있는데, 에너지 밀도의 잠재력은 이론계산으로 알 수 있습니다. 이렇게 보면 불화물전지는 Li-ion Battery를 능가하는 에너지 밀도를 충분히 노릴 수 있는 것입니다."
또 하나의 아연 음극 전지는 Battery Electric Vehicle나 Plug-in Hybrid Electric Vehicle가 폭발적으로 보급되는 과정에서 예상되는 지원 문제로부터 벗어나 낮은 가격으로 안정한 고성능 전지를 개발하려는 목적입니다. 양극 쪽에도 가격이 싼 재료를 사용하고 리튬이나 코발트는 사용하지 않습니다. 이 점은 불화물 전지도 마찬가지입니다.
차량 탑재용 2차 전지, 특히 차량 구동에 사용하는 파워트레인으로서의 Li-ion Battery는 2014년 시점에서 예상한 수치를 이미 넘어섰습니다. 그런 상황이 이대로 계속되느냐 아니면 현재가 특수한 상황의 한 복판이냐는 알 수 없지만, 일본의 Li-ion Battery용 소재 서플라이체인으로만 한정하자면 중국이 천연 흑연이나 규소, 망간 나아가 리튬이나 티탄등, 오스트레일리아가 리튬과 니켈, 규소 등을 좌지우지하고 있습니다. 코발트는 산출 대부분이 콩고 공화국이지만 채굴권은 캐나다와 핀란드, 노르웨이 같은 여러 나라가 갖고 있어서 일본 의향만으로는 아무것도 안 됩니다. 전기 모터용 가석에 사용하는 희토류도 중국과 오스트레일리아, 브라질 등이 장악하고 있습니다. 원래 일본은 자원의 거의 전부를 해외에 의존하고 있기는 하지만, 이 Battery Electric Vehicle이나 Plug-in Hybrid Electric Vehicle 같은 Electric Chargable Vehicle는 해외의존도가 더 높은 상황입니다. 일본에게 파워트레인 2차 전지는 그야말로 자원제약으로 손발이 묶여있는 것입니다. 일본이 해외에서 사 오는 자원과 식량을 사는 지금 상당 부분을 자동차 산업에서 벌어주고 있습니다. 이것이 줄어들면 필요한 자원을 확보할 수 없습니다. 탈 자원제약이라고 하는 정책은 분명히 중요한 방향으로, 일본에게는 전지의 게임체인저가 요구되는 것입니다. 그런 의미에서 종합연구개발 기구가 발표한 개발 노선은 확실한 방향입니다.
2. 전지 수요
종합연구개발 기구는 전고체 Li-ion Battery와 불화체 전지, 아연 금속 전지 3가지로 20년 정도 앞의 전지 수요를 내다보고 있습니다. 이미지 상으로는 불화물 전지가 고가이고 아연 음극 전지는 저가라는 범용품이라는 느낌이지만, 종합연구개발기구는 성능이 높으면 비싸도 된다고 생각하지 않는다고 말합니다. 또 시장에서 인기 있는 전고체 Li-ion Battery도 개발 테마입니다.
불화물과 아연 음극 두 가지 혁신전지에서는 전고체뿐만 아니라 액체 계열 전해질을 사용한 것도 개발합니다. 전위차를 갖고 있는 양극, 음극 두 가지 금속 사이의 잠재력을 어떻게 끌어내느냐는 전해질의 역할입니다. 액체 전해질 같은 경우는 전위차를 가진 물질을 액체 안에 담가둔다든가, 고체 같은 경우는 입자이므로 어떻게 접촉면을 갖게 해 이온이 지나가는 통로를 만드느냐가 관건입니다. 전고체 Li-ion Battery 프로젝트에서는 현재의 액체 Li-ion Battery와 동등한 3.8V 클래스와 함께 전고체의 특성을 살린 고전압화도 진행 중입니다. 고가 전지로 주목받고 있는 불화물 전지의 성능목표에 대해 물었더니, 현실적인 선으로는 2~3V라는 대답이 돌아왔습니다. 예를 들어 양극에 동, 음극에 알루미늄을 사용할 경우는 2~3V가 현실적인 선일 것입니다. 목표는 전압보다 용량인데, 얼마나 많은 전하를 저장할 수 있느냐가 관건입니다. 여기에 전압을 건 복합기술로 더 높은 에너지 밀도를 노리는 것입니다. 불화물 전지는 양극에서 금속 불화물이 탈불화 반응하면서 금속 화함으로써 전기가 발생하고, 음극에서는 불화한다는 반응으로 2차 전지가 성립됩니다. 이 메커니즘은 일본에서 분석되었습니다. 극 소재를 무엇으로 할지는 아직 결정하지 않았지만 실적으로 판단하는 것은 양극에 동, 음극에 알루미늄이라고 합니다. 양쪽 모두 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라, 자원 리사이클 방법이나 유통 통로도 이미 확립되어 있습니다. 동과 알루미늄의 조합은 목표로 하는 전위차로 정해진 것이고, 다른 것도 가능성은 있습니다. 2~3V의 전위차를 가진 조합으로도 불화물 전지는 높은 에너지 밀도를 노릴 수 있습니다. 예를 들면 니켈 수소 배터리는 1.2V로 Li-ion Battery보다 전압은 낮지만, Hybrid Electric Vehicle용 전지로 널리 이용되어 왔습니다. 동과 알루미늄은 조달 측면에서 전혀 걱정할 필요가 없고 자원제약도 없다는 점에서 취급하기가 쉽습니다. 차량탑재 전지의 수요가 확대될 것을 고려하면 조달이 어려운 자원이나 한 지역에만 극단적으로 의존하는 자원은 사용해서는 안됩니다.
Li-ion Battery 다음 세대로 자리매김하고 있는 아연 음극 전지도 자원제약에서 벗어나기 위한 대안 중 하나입니다. 양극 소재는 다양한 조합을 통해 선택할 예정으로, 어떤 조합으로 할지는 이온화율 등 원소로서의 물리적 특성을 바탕으로 이미 점찍어 놓은 조합 가운데서 실험 결과로 정합니다. 기본적으로 선택할 원소 리스트가 거의 정해졌습니다. 리스트 내용은 연구자 사이에서는 그다지 차이가 없습니다. 불화물 전지와 마찬가지로 리튬은 사용하지 않습니다. 또한 아연 음극 전지의 전해질에 대해서는 유기물 계열이 아니라 물 계열의 전해액을 사용하는 방향으로 검토하고 있다고 합니다. 아직 확실하다고 할 수 없지만, 같은 물계열 전해질을 사용한 사례로는 극히 보통의 자동차용 배터리로 사용해 온 납축전지가 있습니다. 이런 타입의 전지는 재활용 비율이 매우 높다고 알려져 있습니다. 물 계열 전해액의 과거 실적을 감안해서 말하면, 아연 음극 전지의 재활용에 기대할 점이 있는 겁니다. 극 소재로 익숙한 소재를 사용하면 더 그렇습니다.
3. 향후 5년
걱정스러운 것은 불화물과 아연 음극이라고 하는 두 가지 차세대 전지 연구를 향후 5년 만에 상품화할 수 있느냐는 점인데, 이 점에 대해서 종합연구개발 기구는 자신을 갖고 있는 것처럼 보입니다. 해보지 않으면 모르지만, 연구팀 사이에서 데이터를 서로 공유하면서 지금은 무엇이 문제인지? 매일 같이 토론하고 확인하면서 연구에 피드백하고 있습니다. 갑작스러운 최종 목표가 아니라 중간 목표도 세워가면서 진척 관리를 하고 있습니다. 그런 가운데 양극, 음극 재료의 조합도 취사선택하면서 개발하는 것입니다. 연구팀이 가능성 있다고 생각하는 소재의 전외나 물리적 특성으로부터 목표를 이끌어내기 때문에 제대로 잘 사용하면 도달할 수 있는 목표라고 생각합니다. 결고 무리한 목표는 아니라고 봅니다.
혁신형 축전지 프로젝트와 병행해서 진행하고 있는 리튬 전고체배터리 개발에서는 제조 프로세스도 검토하고 있습니다. 전지의 최종성능이 제조방법 측면에서 바뀌는 경우도 있기 때문에, 전고체 Li-ion Battery 프로젝트 안에서는 이것도 생각해야 합니다. 액체에서는 사용하지 못했던 양극 소재를 사용할 수 있기 때문에 용량 향상에 대한 기대도 갖고 있습니다. 한편으로 혁신적 전지 프로젝트는 아직 초보 단계로, 지금까지는 사용하지 못했던 고용량 소재를 사용하면서 전지를 성립시키기 위해서는 어떤 조합이 좋은지 살펴나가는 단계입니다. 불화물 전지와 음극 전지에 대해서는 키워드로서 에너지 밀도, 안전성, 탈자원제약을 들 수 있지만, 사업적으로는 내구성이 매우 중요한 요소라고 종합연구개발 기구는 보고 있습니다. 지금까지 오로지 용량확보에 주력해 왔지만, 새로운 조류는 내구성입니다. 내구성이 좋아지는 것에 가치를 두고 있습니다. 앞으로는 자원제약에 대한 리스크도 없애야 합니다. 이것도 가치가 있습니다. 예를 들면 전고체 Li-ion Battery는 액체 계열 전해질을 사용할 때와 비교해 화학적 열화를 낮출 수 있습니다. 한편 물리적 열화는 계면의 미세구조를 어떻게 유지하느냐가 관건이기 때문에 전고체 전해질에서는 물리적 특성을 어떻게 바꿀 것이냐가 내구성 측면에서 중요한 포인트라고 생각합니다.
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