[요약]
- 도쿄공업대학 등은 25℃에서 32mScm-1 수준의 이온 전도율을 나타내는 새로운 초리튬 이온 전도체를 개발
- 요코하마국립대학 등은 코발트·니켈을 사용하지 않는 고에너지 밀도·장수명인 새로운 LIB용 양극재를 개발
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일본은 전고체 배터리 개발 등 배터리 주도권을 되찾기 위해 산관학 연구를 적극 추진 중인데, 이번에 LIB 성능을 향상시키는 초리튬 이온 전도체, 코발트·니켈을 사용하지 않는 LIB용 양극재를 개발
- 도쿄공업대학, 고에너지가속기연구기구(KEK), 도쿄대학, J-PARC센터 등 4개 연구기관은 공동 연구를 통해 새로운 고체 전해질 초리튬 이온 전도체*를 개발하고, 미국 과학 잡지 ‘Science’에 등재했다고 발표
- * 25℃에서 32mScm-1이라는 세계 최고 수준의 이온 전도율을 나타내는 전도체
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- 4개 연구기관은 동 전도체를 이용해 기존에는 불가능했던 1mm 두께의 양극을 개발, 전고체 배터리 성능을 획기적으로 향상시키는 데 성공
- 가연성 유기 전해액을 이용한 현행 리튬이온배터리(LIB)는 발화 위험을 불식시키지 못한다는 점이 문제인데, 이 때문에 안전하게 사용할 수 있고 고용량·고출력도 달성할 수 있는 차세대 배터리 중 하나인 전고체* 배터리 연구가 활발
- * 유기 전해액을 난연성 고체 전해질로 대체
- 4개 연구기관은 동 전도체를 이용해 기존에는 불가능했던 1mm 두께의 양극을 개발, 전고체 배터리 성능을 획기적으로 향상시키는 데 성공
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- 그동안 전고체 배터리 연구를 진행해 온 연구팀은 후막형(厚膜型) 전고체 리튬 금속전지 셀을 연구 수준에서 다룰 수 있게끔 단순한 제조 프로세스로 개발하는 것을 목표로 추진
- 해당 개발의 핵심은 유기 전해질보다 뛰어난 이온 전도율(약 10mScm-1)을 가진 소재 개발이며, 이에 연구팀이 ’11년에 개발한 ‘Li10GeP2S12(27℃에서 12mScm-1의 전도율)’의 이온 전도 특성을 최대한 끌어올려 신소재 개발에 도움
- 이번 연구에서는 데이터 사이언스 기법을 도입하는 동시에 화학 조성의 고엔트로피화에 주목했고, 구체적으로는 기존 소재의 결정구조를 유지한 채 조성만 고엔트로피화함으로써 신소재(Li9.54[Si0.6Ge0.4]1.74P1.44S11.1Br0.3O0.6)를 개발
- ※ 이 신소재의 이온 전도율은 25℃에서 32mScm-1이며, –50~55℃ 온도 범위에서 원재료의 2.3~3.8배의 이온 전도율이 나타나는 것으로 확인
- 그동안 전고체 배터리 연구를 진행해 온 연구팀은 후막형(厚膜型) 전고체 리튬 금속전지 셀을 연구 수준에서 다룰 수 있게끔 단순한 제조 프로세스로 개발하는 것을 목표로 추진
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- 연구팀은 신소재를 이용함으로써 분체의 건식 혼합이라는 단순한 제조 프로세스로 전극의 후막화를 실현했으며, 이러한 건식 공정은 기존 습식 공정에 비해 비용, 안전성, 환경부하가 작은 것이 이점
- 현재는 에너지 밀도를 향상시키기 위한 ‘전극의 후막화’에 복잡한 프로세스를 적용하고 있는 상황
- 연구팀은 신소재를 이용함으로써 분체의 건식 혼합이라는 단순한 제조 프로세스로 전극의 후막화를 실현했으며, 이러한 건식 공정은 기존 습식 공정에 비해 비용, 안전성, 환경부하가 작은 것이 이점
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- 연구팀은 향후 연구 과제로 배터리 충방전 횟수 증가에 따른 용량 감소 문제, 배터리의 대형화와 재료의 대량 공급 문제 등을 언급
- 지금까지는 전고체 리튬 금속전지 셀에서 얻을 수 있는 방전 용량에 한계가 있었지만, 이번 후막형에서는 적어도 방전 과정에 한해 이 한계를 넘어설 수 있을 것으로 전망
- 그러나 향후 ▲전극 구조 최적화, ▲충전 과정 개선도 과제, ▲전고체 배터리 산업화를 위한 배터리 대형화 및 재료 대량 공급과 화학 안정성 등의 해결이 필요
- 연구팀은 향후 연구 과제로 배터리 충방전 횟수 증가에 따른 용량 감소 문제, 배터리의 대형화와 재료의 대량 공급 문제 등을 언급
- 요코하마국립대학, 파나소닉에너지, 리츠메이칸대학 등 공동연구팀은 코발트·니켈을 사용하지 않으면서 에너지 밀도가 높고 수명이 긴 새로운 리튬망간산화물 양극재(Li2MnO1.5F1.5)를 개발하고, 미국화학회 학술지 ‘ACS Energy Letters’에 등재했다고 발표
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- 동 연구에서는 해당 신소재가 코발트·니켈 재료 없이도 고에너지 밀도화와 저비용화를 동시에 가능하게 해 사이클 수명이 우수한 배터리 재료로 사용할 수 있다는 것을 처음으로 입증
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- 전기차(EV) 보급을 확대하려면 LIB의 추가 고성능화·저비용화가 필수인데, 일본과 유럽 등에서 판매되는 EV에 탑재된 LIB에서는 소량의 코발트를 포함한 니켈계 산화물이 양극재로 널리 사용
- 반면 EV 판매량이 급증하고 있는 중국 LIB에는 에너지 밀도가 니켈계 산화물보다 낮지만 더 저가인 철계 재료가 배터리 양극재로 널리 채택되고 있고, 유럽에서도 그 시장 규모가 확대
- LIB 수요 확대에 따라 리튬, 코발트 등 희소금속 공급 부족이 우려되고 있으며, 최근 EV 수요 확대로 니켈 수요도 급증해 세계적으로 니켈 자원 확보 경쟁이 심화되고 있어, ‘성능’은 니켈계 재료와 동등 이상이면서 ‘비용’은 철계 재료 수준인 소재 개발이 요구
- ※ 지금까지는 불소를 포함하지 않는 리튬망간산화물(Li2MnO3)계 재료가 고에너지 밀도의 배터리 재료로 널리 연구되어 왔으나, 이 재료는 충방전 시 산소가 산화되어 전압이 저하되는 문제 발생
- 전기차(EV) 보급을 확대하려면 LIB의 추가 고성능화·저비용화가 필수인데, 일본과 유럽 등에서 판매되는 EV에 탑재된 LIB에서는 소량의 코발트를 포함한 니켈계 산화물이 양극재로 널리 사용
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- 이에 연구팀은 리튬염 농도가 높은 전해액을 이용해 과제 해결을 시도했고, 철과 마찬가지로 자원 매장량이 풍부하고 저렴한 ‘망간’을 이용해 코발트·니켈 프리 구성이면서도 기존 니켈계 재료 정도의 에너지 밀도를 갖는 암염형(岩塩型) 구조의 리튬망간산화물 양극재 개발에 성공
[시사점]
- 일본은 정밀한 측정과 합성으로 신물질 개발과 재료성능 향상을 지속해 배터리 재료 면에서의 과제 해결을 모색하고, 보다 뛰어난 이온 전도체 개발에 힘쓰는 한편 ‘고용량·고속충전·안전성· 장수명’을 목표로 한 배터리 개발을 추진
- 또한 철계 재료와 같은 정도의 비용으로 보다 고성능인 망간계 재료를 이용한 LIB 개발을 추진
- 이와 같이 배터리 패권을 되찾으려는 일본의 배터리 개발, 특히 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 기술 개발 추진에 대해 한국도 배터리 산업 주도권을 유지하기 위한 산관학 협력 대응 필요
[출처]
- TECH+, 東工大など、全固体LIBの性能を向上させる超リチウムイオン伝導体を開発, 2023.7.10.
- TECH+, 横国大など、高性能かつコバルト・ニッケルフリーのLIB用正極材料を開発, 2023.7.10.
