<일본의 차차세대 이차전지 및 축전 디바이스 기반 기술>
본 제언은 그린 이노베이션의 중심 과제 중 하나로 여겨지는 전기 에너지 저장 기술을 주제로 2030년 이후를 내다본 장기적인 관점에 입각하여 현재 연구가 진행되고 있는 각종 이차 전지의 성능, 비용 등을 크게 능가하는 ‘차차세대 이차 전지 및 축전 디바이스 기반 기술’ 창출의 연구 개발 전략을 제안하는 것임.
2011년 3월 11일 동일본 대지진 및 후쿠시마 제1호 원자력 발전소 사고의 영향으로 향후 일본의 에너지 정책 및 그에 따른 에너지 연구 개발 전략은 지금 대규모 재검토를 실시해야 하는 상황임. 독립 행정법인 과학기술진흥기구 (JST) 연구개발전략센터 (CRDS)에서는 지진의 발생 약 1년 전부터 산학관의 일선 연구자와 함께 미래에 요구되는 전기 에너지 저장 기술에 관한 연구 개발 전략을 논의하고 검토했는데, 현재의 상황에 입각하여 향후 연구 개발 과제와 추진상의 여러 과제에 관한 제언을 정리했음.
- 본 제언에서는 자동차 등 운수 부문에 사용되는 화석 에너지의 근본적인 감소와 새로운 에너지의 효과적인 이용 및 긴급시 전원 확보 등을 노린 분산형 에너지 사회 실현에서 주요 디바이스의 하나로 여겨지는 2차 전지 및 축전 디바이스 기술에 초점을 맞추고 있음.
- 용도는 ① 자동차 및 수송 기기용 (대용량 × 이동형), ② 분산 에너지 시스템 및 정치용 (대 ~ 초대형 용량 × 고정형), ③ 모바일 기기용 (소용량 × 이동형) 가운데 본 제언에서는 주로 ①, ②를 거론함.
- 또한 혁신적인 전기 에너지 저장 형태의 경우 현재의 이차 전지 형태를 취한다고 한정할 수 없기 때문에 그것과는 다른 새로운 ‘축전 디바이스’ 창출 가능성에 대해서도 검토에 포함시키고 있음.
전지 기술은 지금 관련 학계, 산업계 그리고 사회를 둘러싼 주변 상황이 격변하고 있음.
- 원래 일본은 이 분야에 있어서 기술과 산업의 종합 파워에서는 국제적인 우위를 유지했지만, 사회의 전지에 대한 요구 증대와 시장 확대에 따라 비용 경쟁력이 있는 아시아 세력의 치열한 추격을 받고 있음. 그 결과 일본 전지 제조업체 및 관련 부재 및 소재 제조업체의 세계 시장 점유율 최상위를 유지하는 것도 점차 감소되는 추세에 있음.
- 또한 외국에서는 전략적인 연구 개발 시책을 전개하여 관련 학술 분야의 논문 수 등에서도 일본의 지위는 상대적으로 저하되고 있음.
- 현재 일본에서도 경제산업성, (독) 신에너지 및 산업기술 종합개발기구 (NEDO)를 시작으로 하는 적극적인 시책을 전개하여 차세대 이차 전지 개발에 임하고 있지만 기술의 변화가 가속화되는 가운데 한층 더 미래를 고려한 차차세대 기술에 대한 대비는 꼭 충분하다고는 말할 수 없는 상황임.
앞으로는 강력한 시장의 요구를 수용하여 전기 자동차용 전지 개발이 산업계를 중심으로 진행되고 갈 것이라 생각되지만, 그 기술 성과는 태양광 발전이나 풍력 발전 등 출력이 불안정한 자연 에너지를 도입했을 경우에 필요한 전력 공급 안정을 위한 고정식 축전지 개발로 이어질 것으로 기대되고 있음.
- 현재 본격적인 전기 자동차의 보급을 목표로 한 목표 수치로는 에너지 밀도 700Wh/kg이 제시되어 있음. 이 목표치는 현재의 리튬 이온 배터리 연장선상의 기술로는 달성 불가능으로 여겨지고 있음. (현재 타입의 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도 한계는 250-300Wh/kg 정도로 되어 있음).
- 또한 이러한 소규모 분산 전원은 비상용 전원으로 안전하고 안심할 수 있는 사회 시스템의 중요한 요소가 될 수 있음.
- 모두 소형이면서 대용량인 제품이어야 한다는 점과 대폭적인 코스트 다운이 요구됨.
- 현재 각종 개발 프로젝트에서는 안전성 향상을 포함하여 이러한 목표를 실현할 수 있는 전망은 서있지 않음. 당면한 현실적인 목표를 향한 연구 개발과 병행하여 기초적인 현상 해명과 이론 모델 구축, 그들을 기반으로 한 새로운 개념의 창출 등과 같은 기초적인 연구 활동을 강화할 필요가 있음.
- 또한 전지는 종합 기술이자 종합 시스템이어서 기초부터 실용화의 각 단계에 따라 재료, 장치, 회로 이론, 계통 연계 및 전력 운용 등 다양한 분야에 걸쳐 광범위한 기술 개발이 필요하며 산학 관 각 분야가 담당하는 기술 과제 해결에 대한 역할 연결이 중요함.
현재 연구 개발이 진행되고 있는 차세대 전지 그리고 한 단계 더 나아간 다음 기술로는 금속 공기 이차 전지와 s-블록 금속 이차 전지, 다가 양이온 이차 전지 등이 고안되고 있지만, 기타 새로운 구조 및 새로운 개념의 축전 디바이스를 포함하는 미래에 요구되는 기반 기술 창출을 위해서는 다음과 같은 연구 개발 과제가 상정됨.
- 이러한 과제를 해결하고 차차세대의 혁신적인 이차 전지 및 축전 디바이스 실용화를 실현하기 위해서는 종합적인 연구 체제를 구축하고 올 재팬을 기념구상으로 전략적으로 추진하는 것이 필수적임.
- 특히 현재의 가정을 훨씬 초과하는 시즈의 발견, 착상에는 현상 해명을 위한 기초 기반 연구 체제의 충실화, 이분야 융합 연구의 촉진, 지속적인 자원 투입과 관련 연구 인력의 장기적 육성, 기초 및 기반 연구와 응용 개발 연구의 역할 연결이 각각 관련성을 가지며 중요한 의미를 가짐.
향후 중요한 연구 개발 과제는 크게 다음의 세 항목임.
- 새로운 재료 개발 (새로운 전극 재료 개발, 전극 재료 계면 근방의 나노 수준 입체 구조의 최적 설계 및 제어, 안전성과 고전압화 두 가지 모두의 균형을 실현하는 새로운 전해질 재료 개발, 새로운 세퍼레이터 재료 개발)
- 축전 디바이스 시스템 신기술 개발 (새로운 재료의 조합 기술 개발, 나노 현상의 해명에 따라 매크로 시스템 설계 및 제조 기술 개발, 안전 시스템 기술 개발)
- 전지 반응의 현상 해명과 이론 모델 구축 (전지 반응의 직접 관찰 및 측정 기술 개발, 성능 저하 열화기구의 해명, 반응 이론 모델링, 계산 과학에 의한 예측 시뮬레이션 기술 개발)
그리고 이 이니셔티브를 실행하여 저탄소 사회 및 분산형 에너지 사회 실현의 주요 디바이스로서 낮은 비용으로 안전한 초소형 축전 디바이스 실용화가 기대됨.
- 그 과정에서 일본의 전지 및 관련 부품 소재 업체, 그리고 스마트 그리드 등의 전지 시스템 관련 산업의 국제 경쟁력 강화, 나아가 기초 과학에서의 학술 분야 간 융합 촉진과 연구 인력의 중장기적인 육성을 도모할 수 있게 됨.
- 지금까지 일본에서의 전지 연구는 주로 전기 화학 분야에서 진전되어 왔지만 본 제언에서는 물리학, 특히 이론면이나 고체 물리학 전문가와 합성 화학자, 분자 설계 전문가와의 융합 연구를 다루고 있음.
- 또한 위의 높은 목표를 실현하기 위해서는 최근 진전이 현저한 측정 기술과 계산 과학 협동이 보다 필수적이며 이러한 학문 영역의 융합 촉진이 기대됨.
동일본 대지진과 후쿠시마 원전 사고에 따른 영향으로 일본은 에너지 공급에 제한을 받는 것을 경험했음. 이것은 국민 생활과 산업에 큰 타격이 되었음. 분산형 에너지 사회는 그 이전부터도 미래 에너지 사회를 실현하는 형태의 하나로서 구상되어 왔지만 여기에 이르러 그 중요성이 급속히 높아져 국민 사회에서 조기 실현이 기대되고 있음.
- 그러기 위해서는 ‘차차세대’로 주목 받는 수준의 초고용량, 고밀도 축전 장치가 필수적임. 일본 산업이 국제적인 강점을 발휘해온 분야로서 전지 관련 산업에 대한 기대도 매우 높고 에너지 안보 및 저탄소화 지구 온난화 대책의 의미에서도 사회적 효과는 매우 큼.
- 현재 지진을 계기로 하여 가정이나 사무실, 공장 용도의 경우 비상 전원으로, 또한 기업의 서버 등의 백업 전원 확보를 목적으로, 그리고 말할 것도 없이 자동차 등 운수 부문에서 축전지에 대한 관심은 크게 높아지고 있음.
- 치열한 국제 경쟁에 노출되어있는 산업계는 차세대 제품의 연구 개발에 집중 투자하고 있지만, 차차세대로 이어지는 기초 및 기반 기술 창출에 대한 전략 투자는 부족했음. 특히 장기간이 걸리는 전지 및 축전 연구 개발의 경우 대학이나 공공 연구 기관을 중심으로 산업계도 더불어 장기적인 관점을 가진 전략적인 연구 개발을 추진하는 것이 요구됨.
‘차차세대 이차 전지 축전 디바이스’
- 본 제언에서는 현재의 리튬 이온 배터리의 3 ~ 5배 정도의 에너지 밀도를 가진 배터리를 ‘차세대 이차 전지’라고 파악하고 그것을 더 능가하는 가능성을 가지는 향후 2030년 이후 실현이 기대되는 전지를 ‘차차세대 이차 전지 및 축전 디바이스 기술’로 정의하여 사용하고 있음.
- 리튬 (금속) - 공기 2차 전지, 전고체형 전지, s-블록 금속 이차 전지, 다가 양이온 이차 전지, 기타 ‘신종 새로운 개념’에 의한 이차 전지 및 커패시터 등의 축전 장치도 포함하고 있음.
출처: KIET해외산업정보
원본출처: crds.jst.go.jp
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