리듐이온배터리보다 2배이상의 성능으로 발화할 위험성이 없는 「전고체 리튬 배터리」 개발에 성공

리듐이온배터리보다 2배이상의 성능으로 발화할 위험성이 없는 「전고체 리튬 배터리」 개발에 성공

휴대전화 배터리나 에코카 구동 전원에 이용하기 위해서, 리튬이온 충전지 연구는 지금도 열심히 하고 있습니다. 특히 연구자에게서 주목받고 있는 것이, 안전성과 생산 코드에 뛰어난 「전고체 리튬 배터리」입니다. 미시간 대학교가, 종래의 리듐이온배터리보다 2배 성능을 가지고, 열화나 발화할 걱정도 없다고 하는 새로운 전고체 리튬 이온 전지를 개발했다고 보도했습니다.

1980년대에 발명된, 금속 리튬과 액체전해질을 사용한 「금속 리튬 배터리」는 새로운 기술로서 큰 기대를 모으고, NTT가 판매한 숄더형 휴대전화 배터리에 채용되는 것으로 시장에 등장했습니다. 그러나, 전극표면에 "덴드라이트"라고 불리는 리튬 덩어리가 석출하고, 최종적으로 전지가 쇼트해서 발화될 가능성이 있었습니다. 당시는 이 문제를 해결할 수 없었고, 전극에 금속 리튬을 사용한 충전지는 드디어 사용되지 않게 되어버렸습니다.

1991년에 소니 에너지 디바이스 주식회사가 판매한 리듐이온배터리는, 전극에 사용하는 그라파이트(흑연)가 리튬 이온을 흡수하는 것으로 리튬덴드라이트의 석출을 방지하기 위해서, 그것까지 금속 리튬 배터리와 비교해서 안정되어 있었습니다. 그 때문에, 조만간 이르기까지 충전식 배터리 주류는 리듐이온배터리입니다.

단, 리듐이온배터리는, 금속 리튬 배터리보다도 충전 속도가 압도적으로 빠르지만, 비용량·에너지 밀도는 대폭으로 집니다. 또, 리듐이온배터리는 충전을 되풀이하는 것으로 조금씩 열화가 일어나버리고, 발화할 위험성도 있습니다.

미시간 대학교 기계공학교수인 제프·사카모토씨는, 금속 리튬 배터리가 덴드라이트 석출에 의해 쇼트해버린다고 하는 결점을 해결하기 위해서, 전극에 이용하는 금속 리튬 표면을 세라믹제 고체전해질로 코팅하는 것으로 물리적으로 안정되게 한다고 하는 아이디어를 생각했습니다. 중첩되는 실험한 끝에, 고온으로 코팅한 세라믹 전해질에 의해, 덴드라이트가 석출하지 않는 금속 리튬 전극 개발에 성공했습니다.

연구팀에 의하면, 이 새로운 전극을 이용한 전고체 리튬 배터리는, 리듐이온배터리와 거의 같은 속도로 충전할 수 있고, 리듐이온배터리에 보여지는 배터리 열화가 보여지지 않고, 리듐이온배터리보다 2배이상의 비용량·에너지 밀도를 기대할 수 있습니다.

미시간 대학교 연구원인 Nathan Taylor씨는 「우리들은 새로운 금속 리튬 배터리를 22일간 계속해서 사용하는 실험을 했습니다만, 배터리 전극은 일체 열화하지 않았습니다. 이만큼 오랫동안 잘 된 전고체전지는 본 적이 없습니다」라고 이야기했습니다.

세라믹을 이용한 전고체 리튬 배터리가 실용화되면, 현행 리듐이온배터리보다도 소형 및 고출력 동시에 안정된 충전지가 되고, 휴대전화나 노트북뿐만 아니라 자동차(EV)에의 응용도 기대할 수 있습니다.

세라믹 전해질에 의한 전극 성능을 확인한 연구팀은, 전지비용량 목표를 채우기 위한 얇은 세라믹 전해질층의 제조·연구를 시작했습니다.