2021.11.16

리튬이온 전지는 양극과 음극 사이를 리튬이온이 이동함으로써 충방전을 하는 전지로, 일반적으로 반복해 충방전이 가능한 것을 2차 전지라고 부른다.

납축전지등의 다른 전지에 비해, 소형으로 대용량의 전력을 축적할 수 있어 휴대 전화, PC의 배터리, 산업용 로봇, 전기 자동차 등에 폭넓은 용도로 사용되고 있다.

최근 태양광 발전이나 풍력발전과 같은 재생가능 에너지의 보급, 확대를 배경으로 전력 저장의 필요성이 증가하고 있다.

재생가능 에너지는 일조량이나 바람의 상태와 같은 기상 조건에 의해 발전량이 좌우되어, 그 상태 그대로는 안정적인 전력 공급이 어렵다.

이에 발전한 전력을 필요한 때에 대비해 전력 저장과 조합하는 것으로 전력 공급 시스템의 안정성을 높일 수 있다.

전력 저장은 전력 수요 전체의 밸런스 조정이나, 발전 효율의 향상도 가능하다.

전력 수요는 하루 중 주간이 최대(피크), 야간이 최소이며, 여름이나 겨울 등의 공조기를 사용하는 시기에 최대가 되는 특징이 있다.
전력회사에서는 전력 수요량이 가장 많아지는 시기의 최대 수요에 대비한 발전, 송전 설비를 확보하고 있다.

그러나 이런 대응은 전력 수요가 적은 시기에 발전소의 가동률이 떨어지는 것을 의미하며, 가장 효율적으로 발전할 수 있는 정격출력으로의 운전 시간이 줄어들기 때문에 발전효율이 떨어진다.
이러한 것으로부터 축전 설비를 병설해, 수요가 적은 시간대에 잉여 전력을 저장하고 피크 수요의 시간대에 공급하는 피크 시프트를 운용해서

발전소의 가동을 일정하게 해 발전 효율이 향상 될 것을 기대 하고있다.

본고에서는 이런 전력 저장에 혁신을 가져오는 개발중에 신형리튬이온전지 「전수지전지」를 소개한다. 

고체 중에는 많은 틈새를 가진 것이 있다.

그런 고체가 정격이 되고, 전자를 받았을 때 동량의 1가 양이온이 틈새로 들어가면 전류가 흐른다.

음극도 그 양이온이 드나드는 틈을 가질 경우 같은 이온이 양극과 음극을 넘나드는 2차전지가 된다.
그에 대표적인 리튬이온전지의 반응식을 그림1에 나타냈다.

양극에는 LiCoO2, 음극에는 흑연이 사용되며, 각각 양극의 식(1), 음극의 식(2)의 반응이 발생해, 전체 식(3)의 반응이 일어난다.
리튬이온전지는 그림2와 같이 주로 양극집전체, 양극, 음극집전체, 음극, 양극과 음극을 나누는 분리막, 그 공간을 매우는 전해액으로 구성되어 있다.

양극과 음극은 각각 리튬이온을 축적하도록 되어있어, 그 리튬이온이 전해액을 통해 양극, 음극으로 이동하는 것으로 에너지를 쌓거나 방출하는 것이 가능하다.

「전수지전지」는 APB주식회사＊의 대표이사 CEO인 호리에 히데아키씨가 착안해 당사와 공동으로 개발을 진행하고 있는 기술로

주요재료를 수지로 치환해 바이폴라형 구조를 채용하고있는 전혀 새로운 리튬이온전지이다.

바이폴라형 구조는 1장의 단전지(셀)의 앞뒤에 각각 양극과 음극이 있으며, 그 사이에 전해질을 포함한 분리막을 개입시켜 적층한 구조를 말한다.
전력 저장에 사용되는 수kWh ～ 수MWh의 축전지의 경우에는 필요한 출력 등에 맞춰 복수의 단전지를 직렬 또는 병렬로 구성하여 사용한다.

종래의 전지는 단전지를 구성하기 위해서 전지의 외장체나 접속을 위한 배선이 필요하다.

한편, 전수지전지는 기존에 없던 바이폴라형 구조여서, 단전지를 적층시키는 것 만으로 전기적인 접속이 가능해져 접속을 위한 배선이 필요없다.
즉, 조립전지의 콤팩트화, 다시말해 고에너지 밀도화가 가능해진다.(그림3)

＊APB주식회사 홈페이지https://apb.co.jp/

리튬이온전지는 다른 전지와 비교해 큰 에너지를 축적할 수 있는만큼 잘못 사용하면 발화나 발연과 같은 트러블이 생길 수 있다.

경제산업소의 조사에 따르면 리튬이온전지의 이상에 의한 사고는 최근 증가 경향을 보이며, 다수가 화재를 동반하고 있다.(그림4) 1）

특히, 복수의 전지를 결합해 사용하는 전력저장은 화재의 규모도 크다.
일반적으로 사고의 주요 원인은 과충전, 과방전, 충전에 의한 전재 내부단락으로 추정된다.
내부단락이란 분리막의 파손이나 도전물의 소재에 의해 전지 내부의 양극과 음극이 접촉하는 것을 말한다.

내부단락이 발생하면 전기 에너지를 가진 양극, 음극이 접촉하기 때문에 매우 큰 전류(단락전류)가 흘러 전지가 고온이 되어 전해액이 인화 혹은 발화한다.
지금까지 리튬이온전지 이상 시 거동에 관해 다양한 검토가 이루어져 왔다.

그러나 실제로는 손상 사고가 빈발하고 있어 근본적인 대책이 매우 중요한 과제가 되고 있다. 

종래형의 전지는 집전체에 금속이 사용되고 있어 집전체의 면방향의 저항이 매우 작다.

그 때문에 그림 5와 같이 내부 합선이 일어나면 금속 집전체를 따라 대전류가 단락 개소에 쏟아져서 발열·발화에 이른다

한편, 전수지전지는 집전체에 수지(그림 6)를 사용하고 있다.

수지 집전체는 면방향의 저항이 크고 내부 합선이 일어나도 대전류가 흐르지 않게 설계되어 발열이 거의 없고, 이상시 신뢰성이 높은 전지가 되고 있다(그림 7).

전지의 역사가 시작된 이래, 전지의 집전체에 금속을 사용해온 이유는 전기저항을 낮추기 위함이다.

그림8에는 1m×1m×10μm사이즈의 집전체에 관해서 종래형 전지와 전수지전지의 전기저항R을 구했다.

공식의 ρ는 전기저항률 L은 집전체의 길이, A는 단면적이다.

종래형 전지의 전류 경로는 그림8(1)에 나타내듯이 집전체에 대하여 평행하게 흐른다.

그렇기 때문에 집전체 부분의 저항치는ρ×105이며, 낮은 저항을 실현하기 위해서는 집전체에 전기저항률이 낮은 금속을 활용할 필요가 있었다.

한편 전수지전지는 바이폴라형을 채용하고 있어, 그림8(2)에 나타냈듯이, 집전체에 대해 수직으로 전류가 흐르고 있다.

그렇기 때문에 종래의 전지와의 저항치 차가 10의 10제곱배나 된다.

즉, 바이폴라형에서는 저항치가 10의 10제곱배 높은 재료를 사용해도 전지로서는 충분히 낮은 저항을 가지는 것이 가능하게 되어있다. 

이처럼 전수지전지는 높은 에너지 밀도와 이상시 신뢰성을 실현시킨 지금까지는 없는 리튬이온전지이다.
이러한 기술을 담당하고 있는 재료가 독자 개발한 수지 집전체이다.

수지 집전체는 수지 안에 전기를 흘려보내는 도전성 필러가 분산되어 있다.

균일하고 박막으로 형성되기 때문에 고도로 필러를 분산시킬 필요가 있어 당사의 계면제어 기술이 활용되고 있다. 

전수지전지는 전지의 대형화나 디자인 자유화를 가능하게해, 전력저장에 혁신을 불러올 뿐 아니라 폭넓은 용도로의 가능성이 기대된다.

특히 전력 저장은 지속가능한 에너지 시스템으로의 전환을 진행하는데 중요한 역할을 하고 있다.

전수지전지는 태양광발전, 풍력발전 등의 보급을 뒷받침해 탈탄소화를 진전시킨다.
전수지전지의 고에너지 밀도와 높은 이상시 신뢰성을 활용한 전력 저장을 통해 지속 가능한 사회 만들기에 공헌해 나갈 것이다.