KIMS 해외단신 47호 (2010.10.27)

축전의 새로운 별 「리튬이온 축전기」

    자연에너지의 전력을 축적하여 안정적으로 공급하기 위한 축전부품의 새로운 후보로 「리튬 이온 축전기」가 급부상했다.
   태양광발전 및 풍력발전 등 자연 에너지를 사용한 발전은 그 대부분이 기후에 따라 전력이 안정적이지 못하다는 문제를 안고 있다. 이러한 전력을 안정적으로 공급하기 위해서는 발전량이 많아졌을 때 남은 전력을 일시적으로 축적하고 발전량이 줄면 그것을 보충해 방전할 수 있는 대용량의 축전부품이 필요해진다.
   이러한 용도의 축전부품으로 지금까지 유력시되고 있었던 것은 NAS(나트륨·유황)전지와 Li이온 2차전지이다. 이 중 NAS전지는 비교적 저비용으로 대용량화를 실현할 수 있지만 약 300℃의 고온을 유지하지 않으면 전지로서의 기능을 잃어버리는 단점이 있다. 가열·보온 등에 필요한 주위 장치의 구성이 복잡해지므로 이용 장소가 메가솔라라고 불리는 대규모 발전시설 등에 국한된다.
   Li이온 2차전지는 단가는 비싸지만 콤펙트해 가정 및 빌딩, 공장 등에 설치하는 중소 규모의 발전 설비로 이용되고 있다. 하지만 충전 및 방전에 화학반응이 필요해 전해용액 내에서 Li이온의 이동을 동반해 충전 및 방전의 속도(출력 밀도)가 충분하지 않았다. 충전 및 방전을 반복하면 약해지기 쉽다는 문제가 제기된다.

    「장점을 각출한」축전부품

   Li이온·축전지는 어떠한 성질을 가지고 있는가. 우선 Li이온·축전지는 어떠한 축전부품인지를 설명할 필요가 있다.
   Li이온·축전지는 전기 2중층 축전지라고 하는 축전부품과 Li이온 2차전지를 조합한 하이브리드 구조의 축전 부품이다. 구체적으로는 전기 2중층 축전지의 양극과 Li이온 2차전지의 음극을 조합했다.
   전기 2중층 축전지는 전극의 표면에 이온을 가까이해 만들어지는 전기 2중층을 축전지(콘덴서)로써 이용하는 것으로 충전 및 방전이 매우 빠르지만 에너지 밀도가 낮다는 단점을 가지고 있다 (대형 장치를 이용해도 소량의 전기만이 축적된다). 그래서 음극을 바꾸어줌으로써 출력밀도 및 충전/방전의 반복 가능 횟수를 Li이온 2차전지 보다 뛰어나게 개선하고 에너지 밀도를 전기 2중층 축전지의 수배로 높여 Li이온 2차전지에 다가가려고 하는 것이 Li이온 축전지다.
   이러한 우수한 성질을 가지고 있는 Li이온 축전지지만 지금까지는 용량을 축적하기 어려워 내부저항에 의한 손실도 컸기 때문에 순간적인 전압저하 및 정전으로부터 산업기기를 보호하기 위한 전력보상장치라는 일부의 용도만이 실용화 되었다. 하지만 근래에 기술이 발전해 태양광발전 등 자연에너지의 안정화용도를 의식한 제품 전개가 활발해졌다. 그 예는 2010년 10월 5일에서 9일까지 개최된 「CEATEC JAPAN 2010」에서 볼 수 있었다.

    CEATEC에서의 신제품

   종래의 약점을 보완하는 대용량의, 그리고 내부 저항이 낮은 개발품을 전시한 곳이 일본JSR社의 자회사인 JM에너지와 일본 Asahi-kasei社이다. JM에너지는 정전용량이 2200F로 내부저항을 0.8mΩ(같은 회사 종래의 제품은 1.4mΩ)으로 크게 낮춘 Li이온 축전지의 셀(축전부품 최소단위. 셀을 정렬해 축전 모듈로 한다)을 선보였다. 한편 Asahi-kasei社는 1000F에서 정규화 내부저항을 2ΩF미만(접선법)으로 한 셀을 출전했다. 이 내부저항은 「다른 회사 종래 제품의 2분의 1 이하 레벨」(Asahi-kasei)로 한다.
   태양광발전으로의 응용에 전면으로 도전한 곳이 일본 FDK社이다. 이 회사의 Li이온·축전지·모듈은 일본 오키나와전력이 4개의 외딴섬에서 진행하고 있는 경제산업성의 「외딴섬 독립형 신에너지 도입 실증사업」 중 3개 섬의 태양광발전 안정화 장치에 채용되었다. 2010년 8월말에서 9월말에 걸쳐 3개 섬의 마이크로그리드·시스템 구축 공사가 순차적으로 완료된다. 오키나와전력은 남은 하나의 섬에 NAS전지를 사용한 4MW규모의 안정화 장치를 도입해 각각을 비교해 Li이온·축전지의 유효성을 평가할 예정이다.
   FDK社는 이러한 실적을 발판으로 태양광발전 및 풍력발전 등 자연에너지 용도로 판매할 예정이다. CEATEC 전시회장에서는 FDK社의 Li이온·축전지 셀 및 모듈의 전시와 함께 태양광발전 출력 안정화의 효과를 그래프로 표시해가면서 자사제품의 특징을 어필했다. 특히 FDK社는 단일 셀 뿐만 아니라 복수 셀을 통합한 모듈에 대해서도 강점이 있다고 한다. 모듈 내에서 각 셀의 전압이 흐트러지면 충전 및 방전 시에 특정 셀에 부하가 집중되는 등의 경우가 생기는데 「셀 전압을 균등화시키는 밸런스 조절기술에 노하우가 있다」고 FDK社 관계자는 말한다.

    3사의 장점 기술을 집결

   복수의 기업이 연계해 연구개발을 조직화하는 움직임도 나타났다. 일본의 JSR, 동경일렉트론, Ibiden 3社는 Li이온·축전지의 환경·에너지 분야로의 사업 확대를 노린 기업연합 「차세대 LIC(Li이온·축전지) 종합기술연구조합」을 설립한 사실을 2010년 9월에 발표했다. 2010~2012년 3년간 혁신적인 셀 구조 및 신재료, 독립적인 조직으로 기술을 개발하여 단위당 용량이 5배, 비용이 2분의 1인 제품의 실현을 목표로 하고 있다. JSR이 재료개발 및 셀·모듈의 설계개발, 동경 일렉트론이 생산 비용 절감을 위한 제조장치 개발, Ibiden이 포장 및 부품의 실제 부착을 맡아 기술을 개발하면 각각의 장점 기술을 모을 수 있다.
   3社는 그 성과로 태양광발전의 안정화라는 용도뿐만 아니라 전기자동차에 등재해 Li이온전지와 조합하는 용도로 사용할 것도 예상하고 있다. 「고출력이 요구되는 주행시동 때와 브레이크를 걸었을 때의 전력 회생에 Li이온·축전지를 사용하여 효율적인 동력 시스템을 구성할 수 있다」(JSR)는 점이 기대되고 있다.