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도시바, 코발트 대체 신형 리튬이온배터리 개발
- 도시바가 코발트를 사용하지 않는 새로운 형태의 이차전지를 개발하는 데 성공했다. 일본 매체 이타임스(eetimes)는 도시바가 코발트를 사용하지 않는 5V급 고전위 양극재를 활용한 새로운 리튬이온 이차전지를 개발했다고 최근 보도했다. 코발트는 지각에서 주로 화합물 형태로 존재하며, 철운석에서 소량의 합금 형태로 발견된다. 코발트는 특히 배터리의 양극재 원료로 사용되며, 중국이 이를 가장 많이 생산하는 것으로 알려져 있다. 이러한 상황 속에서 일본의 도시바가 코발트를 사용하지 않는 신형 리튬이온 배터리 개발에 성공한 것은 주목할 만한 사건이다. 도시바는 오는 2028년 이 기술을 상용화해 미래 자동차 애플리케이션으로 확장하는 것을 목표로 하고 있다. 이 리튬이온 이차전지의 시제품은 3V 이상의 출력전압, 5분 만에 80%까지 충전할 수 있는 고속 충전 성능, 60°C의 고온에서 우수한 수명 특성을 보여준다고 회사 측은 밝혔다. 이러한 이차전지 개발 배경은 탄소 중립 달성을 위해 산업 장비와 상용차의 전기화가 시급한 상황이기 때문이다. 승용차와 달리, 버스, 트럭, 중장비와 같은 상용차량은 긴 운행 시간과 열악한 환경에서 사용된다. 기존의 리튬이온 배터리는 충전 시간이 짧다는 단점이 있고, 열악한 환경에서 수명이 단축되어 상용차의 전기화 요건을 만족시키기 어렵다. 또한, 기존의 리튬 이온 배터리는 재료 공급망에서도 문제를 가지고 있다. 코발트와 같은 희귀 금속은 수요 증가, 생산국의 불균형, 채굴 및 정제 과정에서의 환경적 문제로 인해 공급 부족과 비용 변동의 문제에 직면해 왔다. 이로 인해 세계 각국은 양극재의 코발트 사용을 줄이려고 노력하고 있다. 이러한 상황 속에서, 코발트를 사용하지 않는 5V급 고전위 양극재에 대한 관심이 높아지고 있다. 리튬 이온 배터리의 전압은 양극과 음극 사이의 전위차에 의해 결정되므로, 높은 양극 전위는 전압을 증가시키고 전력 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 그러나 높은 전극 전위는 실제로 몇 가지 문제를 야기한다. 이는 전해질과 반응하여 가스를 생성하는 것뿐만 아니라, 금속 이온이 양극에서 전해질로 용해되는 현상을 포함한다. 전해질의 내산화성을 개선하려는 시도들이 있었지만, 가스 생성을 억제하고 리튬 이온의 전도성을 유지하는 것 사이의 상충관계로 인해 이러한 문제를 해결하기 어려웠다. 5V급 고전위 음극 전해질 분해 메커니즘 밝혀 도시바는 5V급 고전위 양극이 전해질을 분해하는 메커니즘을 분석했다. 연구에서는 전해액이 음극 입자의 표면에서 분해되어 가스를 발생시키고, 음극에서 용출된 금속 이온이 음극 표면에 작용하여 가스 발생을 증가시키는 것을 발견했다. 이 연구를 바탕으로, 도시바는 양극의 입자 표면을 변형시켜 금속의 용출을 줄이는 기술과 음극 표면에서 용출된 이온을 중화하는 기술을 개발했다. 이 두 가지 기술의 결합을 통해, 기존 전해질을 사용하면서도 5V급 고전위 양극에서 발생하는 가스 문제를 크게 줄일 수 있었다. 니오븀-티타늄 산화물 양극과 결합 도시바는 이 음극을 니오븀-티타늄 산화물 양극과 결합하여 리튬 이온 이차전지를 개발했다. 산화물 음극은 수명이 길고 안전성이 높아 빠르게 충전할 수 있는 특징이 있어, 도시바는 이를 'SCiB'로 상품화했지만, 전위가 높기 때문에 배터리의 전압이 낮다는 단점이 있다. 이번 연구에서는 고전위 5V급 고전위 양극과 조합하여 양극과 음극의 전위차를 증가시켜 배터리 전압을 향상시켰다. 충방전 사이클 테스트에서의 도시바의 성능 시연은 흥미로운 결과를 보였다. 가스 발생 억제 기술이 적용되지 않은 배터리에서는 가스 발생으로 인한 팽창이 관찰되었으나, 가스 발생 억제 기술이 적용된 배터리에서는 팽창이 전혀 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 새로운 기술의 효과성을 입증하는 것으로 볼 수 있다. 평균 출력 전압이 3.15V인 이 배터리는 기존 SCiB보다 높은 전압을 제공한다. 또한, 이 배터리는 5분 만에 80%까지 급속 충전이 가능한 성능을 보유하고 있다고 한다. 고온 환경에서의 내구성 또한 뛰어나, 60°C의 환경에서 100회의 충방전 후에도 용량 유지율이 99.2%에 달했다. 도시바 나노소재 및 프론티어 연구소 R&D센터의 선임연구원 하라다 야스히로(原田康弘)는 "5V급 고전위 양극을 가진 기존 전해액을 사용하는 배터리로서는 탁월한 성능"이라며 고온 내구성에 대한 자신감을 드러냈다. 도시바는 이 기술을 2028년 실용화하는 것을 목표로 하고 있으며, 향후 용량을 더욱 늘리기 위해 검증을 실시할 예정이다.
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도시바, 코발트 대체 신형 리튬이온배터리 개발
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도시바, 코발트 프리 5V급 리튬 이온 배터리 개발
- 도시바에서 코발트 사용을 배제한 코발트 프리 5V급 리튬이온 배터리를 개발했다. 리튬 이온 배터리는 휴대폰, 노트북 등의 다양한 전자기기의 저원으로 널리 사용되고 있다. 전기차에도 사용되면서 리튬 이온 배터리 시장은 꾸준하게 성장을 하고 있다. 최근에는 코발트 프리 배터리, 실리콘 음극 배터리, 고속 충전 배터리 등 새로운 기술이 개발되고 있다. 폴란드 매체 메디아24(M'edia24)에 따르면 도시바가 코발트 프리 5V(볼트)급 리튬 이온 배터리를 최근 개발했다. 이 배터리는 코발트와 니켈이 함유되지 않아 희귀 금속에 대한 의존도를 줄이고 비용을 절감할 수 있다. 또한, 5분 만에 80%까지 충전할 수 있는 고속 충전 성능을 갖추고 있다. 코발트는 고성능 배터리 제작에 필수적이지만 채굴 과정에서 환경적, 윤리적 문제가 발생할 수 있다. 코발트 프리 배터리는 이러한 문제를 해결하기 위해 개발됐다. 도시바에서 개발한 배터리는 5볼트급 고전압을 제공해 기존 배터리보다 더 높은 에너지 밀도와 효율성을 달성할 수 있다. 이는 장거리 주행이 필요한 전기차나 고성능을 요구하는 전자 기기에 유리하다. 도시바의 새로운 리튬 이온 배터리는 음극에 코발트가 없는 니켈 환원 물질을 사용한다. 기존의 리튬 이온 배터리에서 음극에 코발트가 사용되는 이유는 코발트가 음극을 안정화하고 전압을 높이는 역할을 하기 때문이다. 하지만 코발트는 희귀 금속이며 가격이 비싼 편이다. 도시바는 음극 표면에 전해액과 반응을 억제하는 기술과 부극 표면에서 용출 이온을 무해화하는 기술을 개발하여 일반적으로 사용되는 전해액에서 가스 발생을 억제했다. 이를 통해 코발트 없이도 안정적인 고전압 배터리를 만들 수 있었다. 도시바는 1.5Ah급의 라미네이트형 배터리 프로토타입을 제작하여 성능을 테스트한 결과 이 배터리는 3V 이상의 고전압, 5분간 80% 급속 충전 성능, 그리고 6000회 이상의 충전·방전을 반복해도 초기 상태에 비해 80% 이상의 용량을 유지하는 내구성을 입증했다. 도시바는 새로 개발된 리튬 이온 배터리를 2028년 실용화하는 것을 목표로 하고 있다. 전동 공구나 산업 기기 등 소형으로 고전압을 필요로 하는 용도부터 장차 자동차용 배터리까지 다양한 분야에 적용할 계획이다. 한국, 코발트 프리 배터리 개발 박차 한국에서도 코발트 프리 배터리 개발에 박차를 가하고 있다. 삼성SDI는 니켈·망간·코발트(NMC) 배터리에서 코발트 함량을 50%까지 낮춘 'NCM523' 배터리를 개발했다. 이 배터리는 기존 NMC 배터리 대비 코발트 사용량을 30% 줄일 수 있다. LG에너지솔루션은 코발트 함량을 10% 이하로 줄인 'NCM811' 배터리를 개발하고 있다. 이 배터리는 기존 NMC 배터리 대비 코발트 사용량을 90% 줄일 수 있다. SK이노베이션은 코발트 없이 니켈과 망간만을 사용한 'NMx' 배터리를 개발 중이다. 이 배터리는 코발트 사용량을 100% 없앨 수 있다. 이번 도시바의 코발트 프리 배터리 개발은 리튬 이온 배터리의 성능과 지속 가능성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. 희귀 금속에 대한 의존도를 줄이고 고속 충전 성능을 향상시킴으로써 전기차 등 친환경 자동차의 보급을 촉진할 수 있을 것으로 보인다.
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도시바, 코발트 프리 5V급 리튬 이온 배터리 개발
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