친환경 자동차로 각광받고 있는 전기자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차에 사용되는 최중요부를 꼽는다면 역시 `배터리`다. 이러한 형태의 자동차에는 주로 리튬이온(Li-ion) 배터리를 사용한다. 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 2차 전지가 갖는 기억 효과(Memory Effect: 방전이 충분하지 않은 상태에서 다시 충전하면 전지의 실제 용량이 줄어드는 현상)이 없으며, 사용하지 않은 때 발생하는 자가방전이 다른 전지에 비해 작게 나타나는 특성을 갖고 있어, 자동차 산업을 비롯한 다양한 분야에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
하지만 현재 시장에 등장한 순수 전기자동차는 인프라 문제를 제외해도, 실용적인 의미에서의 주행 거리가 일반적인 내연기관 자동차에 비해 크게 짧고, 충전에 많은 시간을 필요로 한다는 치명적인 문제점이 존재한다. 이는 아직까지도 전기차가 현재의 자동차 시장에 쉽사리 섞여 들지 못하는 원인 중 하나가 되고 있다. 배터리의 사용에 따른 수명 저하 역시 마찬가지. 이 때문에 자동차 업계에서는 최근에는 순수 전기차보다는 내연기관을 발전기로 사용하는 형태의 플러그인 하이브리드, 혹은 주행거리연장형 전기자동차(Range Extender)가 더 주목을 받고 있는 실정이다.
이렇듯, 보다 향상된 배터리의 개발은 전기차의 개발 및 보급에 있어서 가장 중요한 핵심 과제라고 할 수 있다. 그리고 지난 24일, 일본을 대표하는 자동차 기업, 토요타에서 배터리의 성능 강화와 수명을 늘리기 위한 실마리가 될 최신 기술을 발표했다. 토요타가 발표한 새로운 기술은 세계최초로 배터리가 충/방전되는 동안 전해액 내 리튬이온의 거동을 관찰할 수 있는 기술이다. 본 기술은 토요다중앙연구소와 일본자동차부품종합연구소를 비롯한 4개 대학(홋카이도 대학, 토후쿠 대학, 교토대학, 리쯔메이칸 대학)과의 공동 연구로 개발되었다.
이 기술을 이용하면, 리튬이온 배터리의 성능저하의 원인의 하나로 지목되고 있는 이온의 치우침을 실시간으로 관찰하는 것이 가능하다. 토요타는 본 기술의 개발로 인해 항속거리와 수명 등, 배터리의 성능과 내구성 향상에 필수불가결한 실마리를 얻을 수 있을 것으로 보고 있다.
리튬이온은 양( )극에 금속산화물을, 음(-)극에 탄소재료를 전해액으로 하는 유기전해액을 사용하는 형태의 배터리다. 충전시는 양극으로부터 음극으로, 방전시에는 음극으로부터 양극으로 리튬이온이 전해액 안을 이동하는 것으로 전류가 흐르기 때문에 충방전으로 인해 전해액 내의 리튬이온이 중요한 역할을 담당한다.
하지만 전해액 내 리튬 이온의 치우침이 발생하게 되면, 배터리가 갖는 성능을 최대한 끌어낼 수 있는 영역이 감소된다. 그러나 리튬이온의 치우침이 발생하는 메커니즘을 해명하는 데 있어, 지금까지의 방법으로는 제품의 사용 환경 및 조건과 동일한 상태에서 전해액 내 리튬이온의 거동을 확인할 수 없었다는 것이 과제였다. 이러한 과제를 해결하기 위해 새롭게 개발한 관찰 방법은 이하의 두 가지이다.
그 첫 번째로는 세계최고성능의 방사광(放射光)을 발생시키는 대형방사광시설 `SPring-8`의 토요다 빔 라인을 이용하는 것이다. 방사광은 빛의 속도에 근접한 고속으로 전자를 가속한 후 전자석을 이용해 회전시켰을 때 방출되는 적외선부터 자외선 및 X-선까지의 빛을 말한다. 물질의 구성단위 수준에서 분자나 원자의 세계를 규명할 수 있어, 기초과학 전반에 걸친 분야는 물론 응용과학이나 공학에 이르기까지 광범위한 분야에서 활용되고 있다. 이 측정에 사용되는 방사광은 의료용 X-선 장치의 약 10억배의 고강도 X-선이다. 이 덕분에 0.65마이크론/픽셀의 고해상도와 100밀리초/프레임의 고속으로 측정을 가능하게 한 것이다.
두 번째 방법은 다수의 리튬이온 배터리에서 사용되고 있는 인산(H3PO4) 성분을 포함한 전해액이 아닌, 신개발의 중원소(重元素, 질량수가 80 이상인 원소)의 성분을 포함한 전해액을 사용하여 리튬이온이 전해액 속을 이동하는 동안 결합하는 인산 성분의 이온을 중원소 성분의 이온으로 대체한 것이다. 중원소는 인산에 비해 X-선이 잘 투과되지 않는 성질을 가지고 있어, X-선투과후의 활영 이미지 속 명암이 강해진다. 이렇게 해서 중원소의 거동을 관찰하는 것으로 전해액 속 중원소 성분과 결합한 리튬이온의 치우친 움직임의 관찰을 가능케 했다.
토요타는 상기한 기술을 이용하여 실제로 사용되는 환경 및 조건과 동일한 상태에서 충방전의 경과와 함께 전해액 속 리튬 이온의 치우침이 발생하는 프로세스를 실시간으로 관찰하는 것이 가능해졌다고 주장한다. 이후, 토요타는 정극과 세퍼레이터, 전해액의 재료와 구조, 전해액의 제어의 차이 등에 의한 리튬이온의 거동을 관찰하여 배터리 성능저하의 메커니즘을 분석함으로써 리튬이온 배터리 탑재차량의 항속거리를 비롯하여 배터리의 성능과 내구성 향상을 위한 연구개발을 지속할 방침이다.
