일본, 전고체 배터리·인공 광합성으로 '에너지 R&D' 주도

세계 각국에서는 에너지 절약, 기후변화 대응으로 탈탄소화를 향한 차세대 에너지 동력 연구가 활발하게 이어지고 있다. 특히 2016년 이후, 주요 자동차 강국에서는 신 재생에너지 자동차 산업에 대한 지원을 늘리고 있다.

17일(현지 시간) 닛케이 아시아에 따르면 일본에서는 리튬이온 배터리를 이을 차세대 동력으로 전고체 배터리와 인공 광합성에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 일본 기술자들은 현재 에너지 기술의 가장 큰 주제는 전고체 배터리와 인공 광합성이며, 탄소 중립 경제를 건설하기 위한 잠재력을 가지고 있다고 전했다.
현재 시장에서 주류 배터리는 다름 아닌 리튬이온 배터리다. 그러나 최근 몇 년 동안 신 재생 에너지 자동차 산업이 급속하게 발전함에 따라 리튬이온 배터리의 한계를 점점 더 인식하고 있다.

리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용해 갑작스러운 충격이나 압력 변화에 내부 구조가 변화되면 온도가 상승해 폭발할 수 있다. 지난 2016년 삼성전자의 갤럭시 노트7 배터리 폭발 사건 역시 온도에 민감한 리튬이온 배터리의 불안정성 문제 때문이었다. 따라서 리튬이온 배터리보다 훨씬 더 에너지 밀도가 높고 화재 위험도 적은 전고체 배터리에 관심이 높아지고 있다.
전고체 배터리는 거의 모든 산업에서 액체 배터리의 뒤를 이을 차세대 주류 기술로 간주되고 있다. 그러나 재료 비용 및 공급망 리모델링과 같은 문제로 인해 아직 대량 생산의 길을 열지 못했다.

일본의 토요타 자동차는 하이브리드 차를 시작으로 2025년까지 자동차에 전고체 배터리를 탑재하는 것을 목표로 하고 있다고 밝혔다. 토요타 자동차는 지난 2021년 전고체 배터리가 장착된 프로토타입 전기차를 세계 최초로 공개했다.

혼다 자동차는 오는 2024년 봄 전고체 배터리 시험 생산 라인을 시작하며, 2020년대 후반 전고체 배터리 전기 자동차가 출시될 예정이다. 닛산 자동차는 2028회계연도 전기차에 전고체 배터리 탑재를 목표로 하고 있다.

중국은 리튬이온 배터리에 이어 전고체 배터리까지 주도권을 잡기 위해 앞다투어 전고체 배터리 개발에 참여하고 있다. 중국의 지리자동차(Geely Auto) 역시 전고체 배터리 연구 개발에 참여했으며, 5년 이내에 상용화할 예정이다. 지리자동차는 전고체 배터리 핵심 소재인 고체 전해질과 핵심 셀 기술의 R&D 및 산업화에 중점을 둘 것이라고 밝혔다.

엔지니어가 극복하려는 가장 큰 문제 중 하나는 충전과 방전을 반복한 후 발생하는 용량 손실 및 기타 문제이다. 토요타의 최고 기술 책임자인 마에다 마사히코는 "솔직히 낙관적인 상황은 아니다. 전고체배터리는 액체 전해질을 함유하고 있는 리튬이온 배터리와 구조가 근본적으로 다르기 때문에 개발이 복잡하다. 액체의 경우 전극을 담그기만 하면 되지만 고체 전해질은 물질에 달라붙게 하기 위해 특별한 기술을 필요로 한다"고 전했다.

도쿄에 기반을 둔 후지경제 연구원에 따르면 전세계 전고체 배터리 시장이 2040년까지 약 290억 달러(약 36조원)로 성장할 것으로 예상된다. 후지경제는 전기차가 2030년부터 배터리 수요를 주도할 것이라고 전망하고 있다.

인공 광합성 역시 차세대 에너지 동력으로 각광받고 있다. 인공 광합성은 식물의 광합성 원리를 모방해 햇빛, 물을 이용해 이산화탄소로부터 연료를 생산한다.

지난 12월 일본 도쿄대와 일본 석유가스그룹 인펙스 연구팀은 이 분야에서 유럽혁신위원회가 선정한 500만 유로(540만 달러) 규모의 유럽혁신조달상을 수상했다.

인공 광합성 시스템은 주로 두 가지 방법 중 하나를 통해 물을 수소로 분해한다. 태양전지를 사용해 전기 분해를 통해 물을 나누거나 광촉매와 직접 반응하기 위해 빛을 이용한다.

유럽혁신조달상을 수상한 프로토타입은 광촉매 시트와 물을 포함하는 일련의 패널을 사용하고 인펙스 기술을 접목시켜 수소와 이산화탄소를 결합해 메탄을 생성했다.

이 과정은 태양 에너지의 1% 미만에 해당하는 출력을 가지고 있어 비효율적이다. 상업적으로 사용되기 위해서는 5%에서 10%의 효율성을 필요하다.

토요타 중앙 연구 개발 연구소는 태양 전지로 10.5%의 효율을 달성했다고보고했지만 태양 전지를 활용하는 방법은 비용이 많이 발생한다.

인공 광합성은 자동차에 연료를 공급하려면 아직 갈 길이 멀지만, 과학자에게 새로운 방향을 제시하고 있다.

일본 연구자들은 별을 움직이는 에너지인 핵융합을 이루기 위한 경쟁에도 참여하고 있다.

캘리포니아 주 로렌스 리버모어 국립 연구소의 과학자들은 지난달 레이저를 사용하여 원자를 융합하는 실험에서 이정표를 넘었다고 말해 화제가 되었다. 일본 오사카 대학은 레이저 융합을 연구하는 기관 및 기업 중 하나다.

오사카 소재 스타트업 엑스퓨전의 최고경영자 마츠오 카즈키는 "레이저 융합의 획기적인 발전으로 생산량이 기하급수적으로 늘어날 수 있다"고 말했다.

일본은 강력한 자기장을 이용해 핵융합을 시도하는 국제 핵융합 프로젝트에도 참여하고 있다. 다른 참가자로는 미국, 유럽 및 중국이 있다.


노훈주 글로벌이코노믹 기자 hunjuroh@g-enews.com