[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향 1]
축전지의 개요 및 대형화를 위한 개발 동향

본고에서는 먼저 각종 축전지의 종류 및 특징, 그리고 주요 용도에 대해 알아보고, 일본에서 추진되고 있는 대형 축전지의 개발동향에 관해 간략하게 살펴본다.
 

1800년에 볼타(Volta)에 의해 발명된 전지는 충전이 불가능한 1차 전지였지만, 약 반세기를 거쳐 1859년에 플랑테(Planté)가 충전에 의해 재차 방전이 가능한 축전지(납축전지)를 최초로 발명했다. 

그 후 니켈 카드뮴 축전지(니카드 전지)가 1899년에 융너(Jungner)에 의해 발명되었다. 한편, 1949년에 레독스 플로우 전지의 원형이 되는 발명이 이루어졌으며, 1967년에는 높은 에너지 밀도를 구하여 나트륨 유황(Na-S) 전지의 원리가 제창되었다. 

민생 소형용으로는 1989년에 니카드 전지의 카드뮴 음극을 수소흡장합금으로 대체한 니켈수소 축전지가, 또 1991년에는 한층 높은 에너지 밀도를 지닌 전지로서 리튬이온 축전지가 실용화되었다. 축전지 산업에서는 먼저 납축전지가 1950년대 이후의 모터리제이션에 따라 SLI(시동/조명/점화)용 축전지로 보급되었다. 더불어 다양한 규모에서의 비상용 전원 등 지금도 전지 생산액의 약 1/4을 차지하는 축전지이다. 한편, 1980년대 이후 각종 전자기기의 모바일화가 진행되어 특히, 휴대전화 및 노트북, 태블릿 PC를 중심으로 하는 민생 소형용에서 에너지 밀도가 높은 축전지가 요구되었고, 이에 따라 니켈수소 축전지 및 리튬이온 축전지가 발명·실용화되어 매우 단기간 내에 보급이 이루어졌다.

계통연계 및 정치형(定置型) 축전 용도에 있어서 축전지는 비교적 높은 에너지 밀도와 고효율을 발휘하며, 기동 및 정지가 순시에 이루어져 부하 응답 특성이 우수하다는 장점을 지닌다. 또 신재생에너지의 도입량 증대에 따라 주파수 변동 및 잉여전력의 대응에 있어서도 축전지 이용이 증가하고 있다. 또한, 자동차 분야에 있어서 하이브리드 자동차(HEV), 충전 가능한 플러그인 HEV(PHEV) 및 배터리식 전기자동차(BEV) 등은 석유 이용 효율의 향상뿐만 아니라, 석유에 대한 의존도를 낮출 수 있기 때문에 자동차용 동력원으로서의 기대도 점차 높아지고 있다.

이러한 축전지의 이용 확대를 배경으로 경제산업성은 2012년 7월에 「축전지 전략」을 정리하여 공표했다.세계의 축전지 시장은 2012년 시점에서 5.2조엔(일본의 점유율은 18%) 규모로, 2020년에는 주로 △전동차용 △정치용 △계통연계용에서의 이용 증가에 따라 20조엔 규모로 확대될 전망이며, 일본은 그 중 50%의 점유율 확보를 목표로 한다는 내용이 제안되어 있다.

축전지의 종류와 특징
대형용(大型用)으로 실용화되어 있는 각종 축전지의 특징을 [표 1]에, 그 주요 용도를 [그림 1]에 정리했다. 납축전지, 니켈수소 축전지 및 리튬이온 축전지는 상온 구동으로 보조기기가 필요 없기 때문에 소형용에서 대형용까지 폭넓은 용도로 이용되고 있다.한편, Na-S 전지는 약 300℃의 고온에서 구동되는 전지이며, 레독스 플로우 전지는 펌프 등의 보조기기가 필요하기 때문에 민생 소형용보다는 대형용으로 사용되어 대규모 풍력발전 및 태양광발전과 연계시키는 축전지로 이용되고 있다.


대형 축전지의 개발동향
1970년대 두 차례의 석유파동으로 인해 에너지기술의 중요성에 대한 인식이 높아지면서 일본의 대형 축전지에 의한 전력저장기술의 연구개발 활동은 국제적으로도 비교적 일찍이 진행되었으며, 1980년대에는 통상산업성(경제산업성)의 문라이트 계획6) 중에 「신형 전지 전력저장시스템 연구개발」이 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)를 실시 기관으로 하여 추진되었다. 해당 프로젝트에서는 1MWh급 전력저장기술의 개발을 목표로 △Na-S 전지 △아연-염소 전지 △아연-브롬 전지 △레독스 플로우 전지의 연구개발이 이루어졌다.