요시노 아키라

1. 개요

요시노 아키라는 리튬 이온 배터리 개발에 기여한 일본의 화학자이다. 교토 대학에서 석유화학을 전공하고 아사히 카세이에서 연구 경력을 시작하여, 리튬 이온 배터리 개발에 핵심적인 역할을 했다. 그는 1980년대에 리튬 이온 배터리의 기본 개념을 확립하고, 안전하고 효율적인 배터리 개발에 성공했다. 요시노는 이 업적으로 2019년 노벨 화학상을 수상했으며, 다양한 학술상과 훈장을 받았다.

2. 주요 경력

요시노 아키라는 1972년 교토 대학 대학원 석사과정 수료 후 아사히 카세이에 입사하여 학계를 제외한 모든 경력을 아사히 카세이에서 보냈다. 1982년 가와사키 연구소에서 근무를 시작했고, 1992년에는 이온 배터리 제품 개발 매니저로 승진했다. 1994년에는 아사히카세이와 도시바의 합작 회사인 LIB 제조업체 A&T Battery Corp.의 기술 개발 매니저가 되었다. 1997년 아사히 카세이 이온이차전지사업추진실 실장, 2003년 아사히 카세이 연구원을 거쳐 2005년 아사히 카세이 요시노연구실 실장이 되었다. 2017년부터는 메이조 대학 교수로 재직하며, 아사히카세이에서는 명예 펠로우 직함을 갖게 되었다.

2.1. 학력

* 1960년: 스이타 시립 센리 제2초등학교 졸업
* 1963년: 스이타 시립 제1중학교 졸업
* 1966년: 오사카 부립 기타노 고등학교 졸업
* 1970년: 교토 대학 공학부 석유화학과 졸업
* 1972년: 교토 대학 대학원 공학연구과 석유화학 전공 석사과정 수료
* 2005년: 오사카 대학 대학원 공학박사 학위 취득

2.2. 경력

요시노 아키라는 학계를 제외한 그의 모든 경력을 아사히카세이에서 보냈다.

3. 리튬 이온 배터리 개발

요시노 아키라는 아사히카세이에서 그의 경력 대부분을 보냈다. 1972년 석사 학위 취득 직후 아사히카세이에 입사하여, 1970년대 초 아사히카세이 주식회사의 탐색 연구팀에서 새로운 범용 재료를 탐색했다. 처음에는 폴리아세틸렌의 실용적인 응용 분야를 연구했지만, 일본 전자 산업이 휴대용 기기를 위한 새로운 경량 소형 충전식 배터리 개발을 시도하면서 폴리아세틸렌을 양극 재료로 사용하는 실험으로 전환했다.

1980년대에는 휴대 전화와 노트북 컴퓨터 등 휴대용 기기 개발로 고용량, 소형, 경량의 이차전지(충전 가능한 전지)에 대한 수요가 높아졌지만, 기존의 니켈수소전지 등으로는 한계가 있었다.

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요시노는 시라카와 히데키(2000년 노벨 화학상 수상자)가 발견한 전기가 통하는 플라스틱인 폴리아세틸렌에 주목하여, 1981년 폴리아세틸렌을 이용한 충전식 배터리 연구를 시작했다. 시라카와 히데키는 폴리아세틸렌이 고분자의 일종으로 전기 전도성을 갖는다는 사실을 발견하여 2000년 노벨 화학상을 수상했다.

1986년 요시노는 LIB 시제품 일괄 생산을 의뢰했다. 미국 교통부(DOT)는 이 시제품들의 안전 시험 데이터를 바탕으로 해당 배터리가 금속 리튬 배터리와 다르다는 내용의 서한을 발행했다.

그러나 상품화까지는 시간이 더 걸렸고, 소니가 1990년에 세계 최초의 리튬이온이차전지(LIB)를 실용화, 1991년에 상품화하였다.

현재 리튬이온이차전지(LIB)는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 디지털카메라, 비디오, 휴대용 음악 플레이어 등 다양한 전자·전기 기기에 탑재되어 널리 사용되고 있다.

3.1. 리튬 이온 배터리의 구성 요소

1983년 요시노는 코발트산리튬(LiCoO)을 음극으로, 폴리아세틸렌을 양극으로 사용하는 충전식 배터리 시제품을 제작했다. 이 시제품은 양극 재료 자체에 리튬이 포함되어 있지 않고, 충전 중에 LiCoO 음극에서 양극으로 리튬 이온이 이동하는 구조로, 현대의 리튬이온전지(LIB)의 직접적인 전신이 되었다.

폴리아세틸렌은 실제 밀도가 낮아 고용량을 위해서는 큰 배터리 부피가 필요했고, 불안정성 문제도 있었기 때문에, 요시노는 양극 재료로 탄소계 물질을 사용하기로 전환하여 1985년 최초의 LIB 시제품을 제작하고 기본 특허를 취득했다.

요시노는 특정 결정 구조를 가진 탄소계 물질이 양극 재료로 적합하다는 것을 발견했고, 이것은 1세대 상용 LIB에 사용된 양극 재료이다. 요시노는 저렴한 비용으로 높은 전압을 얻을 수 있도록 수동화층을 형성하는 알루미늄 호일 집전체를 개발했고, 기능성 분리막과 추가적인 안전을 위한 양의 온도 계수(PTC) 장치의 사용을 개발했다.

LIB의 코일 권선 구조는 유기 전해질의 낮은 전도도에도 불구하고 큰 전극 표면적을 제공하고 고전류 방전을 가능하게 하기 위해 요시노가 고안했다.

1980년대에는 휴대 전화와 노트북 컴퓨터 등 휴대용 기기의 개발로 고용량의 소형·경량 이차전지(충전 가능한 전지)에 대한 수요가 높아졌지만, 기존의 니켈수소전지 등으로는 한계가 있어 새로운 이차전지가 절실히 필요했다. 요시노는 시라카와 히데키가 발견한 전기를 통하는 플라스틱인 폴리아세틸렌에 주목하여, 그것이 유기 용매를 사용한 이차전지의 음극에 적합하다는 것을 1981년에 알아냈다. 또한, 양극에는 존 구디너프 등이 1980년에 발견한 리튬과 코발트 산화물 화합물인 코발트산리튬 (LiCoO) 등의 리튬 전이금속 산화물을 사용하여 리튬이온전지의 원형을 1983년에 창출했다.

그러나 폴리아세틸렌은 진비중이 낮아 전지 용량이 높아지지 않고 전극 재료로서 불안정하다는 문제가 있었다. 그래서 탄소 재료를 음극으로 하고, 리튬을 함유하는 LiCoO를 양극으로 하는 새로운 이차전지인 리튬이온전지 (LIB)의 기본 개념을 1985년에 확립했다. 요시노는 다음과 같은 점에 주목하여 LIB를 개발했다.

* 양극에 LiCoO를 사용함으로써,
양극 자체가 리튬을 함유하므로 음극에 금속 리튬을 사용할 필요가 없어 안전하다.
4V급의 높은 전위를 가지므로 고용량을 얻을 수 있다.
* 음극에 탄소 재료를 사용함으로써,
탄소 재료가 리튬을 흡장하므로 금속 리튬이 전지 내에 존재하지 않아 본질적으로 안전하다.
리튬 흡장량이 많아 고용량을 얻을 수 있다.

또한, 특정 결정 구조를 가진 탄소 재료를 찾아내어 실용적인 탄소 음극을 실현했다. 덧붙여, 알루미늄 박을 양극 집전체에 사용하는 기술이나 안전성을 확보하기 위한 기능성 분리막 등 본질적인 전지 구성 요소에 관한 기술을 확립하고, 더 나아가 안전 소자 기술, 보호 회로·충방전 기술, 전극 구조·전지 구조 등의 기술을 개발하여, 더욱 안전하고 출력 전압이 금속 리튬 이차전지에 가까운 전지의 실용화에 성공하여 현재 LIB의 구성을 거의 완성했다.

4. 수상 경력

5. 영예

6. 저서