하늘을 나는 차세대 배터리, 리튬황배터리

우리가 사용하고 있는 2차 전지는 소재에 따라 여러 종류로 나눌 수 있습니다. 현재 가장 많이 쓰이는 배터리는 리튬이온배터리인데요. 리튬이온배터리는 1991년 최초로 상용화된 이후 2021년 현재까지도 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 하지만 전기차와 ESS 등 배터리의 필요성이 높아지면서, 차세대 배터리로 관심이 옮겨가고 있는데요. 차세대 배터리로 주목받고 있는 것 중 하나가 바로 ‘리튬황배터리’입니다.

리튬황배터리는 양극 소재로는 황을, 음극 소재로는 리튬 금속을 사용하는 전지를 말하는데요. 리튬이온배터리가 양극재로 가격이 비싼 코발트 등을 사용하는 반면, 리튬황배터리는 저렴한 황을 이용하는 것이 특징입니다. 리튬이온배터리에 비하여 황 양극과 리튬 음극의 밀도가 낮고 무게당 용량이 크기 때문에 에너지밀도가 두 배(>500Wh/kg)까지 높아질 수 있습니다. 즉, 낮은 가격으로 고용량 배터리를 구현할 수 있어 차세대 배터리로 거론되고 있는 것이죠.

리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극과 음극을 넘나들며 충·방전이 이루어지는 반면, 리튬황배터리는 ‘황의 단계적 전환’을 통해 전기 에너지를 만들어 냅니다. 8개의 황 원자로 구성된 고리가 연속적으로 환원 반응을 일으키며 단계적으로 짧아져 선형 구조의 황화리튬으로 전환되면서 에너지를 발생시키는 것인데요. 최종적으로 1개의 황 원자에 2개의 리튬 이온이 결합될 대까지 환원될 수 있기 때문에 많은 양의 리튬을 산화시킬 수 있죠. 충전 시에는 역순으로 산화 반응을 일으키며 황화리튬에서 다시 황으로 돌아오게 됩니다.

리튬황배터리는 자원이 풍부하고 가격이 저렴한 황을 사용하므로 가격 경쟁력이 뛰어나고, 무게당 에너지 밀도가 리튬이온배터리 대비 2배가량 높기 때문에 경량화에도 강점이 있는 것 외에도 코발트, 니켈 등의 희귀 금속 재료를 사용하지 않으므로 친환경적이라는 장점이 있어 드론이나 항공기 등 미래 운송 수단에 폭넓게 쓰일 수 있는 배터리로 각광받고 있는데요. 실제로 지난해 LG에너지솔루션은 한국항공우주연구원에서 개발한 고고도 장기 체공 태양광 무인기에 리튬황배터리를 탑재해 성층권 최고 고도에서 총 13시간의 시험 비행에 성공한 바 있습니다.

이는 영하 70도의 낮은 온도와 지상의 1/25 수준밖에 안되는 매우 낮은 대기압의 극한 환경에서도 배터리가 안정적인 성능을 발휘함을 확인한 것인데요. 리튬황배터리 관련 세계 최고 수준의 기술력을 보여준 셈이죠.

사실 리튬황배터리는 이미 1962년 미국 과학자 헐버트 대뉴타(Herbert Danuta)와 울람 줄리어스(Ulam Juliusz)가 관련 특허를 취득했지만 몇 가지 기술적 문제로 아직까지 상용화되지 못한 것이었는데요. 하지만 지난 4월 열린 <배터리 데이 2021> 행사에서 LG에너지솔루션은 2025년부터 리튬황배터리를 상용화할 계획이라 밝혀 많은 사람들의 기대를 불러일으킨 바 있습니다.

리튬황배터리_3

리튬황배터리가 상용화된다면 항공 모빌리티(URM, Urban Air Mobility) 분야에 적용될 것으로 예상되는데요. LG에너지솔루션의 리튬황배터리 기술로 드론 산업이 활성화되고, 도심을 날아다니는 플라잉 카, 에어 택시 등 SF 영화에서나 보던 모습을 가까운 미래에 현실에서 마주하게 될지도 모르겠다는 생각이 듭니다. 설레는 마음으로 그날이 하루빨리 오기를 기대해 봅니다.