차세대 배터리로 각광받고 있는 ‘리튬메탈배터리(Lithium Metal Battery)’! 이번 세상의 모든 배터리에 대한 궁금증에서는 리튬메탈배터리의 특징을 살펴보면서, 기술 경쟁력을 강화하기 위한 LG에너지솔루션의 연구 성과를 알아보겠습니다.
Q. 리튬메탈배터리는 어떤 배터리인가요?
현재 상용화되고 있는 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 등 4가지 소재로 구성되어 있습니다. 배터리 내 각 소재가 제 역할을 수행하고, 시장에서 요구하는 성능을 낼 수 있게 다양한 원자재를 조합하여 제조하는데요. 이 중 리튬이온배터리의 음극재는 주로 흑연과 실리콘이 사용되고 있습니다.
리튬메탈배터리는 음극재에 흑연도 실리콘도 아닌 ‘리튬메탈’을 사용한 배터리를 의미합니다. 리튬메탈배터리는 전고체 배터리, 리튬황배터리와 함께 차세대 배터리로 주목받고 있습니다. 리튬이온배터리를 대체할 수 있는 성능과 장점이 있기 때문인데요. 이를 위해 배터리 업계에서는 리튬메탈배터리를 상용화하기 위해 연구를 끊임없이 진행하고 있습니다.
Q. 리튬메탈배터리의 특징은 어떻게 되나요?
리튬메탈배터리는 어떤 특징이 있어 차세대 배터리로 꼽히는 걸까요? 먼저 리튬메탈배터리는 흑연을 음극재로 사용한 배터리보다 용량이 10배 가량 높다고 평가받고 있습니다. 이는 양극재에서 나온 리튬이온을 리튬메탈 음극재가 더 많이 저장할 수 있기 때문인데요. 이러한 특징으로 부피와 크기를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있는 것이죠.
또 리튬메탈배터리는 리튬이온배터리보다 충전 속도를 더 높일 수 있습니다. 흑연을 음극재로 사용한 리튬이온배터리는 리튬이온이 흑연 구조 사이에 삽입되고, 다시 방출되는 과정에서 에너지가 쓰이는데요. 반면 리튬메탈배터리는 음극재로 이동하는 리튬이온이 바로 리튬메탈과 환원 반응을 일으킵니다. 이처럼 호환성과 반응성이 크기 때문에 충전 속도를 더 높일 수 있는 것입니다.
이러한 장점이 있는 리튬메탈배터리는 리튬이온배터리보다 먼저 배터리 시장에 등장했습니다. 1991년 일본 기업 소니(Sony)가 리튬이온배터리를 상용화하기 전, 1988년 캐나다 기업 ‘몰리 에너지(Moli Energy)’가 이차전지 몰리셀(Molicel)을 개발했는데요. 이때 몰리셀의 양극에는 이황화 몰리브덴, 음극에는 리튬메탈을 적용해 리튬메탈배터리를 최초로 상용화했습니다. 이러한 몰리셀은 일본 통신사 NTT에서 출시한 휴대폰에 처음으로 사용됐죠.
그렇다면 리튬메탈배터리가 상용화된 이력도 있고, 많은 장점을 갖췄음에도 불구하고 왜 리튬이온배터리만큼 대중적으로 쓰이지 않을까요?
안전한 리튬메탈배터리를 상용화하기 위해서는 ‘덴드라이트(Dendrite)’라는 한계점을 해결해야 하기 때문입니다. ‘수상돌기’를 뜻하는 덴드라이트는 음극 표면에 리튬 결정이 맺혀, 뾰족한 나뭇가지 모양의 결정체로 자라나는 현상을 의미합니다. 만약 리튬 결정이 지속적으로 쌓인다면 분리막을 뚫고, 양극재까지 닿게 되어 사고가 발생할 수 있습니다.
이러한 덴드라이트는 전해액에 의한 부식(Corrosion) 현상을 일으켜, 배터리의 수명에도 영향을 줍니다. SEI(Solid Electrolyte Interface)는 배터리를 처음 충전할 때 음극재와 전해질 사이에 생기는 고체막인데요. 전해질을 지키면서 리튬이온만 이동할 수 있도록 돕는 통로 역할을 합니다. 때문에 SEI가 손상되면 충방전 효율이 떨어지게 되죠.
Q. LG에너지솔루션은 리튬메탈배터리 기술력 확보를 위해 어떤 노력을 하고 있나요?
이처럼 리튬메탈배터리의 한계점을 극복할 경우, 더 많은 이점이 있기 때문에 차세대 배터리로 주목받고 있는데요. 그렇다면 LG에너지솔루션은 리튬메탈배터리 기술력을 강화하기 위해 어떤 노력을 기울이고 있을까요?
2021년 LG에너지솔루션과 KAIST는 공동 연구센터(Frontier Research Laboratory, FRL)를 설립해 리튬메탈배터리 관련 원천기술 연구와 개발을 진행했는데요. 2023년 12월, 리튬메탈배터리 성능을 높일 수 있는 기술 개발해 성공해 배터리 상용화의 기회를 열었습니다.
LG에너지솔루션과 KAIST 공동 연구팀은 세계 최초로 리튬메탈배터리에 ‘붕산염-피란(Borate-Pyran) 기반 액체 전해액’을 적용시켰습니다. 이 전해액은 SEI를 치밀한 구조로 재구성하고, 전해액과 리튬메탈 음극 간의 부식 반응을 차단하는 역할을 합니다. 이를 통해 리튬메탈배터리의 충∙방전 효율을 향상시킬 수 있었고, 1회 충전에 900km 주행이 가능할 만큼의 에너지 밀도를 높일 수 있었습니다. 이는 기존 고성능 전기차에 탑재되는 리튬이온배터리의 주행거리 약 600km보다 50% 향상된 수준입니다. 또한 400회 이상 재충전이 가능할 만큼 수명 안정성도 확보했습니다.
아울러 공동연구팀이 연구한 리튬메탈배터리는 전고체배터리와는 다르게 구동할 때 높은 온도와 압력이 요구되지 않고, 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 배터리 시스템 설계가 가능하다는 장점도 갖췄습니다.
지금까지 리튬메탈배터리가 어떤 배터리인지, LG에너지솔루션이 리튬메탈배터리 기술 개발을 위해 어떤 노력을 하고 있는지 살펴봤습니다. 리튬메탈배터리가 배터리 업계를 평정할 게임 체인저(Game Changer)가 될 수 있을지 주목해 보겠습니다!