현재 배터리 시장의 대표 주자는 단연코 ‘리튬이온배터리’입니다. 리튬이온배터리는 1991년 최초로 상용화가 된 이후로 전기차, IT 기기 등 다양한 분야에서 활용되었습니다. 하지만 배터리에 대한 다양한 니즈가 발생하면서, 리튬이온배터리를 넘어서는 배터리를 꿈꾸게 되었습니다. 이에 배터리 업계에서는 리튬이온배터리의 다음 타자를 만들기 위해 끊임없이 연구를 진행하고 있습니다.
앞으로 배터리 시장의 판도를 흔들 배터리들을 하나씩 소개하고자 합니다! 이번 시간에는 차세대 배터리로 꼽히는 ‘리튬황배터리(Lithium–sulfur battery)’에 대해 낱낱이 들여다보겠습니다.
리튬황배터리란?
리튬이온배터리는 양극에는 금속산화물(LCO, NMC, NCA, LFP 등)을 활용하고, 음극에는 흑연과 실리콘을 사용하는 배터리를 의미합니다. 리튬황배터리(Lithium–sulfur battery)는 이와 달리 양극에는 황탄소복합체, 음극에는 경량의 리튬메탈을 사용한 배터리입니다.
리튬황배터리는 리튬이온배터리보다 먼저 배터리 개발이 진행되었는데요. 1962년 미국의 과학자 헐버트 대뉴타(Herbert Danuta)와 울람 줄리어스(Ulam Juliusz)가 양극에 황을, 음극에 리튬을 적용해 1차 전지로 특허를 내며, 처음으로 모습을 드러냈죠. 이후 질산리튬(LiNO3)의 등장으로 2차 전지로서 기능을 할 수 있게 되었습니다.
기존의 리튬이온배터리는 리튬이온에서 분리된 전자의 산화·환원 반응을 통해 전기 에너지가 만들어집니다. 리튬황배터리는 이와 다르게 ‘황의 단계적 전환’을 통해 전기 에너지가 생성됩니다.
황은 8개 원자가 고리(S8) 형태로 이루어진 구조입니다. 방전이 진행되면 연속적으로 환원 반응을 일으키며 선형 구조인 리튬폴리설파이드(Lithium Polysulfide)의 단계를 거치는데요. 여기서 리튬폴리설파이드는 리튬과 황이 만날 때 생기는 중간 생성물입니다. 이후 연속적인 환원 반응을 거쳐 최종적으로 불용해성 물질인 황화리튬(Li2S)으로 전환되면서 전기 에너지가 발생되죠.
차세대 배터리의 한 축, 리튬황배터리의 특징
리튬황배터리는 리튬이온배터리와는 차별화된 특징들을 가지고 있습니다. 먼저 리튬황배터리는 무게 에너지 밀도*가 높습니다. 양극의 황탄소복합체와 음극의 리튬메탈이 밀도가 낮아, 무게당 용량이 큰데요. 때문에 무게 에너지 밀도가 기존 리튬이온배터리 대비 1.5배 이상 높습니다.
*무게 에너지 밀도(Wh/kg) : 전지 에너지(Wh)/전지 무게(kg)
쉽게 말씀드리면, 리튬황배터리는 가볍습니다. 리튬이온배터리는 양극재로 니켈, 코발트 같은 금속 물질을 사용하지만, 리튬황배터리는 이보다 가벼운 황과 리튬을 사용해 무게를 줄일 수 있죠. 배터리가 가볍다는 것은 활물질이 1g당 얼마만큼의 용량을 만들 수 있는지를 의미하기 때문에 중요하게 고려되어야 할 요소입니다. 리튬황배터리의 양극재로 쓰이는 황은 1,675mAh/g의 용량을 만들 수 있고, 리튬이온배터리 중 NCM은 약 200mAh/g 정도의 용량을 확보할 수 있는데요. 리튬황배터리가 리튬이온배터리보다 8배 정도 가벼운 것을 알 수 있습니다. 음극도 리튬이온배터리에서 쓰이는 흑연은 350mAh/g의 용량인 반면, 리튬황배터리의 리튬은 3,500mAh/g의 용량을 만들어냅니다.
또한, 황은 지구에서 17번째로 풍부한 원소로써 비교적 쉽게 구할 수 있고 가격도 매우 저렴합니다. 따라서 양극으로 황을 사용하면 지금보다 높은 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 예상됩니다.
리튬황배터리는 드론, 무인기, 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM) 등 항공 분야에 주목받고 있습니다. 항공용 기기 설계에 있어서 경량화는 매우 중요한 요소인데요. 리튬황배터리의 가벼운 무게는 연료 효율성을 개선할 수 있고, 무게 대비 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 리튬이온배터리보다 더 긴 시간과 거리를 비행할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
미래 기술 경쟁력을 확보하는 LG에너지솔루션, 파우치형 리튬황배터리를 개발하다
LG에너지솔루션이 처음으로 리튬황배터리에 대해 관심을 갖기 시작한 때는 2013년, 혁신전지 프로젝트부터입니다. 당시, 차세대 배터리로 꼽히는 여러 종류의 배터리 중 LG에너지솔루션의 기술 역량을 더 발휘할 수 있는 아이템을 선정하기 위해 기초 실험을 진행했는데요. 면밀한 연구와 실험 끝에 2015년, 리튬황배터리와 리튬메탈배터리가 연구 개발 프로젝트로 자리를 잡게 되었고, 현재 LG에너지솔루션 미래기술센터의 차세대 배터리 중 하나로 리튬황배터리 연구가 계속되고 있습니다.
특히 LG에너지솔루션의 리튬황배터리에서 주목해야 할 점은 바로 리튬황배터리를 파우치 타입으로 제작하고 있다는 것입니다. 다양한 형태 중에서도 파우치형을 택한 이유는 무엇일까요?
첫 번째, 리튬황배터리를 더 가볍게 만들기 위해서입니다. 리튬황배터리는 동일한 용량, 동일한 에너지의 배터리를 만들었을 때 리튬이온배터리 대비 더 가벼운 소재를 사용합니다. 그런데 이 소재를 금속 캔의 원통형이나 각형으로 감싸게 되면 ‘가볍다’는 강점을 약화시킬 수 있죠. 그래서 LG에너지솔루션은 리튬황배터리의 장점인 ‘가벼움’을 극대화하기 위해 파우치형 배터리를 선택했습니다.
두 번째, 리튬황배터리의 부피 변화 현상을 파우치형으로 대응할 수 있기 때문입니다. 리튬황배터리의 음극 소재인 리튬 금속은 충전/방전 과정 중에 두께가 변할 수 있습니다. 이러한 두께 변화를 배터리 외관이 잘 잡아주어야 하기 때문에 유연한 파우치형이 적합하다 볼 수 있죠.
LG에너지솔루션의 리튬황배터리 로드맵은?
하지만 리튬황배터리가 시장에서 자리잡기 위해서는 여러 과제들이 선행되어야 합니다. 특히 △황의 낮은 전기전도도 △리튬폴리설파이드의 용출 현상 △충∙방전 시 부피 변화를 해결해야 하는데요. LG에너지솔루션도 이를 극복하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다.
먼저 LG에너지솔루션은 황의 전기전도도를 높이기 위해 황을 잘 활용하기 위한 구조 및 성질을 가진 탄소 소재를 개발해, 양극 전극으로 만드는 기술을 개발했습니다. 황은 저항이 매우 큰 부도체로 전자를 잘 주고받기 위해서는 탄소와 같은 도전재가 필수입니다. 특히 리튬황배터리는 더 많은 양의 도전재를 사용해야 하며, 사용되는 도전재의 특성에 영향을 많이 받습니다. 이에 LG에너지솔루션은 더 많은 황을 사용하면서 보다 효율적으로 사용할 수 있는 시스템을 구축했죠.
또 리튬폴리설파이드의 용출 현상으로 발생하는 문제를 해결하기 위해, LG에너지솔루션은 새로운 조합의 전해질을 개발했습니다. 리튬폴리설파이드 용출 현상은 전해질에 사용되는 유기용매와 리튬염으로 인해 발생하여, 이 소재들에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있는데요. 현재 LG에너지솔루션의 리튬황배터리용 전해질은 리튬폴리설파이드의 용출을 제어하여 수명을 비약적으로 증가시켰습니다.
마지막으로 LG에너지솔루션은 리튬황배터리의 충∙방전 시 부피 변화를 대응하기 위해 파우치형을 선택한 것은 물론 가압 요소기술까지 확보했습니다. 부피 변화 현상은 음극에 리튬금속을 사용하는 배터리의 특징이며, 형태를 유지하기 위해서는 적절한 압력을 활용한 공정이 필요합니다. 이때 필요한 압력과, 압력을 가하는 방식이 어떤지에 따라 기술력의 차이가 나타나죠. LG에너지솔루션은 다년간 축적한 노하우로 리튬황배터리를 가장 효과적으로 부피 제어를 해 수명을 증가시켰습니다.
LG에너지솔루션은 2027년 리튬황배터리 상용화를 목표로 나아가고 있습니다. 무엇보다 이러한 지속적인 연구와 과제 해결을 통해 리튬이온배터리가 가벼워질 수 없는 영역까지 가벼워지고, 수명은 최대한 길게 확보하여 고객들이 리튬황배터리를 사용하고 싶게 만드는 것이 궁극적인 목표일 것입니다.
지금까지 게임 체인저가 될 리튬황배터리의 특징과 LG에너지솔루션의 리튬황배터리를 만나봤습니다. 앞으로 상용화되기 위해서는 수많은 난제를 해결해야 하지만 더 가볍고, 높은 무게 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 배터리로 주목받고 있음을 알 수 있습니다! 다음 시간에는 어떤 배터리가 소개될지 많이 기대해 주세요.