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, NCM, 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.
리튬황배터리의 가능성을 넓혀가는 LG에너지솔루션
이처럼 많은 장점으로 차세대 배터리로 꼽히고 있는 리튬황배터리. LG에너지솔루션은 일찍이 리튬황배터리의 가능성을 주목하며 연구를 이어오고 있습니다. 대표적인 사례가 바로 황(Sulfur)을 활용한 고체 전해질(Solid-State Electrolyte, SSE) 기술입니다.
LG에너지솔루션은 이 기술로 리튬황배터리의 난제 중 하나인 ‘폴리설파이드(Polysulfide) 용출’ 환경을 원천적으로 차단하며, 차세대 고용량 배터리의 새로운 가능성을 제시했습니다. 특히 이번 연구는 전고체 배터리 분야의 세계적인 석학인 시카고대학교 셜리 멍(Shirley Meng) 교수 연구팀과 공동으로 수행했는데요. 황을 배터리 양극 소재로 적용해 높은 에너지 저장 성능을 이끌어냈다는 점에서 더욱 의미가 깊습니다.
그렇다면 어떤 방식으로 리튬황배터리의 성능을 향상시켰을까요? 연구팀은 ‘고에너지 합성(High Energy Synthesis) 접근법’을 활용했습니다. 황 입자 표면에 이온전도성이 높은 특수 계면(Interphase)을 형성하고, 황의 입자 크기를 마이크로미터(μm) 수준으로 정교하게 제어한 것인데요. 그 결과 사이클 안정성과 출력 특성을 모두 개선할 수 있었습니다. 실제로 25℃의 상온 조건에서도 안정적인 충·방전을 유지하면서, 면적 용량은 최대 11mAh/cm² 수준의 높은 수치를 구현해냈죠.
이번 연구에서는 고에너지밀도 중심의 다양한 셀 구조를 함께 제시했습니다. 특히 10MPa(Megapascal, 메가파스칼)의 낮은 압력에서도 원활하게 작동하는 황화리튬(Li₂S) 기반의 무음극전지를 파우치 형태로 구현하며, 배터리 적용 가능성도 확인했습니다.
LG에너지솔루션은 이번 성과를 발판 삼아 안정성과 에너지밀도, 비용 경쟁력을 모두 갖춘 차세대 배터리 기술 개발에 더욱 속도를 낼 계획입니다.
지금까지 차세대 ‘게임 체인저’로 꼽히는 리튬황배터리의 특징과, 상용화를 한층 앞당긴 LG에너지솔루션의 연구 성과를 살펴봤습니다. 가볍고 높은 무게 에너지 밀도라는 강점을 지닌 리튬황배터리는 차세대 배터리로 주목받고 있는데요. 상용화라는 목표를 향해 꾸준히 나아가는 LG에너지솔루션의 행보를 기대해 주세요!
