지금까지 리튬이온배터리의 성능 향상은 주로 양극재의 개발을 통해 진행되어 왔습니다. 이에 비해 음극재는 주로 흑연이 활용되었고, 실리콘이 조금씩 첨가되는 정도로 소재가 한정적입니다. 한편 고용량 양극재는 발전을 거듭하며, 층상 구조* 금속 산화물 기반 소재의 단위 질량당 용량이 이론적 한계에 가까워지고 있습니다. 이는 배터리의 에너지 밀도 향상에 대한 시장의 니즈와 맞물리게 되었고, 음극재에서의 용량 향상이 새로운 돌파구로 주목받게 되었죠.
*층상 구조가 궁금하다면? (인포그래픽#14) 양극재 구조 보러가기
현재 흑연과 실리콘 이외에 연구중인 음극재로 ‘리튬메탈’이 있는데요. 차세대 배터리로 언급되는 리튬메탈배터리에는 음극에 리튬메탈을 적용하고 있습니다. 이번 시간에는 차세대 배터리 중 하나로 꼽히는 ‘리튬메탈배터리(Lithium Metal Battery)’에 대해 살펴보겠습니다.
리튬메탈배터리(Lithium Metal Battery)란?
리튬메탈배터리는 음극에는 ‘리튬메탈’을, 양극에는 리튬이온배터리와 동일하게 금속 산화물 (Metal Oxide) 계통의 소재를 사용하고, 액체 전해질을 적용합니다. 특히 음극의 리튬메탈 소재는 차세대 배터리로 꼽히는 여러 배터리에 사용되고 있는데요. 양극에 황탄소복합체가 쓰이면 리튬황배터리(Lithium–sulfur battery), 산소를 양극의 물질로 구성하면 리튬에어배터리(Lithium-air battery)가 됩니다.
리튬메탈배터리의 시초를 보려면 1970년대까지 거슬러 올라가야 합니다. 당시 노벨화학상 수상자인 스탠리 휘팅엄(Stanley Whittingham) 교수가 양극에 이황화타이타늄을, 음극에 리튬메탈을 사용한 배터리를 개발했었습니다. 하지만 안전 문제로 상용화되진 못했죠. 이후 캐나다 기업 ‘몰리 에너지(Moli Energy)’가 리튬메탈배터리 상용화에 시동을 걸었는데요. 몰리 에너지社는 1988년, 양극에는 이황화몰리브덴을 음극에는 리튬메탈을 적용한 이차전지 ‘몰리셀(Molicel)’을 개발하여, 일본 통신사 NTT에서 출시한 휴대전화에 몰리셀을 탑재했었던 사례도 있습니다. 그러나 결국 초기 리튬메탈전지에 비해 안전성을 높게 구현한 리튬이온전지가 주류로 시장에 자리잡게 되었죠.
여러 장점을 가진 리튬메탈배터리
그렇다면, 리튬메탈배터리는 어떤 이유 때문에 차세대 배터리 중 하나로 꼽히는 것일까요?
먼저 리튬메탈배터리는 음극 소재로 흑연을 사용한 리튬이온배터리보다 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 흑연은 372mAh/g의 비교적 낮은 이론 용량*을 보유하고 있습니다. 그에 비해 리튬메탈의 이론 용량은 3,860mAh/g이며, 흑연과 약 10배 이상 차이가 나는 것을 알 수 있죠. 때문에 같은 무게에도 리튬메탈배터리가 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
*이론 용량 : 전극소재 내 저장될 수 있는 물리적 한계치의 최대 리튬이온 함량
더불어 리튬메탈배터리를 사용하면 배터리가 차지하는 부피를 줄일 수 있습니다. 리튬의 밀도는 약 0.534g/cm3로 단위질량당 부피가 크지만, 흑연보다 단위질량당 용량이 10배 이상 크기 때문에 음극의 두께를 얇게 할 수 있죠. 그 결과 공간 활용율을 높여, 동일한 공간에 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있어 배터리가 탑재된 제품의 사용시간을 늘리거나, 자율주행차와 같이 전력 소비량이 큰 시스템의 구현을 가능케 하는 에너지원으로 적합합니다.
세번째로, 리튬메탈배터리는 기존 리튬이온배터리보다 충전 속도를 더욱 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 리튬이온배터리를 충전시키면, 리튬이온은 흑연의 층상 구조 틈새에 삽입되어 저장됩니다. 하지만 리튬메탈배터리에서는 음극으로 이동한 리튬이온이 틈새를 찾을 필요 없이 표면에서 리튬금속으로 환원되어 바로 전착(도금)되므로, 이론적으로는 더 빠른 속도로 충전이 가능하죠.
마지막으로 리튬메탈배터리는 액체 전해질을 사용할 수 있어, 기존 리튬이온배터리와 유사한 제조 공정으로 제작 가능합니다. 때문에 기존 리튬이온배터리의 제조 장비를 일부 활용할 수 있고, 빠른 공정 최적화를 이룰 수 있다는 장점도 있죠. LG에너지솔루션은 이러한 리튬메탈배터리의 장점들에 주목하고, 실제로 구현하기위한 연구에 매진하고 있습니다.
리튬메탈배터리의 상용화를 위해 해결해야 할 과제 ‘덴드라이트’
많은 장점을 보유하고 있는 리튬메탈배터리이지만, 상용화되기 위해서는 ‘덴드라이트(Dendrite)’라는 난제를 해결해야 합니다.
덴드라이트는 충전 과정에서 음극 표면에 리튬 결정이 형성되어 뾰족한 나뭇가지 모양의 결정체로 자라나는 현상입니다. 이 현상이 발생하는 원인은 리튬의 특성과 밀접한 관련이 있는데요. 리튬이 음극 표면에서 도금되어 쌓일 때, 먼저 도금된 리튬메탈 입자가 있으면 그 위에 추가로 도금되는 것이 쉽습니다. 이러한 경우 리튬이 전극 전체에 균일하게 도금되지 않고 나뭇가지 형상으로 성장하게 되죠.
덴드라이트는 배터리의 수명과 안전성을 저해할 수 있는데요. 덴드라이트의 크기가 점차 커지면서 분리막을 손상시키고 양극 표면까지 성장할 수도 있기 때문이죠. 이렇게 되면, 양극과 음극이 직접 맞닿아 내부 단락을 일으킬 수 있습니다. 또한 덴드라이트는 리튬전극의 표면적을 넓혀서 전해질과의 반응량을 늘리고 리튬메탈의 부식을 유발하기도 합니다.
리튬이온배터리의 경우, 활성화 공정 단계에서 흑연 음극 표면에 SEI(Solid Electrolyte Interphase)라는 얇은 막이 형성됩니다. SEI는 리튬 이온이 안전하게 이동할 수 있는 통로 역할을 하며, 음극 표면과 전해액이 직접 만나지 않도록 보호하는데요. 덴드라이트의 발생으로 SEI 가 불균일하게 형성되면 SEI가 보호층으로서의 역할을 수행하지 못하게 되고, 이로 인해 배터리 충·방전 효율 감소 및 배터리 용량 감소에도 영향을 줄 수 있습니다.
급속충전 시대를 열다, LG에너지솔루션의 리튬메탈배터리 개발 성과는?
이처럼 덴드라이트는 리튬메탈배터리의 한계로 꼽혀왔지만, LG에너지솔루션은 이를 해결하기 위한 연구를 이어오고 있습니다. 실제로 KAIST 공동연구팀(FRL)과 손잡고, 덴드라이트 때문에 느려진 충전 속도를 확기적으로 끌어올릴 수 있는 원천기술을 개발해냈죠.
그동안 리튬메탈배터리는 덴드라이트 현상 때문에 수명과 안전성을 확보하기가 쉽지 않았습니다. 특히 급속충전 조건에서는 덴드라이트 형성이 더욱 심해지면서 내부 단락을 일으켜 상용화에 어려움이 컸는데요. 연구팀은 이러한 현상의 근본 원인이 리튬메탈 표면의 불균일한 계면 응집반응이라는 점을 밝혀내고, 이를 억제할 수 있는 신규 액체 전해액을 세계 최초로 개발했습니다.
새롭게 개발한 전해액은 리튬이온과 결합력이 약한 음이온 구조를 활용한 것이 특징입니다. 이 구조 덕분에 계면의 불균일성을 최소화하고 덴드라이트의 성장을 효과적으로 차단할 수 있었는데요. 그 결과 그동안 한계로 지적되던 느린 충전 속도 문제를 개선하고, 안정적인 구동을 구현했습니다.
이러한 연구 성과는 성능 향상으로도 이어졌습니다. 1회 충전으로 800km 이상 주행이 가능하고, 누적 주행거리 기준 30만km 이상의 수명을 확보했는데요. 충전 시간 역시 단 12분으로 단축됐습니다.
이번 연구는 2023년에 발표한 ‘저부식성 붕산염-피란’ 액체 전해액 기반 리튬메탈배터리의 후속 연구입니다. 최대 난제로 꼽혔던 급속충전 기술을 확보함으로써 차세대 배터리의 상용화를 한층 앞당겼다는 점에서 큰 의의가 있는데요. LG에너지솔루션은 앞으로도 국내외 주요 대학들과 산학 협력을 강화하며 차세대 배터리 분야의 기술적 난제를 해결해 나갈 예정입니다.
지금까지 차세대 배터리 중 리튬메탈배터리에 대해 알아보았습니다. 고성능 배터리에 대한 수요가 점점 늘어나면서, 리튬메탈배터리에 대한 연구도 활발히 이어지고 있는데요. LG에너지솔루션 역시 상용화를 위한 연구를 지속하고 있습니다. 앞으로도 차세대 기술을 확보해 나가는 LG에너지솔루션의 노력을 지켜봐 주세요!
