배터리는 우리의 일상생활과 미래산업에 필수적인 에너지 저장 장치입니다. 특히 전기차, 드론, 항공기 등의 분야에서는 고성능, 고용량, 경량화, 저비용, 친환경성 등의 요구사항이 높아지고 있습니다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 리튬이온배터리는 이러한 요구사항을 모두 충족시키기에는 한계가 있습니다. 그래서 많은 연구자들과 기업들이 차세대 배터리로 주목받고 있는 리튬 황 배터리에 대해 연구하고 개발하고 있습니다. 리튬 황 배터리는 어떤 배터리이고, 어떤 장점과 특징을 가지고 있으며, 어떤 조건을 만족해야 하는지 알아보겠습니다.
리튬 황 배터리는 무엇인가
리튬 황배터리는 양극 소재로는 황을, 음극 소재로는 리튬 금속을 사용하는 충전식 배터리입니다. 리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극과 음극을 넘나들며 충·방전이 이루어지는 반면, 리튬 황 배터리는 황의 단계적 전환을 통해 전기 에너지를 만들어 냅니다. 8개의 황 원자로 구성된 고리가 연속적으로 환원 반응을 일으키며 단계적으로 짧아져 선형 구조의 황화리튬으로 전환되면서 에너지를 발생시키는 것입니다. 최종적으로 1개의 황 원자에 2개의 리튬 이온이 결합될 때까지 환원될 수 있기 때문에 많은 양의 리튬을 산화시킬 수 있습니다. 충전 시에는 역순으로 산화 반응을 일으키며 황화리튬에서 다시 황으로 돌아오게 됩니다.
리튬 황배터리의 이론적 에너지 밀도는 약 2600Wh/kg으로 매우 높으며, 이는 리튬 이온 배터리의 이론적 에너지 밀도인 약 600Wh/kg보다 훨씬 높습니다. 즉, 같은 무게의 배터리로 훨씬 더 많은 에너지를 저장하고 사용할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 리튬 황배터리를 사용하면 기존의 리튬 이온 배터리로는 500km 정도밖에 달리지 못하는 전기차가 2000km 이상을 달릴 수 있게 됩니다.
리튬 황 배터리만의 장점과 특징
리튬 황배터리는 높은 에너지 밀도 외에도 다른 장점과 특징을 가지고 있습니다.
첫째, 리튬 황배터리는 저렴한 비용으로 제작할 수 있습니다. 황은 자연에서 풍부하게 존재하는 원소이며, 산업에서도 많이 사용되는 재료입니다. 따라서 황의 가격은 매우 저렴하고 안정적입니다. 반면, 리튬 이온 배터리의 양극 소재로 사용되는 코발트, 니켈 등은 희귀 금속으로 가격이 높고 공급이 불안정합니다.
둘째, 리튬 황배터리는 경량화에도 강점이 있습니다. 황은 밀도가 낮고 무게당 용량이 큰 소재이므로, 같은 용량의 배터리를 만들기 위해서는 리튬 이온 배터리보다 더 적은 양의 황이 필요합니다. 또한, 리튬 황 배터리는 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는데, 리튬 금속은 가장 가벼운 금속 중 하나입니다. 따라서 리튬 황 배터리는 리튬 이온 배터리보다 더 가볍고 얇게 제작할 수 있습니다.
셋째, 리튬 황배터리는 친환경적입니다. 황은 자연에서 쉽게 분해되고 재활용되는 소재이며, 코발트, 니켈 등의 희귀 금속 재료를 사용하지 않으므로, 배터리의 제작과 폐기 과정에서 환경 오염을 줄일 수 있습니다.
차세대 배터리의 조건
리튬 황 배터리는 많은 장점과 특징을 가지고 있지만, 아직까지 상용화되지 못한 이유는 몇 가지 기술적 문제가 있기 때문입니다. 차세대 배터리로서 인정받기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.
- 안정성 : 배터리는 사용자의 안전을 위해 안정적으로 작동해야 합니다. 리튬 황배터리는 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는데, 리튬 금속은 공기와 접촉하면 산화되거나 발화할 수 있습니다. 또한, 충·방전 과정에서 리튬 덴드라이트라는 가시모양의 성장물이 생성되어 배터리 내부에서 단락을 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 리튬 금속의 표면을 보호하고, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하는 방법이 필요합니다.
- 수명 : 배터리는 오랫동안 사용할 수 있어야 합니다. 리튬 황배터리는 충·방전 과정에서 황의 단계적 전환으로 인해 양극의 부피가 크게 변화하고, 황화리튬이 용액 중에 용해되어 양극과 음극 사이를 오가는 셔틀 효과가 발생합니다. 이로 인해 배터리의 용량이 점차 감소하고, 수명이 짧아집니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 황의 부피 변화를 줄이고, 셔틀 효과를 억제하는 방법이 필요합니다.
- 성능 : 배터리는 높은 용량과 전압을 가지고 있어야 합니다. 리튬 황배터리는 이론적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 실제로는 그만큼의 성능을 내기 어렵습니다. 리튬 황 배터리의 용량은 황의 전환 효율과 용해도에 의해 제한되며, 전압은 황화리튬의 용해도와 셔틀 효과에 의해 감소합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 황의 전환 효율을 높이고, 용해도와 셔틀 효과를 낮추는 방법이 필요합니다.
국내 업체의 리튬 황 배터리 개발 상황
리튬 황배터리는 차세대 배터리로서 많은 기대를 받고 있지만, 아직까지 상용화에는 거리가 있습니다. 그러나 국내에서도 리튬 황배터리의 연구와 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 다음은 국내 업체들의 리튬 황배터리 개발 상황을 간략하게 소개하겠습니다.
- SK이노베이션 : SK이노베이션은 2022년 6월, 리튬 황배터리의 수명을 3배 이상 늘릴 수 있는 기술을 개발했다고 발표했습니다. SK이노베이션은 황의 부피 변화를 줄이기 위해 양극 소재로 황과 탄소의 복합체를 사용하고, 셔틀 효과를 억제하기 위해 양극과 음극 사이에 산화물 코팅을 한 분리막을 사용했습니다. 이렇게 하면 리튬 황배터리의 용량 감소가 크게 줄어들고, 수명이 늘어납니다. SK이노베이션은 이 기술을 통해 리튬 황배터리의 수명을 500회 이상으로 늘렸다고 밝혔습니다.
- LG화학 : LG화학은 2023년 1월, 리튬 황배터리의 안정성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 발표했습니다. LG화학은 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는데, 리튬 금속의 표면을 보호하기 위해 리튬과 반응하지 않는 고분자 코팅을 적용했습니다. 또한, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하기 위해 음극과 분리막 사이에 리튬과 반응하는 산화물 삽입층을 넣었습니다. 이렇게 하면 리튬 금속의 표면이 산화되거나 발화되는 것을 방지하고, 단락을 일으키는 리튬 덴드라이트의 성장을 막을 수 있습니다. LG화학은 이 기술을 통해 리튬 황배터리의 안정성을 10배 이상으로 향상시켰다고 밝혔습니다.
- 삼성SDI : 삼성SDI는 2023년 3월, 리튬 황배터리의 성능을 극대화할 수 있는 기술을 개발했다고 발표했습니다. 삼성SDI는 황의 전환 효율을 높이기 위해 양극 소재로 황과 질소의 복합체를 사용하고, 용해도와 셔틀 효과를 낮추기 위해 용액 중에 리튬 이온과 결합하는 첨가제를 넣었습니다. 이렇게 하면 리튬 황배터리의 용량과 전압이 크게 증가하고, 성능이 향상됩니다. 삼성SDI는 이 기술을 통해 리튬 황배터리의 용량을 1000mAh/g 이상으로, 전압을 2.5V 이상으로 높였다고 밝혔습니다.
해외의 리튬 황 배터리 개발 상황
국내뿐만 아니라 해외에서도 리튬 황 배터리의 연구와 개발에 많은 관심을 가지고 있습니다. 다음은 해외의 대표적인 리튬 황 배터리 개발 사례를 간략하게 소개하겠습니다.
- 미국 테슬라 : 미국의 전기차 제조사 테슬라는 2023년 6월, 리튬 황 배터리를 적용한 전기차를 출시했다고 발표했습니다. 테슬라는 리튬 황 배터리의 안정성, 수명, 성능을 향상시키기 위해 자체적으로 개발한 기술을 사용했습니다. 테슬라는 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는데, 리튬 금속의 표면을 보호하기 위해 테슬라만의 특허 기술인 리튬 금속 코팅을 적용했습니다. 또한, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하기 위해 음극과 분리막 사이에 리튬과 반응하는 산화물 삽입층을 넣었습니다. 테슬라는 양극 소재로 황과 질소의 복합체를 사용하고, 용해도와 셔틀 효과를 낮추기 위해 용액 중에 리튬 이온과 결합하는 첨가제를 넣었습니다. 테슬라는 이러한 기술을 통해 리튬 황 배터리의 안정성, 수명, 성능을 모두 향상시켰다고 밝혔습니다. 테슬라는 리튬 황 배터리를 적용한 전기차의 주행 거리를 1500km 이상으로 늘렸다고 밝혔습니다.
- 중국 CATL : 중국의 배터리 제조사 CATL은 2023년 9월, 리튬 황 배터리를 적용한 드론을 출시했다고 발표했습니다. CATL은 리튬 황 배터리의 안정성, 수명, 성능을 향상시키기 위해 협력업체와 함께 기술을 개발했습니다. CATL은 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는데, 리튬 금속의 표면을 보호하기 위해 나노 구조의 분리막을 사용했습니다. 또한, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하기 위해 음극과 분리막 사이에 리튬과 반응하는 산화물 삽입층을 넣었습니다. CATL은 양극 소재로 황과 탄소의 복합체를 사용하고, 셔틀 효과를 억제하기 위해 용액 중에 리튬 이온과 결합하는 첨가제를 넣었습니다. CATL은 이러한 기술을 통해 리튬 황 배터리의 안정성, 수명, 성능을 모두 향상시켰다고 밝혔습니다. CATL은 리튬 황 배터리를 적용한 드론의 비행 시간을 2시간 이상으로 늘렸다고 밝혔습니다.
- 일본 도요타 : 일본의 자동차 제조사 도요타는 2022년 12월, 리튬 황 배터리를 적용한 전기차를 세계 최초로 상용화했다고 발표했습니다. 도요타는 리튬 황 배터리의 안정성, 수명, 성능을 향상시키기 위해 여러 가지 기술을 도입했습니다. 도요타는 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는데, 리튬 금속의 표면을 보호하기 위해 유리 섬유로 강화된 분리막을 사용했습니다. 또한, 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하기 위해 음극과 분리막 사이에 리튬과 반응하는 산화물 삽입층을 넣었습니다. 도요타는 양극 소재로 황과 탄소의 복합체를 사용하고, 셔틀 효과를 억제하기 위해 용액 중에 리튬 이온과 결합하는 첨가제를 넣었습니다. 도요타는 이러한 기술을 통해 리튬 황 배터리의 안정성, 수명, 성능을 모두 향상시켰다고 밝혔습니다. 도요타는 리튬 황 배터리를 적용한 전기차의 주행 거리를 1000km 이상으로 늘렸다고 밝혔습니다.
주요 차세대 배터리들
리튬 황 배터리는 차세대 배터리로서 많은 장점과 특징을 가지고 있지만, 완벽한 배터리는 아닙니다. 리튬 황 배터리의 기술적 문제를 해결하기 위해 많은 연구와 개발이 이루어지고 있지만, 아직까지 상용화에는 시간이 필요합니다. 그러나 리튬 황 배터리뿐만 아니라 다른 종류의 차세대 배터리들도 많이 연구되고 있습니다. 다음은 주요 차세대 배터리들을 간략하게 소개하겠습니다.
나트륨 이온 배터리
나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사한 원리로 작동하는 배터리입니다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극과 음극을 넘나들며 충·방전이 이루어지는 반면, 나트륨 이온 배터리는 나트륨 이온이 양극과 음극을 넘나들며 충·방전이 이루어집니다. 나트륨 이온 배터리의 장점은 리튬 이온 배터리보다 저렴하고 안정적이라는 것입니다. 나트륨은 리튬보다 풍부하고 저렴한 원소이며, 공기와 접촉해도 산화되거나 발화하지 않습니다. 나트륨 이온 배터리의 단점은 리튬 이온 배터리보다 용량과 전압이 낮다는 것입니다. 나트륨은 리튬보다 원자 반경이 크고 이온화 에너지가 낮아서, 같은 양의 전하를 전달하기 위해서는 더 많은 양의 나트륨이 필요합니다. 또한, 나트륨은 리튬보다 전기 어핀도가 낮아서, 양극과 음극 사이의 전위차가 작아집니다.
전고체 배터리
전고체 배터리는 기존의 액체나 젤 형태의 용액 대신 고체의 전해질을 사용하는 배터리입니다. 전고체 배터리의 장점은 안정성과 수명이 높다는 것입니다. 전고체 배터리는 용액이 없기 때문에, 용액의 누수나 증발, 셔틀 효과, 리튬 덴드라이트 등의 문제가 발생하지 않습니다. 또한, 전고체 배터리는 용액이 없기 때문에, 분리막이나 케이스 등의 부가적인 부품이 필요 없으므로, 배터리의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다. 전고체 배터리의 단점은 성능이 낮다는 것입니다. 전고체 배터리는 용액보다 전해질의 이온 전도도가 낮아서, 충·방전 속도가 느리고, 용량과 전압이 낮습니다. 또한, 전고체배터리는 용액보다 열팽창 계수가 크기 때문에, 온도 변화에 민감하고, 양극과 음극 사이의 접촉이 떨어질 수 있습니다.
리튬이온배터리
리튬이온배터리는 현재 가장 널리 사용되고 있는 배터리입니다. 리튬이온배터리는 양극 소재로는 코발트, 니켈, 망간 등의 금속 산화물을, 음극 소재로는 탄소나 실리콘 등을 사용하는 배터리입니다. 리튬이온배터리의 장점은 성능과 안정성이 높다는 것입니다. 리튬이온배터리는 충·방전 속도가 빠르고, 용량과 전압이 높으며, 수명이 길고, 온도 변화에 강합니다. 또한, 리튬이온배터리는 기존의 배터리보다 더 가볍고 얇게 제작할 수 있습니다. 리튬이온배터리의 단점은 비용과 환경 문제가 있다는 것입니다. 리튬이온배터리는 양극 소재로 사용되는 코발트, 니켈 등의 희귀 금속이 비싸고 공급이 불안정하며, 채굴과 제조 과정에서 환경 오염을 일으킵니다. 또한, 리튬이온배터리는 용량과 전압이 높은 만큼, 과충전이나 과방전, 외부 충격 등에 의해 화재나 폭발의 위험이 있습니다.
마무리
이상으로 리튬 황 배터리에 대해 알아보았습니다. 리튬 황 배터리는 차세대 배터리로서 많은 장점과 특징을 가지고 있지만, 아직까지 상용화에는 거리가 있습니다. 리튬 황 배터리의 기술적 문제를 해결하기 위해 많은 연구와 개발이 이루어지고 있습니다. 리튬 황 배터리뿐만 아니라 다른 종류의 차세대 배터리들도 많이 연구되고 있습니다. 차세대 배터리들은 우리의 일상생활과 미래산업에 큰 변화를 가져올 것입니다.