LG에너지솔루션의 차세대배터리 리튬황전지에 대한 이해

국내 최대 LG에너지솔루션은 2020년 국내 최초로 리튬황전지를 탑재한 무인비행기를 약 13시간 동안 비행에 성공하였다. 해당 무인기는 성층권에서 운행되었기 때문에 영하 70도의 악조건에서 배터리가 정상적으로 가동되었기에 많은 주목을 받았다.

 

 

 

1. 전지소개 및 작동원리

리튬황전지의 구성 및 충방전 메커니즘 (출처 : Challenges and prospects of lithium-sulfur batteries)

리튬황전지는 리튬이온전지와는 다르게 양극에는 Li2S를 사용하고 음극으로 리튬메탈을 사용한다. 또한 카보네이트계열 전해액을 사용하는 리튬이온전지와 다르게 에테르계열의 전해액을 사용한다. 이는 충방전과정에서 생성되는 폴리설파이드가 카보네이트계열 유기용매와 반응성이 높기 때문이다.

양극 : Li2S (리튬설퍼)

음극 : Li (리튬메탈)

전해액 : Dimethyl ether (DME), 1,3-Dioxolane (DOL) 에테르계열

 

리튬황전지 충방전곡선그래프 (출처 : 2014 KISTI 미래유망기술 10선 리튬황전지)

 

충전과정(Charge process)

충전 시, 위 그래프에 나와있듯이 양극의 Li2S가 여러 형태의 Sulfide 계열의 화학종으로 변화하면서 충전된다. Li2S->Li2S2->Li2S4->Li2S8 순서로 이동하게 되고 결과적으로 고리모양의 S8가 형성되는 과정이 충전과정이다. 

 

방전과정 (Discharge process)

방전 시, 충전과정과 반대의 메커니즘을 갖는다. 시작반응으로 고리구조를 갖는 S8이  Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S3 의 형태를 거치면서 전기에너지를 사용할 수 있게 된다. 충전과 방전과정을 살펴보면 황(Sulfur)이 연속적으로 순환하는 형태를 나타내기 때문에 이를 셔틀메커니즘(Shuttle mechanism)이라고 부른다. 또한 리튬황전지는 1.5V~3.0V의 리튬이온전지보다 상대적으로 낮은 구동전압을 갖는다. 

 

 

 

2. 장점

에너지밀도(Energy density)

리튬황전지는 리튬이온전지에 비해 약 4배 높은 중량당 에너지밀도를 갖는다. 사용되는 소재 자체의 고유한 에너지밀도에 의한 차이 때문에 (리튬이온전지 : 570Wh/kg, 리튬황전지 : 2600Wh/kg) 더 높은 용량을 구현할 수 있고 더 많은 에너지밀도를 구현하기 때문에 고용량배터리가 가능하다.

 

가격경쟁력(Cost)

황(Sulfur)는 지구에 다량 풍부하게 존재하는 원소 중 하나이다. 자연계에서 풍부하기 때문에 배터리 소재로 사용하게 된다면 리튬보다 상대적으로 싼 가격의 원가를 가질 수 있다.

 

무게(Weight)

리튬황전지는 소재로 황을 사용하기 때문에 낮은 무게를 갖는다. 따라서 세라믹소재를 사용하는 리튬이온배터리보다 중량당 에너지밀도가 높다. 이러한 장점 때문에 항공모빌리티 사업에 매우 적합한 차세대 배터리로 거론되고 있다. 

 

 

 

3. 단점

폴리설파이드(Polysulfide) 용해

충방전과정에서 황(Sulfur)은 전자를 얻는 환원반응에서 리튬폴리설파이드의 화학종들로 변환하게 된다. 문제는 이렇게 생겨난 리튬폴리설파이드 화학종들(Li2S8, Li2Sn (n=양수))이 배터리 내부의 유기물인 전해액에 용해도가 높은 문제가 있다. 결과적으로 충방전을 거듭할수록 황의 용해도가 증가하기 때문에 비가역성이 증가하게 되고 용량의 감소가 일어난다. 

 

리튬메탈에 대한 불안정성

리튬황전지의 음극 소재는 리튬메탈(Li-metal)이다. 기존의 상용전지에서 사용하는 Graphite에 비해 매우 불안정한 문제점이 있다. 리튬메탈을 음극으로 사용할 경우, 에너지밀도는 증가시킬 수 있으나 단점으로 리튬덴드라이트나 Dead Li에 대한 문제점이 있다. 이러한 문제들은 결과적으로 쇼트(short circuit)를 발생시키기 때문에 상용화하기 어려운 문제가 있다.

 

전기전도도

황(Sulfur)의 고유적은 낮은 전기전도도 문제를 갖고 있다. 비전도성 물질이기 때문에 그에 따른 배터리성능 저하가 문제가 되고 있다. 따라서 이를 개선하기위해 다공성 탄소 소재에 황을 분산시킨 전극을 제조하여 적용하고 있다. 

 

 

 

위와 같은 여러 장단점을 기반으로 리튬황전지는 활발한 연구가 이루어져 왔다. 그중 엘지에너지솔루션에서 지난 2020년 무인항공기 비행에 성공하였고, 최근 뉴스기사에서는 전고체전지보다 먼저 리튬황전지를 양산화하겠다고 발표하였다.

 

엘지에너지솔루션 리튬황전지 양산 뉴스 (출처 : 디일렉)

리튬황전지는 낮은 무게의 이점으로 무인항공기, 드론등에 탑재되어 먼저 상용화될 것이라 생각된다. 더 나아가 사람을 싣고 운행하는 항공기에도 적용되어 탄소 중립을 실현하는 배터리가 되길 바란다.