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플랜트엔지니어링 동향

리튬유황(Li-S) 전지, 포스트 리튬이온 전지로 싸고 대용량으로 각광

엔지니어링 진화
작성자
YO&FUTURE
작성일
2024-06-12 11:14
조회
19
자동차산업의 뜨거운 감자가 전기차와 수소차인데 앞으로 내연기관이 사라진 자동차를 상상하면 자동차기업들은 커다란 도전을 맞고 있다. 이리 갈까? 저리 갈까? 이제 자동차가 가전제품과 같이 전장품 비율이 이미 50%를 넘어서고 더 커질 전망이다 보니 언제 누가 자동차 산업에 도전장을 내밀지 아무도 모르는 상황에서,

최근 애플이 도전장을 던지고 이미 테슬라는 전기차 아이콘으로 자리 매김하여 First Mover(?) 역할을 하는 것처럼 보이나 결국 전기차는 누가 더 멀리 가고, 수명이 길며, 충전시간이 짧고, 그리고 가볍고, LIB보다 폭발 위험이 적은 2차 전지를 확보하느냐의 경쟁이다. 이런 와중에 Nikei X-TECH 2021.1.5 기사에 실린 리튬유황 2차전지에 관한 기사를 소개한다.

기업체들이 혁신 배터리 중 하나인 리튬유황(Li-S) 2차전지가 가까운 장래에 실용화될 전망인데 저비용과 고에너지 밀도를 달성할 가능성이 크다. 한편, 과제가 산적해 있던 불화물(F)이온 2차전지에서 돌파구가 되는 신재료가 발견되는 등 지난 30년간 배터리의 주역을 맡아 온 리튬이온 2차전지(LIB)의 바통을 이을 후보들이 잇따라 등장하고 있는데 에너지 밀도가 현행 리튬이온 2차전지(LIB)를 크게 웃도는 차세대 배터리로서 양산을 눈앞에 둔 기술이 리튬유황(Li-S) 2차전지와 불화물(F) 이온 2차전지다.

리튬유황 2차전지는 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 니켈(Ni)이나 코발트(Co)를 이용하는 현행의 리튬이온 2차전지의 양극에 반해, 사실상 공짜나 다름없는 유황(S)이라는 양극활물질 재료를 사용하기 때문에 큰 폭으로 비용을 낮출 수 있다. 유황은 석유정제의 탈황 공정에서 대량으로 나오는 부산물로, 처리에 어려움을 겪고 있는 실정이므로 일본에서는 10엔/kg 이하로 유통되고 있다. 저렴함과 고에너지 밀도의 특성을 가진 리튬유황 2차전지는 포스트 리튬이온 2차전지의 대표격이라고 할 수 있다.

현행 리튬이온 2차전지는 최초로 등장한지 거의 30년, 정확히 1세대 배터리로서 주역의 자리에 군림했으나 리튬유황 2차전지는 이를 이어받아, 전고체 타입까지 포함시킬 경우, 2050년까지 향후 30년 동안 배터리 기술의 주축이 될 가능성이 있다.

리튬 유황 배터리 곧 제품화, 그러나 사이클 수명의 과제는 미 해결.

리튬유황 2차전지 제품은 이르면 2021년에 나올 예정인데 선두 주자가 될 제조사는 리튬유황 2차전지에 특화되어 있는 영국의 벤처기업 OXIS Energy가 될 전망이다. 옥시스 에너지는 정격전압 2.1V, 전류용량 15Ah와 19Ah인 Cell을 시제품으로 출하할 예정이나 카다로그 상에는 10~35Ah의 셀도 있다. 셀의 중량 에너지 밀도는 2020년 1월 현재 471Wh/kg으로 500Wh/kg의 달성을 앞두고 있다.

현재는 아직 수작업 생산으로 인해 시제품 가격은 비싼 편이지만 양산을 눈앞에 두고 있다. 연간 500만 셀, 총 220MWh 이상의 생산능력을 가진 제조공장을 2023년 가동을 목표로 브라질에 건설 중이다. 뿐만 아니라 영국의 웨일스 지방에서 전해액과 음극 제조공장도 건설하고 있어 일본 시장으로 판매 확대도 검토 중에 있으며 2019년 11월에 산요무역과 리튬유황 2차전지 판매에 관한 업무 제약을 체결했다.

항공 용도를 검토

옥시스의 뒤를 쫓는 것이 한국의 LG화학으로 중량 에너지 밀도가 410Wh/kg 셀을 2020년 10월에 발표했으며 같은 해 8월에는 리튬유황 2차전지를 탑재한 무인항공기의 성층권 비행시험을 선보였으며 LG화학은 같은 해 12월에 배터리 사업을 분사했다. 자회사인 LG 에너지 솔루션이 리튬유황 2차전지 개발을 이어갈 예정이며 2025년에 실용화를 목표로 하고 있다.

이처럼 리튬유황 2차전지의 제품화가 진행되고 있지만 그렇다고 과제가 크게 개선된 것은 아니며 리튬유황 2차전지는 충방전을 반복하면 배터리로서 사용할 수 있는 충전용량이 현저하게 줄어드는 문제는 아직 미해결된 과제이다.

OXIS Energy도 예외는 아니다.

공식적인 데이터에 따르면 사이클 수명은 60~100회 정도로 수 천번 충방전이 가능한 리튬이온 2차전지에 비해 압도적으로 낮은데도 제품화를 추진하는 것은 사이클의 특성이나 비용과는 크게 관계없이 어쨌든 가볍고 높은 용량의 배터리를 요구하는 고객이 있기 때문이다.

구체적으로는 드론이나 전동 소형비행기와 같은 항공용도를 예상하는데 리튬유황 2차전지의 중량 에너지 밀도가 높은 이유 중 하나는 양극 활물질인 황(S)의 질량당 이론 용량이 크기 때문이다.

이론용량이 높은 이유는 16개의 전자반응

리튬유황 2차전지의 중량 에너지 밀도가 높은 이유 중 하나는 양극화 물질인 유황의 질량당 이론용량이 크기 때문이다. 전극의 이론 용량은 반응에 관여하는 경우가 많으면 분자량이 적을수록 증가한다. 현행의 리튬이온 2차전지의 양극 주 재료인 Ni, 망간, Co계 산화물은 1분자에 대해 1개이 리튬이온과 1개의 전자밖에 축적할 수 없으나 그에 반해 리튬유황 2차 전지의 양극활물질 S8은 분자 1개로 16개의 전자를 축적할 수가 있어서 이론용량이 NMC계의 약 6배로 높다.

가벼운 배터리는 전동 비행기, 비행 기지국의 요구사항

OXIS Energy는 리튬유황 2차전지의 탑재 기기로서 전동 소형 비행기나 Evtol (전동 수직이착륙기)를 예상하는데 이는 조금이라도 가벼운 기체가 필요한 전동비행기는 무거운 배터리는 그동안 골칫거리였다.

리튬이온 배터리에 약 2배 중량 에너지 밀도를 가진 옥시스 에너지의 리튬유황 2차전지로 대체함으로써 배터리 모듈 무게를 절반 정도로 줄일 수 있을 가능성이 있으나, 사이클 수명은 60~100회로 짧기 때문에 잦은 배터리 교체를 전제로 운용될 것으로 보인다.

옥시스에너지는 2019년 전동 소형비행기 제조사인 미국 Aerospace와 제휴를 발표하고 Bye Aerospace 제품의 2인승이나 4인승 항공기가 탑재하는 리튬유황 2차전지 Cell이나 Module을 개발 중이다.

2020년 7월에는 브라질의 전동 소형비행기 제조사인 Texas Aircraft Manufacturing과의 계약을 발표했는데 이 회사에 따르면 기지국 설비를 싣고 상층권을 날아다니는 무인항공기 HAPS의 체공시간은 1년 이내이므로 현행 리튬이온 배터리 정도의 긴 수명은 필요 없다.

예를 들면 고도 20km를 비행하는 HAWK 30을 개발하고 있는 소프트뱅크 자회사의 HAPS 모바일이 물질-재료 연구기구(NIMS)와 공동으로 개발하는 차세대 배터리의 목표 성능은 중량 에너지 밀도가 400Wh/kg이상, 사이클 수명은 200회 이상 수준인데 이런 조건을 충족시키는 배터리로 리튬유황 2차전지와 리튬공기 2차전지(Li-air Battery)에 이목이 집중되고 있다. 자료: Nikei X-TECH 2021.1.5

<끝>
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