알파경제 - [심층] 더 가볍게 더 멀리 ′리튬황배터리′, 배터리 시장의 게임체인저 될까

(사진= LG에너지솔루션)

[알파경제=차혜영 기자] 지난 몇 년간 글로벌 배터리 시장에서 가장 주목받은 건 '리튬이온배터리'다. 

지난 1991년 상용화된 이후 전기차와 IT 기기 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 

하지만,  최근 들어 100% 재생 가능한 그리드를 위한 에너지 저장 문제가 리튬이온배터리의 단점으로 대두되면서 새로운 기술이 접목된 배터리에 대한 요구가 높아지고 있다. 

이에 배터리 업계는 다음 세대 배터리를 위한 끊임없는 연구를 진행하고 있다.

특히 차세대 배터리로 주목받고 있는 '리튬황배터리(Lithium–sulfur battery)'가 대안으로 떠오르면서 시장의 관심이 집중되고 있다.

(사진=LG에너지솔루션)

30일 LG에너지솔루션 배터리인사이드(Battery Inside)에 따르면 리튬이온배터리는 양극에 금속산화물(LCO, NMC, NCA, LFP 등)을 사용하고, 음극에는 흑연과 실리콘을 사용한다. 

반면, 리튬황배터리는 양극에 황탄소복합체를, 음극에는 경량의 리튬메탈을 사용하는 배터리다.

1962년 미국의 과학자 헐버트 대뉴타와 울람 줄리어스가 양극에 황을, 음극에 리튬을 적용해 1차 전지로 특허를 내며 처음으로 개발됐다. 이후 질산리튬(LiNO3)의 등장으로 2차 전지로서 기능을 하게 됐다.

기존의 리튬이온배터리는 리튬이온에서 분리된 전자의 산화·환원 반응을 통해 전기 에너지를 생성하지만, 리튬황배터리는 '황의 단계적 전환'을 통해 전기 에너지를 생성한다.

방전 시 황은 연속적인 환원 반응을 거쳐 불용해성 물질인 황화리튬(Li2S)으로 변환되면서 에너지가 발생한다. 

(사진=LG에너지솔루션)

차세대 배터리로 주목받는 리튬황배터리의 특징은 크게 3가지로 정리할 수 있다. 

첫째로, 무게 에너지 밀도가 높다. 즉 가볍다. 이는 양극과 음극 재료가 밀도가 낮아 무게당 용량이 크기 때문이다. 

예를 들어, 리튬황배터리는 기존 리튬이온배터리에 비해 약 1.5배 이상의 무게 에너지 밀도를 자랑한다.

둘째로, 황은 지구에서 비교적 풍부하게 존재하며 가격도 저렴하다. 따라서 양극 재료로 황을 사용하면 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.

셋째로, 가벼운 무게와 높은 에너지 밀도로 인해 드론, 무인기 및 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility) 등의 항공 분야에서 큰 주목을 받고 있다.
 

(사진= LG에너지솔루션)

◇ LG에너지솔루션의 파우치형 리튬황배터리...다양한 난제 풀어야

LG에너지솔루션은 지난 2013년 혁신전지 프로젝트를 시작으로 리튬황배터리에 대한 연구를 진행하고 있다. 특히 파우치 타입으로 제작되는 것이 주목할 만하다.

파우치형은 경량화를 극대화할 수 있으며 충전·방전 과정 중 두께 변화에도 유연하게 대응할 수 있기 때문이다.

LG에너지솔루션은 여러 과제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 먼저 황의 낮은 전기전도도를 개선하기 위해 탄소 소재를 개발했다.

또 새로운 조합의 전해질을 개발해 리튬폴리설파이드 용출 현상을 제어하고 수명을 증가시켰다. 마지막으로 충·방전 시 부피 변화를 대응하기 위해 가압 요소 기술까지 확보했다.

LG에너지솔루션은 2027년 상용화를 목표로 지속적인 연구와 과제 해결을 통해 차세대 배터리를 선도하려고 한다.
 

앞으로도 다양한 난제를 해결해야 하지만 높은 가능성을 가지고 있는 이 기술은 미래 배터리 시장에서 중요한 역할을 할 것이다.

업계 관계자는 "전고체 배터리는 넘어야 할 과제가 많고 가격 문제가 커서 리튬황과 같은 차세대 제품이 상용화 차원에서 더 유리하다"며 "리튬황배터리는 다양한 난제를 해결해야하지만 미래 시장에서 중요한 역할을 할 것이다"라고 말했다.

알파경제 차혜영 기자(kay33@alphabiz.co.kr)