가격 싸고 효율 좋다는 리튬황 배터리의 미래는?

안녕하십니까? 유니스트 에너지화학공학과에 재직 중인 이현욱입니다. 저는 오늘 리튬황 전지에 대해서 소개를 드리고자 이 자리에 나왔습니다. 2차 전지가 중요하다는 것은 너무나 잘 알고 있는 내용입니다. 다양한 응용 분야에 따라서 우리가 ‘리튬이온 전지를 쓰고 싶다’ 혹은 ‘다른 건전지를 쓰고 싶다’ 이렇게 할 수 있는데, 사실 여러 가지 분야에 맞게 그에 맞는 배터리 시스템을 적용하는 것도 필요합니다. 그래서 모든 응용 분야의 모든 전지를 리튬이온 전지로 쓴다라기보다는 어떤 특정 응용 분야마다 그에 맞는 특정 배터리를 쓰는 것도 필요합니다.

그런 면에서 비행기 혹은 요즘 UAM(Urban Air Mobility_도심항공교통)이라고 불리우는 것 혹은 드론 같은 무인 항공기. 이런 비행기용 배터리는 리튬이온 전지나 혹은 일반 전지 소재에서는 조금 어렵지 않을까라는 생각 때문에 사람들이 조금 다른 응용 분야를 찾기 시작했습니다. 그러면서 리튬황 전지를 사람들이 관심을 갖기 시작했습니다.

 

1. 리튬황 전지가 무인항공기와 항공용으로 적당한 이유

 

항공기 소재에 대해서 보면 일반적으로 철을 쓴다는 건 쉽지 않습니다. 왜냐하면 비행기가 날기 위해서는 최대한 가벼워야 되고, 강도는 굉장히 단단해야 하는 그런 특징들이 있습니다. 이 두 가지 특징을 만족하기 위해서 가벼우면서도 단단한 소재가 뭐가 있을까? 하다가 개발한 게 두랄루민 혹은 초두랄루민으로 불리우는 소재가 있습니다. 이 소재는 기본적으로 합금입니다. 알루미늄 혹은 알루미늄을 기본으로 구리가 합금 된 이런 두랄루민 소재를 써서 비행기를 만들면 가벼우면서도 단단한 특성이 있기 때문에 비행기 운용에 굉장히 좋습니다. 강도도 좋아야 되고 무게는 가벼워야 되는 특징이 있는데. 이 ‘무게는 가볍다’의 의미가 어떻게 보면 ‘밀도가 조금 낮다’라고 생각해볼 수 있습니다. 그래서 밀도가 낮기 위해서는 어떻게 생각해보면 되냐면, 저희가 배우는 원자 주기율표를 봤을 때 원소들이 쭉 있습니다. 수소부터 시작해서 쭉 있는데, 그때 약간 낮은 원자 번호를 가지고 있는 원소들은 비교적 가볍고, 원자 번호가 높은 애들은 굉장히 무겁고 밀도가 높다고 생각할 수 있습니다. 알루미늄은 원자번호 13번에 위치해 있고, 그런 특징으로 가벼운 기본적인 소재가 되기 때문에 이 알루미늄을 단단하게만 구성하면 항공용 소재로 쓸 수 있겠다라는 그런 예상을 해볼 수 있습니다.

이런 면에서 항공용 전지에 관심을 갖는 회사들이 당연히 있습니다. 미국에서 쿠버그(cuberg)라는 스타트업 회사가 드론용으로 쓸 수 있는 배터리를 만들 수 없을까 해서 드론용에 쓰이는 2차 전지를 개발을 했습니다. 처음으로 개발한 리튬이온 전지는 아니고 리튬이온 전지를 기반으로 해서 리튬금속 전지를 가지고 드론을 날렸을 때 일반 리튬이온 전지보다 70% 이상 더 오랫동안 날릴 수 있었다. 이런 장점을 얘기를 했습니다. 그때 나온 스펙들이 있습니다. 당연히 에너지 밀도 쪽이 좀 향상이 돼야 되는데, 에너지 밀도라는 게 일반적인 에너지 밀도 개념보다는 비에너지(specific energy)라고 불리우는 Wh/kg 쪽에 더 중점적으로 생각을 했습니다. 리튬메탈을 쓰면 밀도가 낮고 가볍고 에너지 밀도가 높게 나올 수 있다는 특징으로 그렇게 사용했을 때 우리가 어느 정도 에너지 밀도가 잘 나오는 이런 배터리를 만들었고, 요즘은 이 회사가 사업 규모를 키우면서 노스볼트라는 회사와 합병하며 미국에서는 연구를 진행하고 있습니다.

 

2. 리튬황 전지 주연료 황, 버릴 정도로 많다

 

리튬황 전지에 대해서 간단하게 설명을 드리면, 리튬황 전지는 기본적으로 양극을 황을 사용하고 음극은 리튬을 사용하게 됩니다. 리튬황 전지가 개발되기 위해서는 리튬 음극 쪽도 개발이 돼야 합니다. 그게 선순환이 됐을 때 황 쪽이 양극이 개발되면서 리튬황 전지가 이루어질 수 있습니다. 그렇게 되면 음극 쪽에는 리튬메탈, 이것도 원자 번호가 3번인 굉장히 가벼운 물질이 되고요. 황 같은 경우도 원자 번호 16번으로 비교적 가벼운 물질입니다. 그리고 황 전극을 구성을 할 때, 주로 많은 사람들이 연구할 때 탄소, 카본 계열의 물질을 섞어주거나 뭔가 분산을 시켜주거나 이런 역할을 하기 때문에 또 많은 양의 재료가 들어가는 부분이 이 탄소, 원자 번호 6번인 카본이 있습니다. 그러다 보니까 (원자 번호) 3번, 16번, 6번으로 구성된 물질들이 주로 구성이 되다 보니까 아무래도 일반적인 전지보다 훨씬 더 가벼울 수 있다는 장점이 있습니다.

그리고 또 하나 굉장히 중요한 부분이 이 리튬황 전지에서 황이라는 양극이 사실 이론적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 그래서 에너지 밀도를 사람들이 계산을 해봤을 때 1672mAh/g라는 굉장히 큰 용량을 가지고 있습니다. 이 용량은 저희가 현재 많이 연구하고 있는 NCM811, 하이니켈계 양극 물질이 대략 한 200mAh/g 초반대의 용량인 걸 생각해 보면 굉장히 크죠. 또 하나의 장점이 황이라는 물질이 굉장히 값이 저렴합니다. 1톤당 30달러라고 얘기를 하는데 굉장히 저렴하고요. 어떤 곳에서는 이걸 쓰레기처럼 생각할 정도로 황을 처치하기 곤란할 정도의 양이 많다는 얘기도 있습니다.

황 가격이 왜 이렇게 저렴한지를 생각해 보면 원유를 정제하는 과정이 있습니다. 원유를 정제해서 석유를 만들어내는 과정이 있는데. 이 부산물로 황이 생깁니다. 고순도의 황들이 버려질 정도로 많습니다. 원유를 제조하고 남는 황들을 처리하기 위해서 굉장히 저렴한 값에 넘기기 때문에 현재 이 황에 대한 가격은 굉장히 저렴하다라고 할 수 있습니다.

 

3. 최대 난관은 폴리설파이드 용출

 

리튬황 전지의 근본적인 문제점에 대해서 한번 얘기를 해보겠습니다. 일단 황은 저희가 친숙하다시피 굉장히 낮은 전기 전도도를 가지고 있습니다. 그러다 보니까 이 황이라는 물질을 양극 물질로 쓸 때는 배터리 양극 혹은 음극 물질로 쓸 때 리튬이온과 잘 반응할 수 있게 이온의 전도도도 높아야 하고, 또한 전자가 이동을 잘할 수 있게 전자 전도도도 어느 정도 받쳐줘야 됩니다. 그런 부분에서 황 같은 경우는 전자 전도도가 낮다 보니까 전자 전도도를 어떻게 올려야 되나라는 문제가 있었고, 그런 부분을 해결하기 위해서 카본(전도성 물질)이라는 물질들을 잘 섞어줘야 합니다. 그리고 또 하나의 문제가 실리콘에서도 발생하는 것처럼 리튬과 반응할 때 우리가 흔히 ‘부피 팽창을 한다.’ 이런 문제점을 얘기를 하는데요. 황 같은 경우도 리튬과 반응할 때 팽창하는 이슈가 있습니다. 그래서 이런 부분을 해결하기 위해서는 뭔가 리튬이 반응할 수 있게 약간 빈 공간을 만들어주는, 여유 공간을 제시하는 그런 전략을 사용하고 있습니다. 리튬황 전지의 가장 특징적이면서도 가장 중요한 문제점 중에 하나는 이 폴리설파이드(polysulfides)가 용출된다라는 현상이 있습니다. 그래서 이 폴리설파이드(polysulfides)가 용출이 돼서 이 용해 된 폴리설파이드(polysulfides)가 전해액을 통해서 분리막을 뚫고, 음극 쪽으로 이동을 하는 현상이 발생하는데, 그런 것들을 어떻게 막아야 되나라는 고민들을 사람들이 많이 하게 되었습니다. 최근 한 10~20여 년 동안 주로 사람들이 연구해 온 리튬황 전지의 가장 대부분의 문제 해결은 ‘폴리설파이드(polysulfides) 용출을 어떻게 막을까?’ 혹은 ‘이 녹아나오는 폴리설파이드(polysulfides)를 어떻게 잘 잡을까?’의 문제가 있었습니다. 그래서 뭔가 물리적인 흡착을 통해서 잡거나 혹은 화학적인 흡착을 통해서 잡으려는 그런 연구들이 있었습니다. 이 폴리설파이드(polysulfides)가 생겨나는 이런 현상을 조금 더 자세히 한번 보겠습니다. 황은 원소기호를 S로 표기하죠. 근데 실질적으로 황이 존재할 때는 황 8개 원자가 이렇게 공유결합을 하면서 존재합니다. 이렇게 왕관 같은 모양으로 구성되어 있습니다. 이때 리튬과 반응하면, 리튬이온이 들어올 때 황이 가지고 있는 공유 결합을 깹니다. 결합을 깨면서 리튬이 한쪽 끝에 붙고, 다른 쪽에 붙어 있는 황과 리튬이 반응해서 이렇게 리튬이 양쪽에 하나씩 붙고, 황 8개가 이렇게 퍼지는 형태로 해서 이렇게 긴 체인 스타일로 형성을 합니다. 그래서 이런 물질을 저희가 보통 리튬 2개에 황이 8개 있는 상태라고 부르고 이걸 흔히 폴리설파이드(Li2S8)라고 얘기를 합니다. 그리고 여기서 황이 (한 번) 더 리튬과 반응을 하면, 리튬 2개에 황이 8개인 상태가 황이 4개인 상태와 리튬 2개인 상태로 변하게 됩니다. 가운데 결합이 끊어지고 이렇게 (리튬) 2개가 붙는 상태가 되면서, 또 하나의 리튬 2개에 황 4개인 폴리설파이드(Li2S4)가 형성이 됩니다. 그리고 여기서 한 번 더 반응을 하게 되면, 가운데 결합을 한 번 더 끊어주고 리튬 2개에 황 2개인 상태가 또 이루어지고, 그리고 또 한 번의 리튬과 반응을 하면 리튬 2개에 황 1개인 상태가 벌어집니다. 그래서 이런 식으로 반응이 일어날 때 처음에 황이 8개 있는 상태는 어떻게 보면 극성이 없는 상태라고 할 수 있고요. 이 때 플러스 차지를 띈 리튬이 반응을 하면서 리튬이 있으면서 여기에 뭔가 플러스가 있고. 플러스, 마이너스. 이렇게 극성을 띈 상태가 되기 때문에 이런 폴리설파이드(Li2S8) 상태는 저희가 보통 극성이라고 얘기를 합니다. 마찬가지로 여기 리튬 2개에 황 4개인 상태도 극성이라고 얘기를 합니다. 그리고 리튬 2개에 황 2개인 상태와 리튬 2개에 황 1개인 상태 같은 경우는 약간 극성이 사라진 상태라고 할 수 있습니다. 그래서 이 황(S8)과 황화리튬(Li2S) 상태는 극성이 없는 무극성 상태이고, 중간에 폴리설파이드(Li2S8)는 극성이 있는 상태라고 할 수 있습니다. 이 극성과 무극성이 도대체 무슨 역할을 하느냐를 생각해보면, 보통 전해질을 사용할 때 액체 전해질에 리튬염을 많이 녹여야 됩니다. 그러다 보니까 보통 전해질에는 극성 용매를 주로 사용하게 됩니다. 극성 용매에 무극성 물질이 있을 때는 잘 용해가 되지 않는데, 극성 용매에 극성 물질이 있으면 쉽게 녹습니다. 그러다 보니까 폴리설파이드(polysulfides)라는 물질이 전해액에 반응을 하면서 리튬과 반응을 할 때 녹는 현상이 발생할 수밖에 없는 겁니다. 그래서 이런 것들을 어떻게 해결할 지에 대해 사람들이 고민했습니다. 전반적으로 초기에 사람들이 연구하는 폴리설파이드(polysulfides) 용출을 막는 연구는 가장 간단하게 황을 코팅을 한다. ‘입자를 아예 완전히 감싸서 황의 용출을 막자.’라고 연구를 많이 했습니다. 그렇게 코팅을 하면 그래도 이 껍질이 리튬이온은 이동할 수 있게 해줘야 되고 황은 빠져나가지 않게 해야 되기 때문에. 적당한 소재를 찾아야 되고 그런 소재들이 (폴리설파이드_polysulfides 용출을) 잘 잡아주느냐? 못 잡아주느냐? 이런 것들을 사람들이 연구를 많이 했습니다.

 

4. 에너지 밀도는 높지만….

 

리튬황 전지를 얘기할 때 황이 양극 물질이라고 얘기를 했는데. 이 황의 양극 물질과 또 하나의 리튬이온 전지에 지금 사용하고 있는 양극 물질의 대표적인 NCM811. 일반적인 양극 물질과 한번 비교를 해보겠습니다. 물론 이 두 물질이 둘 다 좋은 특성을 가지고 있어서 향후 혹은 현재 많이 사용하고 있는 양극 물질입니다. 그래도 조금 더 구체적으로 생각해보면 NCM811. 일반적으로 저희가 쓰는 리튬이온 전지 같은 경우는 주로 사람들이 생각하는 게 셀 크기. 흔히 폼팩터라고 합니다. 그래서 특정 사이즈 21700, 4680 혹은 18650 이런 사이즈 안에 얼마나 많은 물질들을 밀도 있게 구성을 하느냐에 따라서 에너지가 더 나오고 안 나오고 하는 특징들이 있습니다. 리튬황 전지 같은 경우는 아무래도 가볍다(밀도가 낮다) 보니까 이런 특정 정형화 된 사이즈에 많이 집어넣기에는 어려움이 있습니다. 최대한 많이 넣더라도 밀도가 낮다 보니까 실질적인 에너지 밀도상으로는 NCM811보다 낮을 수도 있습니다. 그래서 그런 부분 때문에 대신에 높은 에너지 밀도를 갖고 정말 가벼운 응용 분야를 생각했을 때는 또 쓸 수 있기 때문에 어떻게 보면 리튬황 전지는 조금 더 구체적인 응용 분야로 고민을 해볼 것 같습니다. NCM811과 황의 특징을 저희가 비교를 해보면 우리가 흔히 사람들이 중요하게 생각하는 주요한 팩터 중에 에너지 밀도가 있습니다. 그래서 에너지 밀도를 주로 얘기할 때 일반적으로 NCM811이 가지고 있는 이론 용량. 그리고 평균 방전 전압이 있을 거고, 황도 황이 가지고 있는 평균 방전 전압과 황이 가지고 있는 용량을 얘기를 할 겁니다. 그래서 비교해서 생각해보면 NCM811 같은 경우는 주로 평균 방전 전압이 대략 3.7V 정도 됩니다. 그리고 이론 용량은 대략 한 275mAh/g. 그리고 실질적으로 현재 가용하는 용량은 한 210mAh/g 정도 됩니다. 그리고 황 같은 경우는 평균 방전 전압이 좀 낮습니다. 2.1V 정도로 NCM811에 비해서 반 정도 낮은 편입니다. 대신에 가용 용량이 대략 1000mAh/g정도로 NCM811에 비해서 대략 5배 정도 높다고 할 수 있습니다. 그래서 저희가 흔히 말하는 에너지라는 측면에서 보면 방전 전압과 용량을 곱해주면 에너지 값이 나옵니다. 그래서 저희가 ‘/g’당으로 얘기할 때는 비에너지라고 주로 표현을 하는데요. 이 비에너지 같은 경우는 NCM811 같은 경우는 대략 777Wh/kg 정도 됩니다. 황 같은 경우는 대략 한 2100Wh/kg정도 됩니다. 그래서 어떻게 보면 황이 NCM811보다 한 3배 정도 비에너지가 크다라고 생각하게 됩니다.

사실 이건 이론적인 생각이고, 여기서 사실 우리가 양극 활용률을 얼마나 쓰느냐? 혹은 여기서 얘네들이 얼마나 기공률을 갖느냐? 이런 이슈들에 따라서 사실 황이 갖는 에너지 밀도는 점점 낮아집니다. 그래서 양극 활용률을 고려해서 생각을 해보면 NCM811 같은 경우는 보통 양극 활용률이 95~96% 정도로 굉장히 많이 들어가기 때문에 양극의 비에너지를 고려해보면 한 745Wh/kg 정도로 나옵니다. 황 같은 경우는 아직까지는 60~70%도 굉장히 도전적입니다. 그래서 그 이상 넣는다는 게 쉽지 않다 보니까 이렇게 양극 활용률을 70% 정도로 고려해서 계산을 하더라도 양극의 비에너지가 대략 1365Wh/kg정도로 낮아지게 됩니다. 그래서 어떻게 보면 비에너지(specific energy) 수준에서 봤을 때는 NCM811보다 여전히 황이 2배 정도 앞서는 장점이 있기 때문에 황이 비에너지 면에서는 에너지 밀도가 높다라는 표현을 많이 합니다.

 

5. 기공률 고려하면 NCM811에 못 미쳐

 

그런데 여기서 하나를 더 생각해보면 조금 다른 현상이 생기는데요. 기공률이 어떻게 이루어지느냐를 생각해보면 약간 다릅니다. NCM811 같은 경우는 기공률이 대략 한 30% 정도 되기 때문에 70%의 물질들이 용량을 낸다라고 보면 대략 한 522Wh/L 정도의 에너지 밀도가 나옵니다. 그리고 황 같은 경우는 기공률이 아직까지는 꽤 높습니다. 그래서 기공률이 대략 한 70% 이상 되기 때문에 대략 30% 공간을 쓴다라고 고려해보면, 대략 에너지 밀도가 409Wh/L 정도로 나옵니다. 그렇게 생각해보면 사실 NCM811이 황보다 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있다고 할 수가 있습니다.

그래서 이런 면에서 황이 어떻게 보면 비에너지 측면에서 높긴 하지만, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있어서 사람들이 이걸 연구를 하는 게 좋은 것인지 혹은 이거를 NCM811에 더 집중하는 게 좋은 것인지 이런 고민들을 하고 있습니다.

황물질이 부피에 제한이 있다라고 말씀드렸는데, 그런 부분을 조금 더 해결하기 위해서 사람들이 접근하는 방식이 ‘그러면 우리가 특정 부피에 넣는 밀도는 작지만, 특정 면적에 두껍게 쌓는 건 괜찮지 않을까?’라는 도전을 하게 됩니다. 황이 NCM811보다 비에너지는 높은 측면이 있지만, 아무래도 부피를 고려한 에너지 밀도에서는 아직 부족한 문제점이 있습니다. 그래서 황을 연구하는 사람들이 일정 체적(부피)에 대해서 용량을 내는 것은 쉽지 않겠지만, ‘그래도 면적당 두께를 높이 쌓아서 용량을 더 내는 부분은 어느 정도 가능하지 않을까?’라는 생각으로 쌓아올리는 전략을 세우기 시작했습니다. 그래서 집전체에 슬러리를 굉장히 두껍게 쌓는 식으로 연구를 하려고 하는데, 황 입자가 물리적인 코팅을 하다 보니까 입자 표면이 구성돼 있는 물질이 카본이라든지 혹은 다른 물질들이 입자 간에 컨택을 하고 있습니다. 이런 컨택을 가진 물질들이 컨택 저항(계면 저항)을 일으키다 보니까 물질을 계속 두껍게 쌓게 되면 얘네들의 저항도 동시에 올라가게 됩니다. 그런 문제로 어느 정도 두껍게 쌓는 데 제한이 됩니다.

그런 부분을 해결하기 위해서 뭔가 컨택 저항(계면 저항)을 줄이고 얘네들이 영향력을 덜 받을 수 있게 카본 파이버를 구성을 해서 전자들이 이동을 잘 할 수 있는 전극 설계를 사람들이 시도를 하기 시작했습니다. 그래서 황 물질을 분산시켜서 카본 파이버들이 있는 형태에서 만들어주면 얘네들이 괜찮지 않을까라는 생각을 하는 겁니다. 여기서 문제가 되는 부분이 ‘이렇게 되면 황이 카본 파이버 위에 붙어있긴 하지만 그래도 얘네들이 녹을 수도 있지 않을까?’ 이런 고민을 하게 되는데요. 황을 단위 면적당 두께를 높게 쌓아서 이 에너지 밀도를 올리고자 하는 시도들이 있습니다. 황 입자를 집전체 위에 두껍게 쌓으려고 노력을 하다 보니까, 입자로 코팅하는 기술들 같은 경우는 입자 표면에 뭔가 물질들이 코팅되어 있고, 그 코팅된 물질들 간의 컨택이 많아지면서, 두께를 올리면 올릴수록 이 컨택의 면적이 넓어집니다. 그러면서 컨택에서 생기는 컨택 저항(계면 저항)들이 증가하다 보니까, 두께를 무한정 올린다는 게 꽤 힘든 상태가 됩니다. 그런 부분을 해결하기 위해서 많은 사람들이 카본 파이버 형태의 물질을 쓰고, 거기에 황을 분산을 시켜서 이런 계면 저항을 줄여서 두께를 두껍게 구성을 해보자라는 시도를 하고 있습니다. 그래서 이렇게 두껍게 구성을 하는 건 가능한데, 그러면 또 염려가 되는 게, 아까 황이 용출이 있었다고 했는데, ‘그 용출이 일어나는 거 아니냐?’라는 우려가 있었습니다. 그래서 ‘이게 가능하냐?’ 사람들이 염려를 했다가, ‘막상 해보니까 괜찮게 잘 이루어졌다.’라고 사람들이 발견을 하게 됐는데요. 실질적으로 이런 카본 파이버들이 있을 때 황이 용출이 될 때 무작정 용해가 되기보다 저희가 흔히 알고 있는 모세관 현상. 얇은 관이 있거나 좁은 틈이 있으면 그 좁은 틈으로 얘네들이 안착하려는 그런 현상 때문에, ‘황이 녹기보다 이런 데에 안착을 하는구나’라는 것을 알게 됐습니다. 이렇게 물리적인 흡착을 통해서 이런 것들을 해결하면서 우리가 가지고 있는 한계를 극복하는 연구를 사람들이 하고 있고요. 또한 이런 카본 파이버에 기능기를 잘 장착을 하면, 플러스 차지를 뛴다거나 마이너스 차지 띄는 애가 있으면 폴리설파이드(polysulfides)가 가지고 있는 그런 문제점이 있는 애가 녹지 않고 이렇게 카본 파이버에 달라붙으려 하는 현상을 조금 더 이용할 수 있습니다. 그런 화학적인 결합을 유도하면서 우리가 용출을 막는 그런 연구도 있습니다.

 

6. 탄소중립시대, 리튬황 전지가 각광받는다

 

리튬황 전지의 특징을 설명 하다보면, ‘NCM811에 비해서 여전히 한계도 있고 부족한 점이 많은데 우리가 꼭 황 연구를 해야 될 것인가?’ 이런 고민을 하게 됩니다. 그런데 우리가 장기적으로 생각해봤을 때는 리튬황 전지도 굉장히 필요하다고 생각을 하는데요. 한 가지 예를 들면 흔히 요즘 얘기하는 탄소 중립을 생각해볼 수 있습니다. 주로 저희가 NCM811 같은 경우를 합성할 때는 탄산리튬 혹은 수산화리튬을 사용해서 양극 물질을 합성합니다. 그리고 그중에 꽤 많은 양을 쓰는 것 중에 하나가 탄산리튬입니다. 탄산리튬 가격은 최근 10년 동안 굉장히 널뛰기처럼 왔다 갔다 하고 또 많이 오르고 급등하고 그 가격이 너무 비싸져서 전반적인 리튬이온 전지 가격 자체를 내리기가 어렵다라는 얘기를 많이 하고 있습니다. 양극 물질을 어떻게 합성하는지를 생각해 보면, NCM811이라는 걸 100kg을 만든다고 가정을 해보겠습니다. 그러면 보통 NCM811이 가지고 있는 ‘몰 질량’을 얘기할 수 있는데, 1몰당 대략 97g 정도 되고. 이거를 저희가 대략 100g으로 가정을 하고 계산을 해보면, 100kg의 NCM811을 만들기 위해서 탄산리튬을 적어도 500몰을 사용을 해줘야 됩니다. 그럼 탄산리튬을 500몰을 사용을 하면 그게 열처리를 해서 리튬카보네이트에 있는 리튬이 다 반응을 하고 카보네이트에 있는 카본이 Co2(이산화탄소)로 발생을 한다고 하면, 대략 500몰의 Co2(이산화탄소)가 나온다고 할 수 있는 겁니다. 그럼 그 500몰의 Co2(이산화탄소)의 무게는 대략 한 22kg 정도 됩니다. 생각을 해보면 NCM811을 100kg 만드는 데 대략 22kg의 Co2(이산화탄소)가 나온다는 겁니다. 근데 이 100kg의 양극 물질이라는 게 실질적으로 전기차 1대에 들어가는 양과 거의 흡사합니다. 그러다 보니까 전기차 3대 정도를 만들기 위해서는 대략 성인 1명 무게의 Co2(이산화탄소)가 배출이 돼야 된다는 겁니다. 이런 것들을 생각해보면 오히려 우리가 탄소를 저감하기 위해서 전기차를 쓰는데, 그게 또 이렇게 ‘Co2(이산화탄소) 배출에 영향을 주겠구나’를 고려해봤을 때는 리튬황 전지 같은 경우는 아직까지는 그렇게 Co2(이산화탄소)를 많이 배출하는 프로세스가 있지 않습니다. 그러다 보니까 장기적으로 봤을 때 리튬황 전지가 이런 면에서는 장점이 되겠구나를 생각해볼 수 있기 때문에 기업에서도 리튬황 전지가 당장 상용화는 어렵다는 걸 어느 정도 인지를 하고 있지만, 그래도 미래를 생각해 봤을 때는 이게 언젠가는 필요하다라는 관심 때문에 이 기술을 끝까지 계속 개발하면서 좋은 특성, 안전한 배터리를 계속 고려를 하고 있는 겁니다.

 

7. 낮은 충전 효율과 전압은 근본적인 한계

 

마지막으로 리튬황 전지의 한계 및 제한점에 대해서 설명을 드리겠습니다. 여태까지는 리튬황 전지의 특징과 장점을 주로 언급을 드렸습니다. 단점을 조금 얘기를 해보면, 일단 기본적으로 메커니즘 차이가 있습니다. 저희가 ‘리튬이온 전지가 일반 타 전지에 비해서 장점이 된다.’라고 할 수 있는 부분이 리튬이온이 충방전이 이루어질 때 이런 층들이 구성돼 있고, 이 층들에 리튬이온들이 들어가고 나가는 이런 반응을 합니다. 많이 아시다 보니까 뭔가 흑연 층들에 리튬이온들이 박히고 빠져나가고 이런 그림을 많이 볼 수 있습니다. 이럴 때 사실 이 반응을 하는 게 ‘Solid-State Ionics’라는 반응을 통해서 하는 건데요. 쉽게 설명드리면 ‘고체 상태 이온화’라고 주로 얘기를 하는데, 반대로 ‘Liquid-state ionics(액체 상태 이온화)’를 생각해 볼 수 있습니다. 물에 소금을 녹이면 소금의 나트륨 이온과 염소 이온들이 가볍게 움직인다는 걸 어느 정도 인지하고 있습니다. 고체 상태 이온화도 마찬가지로 리튬 코발트 산화물. 혹은 흑연이라는 고체 물질에 리튬이온이 굉장히 잘 안정하게 들어갔다 나갔다 할 수 있는 걸 얘기합니다. 근데 이러한 메커니즘의 장점이 에너지 효율이 굉장히 좋습니다. 리튬이온이 들어가고 나갈 때 굉장히 적은 Activation Energy(활성화 에너지)만 있어도 충분히 들어갈 수 있는 그런 반응을 가지고 있는 겁니다. 대신에 리튬황 전지 같은 경우는 우리가 흔히 일반적으로 알고 있는 화학 반응을 필요로 합니다. 리튬이 황과 반응을 했을 때 황의 결합을 끊어주고 또 리튬이온이 황과 결합을 하고. 예를 들면 저희가 ‘물 분자가 수소 원자와 산소 원자가 있다.’ 이렇게 얘기를 하고 산소와 수소가 결합하고 분해할 때 큰 에너지가 필요합니다. 마찬가지로 리튬황 전지도 리튬이온이 황 이온에 결합을 해야 되고 분해를 해야 되고. 이런 Activation Energy(활성화 에너지)를 거치다 보니까 방전할 때 에너지가 충전할 때 에너지보다 유사할 수가 없는 거죠. 그래서 충전이 훨씬 많이 필요하고 방전이 충분히 이루어지지 않기 때문에 에너지 효율이 80%를 넘기기가 굉장히 힘듭니다. 그런 도전적인 면 때문에 이런 부분을 어떻게 생각해볼 수 있을지를 고민을 해봐야 됩니다. 또 하나는 낮은 전압입니다. 앞에서 말씀드린 것처럼 리튬이온 전지는 보통 3.5V 이상 혹은 4V 정도의 전압을 가지고 있고, 리튬황 전지는 대략 2V 정도의 전압을 가지고 있습니다. 근데 용량이 크기 때문에 어떻게 보면 ‘에너지 밀도는 더 좋은 거 아니냐?’ 이런 말씀을 많이 하시는데요. 예를 들어서 비교를 해보겠습니다. 예를 들어서 4V짜리 전지가 용량이 한 200Ah 되는 것이 있다고 생각을 하고, 2V짜리 전지가 400Ah의 용량이 있다고 가정을 해보겠습니다. 그러면 사실 에너지 밀도 상에서는 얘네들이 V(전압) X Ah/g(용량)이 에너지가 되기 때문에 둘 다 800Wh으로 똑같습니다. 그래서 같은 에너지 밀도라고 얘기를 하는데 실질적으로 구동을 해보면 파워는 다릅니다. 예를 들어서 흔히 파워를 얘기할 때 ‘Wh’에서 ‘h‘를 제외한 ‘W‘가 파워를 가리키게 되는데요. 그러다 보니까 계산할 때도 에너지 혹은 에너지 밀도(Wh/L)는 V(전압) X Ah/g(용량)을 했지만, 여기서는 V(전압) X Ah(전류값)을 하게 됩니다. 그리고 V(전압) X Ah(전류)에서 Ah(전류)가 저희가 흔히 알다시피 V=IR이라는 옴의 법칙을 통해서 보면 전류가 V(전압)/R(저항)이 되는 거죠. 그래서 V(전압) X V(전압)/R(저항)을 해주면 V(전압)²/R(저항)이 되는 거고요. V(전압)²이 되다 보니까 전압의 역할이 파워면에서 굉장히 중요합니다. 또한 이 R(저항)이라는 부분이 어떻게 작용하냐면 실질적으로 높은 역량을 가지고 있는 상태지만, 우리가 R(저항)으로 인해서 발생하는 손실을 생각해보면 V(전압)이 낮은 것에 의해서 발생할 수 있는 손실이 훨씬 더 큽니다. 그러다 보니까 똑같은 800Wh라는 용량이 있다 하더라도 R(저항)으로 발생하는 손실을 생각해 봤을 때 2V짜리 배터리는 대략 100Ah의 손실을 갖는다면 4V짜리 전지 같은 경우는 대략 50Ah정도의 손실을 볼 수가 있는 겁니다. 그러다 보니까 실질적으로 구동할 수 있는 에너지는 다르게 됩니다.

 

리튬황 전지가 가지고 있는 장점과 단점들을 다양하게 고찰을 해봤습니다. 여전히 경량화 전지, 탄소 중립. 이런 부분을 고려해봤을 때 리튬황 전지는 굉장히 전망이 좋다고 생각해볼 수 있습니다. 그리고 여전히 기술적 한계가 있다 보니까 어떻게 잘 개발을 하고 또 값싼 공정을 사용해서 만들 수 있게 고민을 하는 그런 부분들을 잘 고려를 해야 될 것 같습니다. 리튬이온 전지와 비교해 봤을 때는 체적(부피)당 용량은 적은 편이다 보니까 리튬이온 전지가 나아가야 할 방향이 있을 것 같고요. 리튬황 전지가 나아가야 할 방향이 있을 것 같습니다. 그래서 각자의 맞는 분야에서 발전을 잘 할 수 있기를 바랍니다. 이상으로 발표를 마치겠습니다. 감사합니다.

정리_송윤섭PD songyunseob@thelec.kr