[과학TALK] 정의선·구광모 주목한 포스트 전기차 배터리 '리튬황' - 조선비즈

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입력 2020.06.27 08:00

"리튬이온 배터리, 전기차 무게 1/4·비용 절반 차지"
리튬황 배터리, 최대 10배 더 가벼워 … LG "2030년 상용화"
‘전해질 문제’ 극복 연구 전세계 경쟁… 최근 카이스트 성과

정의선 현대차그룹 수석부회장(왼쪽)와 구광모 LG그룹 회장(오른쪽)이 지난 22일 충북 청주시 LG화학 오창공장에서 만나 악수를 나누고 있다./현대차그룹 제공

지난 22일 정의선 현대차그룹 부회장과 구광모 LG그룹 회장이 만나 전기차 협력 강화 방안을 논의했다. 두 사람이 개발 현황을 공유한 배터리 중에는 LG화학이 집중 개발하고 있는 ‘리튬황(Li-S) 배터리’가 있다.

현대·기아차는 오는 2025년까지 전기차 23종을 출시하고 56만대를 생산해 전세계 전기차 시장 3위권에 진입하겠다는 목표를 세우고 있다. 그 핵심은 전기차 배터리 상용화다. 이 때문에 정 부회장은 지난달 이재용 삼성전자 부회장을 만나 전고체 배터리에 대해 논의한 데 이어 이번에는 구 회장을 찾았다. 삼성은 삼성SDI, LG는 LG화학이 전기차 배터리를 개발 생산하고 있다.

정 부회장의 행보는 리튬황 배터리가 전고체 배터리와 더불어 현재 널리 쓰이고 있는 리튬이온 배터리를 대체할 양대 후보로 거론되고 있음을 보여준다. 27일 LG화학 관계자는 "개발 중인 리튬황 배터리는 2030년쯤 상용화될 것으로 보고 있다"고 말했다.

◇가볍고 오래 달리는 전기차 위한 핵심 성능 ‘에너지밀도’, 기존 대비 최대 10배

리튬황 배터리는 양(+)극에 아무것도 없는 리튬이온 배터리와 달리 황(S)을 양극 재료로 사용한다. 음(-)극에는 리튬이온 배터리처럼 리튬(Li) 금속이 들어간다.

리튬황 배터리는 리튬과 황이 만나 황화리튬(리튬폴리설파이드)이 되는 과정에서 발생하는 에너지를 저장하는 장치다. 구체적으로는 리튬이 전자를 빼앗겨 양이온이 되고 황은 그 전자를 가져오는 산화환원반응이 일어나면서 리튬 양이온과 황 음이온이 전기적으로 결합해 황화리튬이 된다. 그 과정에서 이동하는 전자로 인해 전기가 발생한다.

차세대 전기차 배터리 후보들이 계속 거론되고 있는 이유는 리튬이온 배터리가 전기차용으로는 한계를 보이고 있기 때문이다. 지난 2월 미국 신재생에너지 전문 매체 ‘클린테크니카(CleanTechnica)’에 따르면 현재 전기차 비용의 33~57%, 무게의 20~25%를 배터리가 차지하고 있다.

전기차의 주행거리를 늘리면서도 무게를 줄이거나 유지하려면 배터리의 ‘에너지밀도’를 높여야 한다. 에너지밀도가 높을수록 같은 무게에 저장할 수 있는 전기용량이 크다. 리튬황 배터리가 전기차용으로 주목받는 이유도 리튬이온 배터리보다 높은 에너지밀도를 낼 가능성 때문이다.

출처마다 조금씩 다르지만 우리나라의 국가과학기술정보센터(NDSL), 화학공학소재연구정보센터(CHERIC) 보고서, 해외 논문정보 사이트 사이언스다이렉트(ScienceDirect) 등에 따르면 리튬황 배터리의 에너지밀도는 이론적으로 리튬이온 배터리보다 최소 2배에서 최대 10배까지 높아질 수 있다. 리튬이온 배터리의 에너지밀도가 1kg당 600와트시(Wh) 정도인데 반해 리튬황 배터리는 2600와트시나 된다.

황은 쉽게 구할 수 있는 자원이기 때문에 배터리 제조 비용을 낮출 것으로도 기대된다. 상용화된다면 전기차는 물론 드론, 에너지저장장치(ESS), 군사장비 등에 폭넓게 쓰일 전망이다.

◇리튬이온보다 먼저 탄생했는데 상용화 뒤져… 전해액이 문제

이런 장점에도 불구하고 리튬황 배터리의 상용화는 느린 편이다. 리튬이온 배터리는 1970년대 학계에 작동원리가 제안돼 20여년만인 1991년 일본 소니가 상용화했다. 반면 리튬황 배터리는 1962년 미국 과학자 헐버트 대뉴타(Herbert Danuta)와 울람 줄리어스(Ulam Juliusz)가 관련 특허를 취득했지만 지금까지도 상용화되지 못했다.

리튬과 황 반응 생성물인 황화리튬이 리튬황 배터리의 상용화를 막는 주요 걸림돌이다. 황화리튬은 전해액에 잘 녹는 성질을 가졌다. 전기를 띠는 이온과 전자는 전해액에 녹아든 후 두 전극 사이를 원활하게 이동한다. 그래야 배터리에 전기가 흐른다. 전해액의 용해도는 한계가 있기 때문에 황화리튬이 녹아들수록 이온과 전자가 덜 녹아들게 된다. 이들이 두 전극을 오갈 다리가 막히는 셈이다.

또 황 자체가 비금속이기 때문에 전극 재료임에도 전기전도도가 낮다는 한계가 있다. 탄소 등의 물질을 첨가해 전기전도도를 보완할 수 있지만 전기 발생 반응에 직접 참여하지 않는 불순물이 섞이다보니 에너지밀도가 낮아진다. 이 때문에 실제 구현된 리튬황 배터리의 에너지밀도는 이론값보다 훨씬 낮은 1kg당 수백 와트시 수준에 불과하다.

그나마 리튬이온 배터리보다 좋은 성능을 내기 위해서는 불필요한 황화리튬 용해까지 감당할 정도로 많은 양의 전해액을 배터리에 주입해야 한다. 하지만 전해액 자체도 무게가 나간다는 점 때문에 이 방법도 한계가 있다. 현재 리튬황 배터리의 전해액은 배터리 전체 무게의 40%를 차지하고 있다.

국내외에서 이 한계를 극복하기 위한 연구가 한창 진행되고 있다. 이탈리아 로마 사피엔자대 연구진은 아예 전해액을 고체로 바꾼 ‘전고체 리튬황 배터리’의 가능성에 대해 연구한 결과를 2010년 3월 화학 분야 국제 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte chemie·독일화학회지)’에 게재했다. 다만 이 배터리는 고온에서만 작동하기 때문에 실제 쓰임에는 한계가 있다.

올해 2월에는 호주 모니쉬대 연구진이 리튬황 배터리의 구조 개선을 통해 성능을 높였다고 외신 클린테크니카를 통해 밝혔다. 연구진은 "전기차에 상용화되면 한번에 1000km를 달릴 수 있을 것"이라고 설명했다. 현재 리튬이온 배터리를 탑재하고 있는 테슬라 전기차의 주행거리가 600km 정도로 알려졌다.

국내에서도 최근 성과가 나왔다. 지난 25일 김희탁 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구팀은 리튬황 배터리에 들어가는 전해액의 양을 4분의 1로 낮추는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 ‘리튬 나이레이트 염’이라는 물질을 전해액에 첨가하면 이 물질이 전해액의 용해도를 4배 이상 높인다는 것을 발견했다. 전해액의 양을 4분의 1로 줄여도 기존의 성능을 유지할 수 있다는 뜻이다.