미래의 배터리라고 불리는 리튬황 배터리에 대해 알아보자

리튬황 배터리란?

리튬황 배터리는 리튬이온 배터리와 달리 황(Sulfur) 을 양극(+)으로, 리튬(Lithium) 을 음극(-)으로 사용하는 이차전지입니다. 황은 자연에서 풍부하고 가격이 저렴하기 때문에 리튬황 배터리는 경제적인 배터리 기술로 주목받고 있습니다.

드론 리튬황 배터리 (출처: Pixabay)

리튬황 배터리의 장점

(1) 높은 에너지 밀도 : 리튬황 배터리는 에너지 밀도(Wh/kg, 무게 대비 저장할 수 있는 에너지의 양) 가 높습니다. 리튬황 배터리는 이론적으로 2,100 Wh/kg 에 달합니다. 즉, 같은 무게라면 현재 가장 널리 사용되는 NCM811 배터리(니켈-코발트-망간)의 약 3배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.

 

(2) 가벼운 무게 : 리튬황 배터리는 리튬(Li, 원자번호: 3번), 황(S, 원자번호: 16번 ), 탄소(C, 원자번호: 6번) 와 같이 가벼운 원소로 구성되어 있습니다. 이처럼 원자번호가 낮은 원소들은 밀도가 낮아 배터리를 더 가볍게 만들 수 있는 장점이 있습니다. 따라서 리튬황 배터리는 드론, 항공기(UAM), 군사용 전력원 등 경량화가 중요한 분야에서 유리합니다.

 

(3) 저렴한 원료 : 황은 원유를 정제할 때 부산물로 많이 생성됩니다. 황은 버려지는 폐기물로 간주되기 때문에 가격이 톤당 30달러로 매우 저렴합니다. 리튬이온 배터리에 사용되는 코발트(Cobalt)나 니켈(Nickel)과 비교하면 원가 절감이 가능하여 더 저렴한 배터리 생산이 가능합니다.

 

(4) 친환경적인 배터리 : 리튬황 배터리는 제작 과정에서 탄소 배출량(CO₂)이 적습니다. 현재 전기차에 많이 쓰이는 NCM811 배터리를 만들려면 10kg 기준으로 2kg 이상의 CO₂ 가 배출됩니다. 반면, 리튬황 배터리는 이런 고온 합성 과정이 필요 없기 때문에 탄소 배출량이 미미합니다.

리튬황 배터리의 단점

(1) 낮은 전압 : 리튬황 배터리의 전압은 2.1V 정도로, 일반적인 리튬이온 배터리(3.7V)보다 낮습니다. 전압이 낮으면 전력(Power)이 줄어들어 빠르게 높은 출력을 내야 하는 전자기기에는 불리합니다. 따라서 리튬황 배터리가 리튬이온 배터리를 완전히 대체하는 것은 어려워 보입니다. 전기차, 스마트폰 같은 고출력 기기에는 여전히 리튬이온 배터리가 유리합니다.

 

(2) 충·방전 과정에서 황의 팽창 : 리튬황 배터리는 충·방전 과정에서 황이 리튬과 결합하며 부피가 팽창하는 문제가 있습니다. 팽창과 수축이 반복되면서 배터리 내부에서 구조적 손상이 발생하고 심한 경우 누액, 발열, 폭발 등 안전성 문제가 발생할 수도 있습니다. 팽창 문제를 해결하기 위해 황을 안정적으로 고정할 수 있는 다공성 탄소 구조 나 고분자 재료 를 활용하는 방법이 연구되고 있습니다.

 

(3) 폴리설파이드(Ploysulfide) 용출 : 충전 시 황이 리튬과 반응하면 폴리설파이드(Li₂S₈, Li₂S₆ 등) 라는 물질이 생성됩니다. 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극으로 이동하는데, 이 과정에서 활성 물질 손실이 발생하여 방전 효율이 저하됩니다. 또한, 폴리설파이드가 음극 표면에 침착되면 전극 표면 저항이 증가하고, 전자의 이동이 원활하지 않아 에너지 효율이 더욱 낮아집니다. 이를 방지하기 위해 특수 코팅 기술 과 흡착 물질(탄소 나노튜브 등) 을 활용하는 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다.

 

 

(4) 낮은 에너지 효율 : 리튬황 배터리는 충전할 때 사용한 에너지보다 방전할 때 회수할 수 있는 에너지가 적습니다. 일반적인 리튬이온 배터리는 에너지 효율이 약 95% 인 반면, 리튬황 배터리는 80% 이하로 떨어지는 경우가 많습니다.

 

먼저, 리튬이온 배터리는 리튬 이온이 전극 내부에서 물리적으로 삽입되거나 제거되는 방식(Intercalation)으로 작동합니다. 이 과정에서 큰 에너지 손실 없이 효율적으로 작동할 수 있습니다. 하지만 리튬황 배터리는 리튬과 황이 결합하면서 화학 반응을 통해 새로운 물질(폴리설파이드 등)이 생성되는 과정이 포합됩니다. 이러한 화학적 변환 반응은 가역성이 떨어지며, 충·방전 과정에서 에너지 손실이 발생합니다.

 

추가적으로 황 자체는 전기 전도도와 전압이 낮아 충·방전 과정에서 전자 이동이 원활하지 않습니다. 리튬황 배터리는 리튬이온 배터리보다 전압이 낮아, 동일한 에너지를 저장하더라도 더 높은 전류를 필요로 합니다. 높은 전류는 저항 손실(I²R 손실)을 증가시키며, 이는 배터리 내부에서 열로 방출되어 에너지 효율이 낮아지는 원인이 됩니다. 이를 해결하기 위해 전도성 탄소 구조를 도입하지만, 여전히 기존 리튬이온 배터리에 비해 전극 내 저항이 높아 에너지 손실이 발생합니다.

리튬황 배터리의 활용 분야

(1) 드론 및 UAM(도심항공모빌리티) : 가벼운 무게와 높은 에너지 밀도를 활용하여 비행 시간을 늘릴 수 있습니다.

 

(2) 군사용 장비 : 높은 에너지를 저장하면서도 가벼운 특성을 살려 군사용 드론 및 전력 공급 시스템에 활용 가능합니다.

 

(3) 친환경 전기차 : 배터리 원가 절감과 CO₂ 배출 저감을 목표로 연구 진행 중이며, 아직 부피 대비 에너지 밀도가 낮아 연구가 더 필요합니다.

 

리튬황 배터리는 높은 에너지 밀도, 저렴한 원가, 친환경적인 장점이 있지만, 낮은 전압과 충·방전 안정성 문제를 해결해야 합니다. 미래에는 리튬이온 배터리와 리튬황 배터리가 서로 다른 분야에서 공존할 가능성이 큽니다. 리튬황 배터리가 얼마나 빠르게 기술적 한계를 극복할 수 있을지 앞으로의 연구와 발전을 지켜봐야 할 것같습니다.

 

 

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