자연에서 발견한 배터리의 해답

자연에서 발견한 배터리의 해답

대학생신재생에너지기자단 22기 정의희

 

[자료 1. 리튬황배터리]

출처 : LG화학

 

[배터리의 등장]

지식과 정보가 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식기반 산업사회로 접어들면서, 세계는 이미 각 분야에서 최고가 아니면 살아남을 수 없는 무한경쟁의 장소가 되었다. 이러한 변화 속에서 선진 각 국가들은 미래 유망기술을 발굴, 선정하여 국가 역량을 집중함으로써 차세대 국가경쟁력을 확보하려는 여러 가지 노력을 기울이고 있다.

하지만 단기간의 발달로 인하여 인류는 환경문제, 에너지 문제 등 많은 해결해야 할 많은 문제들을 산적해 놓았다. 현재까지 내연기관의 에너지원으로는 화석연료가 그 주를 이루며 전 세계적으로 매년 1/3에 해당하는 에너지 요구량을 화석연료로부터 사용하고 있다. 이로 인한 문제들은 이제 인류에게 조금 더 효율적인, 편리한, 무해한, 그리고 안전한 에너지원을 갈망하고 있으며 이러한 문제에 있어서 배터리는 많은 장점을 가지고 있는 에너지원 중 하나로 각광을 받고 있다.

 

[리튬황배터리란]

1990년대의 Sony는 리튬 이온 전지 상업화의 성공 이후 현재에 이르기까지 많은 학계, 기업, 및 정부 기관의 리튬이온 배터리 최적화에 힘입어 리튬 이온 삽입 방식은 많은 상업적 성공을 이루었다. 이에 따라 소용량의 휴대용 전자장치 및 중대형의 친환경 차량에까지 적용되어 상용화가 되어있는 실정이다. 하지만, 최적화 작업에도 불구하고 중대형 차량용 이차전지의 에너지 밀도는 고객이 원하는 만큼의 주행거리를 확보할 만큼의 에너지 밀도를 맞추기에는 그 한계를 보이고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위하여 기존의 이온 삽입 방식에서는 만족할 수 없었던 에너지 밀도의 한계를 리튬황 배터리, 리튬공기 배터리, 전고체 배터리와 같은 차세대 배터리에서 그 해답을 찾기 시작했다. 기존에 리튬 이온 배터리의 이론 용량 밀도는 148~278Ah/kg 인 반면에 차세대 배터리인 리튬황 배터리는 1167Ah/kg의 이론 용량으로 차세대 배터리의 이론 용량은 기존 대비 5~9배의 용량을 확보할 수 있다.

기존의 리튬 이온 배터리가 양극의 뼈대에 리튬 이온을 삽입하여 구조적 변형이 최소한으로 유지되는 방식으로 전기적 에너지를 생성하는 데 반해 황을 이용한 양극에서는 황의 화학적 환원 방식을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 것으로 그 작동원리를 달리한다. 리튬황 배터리는 다른 일반적인 일/이차전지와 마찬가지로 3가지 물질로 구성된다. 전자를 내어주며 산화반응이 일어나게 되는 음극, 음극에서 나온 전자를 받아 전자를 환원시키는 양극, 그리고 리튬이온의 이동통로가 되며 전기적으로는 절연인 비수계 전해질이 그 구성물이다.

[자료 2. 리튬이온전지와 리튬황전지 비교 모식도]

출처 : 재료마당

 

[리튬황배터리의 문제점]

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 황화리튬과 폴리설파이드는 리튬황 배터리의 상용화를 막는 주요 걸림돌이다. 황화리튬은 전해액에 잘 녹는 성질을 가진다. 전기를 띠는 이온과 전자는 전해액에 녹아든 후 두 전극 사이를 원활하게 이동하고 이로 인해 배터리에 전기가 흐른다. 전해액의 용해도는 한계가 있기 때문에 황화리튬이 녹아들수록 이온과 전자가 덜 녹아든다. 이들이 두 전극을 오갈 다리가 막히는 셈이다. 또한 황의 비전도성 특성, 충·방전 과정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드(lithium polysulfides)의 용출로 인한 낮은 수명은 상용화에 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 

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 섞이다 보니 에너지 밀도가 낮아진다. 이 때문에 실제 구현된 리튬황 배터리의 에너지 밀도는 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.

[자료 3. 황화리튬과 폴리설파이드]

출처 : LG이노베이션

 

[리튬황배터리의 국내 연구]

LG화학이 국내 최초로 리튬황 배터리를 활용한 무인기 최고 고도 비행 테스트에 성공했다. LG화학은 한국항공우주연구원에서 개발한 고고도 장기 체공 태양광 무인기(EAV-3)에 자사 리튬황 배터리를 탑재, 성층권 환경에서 비행하는 시험에 성공했다고 밝혔다. 해당 무인기는 고도 12km 이상 성층권에서 태양 에너지와 배터리로 나는 소형 비행기다. 낮에는 태양전지와 배터리 전력으로 비행하고 밤에는 낮에 배터리에 충전된 전력으로 비행한다. 충전은 날개 위 태양전지판으로 한다. 날개 길이는 20m, 동체 길이는 9m다.

LG화학은 지난달 30일 한국항공우주연구원 고흥 항공센터에서 EAV-3에 리튬황 배터리를 탑재한 뒤 오전 8시 36분부터 오후 9시 47분까지 약 13시간 동안 비행 테스트를 진행했다. 국내에서 리튬황 배터리로 테스트를 진행한 것은 LG화학이 처음이다. 이번 비행 테스트에서 EAV-3는 국내 무인 비행기로는 전례가 없는 고도 22km를 비행해 무인기 기준 국내 성층권 최고 고도 비행 기록을 달성했다. 또 총 13시간의 비행 중 7시간을 일반 항공기가 운항할 수 없는 고도 12~22km의 성층권에서 안정적인 출력으로 비행했다.

LG화학은 "이번 비행 테스트는 영하 70도의 낮은 온도와 대기압이 지상 대비 25분의 1수준인 진공에 가까운 성층권의 극한 환경에서도 차세대 배터리인 리튬황 배터리의 안정적인 충·방전 성능을 확인했다는데 큰 의미가 있다"고 했다. 이와 함께 에너지 밀도가 현재 리튬이온 배터리의 2배 이상인 리튬황 배터리를 2025년 이후 양산할 계획이다.

[자료 4. LG화학의 리튬황배터리]

출처 : LG화학

 

[나노셀룰로스 기반 다공성 리튬황전지]

리튬황전지가 겪고 있는 상용화 문제를 자연에서 해답을 얻기도 한다. 바로 ‘나노셀룰로스 기반의 다공성 리튬황전지’이다. 셀룰로스는 식물이 외부로부터 자신들을 보호하기 위해 개발한 첫 번째 보루이자 지금까지도 가장 널리 쓰이는 방벽으로써, 탄수화물에서 다당류에 속한다. 종이를 만드는 펄프의 50% 이상을 차지하는 성분이다. 소위 '섬유질'이라고 불리며, 식물 세포벽의 기본 구조 성분이다. 영어 이름도 세포(cell)를 구성하는 당(-ose)이라는 뜻이다. 식물 조직의 대부분을 이루고 있는 물질이며 일부 미세조류나 세균의 경우에도 셀룰로스를 분비한다. 자연에서 얻을 수 있는 유기 화합물 중에서 가장 풍부하게 존재한다. 아래 사진은 셀룰로스 구조를 확대한 사진이다. 이런 셀룰로스 구조를 본떠서 만든 구조가 바로 다공성 구조이다.

[자료 5. 셀룰로스구조와 다공성 구조]

출처 : 글로벌이코노믹

다공성 물질의 경우 나무에서 다공성 세포의 이용으로 물의 이동을 용이하게 하였으며 세포벽을 보호하는 기능으로 사용되는 등 생태계에서 자연적으로 선택되어 사용되어온 물질 구조이다. 이러한 다공성 물질을 리튬황 배터리의 양극재에 사용하는 연구는 활발히 진행되고 있는데 다공성 탄소를 사용함으로 인하여 황의 절연 성질에 전기적 전도도를 띄게 할 수 있으며, 고리 구조의 황을 공극 안에 가두어 두는 역할을 수행하게 된다. 이때 가두어진 황은 산화 환원 반응으로 생성이 되는 폴리설파이드가 전해질에 용해되어 음극으로 이동하는 것을 제한하는 역할을 하게 되어 배터리 충·방전에 의해 용량 열화를 방지하게 된다.

나노셀룰로스 기반으로 기존 리튬이온 전지보다 저렴하고 용량이 두 배 이상인 ‘리튬황’ 전지를 상용화할 수 있는 기술이 국내에서 처음 개발됐다. 리튬황 전지는 충전과 방전을 반복하면 황 부산물이 생성돼 전지 용량과 수명을 감소시켜 상용화에 어려움을 겪었다. 국립산림과학원은 7일 울산과학기술원과 공동으로 나무에서 얻은 나노셀룰로스를 이용해 폭발 위험성이 낮고, 사용 기간이 최대 세 배 향상된 차세대 리튬황 종이 전지의 원천 기술을 개발했다고 밝혔다. 리튬황 종이 전지는 기존 전지에서 열에 약해 폭발 위험성이 높은 플라스틱 분리막을 나무 세포를 얇게 쪼갠 친환경 나노셀룰로스로 대체해 고온과 충격 등으로 분리막이 파괴돼 폭발하는 위험성을 제거했다. 더욱이 분리막과 전극을 일체형으로 만드는 구조 변경을 통해 눌리거나 구겨지는 조건에서도 정상적으로 작동해 안전성을 높였다. 가볍고 안전하며 고용량의 전지 생산이 가능해져 접는 스마트폰뿐 아니라 드론 등 첨단산업 전반에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

[자료 6. KAIST 다공성 리튬황배터리 연구]

출처 : KAIST

 

[리튬황전지의 동향]

위의 연구처럼 우리는 자연에서 해답을 얻기도 한다. 또한 자연에서 답을 찾은 경우는 대체로 친환경을 목적으로 하여 그 취지 또한 좋다. 셀룰로스 기반으로 한 다공성 전지는 전지 뿐만 아니라 바이오매스 등과 같은 다른 연구에도 접목되기도 한다.  국내외의 적극적인 연구로 그 성과가 기대되는 전지 보완 방법 중 하나이다.

리튬황 배터리는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다. 양극재에 황탄소 복합체, 음극재에 리튬 메탈 등 경량 재료를 사용해 무게 당 에너지 밀도가 기존 리튬이온 배터리 대비 1.5배 이상 높은 배터리다. 기존 리튬이온 배터리 보다 가볍고 희귀 금속을 사용하지 않아 가격경쟁력이 뛰어난 것이 장점이다. 또 전기차뿐만 아니라 장기 체공 드론과 개인용 항공기 등 미래 운송수단의 성능을 좌우하는 핵심부품으로 꼽히며 세계 각국에서 개발을 위한 경쟁이 치열하다. 국외뿐 아니라 국내에서도 하나의 차세대 배터리로 자리잡은 리튬황전지의 앞으로의 엄청난 성장이 기대된다.

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리튬황배터리 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "우리는 왜 리튬과 배터리에 집중하는가?", 21기 오서영, https://renewableenergyfollowers.org/3704

2. "배터리, 어디까지 왔으며 어디로 갈 것인가?", 20기 이주선 외 4명, https://renewableenergyfollowers.org/3621

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참고문헌

[리튬황배터리란]

1) 김정환, "리튬이온전지 및 리튬황전지용 차세대 분리막 연구 동향.", 재료마당 30.3 (2017), 49-60

[리튬황배터리의 문제점]

1) 방준오, CHOSUNBIZ, "[과학TALK] 정의선·구광모 주목한 포스트 전기차 배터리 '리튬황'", 2020.06.27

https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/06/26/2020062603479.html

2) LG이노베이션, BATTERY INSIDE, "하늘을 나는 차세대 배터리, 리튬황배터리", 2021.11.11,

https://inside.lgensol.com/2021/11/%ED%95%98%EB%8A%98%EC%9D%84-%EB%82%98%EB%8A%94-%EC%B0%A8%EC%84%B8%EB%8C%80-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EB%A6%AC%ED%8A%AC%ED%99%A9%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC/

[리튬황배터리 국내 연구]

1) 이수환, THEELEC, "'전고체보다 먼저 상용화'…LG엔솔 차세대 '리튬황 배터리' 양산 목표", 2023.01.17,

https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=19504

2) 이재은, CHOSUNBIZ, "LG화학, 국내 최초 '리튬황 배터리'로 최고도 비행 성공", 2020.09.10,

https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/09/10/2020091000889.html

[나노셀룰로스 기반 다공성 리튬황전지]

1) 김영준, 전자신문, "KAIST·포스텍·LG엔솔, 고성능 리튬 황 전지 개발…"리튬이온 대비 에너지 밀도 30% 향상", 2023.01.19, https://www.etnews.com/20230119000092

2) 박승기, 서울신문, "리튬황전지 상용화 기술 개발",2018.11.08, https://amp.seoul.co.kr/seoul/20181108020016