[2023년 10월] 리튬 황 배터리(LSB)

1. 리튬황 배터리(LSB)란?

 

LSB의 구성

 

 리튬황 배터리(LSB)란 차세대 배터리 중 하나로 기존 리튬이온 배터리(LIB)와는 달리 양극 소재로는 황을, 음극 소재로는 리튬 금속을 사용하는 전지를 말한다. 기존 LIB가 양극재로 가격이 비싼 코발트 등을 사용하는 반면, LSB는 저렴한 황을 이용하는 것이 장점이다. 또한, LSB는 리튬과 황이라는 비교적 가벼운 원소로 구성되어 있고 황 양극이 1672mAh/g라는 굉장히 큰 이론적 용량을 가지고 있다. 이 때문에 LSB의 이론적 에너지밀도는 최대 2600Wh/kg으로 기존 LIB의 에너지 밀도인 500Wh/kg의 5배에 달한다. 이러한 특성 때문에 가벼운 무게를 필요로 하는 드론이나 항공기 등 미래 운송 수단에 폭넓게 쓰일 수 있는 배터리로 각광받고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 LSB가 상용화되기 위해서는 수명 문제 개선 등 아직 많은 숙제가 남아있다.

 

LSB의 충방전곡선과 메커니즘

 

 LSB의 충방전과정을 살펴보면 황이 연속적으로 순환하는 형태를 나타내기 때문에 이를 셔틀 메커니즘(Shuttle mechanism)이라고 부른다. 이때, 황(S8)과 황화리튬(Li2S) 상태는 극성이 없는 무극성 상태이지만 중간의 리튬 폴리 설파이드는 극성이 있는 상태이기 때문에 리튬염이 녹아있는 전해질에 잘 녹게 된다. 이러한 리튬 폴리 설파이드의 용해는 다양한 문제를 일으키기 때문에 LSB 개발에 있어서 주된 관심사이다.

 

 

 

2. 리튬 황 배터리의 한계

 

① 황의 전기 전도도

 

 배터리에서 산화 환원 반응을 통해 생성된 혹은 소모되는 전자를 이동시키기 위해서는 높은 전기 전도도를 필요로 한다. 그러나 양극재인 황과 셔틀 메커니즘으로 생성되는 리튬 폴리 설파이드의 경우 비전도성 물질이다. 이를 극복하기 위하여 전도성 물질에 접촉되는 것이 필요하다. 이때, 전도성 물질로 탄소나 금속을 사용하는데, 주로 탄소가 많이 사용된다. 그런데 전도성 물질을 늘리면 황의 양이 줄어들어 에너지 밀도가 줄어들게 된다. 결국 전도성 소재와 황의 혼합 비율이 관건이며, LSB의 장점을 살리려면 황의 비율이 70% 이상이 되어야하는 것으로 알려져 있다.

 

 

② 충방전 시 황의 부피 변화

 

 방전 시 셔틀 메커니즘에 따라 황이 폴리설파이드가 되면 부피 팽창이 일어나게 된다. 이때, 부피 팽창률은 80% 정도에 육박하며 역반응인 충전 시에는 다시 수축이 일어나게 된다. 이러한 팽창 및 수축 작용으로 인하여 황과 전도성 물질의 접촉이 끊어지는 현상이 발생하게 되며 배터리 열화를 가속화하고 최종적으로는 배터리 용량 감소에 영향을 끼치게 된다.

 

황의 부피 변화에 의한 전기 전도성 파괴

 

 

③ 리튬 폴리 설파이드

 

 앞서 언급했다시피 리튬 폴리 설파이드인 Li2S8 와 Li2Sn가 전해질에 녹게 되면 농도 구배에 의하여 양극에서 음극으로 이동하는 현상이 발생을 한다. 이렇게 이동한 리튬 폴리 설파이드는 다시 리튬 이온과 반응하면 양극으로 돌아와 고리 구조의 황으로 바뀌지만 만약 돌아오지 못하게 되면 음극에서 배터리 내부적으로 직접 반응을 하여 Li2S2과 Li2S을 생성하게 된다. 이 물질들은 음극에 계속 남아 음극의 표면을 둘러싸게 되고, 리튬 이온의 이동통로를 가로막아 배터리 내부 저항을 증가시키게 된다. 이로 인하여 이온 전도도를 저하시켜 배터리의 성능을 저하시킨다. 계속적으로 축적이 되었을 시에 내부에 분리막과 같은 멤브레인에 손상을 일으킬 수 있으며. 이때 손상된 멤브레인은 내부 쇼트와 같은 배터리의 안전성을 저하시킬 수 있는 문제가 되기도 한다. 또한, 이는 곧 양극 소재인 황의 손실이기 때문에 배터리 용량도 감소된다.

 또한, 리튬 폴리 설파이드는 전해질뿐만 아니라 전해질에 녹아있는 리튬염과도 반응하기 때문에 이를 극복하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

 

 

④ 집전체와 황의 반응

 

 일반적으로 양극재에서는 집전체로 알루미늄을 사용하는 데, 높은 온도에서 알루미늄 금속은 황과의 급격한 반응을 야기할 수 있으며 이는 LSB의 안전성을 저해하는 요소이다.

 

 

⑤ 에너지 효율

 

 기존 LIB의 충방전 시 리튬 이온의 탈삽입은 고체 상태 이온화(Solid-State Ionics)를 통해 이루어진다. 이는 액체 상태 이온화(Liquid-state ionics)와 비슷하여 매우 작은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 에너지 효율이 90% 이상으로 굉장히 좋다.

 반면, LSB는 황과 리튬의 화학반응을 필요로 하기 때문에 셔틀 메커니즘이 진행될 때마다 큰 활성화 에너지를 필요로 하여 에너지 효율이 80% 이하로 낮게 된다. 따라서 충전을 훨씬 많이 해야하고 방전도 충분히 이루어지지 않게 된다.

 또한, LSB의 작동전압은 2V로 LIB의 작동전압인 3.5~4V에 비해 낮은 전압을 가지고 있다.

 

 

⑥ 리튬 음극의 불안정성

 

 LSB는 기존 LIB와는 달리 음극 소재로 리튬 금속을 사용한다. 이를 통해 에너지 밀도를 증가시키는 장점을 얻을 수 있으나 리튬 음극의 덴드라이트(dendlite)로 인해 수명이 짧고 다소 위험하다는 단점이 있다.