일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.6.7

급속하게 대두되고 있는 리튬황 전지
자동차 업체로의 샘플 출하도 개시

리튬황(Li-S) 전지는 양극 활물질에 황(S), 또는 황 화합물을 이용한 리튬이온2차 전지(LIB)이다. 음극에는 금속 리튬이나 그 합금을 이용하는 경우가 많다. 황은 원자 1개로 리튬 원자 2개를 끌어당기거나, 전자 2개를 내보낼 수 있기 때문에 이론상으로는 기존 LIB의 약 10배의 중량 에너지 밀도를 달성. 현실적으로도 2배 정도의 중량 에너지 실현을 목표로 개발이 추진되고 있다.

황은 지구상에 풍부한 원소 중 하나이다. 지각 중의 원소 함유율을 나타내는 클라크수(Clarke number)에서는 탄소 다음이며, 질소보다도 많다. 중국, 미국, 러시아 등을 중심으로 화석연료 정제와 금속 정련 과정에서 분리된 부산물로서 대량으로 생산되고 있다. 이 때문에 매우 저렴하게 입수할 수 있어 안정적인 공급을 확보할 수 있다. Li-S 전지에서는 기존의 LIB 양극에 사용되는 코발트나 니켈 등의 고가의 금속 재료가 불필요하며, 잠재적으로는 배터리의 성능을 큰 폭으로 높일 가능성이 있어 저비용과 성능 향상을 동시에 기대할 수 있는 차세대 전지의 유력 후보로 떠오르고 있다.

-- 과제인 사이클 수명도 개선 --
하지만 지금까지는 충∙방전 사이클 수명이 수십 번으로 매우 짧은 경우가 많았다. 양극의 황이 전해액 속으로 용출되거나, 다황화물로 불리는 부산물이 생겨 본래의 전극 구조가 급속히 상실되기 때문이다. 또한, 황 자체는 절연체로 전기가 흐르지 않기 때문에 양극에 사용하려면 도전 조제를 많이 쓸 필요가 있다. 이러한 이유로 이론치 만큼 에너지 밀도를 높일 수 없다. 지금까지 연구자들은 이러한 과제를 해결하기 위해 방대한 시행착오를 반복해 왔다.

그 결과, 최근 들어 충∙방전 사이클 수명이 큰 폭으로 늘어난 사례가 논문으로 발표되고 있다. 예를 들면, 미국 드렉셀대학교(Drexel University)의 연구자는 2022년에 사이클 수명 4,000회를 달성했다고 보고했다.

배터리 제조 업체들의 개발 사례도 증가하고 있다. 미국의 라이텐(Lyten)은 2021년, 전기자동차(EV)를 상정한 셀로 1,400회 이상의 충∙방전 사이클 수를 달성했다고 발표했다. 일본의 ADEKA는 2022년 11월, 중량 에너지 밀도가 100Wh/kg일 때 5,000사이클 이상, 450Wh/kg에서도 200사이클 이상의 충∙방전 사이클 수를 달성했다고 발표. 2023년 11월에는 803Wh/kg라는 LIB로는 세계 최고 수준의 중량 에너지 밀도의 셀도 시작(試作)했다. 하지만, 이 셀의 충∙방전 사이클 수명은 매우 짧다고 한다.

-- 자동차 제조 업체에 샘플 출하 --
최근에는 양산에 근접한 움직임도 나왔다. 라이텐은 2023년에 자동차 제조 업체인 유럽의 스텔란티스(Stellantis)의 출자를 받았으며, 올 5월에는 스텔란티스에 파일럿 생산을 한 셀을 샘플 출하했다고 발표했다. 올 후반에는 보다 폭넓은 업종의 제조사 약 20개 사 이상에 샘플 출하한다고 발표했다. 현시점에서는 용량이 6.5Ah의 파우치형 셀이지만, 올 후반에 원통형 셀도 제조한다고 한다. 이 두 가지 모두 기존 LIB의 1/2의 재료 코스트로 제조할 수 있으며, 제조의 수율도 90% 이상으로 높다고 한다.

또한, 호주의 Li-S에너지(Li-S Energy)는 올해, 2MWh/년 규모의 시험 생산 라인을 가동시켰다. 그 다음 대응으로 GWh/년 급 규모의 양산 공장 건설을 상정하고 있다고 한다.

영국의 게리온(gelion)은 2015년 창업 당시에는 호주의 시드니대학(Sydney University) 발 아연-브롬 전지 개발 벤처였지만, 2021년 5월에 도산한 영국 OXIS 에너지(OXIS Energy)의 지적 재산을 2023년에 인수. 그것을 활용해 중량 에너지 밀도가 395Wh/kg인 Li-S 전지 셀을 올 4월에 발표했다. 2026년에 샘플 출하를 개시할 계획이라고 한다.

-- “일본에는 황이 있다” --
국내에서도 움직임이 활발해지고 있다. ADEKA와 산업기술종합연구소, 스미토모(住友)고무공업은 올 4월, ‘황계 전지 사업창출 연구회’를 설립했다. ‘일본에는 황이 있다’가 캐치프레이즈이다. ADEKA와 스미토모고무공업은 모두 Li-S전지의 양극용 황계 유기재료를 개발하고 있다. 황계 전지 사업창출 연구회는 Li-S전지의 양극용 황계 유기재료의 기술 개발과 실용화를 향한 대응을 가속화해 나갈 방침이라고 한다.

■ 리튬황(Lo-S) 전지

<기술 개요>
- 정극에 황 또는 황 화합물을 이용한 리튬이온2차전지. 중량에너지 밀도가 높고 가벼운 배터리를 실현할 수 있을 뿐 아니라, 재료비가 저렴하다.

<활용 이미지>
- 드론이나 비행체 등에 탑재
- 스마트폰이나 일반 가전 제품의 축전기에 이용

<주요 업체>
- 미국의 라이텐과 유럽의 스텔란티스
- ADEKA, 스미토모공업
- GS유아사, 혼다
- 호주의 Li-에너지
- 영국의 게리온

<보급을 위한 과제>
- 황이 전해액에 용출되기 쉬워, 사이클 수명이 짧다.
- 금속 리튬 음극에 덴드라이트(수상 돌기)가 생긴다.
- 황 자체는 절연체로, 셀 1개의 출력전압도 약2V로 낮다.

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