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Nikkei X-TECH_2021.01.05

리튬유황(Li-S) 전지, 포스트 리튬이온 전지의 대표
싸고 대용량으로 각광

‘혁신 배터리’ 중 하나인 리튬유황(Li-S) 2차전지가 이르면 2021년에 실용화된다. 저비용과 고에너지 밀도를 양립할 가능성이 크다. 한편, 과제가 산적해 있던 불화물(F) 이온 2차전지에서 돌파구가 되는 신재료가 발견되었다. 30년간 배터리의 주역을 맡아 온 리튬이온 2차전지(LIB)의 바통을 이을 후보가 잇따라 등장하고 있다.

에너지 밀도가 현행의 리튬이온 2차전지(LIB)를 크게 웃도는 차세대 배터리로서 양산을 눈앞에 둔 기술이 있다. 그것은 리튬유황(Li-S) 2차전지와 불화물(F) 이온 2차전지다.

리튬유황 2차전지는 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 니켈(Ni)이나 코발트(Co)를 이용하는 현행의 리튬이온 2차전지의 양극에 반해, 사실상 공짜나 다름없는 유황(S)이라는 양극활물질 재료를 사용하기 때문에 큰 폭으로 비용을 낮출 수 있다. 유황은 석유 정제의 탈황 공정에서 대량으로 나오는 부생성물로, 처리에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 일본에서는 10엔/kg이하로 유통되고 있다. 저렴함과 고에너지 밀도를 양립하는 리튬유황 2차전지는 포스트 리튬이온 2차전지의 대표격이라고 할 수 있다.

현행의 리튬이온 2차전지는 최초의 등장으로부터 거의 30년, 정확히 1세대 배터리로서 주역의 자리에 군림했다. 리튬유황 2차전지는 이를 이어받아, 그 전고체 타입까지 포함시킬 경우, 2050년까지 향후 30년 동안 배터리 기술의 주축이 될 가능성이 있다.

■ 리튬유황 배터리, 곧 제품화
사이클 수명의 과제는 미해결

리튬유황 2차전지 제품은 이르면 2021년에 나올 예정이다. 선두주자가 될 제조사는 리튬유황 2차전지에 특화되어 있는 영국의 벤처기업, OXIS Energy(옥시스에너지)가 될 전망이다.

OXIS Energy는 정격전압 2.1V, 전류용량 15Ah와 19Ah인 셀을 샘플 출하 중이다. 카탈로그 상에는 10~35Ah의 셀도 있다. 셀의 중량 에너지 밀도는 2020년 1월 시점에서 471Wh/kg으로, 500Wh/kg의 실현을 내다보고 있다. 현재는 ‘아직 수작업 생산으로 인해 샘플 가격은 비싼 편’(OXIS Energy)이라고 하지만, 양산을 눈앞에 두고 있다. 연간 500만 셀, 총 220MWh 이상의 생산 능력을 가진 제조플랜트를 2023년 가동을 목표로 브라질에 건설 중이다. 뿐만 아니라, 영국의 웨일스 지방에서 전해액과 음극의 제조플랜트를 건설하고 있다.

OXIS Energy는 일본시장으로의 확대 판매도 검토 중에 있으며, 2019년 11월에 산요(三洋)무역과 리튬유황 2차전지의 판매에 관한 업무제휴를 체결했다.

-- GS유아사, 항공 용도를 검토 --
OXIS의 뒤를 쫓는 것이 한국의 LG화학이다. 중량 에너지 밀도가 410Wh/kg인 셀을 2020년 10월에 발표했으며, 같은 해 8월에는 리튬유황 2차전지를 탑재한 무인항공기의 성층권 비행 시연을 선보였다. LG화학은 같은 해 12월에 배터리 사업을 분사화했다. 자회사인 LG에너지솔루션이 리튬유황 2차전지 개발을 이어갈 예정이며, 2025년의 실용화를 목표로 하고 있다.

일본에서는 아직 실용화 시기를 발표한 사례는 없지만, GS유아사가 간사이(関西)대학과 공동으로, 차세대 전동 항공기로의 탑재를 상정한 리튬유황 2차전지를 개발 중이다. 목표로 하는 무게 에너지 밀도는 1,000Wh/kg이며, 2030년까지의 완성을 내다보고 있다. 다른 대학의 연구실도 잇달아 시작(試作)셀을 개발하고 있다.

후지색소 그룹인 GS얼라이언스는 4cm x 5cm의 라미네이트 셀을 시작(試作)했다. 초기 용량은 1,200Ah/kg로, 130사이클 후에 약 42%의 용량 유지율을 나타냈다고 한다. 이 회사는 리튬유황 2차전지 외에, 리튬 과잉계 양극 개발도 추진하고 있다.

-- 수명과 비용을 도외시한 용도로 제품화 --
이처럼 리튬유황 2차전지의 제품화가 진행되고 있지만, 그렇다고 과제가 크게 개선된 것은 아니다. 리튬유황 2차전지는 충방전을 반복하면 배터리로서 사용할 수 있는 용량이 현저하게 줄어든다는 문제가 있으나, 아직 미해결 상태다.

OXIS Energy도 예외는 아니다. 공식적인 데이터에 따르면, 사이클 수명은 60~100회 정도로 수천 번 충방전이 가능한 리튬이온 2차전지에 비해 압도적으로 적다. 그런데도 제품화를 시행하는 것은 사이클의 특성이나 비용과는 크게 상관없이, 어쨌든 가볍고 높은 용량의 배터리를 요구하는 고객이 있기 때문이다. 구체적으로는 드론이나 전동 소형 비행기와 같은 항공 용도를 상정한다.

-- 이론용량이 높은 이유는 16개의 전자 반응 --
리튬유황 2차전지의 중량 에너지 밀도가 높은 이유 중 하나는 양극활물질인 황(S)의 질량 당 이론용량이 크기 때문이다. 전극의 이론용량은 반응에 관여하는 경우가 많으며, 분자량이 적을수록 증가한다. 현행의 리튬이온 2차전지의 양극 재료의 주류인 Ni·망간(Mn)·Co계 산화물은 1분자에 대해 1개의 리튬이온과 1개의 전자 밖에 축적할 수 없다. 그에 반해, 리튬유황 2차전지의 양극활물질 S8는 분자 1개로 16개의 리튬이온과 16개 전자를 축적할 수 있다. 따라서 이론용량이 NMC계의 약 6배로 높다.

-- 가벼운 배터리는 전동비행기, 비행 기지국의 희망사항 --
OXIS Energy는 리튬유황 2차전지의 탑재 기기로서 전동 소형 비행기나 eVTOL(전동 수직 이착륙기)를 상정하고 있다. 조금이라도 가벼운 기체가 필요한 전동 비행기에 있어서 무거운 배터리는 그 동안 골칫거리였다. 리튬이온 배터리의 약 2배의 중량 에너지 밀도를 가진 OXIS Energy의 리튬유황 2차전지로 대체함으로써 배터리 모듈의 무게를 절반 정도로 줄일 수 있을 가능성이 있다. 다만 사이클 수명은 60~100회로 짧기 때문에 잦은 배터리 교체를 전제로 운용될 것으로 보인다.

OXIS Energy는 2019년 7월, 전동 소형 비행기 제조사인 미국 Bye Aerospace와의 제휴를 발표했다. Bye Aerospace 제품의 2인승이나 4인승 항공기에 탑재하는 리튬유황 2차전지 셀이나 모듈을 개발 중이다. 2020년 7월에도 브라질의 전동 소형 비행기 제조사인 Texas Aircraft Manufacturing과의 계약을 발표했다.

이 회사에 따르면 기지국 장치를 싣고 성층권을 날아다니는 무인항공기 HAPS(High Altitude Platform Station) 탑재도 유망하다고 한다. HAPS의 체공기간은 1년 이내이므로 현행 리튬이온 배터리 정도의 사이클 수명은 필요 없다. 예를 들면 고도 20km를 비행하는 ‘HAWK30’을 개발하고 있는 소프트뱅크 자회사의 HAPS모바일이 물질·재료연구기구(NIMS)와 공동으로 개발하는 차세대 배터리의 목표 성능은 중량 에너지 밀도가 400Wh/kg 이상, 사이클 수명이 200회 이상이다. 이 조건을 충족시키는 배터리로서 리튬유황 2차전지와 리튬공기 2차전지(Li-air battery)에 이목이 집중되고 있다.

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