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Nikkei X-TECH_2021.9.28

Li-S 배터리로 브레이크스루할까？
미 벤처기업 Lyten, 사이클 수명 1,400회 달성

미국의 벤처기업 Lyten은 21년 9월 22일, 자사가 개발한 전기자동차(EV) 전용 리튬황(Li-S) 배터리 ‘LytCell EV’의 충방전 사이클 수명이 1,400회 이상인 것을 확인했다고 발표했다. 25~26년에 발매되는 EV에 탑재하는 것을 목표한다고 한다.

Lyten은 시작(試作) 셀의 중량 에너지 밀도 등은 공개하지 않았지만, “이론적으로는 기존의 리튬이온 2차전지(LIB)의 약 3배에 상당하는 900Wh/kg를 실현할 수 있다”라고 말한다. 21년 9월 23~26일에 미국 디트로이트에서 열린 모터쇼 ‘Motor Bella’에서는 18650 원통형 셀이나 대형 파우치형 셀 등을 출전했다.

Li-S 배터리는 정극 활물질에 황을 이용하고, 부극 활물질에 금속 Li을 이용한 배터리이다. 이론상으로는 중량 에너지 밀도를 900~1000Wh/kg로 큰 폭으로 높일 수 있기 때문에 세계 각국의 연구기관이나 벤처기업들이 모두 개발을 진행하고 있다. 다만 지금까지는 대부분의 경우 충방전 사이클 수명이 50~200회(중량 에너지 밀도는 300~500Wh/kg)로 매우 짧았기 때문에 EV를 포함한 폭넓은 용도에서 실용화를 실현하기는 어려웠다.

-- 충방전 사이클은 그래핀으로 향상 --
이러한 가운데, LytCell EV의 충방전 사이클 수명도 1,400회(충방전율은 1C)로, Li-S 배터리로서는 매우 길어 EV를 제외한 많은 용도에서 실용 수준이라고 할 수 있다. 가령 에너지 밀도가 3배나 높은 경우에는 EV에서도 실용 수준이라고 할 수 있다. 기존의 LIB를 전제로 하면 EV, 특히 택시나 트럭 등 업무용 EV는 일반적으로 3,000~5,000회의 충방전 사이클 수명이 필요하다.

배터리 팩의 총중량은 그대로라도 적재할 수 있는 배터리 용량이 3배가 되면, 같은 주행거리일 경우 충방전 사이클의 횟수를 1/3로 줄일 수 있기 때문이다. 그러나 충전시간이 늘어나거나 충전할 때 전류 부하가 증가하는 과제는 남는다.

실제 시작 셀의 중량 에너지 밀도는 공개하지 않았다. 닛케이 크로스테크의 문의에 대해서도 21년 9월 28일 아침(일본 시간) 시점에서 대답이 없었다.

이 배터리의 충전율은 20분 이하(3C)로, 기존의 급속 충전에 강한 LIB와 같은 수준이다. 상정하는 동작 온도는 섭씨 -30~60도이다. 전해질에 대해서도 전혀 공개하지 않았지만, 동작 온도의 상한이 높지 않은 것으로 보아 전고체 배터리는 아닌 것 같다.

Lyten은 Li-S 배터리의 최대 과제인 충방전 사이클 수명을 크게 개선할 수 있었던 포인트로, ‘Lyten Sulfur Caging’이라는 기술을 꼽는다. 자세한 내용은 밝히지 않았지만 2차원적인 탄소 재료인 그래핀으로, 정극 재료인 황(sulfur)을 감쌈(caging)으로써 불필요한 다황화 리튬의 생성 및 유출을 억제한 것으로 보인다.

이 방법 자체는 Li-S 배터리에서는 드물지 않다. 그러나 사이클 수명을 여기까지 늘릴 수 있었던 것은, Lyten이 ‘Lyten 3D Graphene’이라고 부르는 독자적인 그래핀을 사용하는 것이 열쇠인 것으로 보인다.

-- 6년을 기다려 공식 무대에 --
Lyten은 창업 후 6년 동안 이른바 ‘스텔스 모드’로, 일찍부터 미 국방부(DoD)와 계약해 미군 전용으로 2차전지를 개발하고 있었다. 1,400회 이상이라는 충방전 사이클 수명도 DoD의 평가기준에 따른 측정 결과라고 한다. 이 기술을 일반 EV 전용으로 이용할 준비가 갖추어졌기 때문에 이번에 일반 공개를 하게 되었다고 한다.

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