[2차전지] 차세대 배터리 개발경쟁 : 리튬황, 리튬메탈, 전고체

차세대 배터리는 리튬황, 리튬에어, 나트륨 배터리 3가지임.

 

리튬황의 특징은 에너지 밀도가 높은 대신에 원자재 가격이 낮음. 리튬에어는 리튬황 대비 2배의 에너지 밀도를 가지고 있음. 나트륨 배터리는 낮은 에너지 밀도가 문제임. 공통적으로 짧은 수명이 문제인데 이것을 해결하는 것이 중요한 기술임. 특히 황 원소 특성에 기인한 용량 감소 해결이 중요함 과제임.

 

양극재의 특성 중 중요한 것은 전압. NCM이 3.7볼트, 리튬 에어가 3.2볼트, 리튬 황은 2.2볼트로 다소 전압이 낮음. 하지만 NCM대비 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 차세대 배터리 소재가 될 확률이 높음.

 

기존 리튬 이온 배터리는 리튬이온을 흑연에 삽입하는 intercalation 원리로 구조적 변형이 최소한으로 유지되는 방식으로 전기적 에너지가 생성됨. 리튬 황은 황의 화학적 환원 방식을 이용하여 전기 에너지를 생성함.

 

리튬 황은 8개의 황원소가 결합된 물질에서 시작이 됨. Li2S8에서 시작이 되어서 황이 여섯 개, 다섯 개, 네 개로 줄어들면서 최종적으로 환원된 상태의 불용해성 물질인 Li2S 황결합물을 생성하게 됨. 이 전체적인 방전과 충전의 과정을 셔틀이라는 용어를 사용하고 여덟 개가 결합된 황이 리튬 황으로 순차적으로 변화되면서 방전과 충전이 일어나는 원리임. 이것이 리튬 이온 배터리 인터칼레이션과 차이가 있는 부분임.

 

리튬황의 가장 큰 문제점은 전기적 전도도가 낮다는 것. 기존 리튬 이온 배터리는 전도성 소재로 구성되어 있는데 리튬황 배터리의 생성물인 Polysulfide는 비전도성 물질로 이를 극복하기 위해 전도성 물질에 어떠한 방식으로든 접촉이 되어야 함. 이 전도성 물질은 금속이 될 수도 있으나 일반적으로 탄소가 적용되고 있음. 리튬황은 충방전시 부피팽창이 원물질에 비해 80%까지 육박하게 되고 이 때 양극 물질이 다공성탄소에 스트레스를 받게 되어 전기적 전도성이 약해진다고 함. 지금 현재 나오는 리튬황 배터리의 수명은 수백사이클 이내에 머무르고 있음.

 

복잡한 양극재 기술을 개발하는 것이 가장 중요한 사항임. 카본첨가제와 폴리머 바인더들에 대한 연구가 많이 이루어지고 그래핀 소재도 많이 적용되고 있지만 이 탄소 복합체 자체가 상당히 만들기 어렵고 대량 생산이 쉽지 않은 물질이라는 것이 해결과제임.

 

배터리 용량 경쟁에서 배터리 안정성, 배터리 기술에 대한 경쟁이 시작됨.

 

 

차세대 배터리 개발 경쟁.pdf

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https://youtu.be/eTbun2K6i2E