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엄지용 자동차부품연구원 선임연구원/공학박사[2018년 신년특집]

“무인이동체 동력원의 핵심 Li-S전지가 뜬다”



현재 무인이동체(항공, 자동차, 선박 및 로봇 등)를 위한 친환경적 고성능·고효율 동력원 기술은 기존의 화석연료기반 이동체의 기술이 아닌 전력기반 이동체의 기술이 적용되고 있으며, 전력기반 이동체는 화석연료가 아닌 이차전지 및 연료전지 등으로 직간접 ‘고출력 전기 동력’을 생성해 구동하는 이동 시스템을 말한다.

이런 전력기반 이동체 중 고출력 전기 동력을 가장 활발히 적용하고 있는 분야는 자동차 분야로, 여기서 전력기반 자동차는 이차전지와 전기모터의 동력만으로 구동이 되는 전기차(EV), 전기모터와 내연기관 병행장착으로 외부로부터의 전기 충전이 가능한 플러그인 하이브리드차(PHEV), 내연기관 구동 시 발생하는 전기를 이차전지에 저장·활용하는 하이브리드차(HEV), 연료전지를 활용해 수소와 산소 반응으로 전기를 생산하여 구동되는 연료전지차(FCEV)로 구분할 수 있다.

전력기반 자동차 중 HEV, PHEV 및 FCEV 시스템은 현재 전 세계 대부분의 상용차 제조사에서 적용돼 양산되고 있는 시스템이며, 궁극적으로 무인이동체에 사용될 시스템은 EV 시스템이다. 현재 대부분의 EV 시스템에 사용되는 이차전지는 리튬이온(Li-ion) 전지가 적용 중이나, Li-ion 전지의 경우 낮은 에너지밀도로 인해 주행거리의 한계를 나타내고 있으므로 무인이동체의 임무 수행시간을 증대시키기 위해서는 고성능·고효율의 차세대 고용량 이차전지의 개발이 필요한 시점이다.

■ Li-S 전지 원재료비, LIB比 50% 저렴

차세대 고용량 이차전지 후보로써 리튬-황(Li-S) 전지가 최근 많은 관심의 대상으로 논의 되고 있으며, Li-S 전지는 300 Wh/kg 이상의 높은 중량 에너지밀도를 가지고 있어, 비용 측면에서 Li-ion 전지보다 훨씬 유리한 입장에 있으며, Li-ion 전지를 가장 빠르게 대체할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

Li-S 전지는 리튬금속을 음극, 유황을 양극활물질로 사용하고 유기/무기 전해질을 이용하는 전지로써 저가격 및 고에너지밀도의 특징을 가지며, 방전 시 리튬금속으로부터 리튬이온이 나와 유황과 산화반응을 일으켜 폴리설파이드를 형성하고 리튬과 연쇄적으로 반응을 일으키는 메커니즘을 가지는 전지 시스템이다. 향후 무인이동체의 임무 수행시간을 증대시키기 위한 고성능·고효율의 차세대 고용량 이차전지로 사용이 기대되고 있다.

2012년 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)에서는 Li-ion 전지와 Li-S 전지에 대한 원재료비 비교를 실시한 결과 전기차 10만대 생산 시 원재료비는 약 $65/kWh 수준으로 Li-ion 전지 대비 1/2 이하의 원재료비를 갖는 것으로 발표하였다.

Li-S 전지의 주원소인 설퍼(황)는 가격이 저렴하고, 생산량이 풍부하며, 석유정제과정의 부산물 혹은 폐기물로도 황을 얻을 수 있어 전지 제조단가를 낮출 수 있으며, 안전하고 독성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 Li-S 전지는 발전 전망이 매우 밝은 차세대 전지로 평가받고 있다.

■ 글로벌 기업들의 Li-S전지 개발 동향

2013년 미국 오크리지국립연구소(ONRL)가 고체 황을 전극재료로 사용한 Li-S 전지를 개발, 기존 Li-ion 전지의 발화문제를 근본적으로 해결했음을 보도했고, 미국 에너지부 DOE 지원을 받은 ORNL 연구팀이 Li-S 전지를 시험해 본 결과 Li-ion 전지보다 발화 가능성, 제조가격, 수명, 안전성 등에서 월등하다는 사실을 밝혀 Li-S 전지의 시장 형성에 청신호를 밝혔다.

독일의 BASF에 5000만 달러에 인수된 미국의 Sion Power 사는 2000년 초부터 ARPA-E 과제로 연간 500만 달러 규모의 Li-S 전지 관련 연구를 수행중이며 PolyPlus 사에서는 450만 달러 규모로 ARPA-E 및 영국 국방부 과제를 진행 중이다. Sion Power 사의 경우 2.5 Ah급 Li-S 전지로 350 Wh/kg 수준의 에너지밀도를 실현하였고 수명 특성의 경우 30~40 회로 추정되고 있다.


리튬-황 전지, 지비용·고밀도로 LIB대체 가능성 高

무인이동체 주도권 위한 Li-S 핵심기술 확보 필요



일본의 경우 최근 들어 도요타자동차에서는 동경공대와 공동으로 전고체 전해질을 적용한 Li-S 전지에 대한 연구 개발을 진행 중이며, Sion Power 사와 더불어 Li-S 전지에 대한 가장 활발한 연구를 진행하는 회사인 영국의 Oxis Energy 사는 2014년 300 Wh/kg 의 에너지밀도를 갖는 5Ah급 전지 개발을 완료했다고 발표했으며, 현재 25Ah급을 개발 중이다.

Oxis Energy 사의 고에너지밀도 5 Ah 셀의 경우 300 Wh/kg의 에너지밀도와 수명은 100회 내외 수준이며, 장수명 5 Ah급 전지의 경우 160 Wh/kg의 에너지밀도와 1,000회(DOD 80% 충방전)의 수명을 보유하고 있다고 보고되고 있다.

국내의 Li-S 전지 관련 연구는 경상대, 한국기술교육대, 울산과기대 등에서 양극 소재 위주로
연구 개발이 진행되고 있으며, 탄소-유황 나노복합체의 경우 용량 800~1200 mAh/g 내외 및 코인셀 기준 수명 100회 미만의 기초 연구단계의 결과를 발표하고 있다. KIST 및 KETI 등의 연구 기관에서는 정부 과제 및 기업 과제로 2011년부터 소규모 proto-type 전지를 제조하는 연구를 수행 중이며, 기업으로는 2000년대 초반 삼성 SDI에서 Li-S 전지 연구를 진행하였으나 사업화에까지 이르지 못하였고 최근 LG화학 및 현대자동차 등에서 차세대 고에너지밀도 Li-S 전지 연구를 진행하는 등 산업계의 관심이 증대되고 있는 실정이다.

■ Li-S 전지 핵심기술

Li-S 전지의 핵심기술은 6개로 볼수 있다.

첫번째는 고용량/장수명 황 양극 소재 기술이다. 고에너지밀도를 나타내는 Li-S 전지 구현을 위해서는 3 mg_sulfur/cm2 이상의 높은 면적밀도에서 1,200 mAh/g_sulfur 이상의 높은 황 활물질 활용률 발현이 가능하다.

두번째는 리튬 메탈 음극 안정화 기술이다.3 mA/cm2 이상의 전류밀도에서 1000 사이클의 수명을 확보하기 위한 Li dendrite 억제 및 폴리설파이드와의 반응 억제를 위한 음극 보호막 기술이다.

세 번째는 고용량의 신규 음극 소재 기술이다. Li metal free 전지 구현을 위한 Li 이온계 음극 소재 및 구조 설계를 통한 Li pre-doping 기술 및 polysulfide와의 반응 억제 음극 표면처리 하는 기술이다.

네 번째는 Polysulfide의 투과를 억제하는 분리막 기술이다. 높은 리튬이온전도도를 가지며 용출된 polysulfide의 투과를 억제하는 선택적 투과 분리막 기술 및 분리막과 음극 보호막의 기능을 가지는 고분자/고체 전해질 기술이다.

다섯번째는 Polysulfide의 용해도를 제어하는 전해액 기술이다. Polysulfide 용해도 제어 전해액 및 고안정성 전해질 기술 및 양극 및 음극 표면 보호막을 형성을 시키는 기능성 첨가제 기술이다.

여섯 번째는 Li-S 전지 설계 및 제조 기술이다. Li-S 전지 제조를 위한 대면적 전극 제조 기술 및 Polysulfide와의 부반응 방지를 위한 집전체 및 단자 등의 표면 제어 기술 및 고에너지밀도 구현을 위한 전해질량 최소화 설계 기술이다.

■ 차세대 고에너지밀도 이차전지 분야 연구해야

향후 우리나라가 무인이동체 시스템의 세계 시장에서 주도적 위치를 확보하기 위해서는 가까운 미래에 실용화 될 것으로 예상되는 고성능·고효율 전기 동력원 핵심 기술을 조속히 확보하여야 하며, 이를 위해서는 핵심 부품인 차세대 고에너지밀도 이차전지인 Li-S 전지의 핵심 요소기술 확보 및 개발이 시급한 실정이다.

최근 Li-ion 전지의 급격한 수요 증가로 이차전지 생산기업에서는 생산 및 공급 확대를 위한 기술 개발에 집중하고 있으므로 차세대 고에너지밀도 이차전지 분야에 대한 연구 개발이 중요한 시점이며, 차세대 고에너지밀도 이차전지 기술의 목표는 인터칼레이션 메카니즘을 기반으로 하는 Li-ion 전지의 선행 연구로는 달성하기 어려우며, 기존 이차전지 시장을 대체할 수 있는 핵심 기술이 될 것이다.
2012년 미 LBNL의 Li-ion 전지 및 Li-S 전지 원가 구조 비교 자료
Li-S 전지 핵심기술별 개발 로드맵(출처: 2014 에너지기술 이노베이션로드맵)

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