[차세대전지 시리즈-2] 리튬 황전지(Lithium-Sulfer Battery)

리튬황전지(Lithium-sulfer battery)는 기본적으로 리튬공기전지와 특성이 매우 흡사하기에,

 

리튬공기전지에서 다루었던 내용은 재정리 하지 않았습니다..

 

여유있으신분은 하기 리튬공기전지 글부터 읽으시면 이해에 큰 도움이 될듯합니다..:)

 

*리튬공기전지 링크

[차세대전지-1] : 리튬공기전지 (1)

https://limitsinx.tistory.com/16

 

[차세대전지-1] : 리튬공기전지 (2)

https://limitsinx.tistory.com/17

 

 

"리튬 황전지" 

 

 

 

리튬-황 전지는 리튬이온배터리와 전고체전지 다음으로 추앙받는 2개의 차세대배터리(리튬공기전지, 리튬황전지)중 하나입니다.

 

리튬공기나 리튬황전지도 종류에 따라서는 전고체 전해질이 필요하기에.. 전고체전지의 일종으로도 볼 수 있을듯한..

 

둘다 음극재(Anode)를 리튬금속(Lithium metal)으로 쓰기때문에 장/단점 및 한계점도 유사한 부분이 아주 많습니다.

 

리튬 황전지는 초기(근본)기술 관련해서는 아주 많이 개발되었지만, 상용화되지 못한 치명적인 이유가 있는데요

 

출처 : 한국과학기술연구원(KIST)

 

바로 '리튬폴리설파이드(Li2S2)'의 높은 용해성 때문입니다.

 

리튬공기전지와 마찬가지로 리튬-황전지는 방전을 하게 되면 양극재쪽에 얇은 막이 생기게 됩니다.

 

리튬공기전지의 peroxide처럼 lithium polysulfide(이하 sulfide)가 생기는데 다시 충전을 하려고 하면

 

이 sulfide를 분해해줘야 하기 때문에 overpotential이 생기게 되고, 이는 충/방전 효율 저하를 일으킵니다..

(리튬공기전지에서 peroxide로 설명한 내용과 메커니즘이 동일합니다.)

 

또한, 이론적으로는 sulfide만 생기지만 실제로는 전해액과 반응을 일으켜 부산물들을 많이 만들어내는데

 

capacity fading이 많이 일어나 사이클에 따른 수명감소도 치명적이죠 :)

 

출처 : 한국과학기술정보연구원(KISTI)

 

즉, 리튬공기전지와 아주 흡사한 메커니즘입니다.

 

황(Sulfer)도 산소와 마찬가지로 전자전도도가 매우 낮기때문에 다공성 유기물질을 전도성 물질로 넣습니다.

(CNT(탄소나노튜브)나 C계열)

 

전도성 카본 및 고분자 등과 복합체, 코팅등의 기술이 필수적으로 요구되기에 배터리의 에너지밀도가 낮아지며 원가가 올라가게 됩니다.

 

이것은 큰 문제인게 리튬-공기전지와 리튬-황전지의 최대 장점은 '가벼운 무게' = 높은 중량에너지 밀도입니다.

 

그런데 무게가 올라가면, 장점이 없어져 버리는 것이죠..

 

출처 : https://stockplus.com/m/investing_strategies/articles/1740

sulfide는 유기전해액에 대한 용해도가 높아 방전반응중에 지속적으로 녹아나면서 양극소재(황)의 양이 감소하고 수명이 떨어집니다.

 

충/방전이 반복적으로 일어날때 황이 지속적으로 전해질에 용해되어 녹아, 결국에는 황의 양이 감소하는 이것을 'shuttle mechanism'이라고 부릅니다.

 

다른 문제로는, 리튬금속을 음극으로 사용하면 안정성 저하가 일어나는데요

 

반응성이 높은 리튬을 음극재로 사용하다보니 전해액과 반응을 하는것을 SEI 형성 억제를 위한 첨가제로 조절 해준다곤 하지만,

 

리튬이온배터리와는 다르게 음극재에 있는 리튬이 직접 이온화되어 양극재로 이동하는 메커니즘이다보니 부반응 자체가 많이 일어나기도 합니다.

 

이로 인해 덴드라이트(dendrite)문제도 LIB(Lithium-ion-battery)보다 많이 일어나게 되구요..

 

출처 : https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/06/26/2020062603479.html

 

그래서 현재 리튬-황전지 연구분야의 메인은 sulfide 용출 억제를 위한 전해질 개발입니다.

 

즉, shuttle mechanism이 일어나지 않게끔 해주는 고분자 복합체나 화학촉매를 만들어주는 것이죠.

 

하지만, 이런 고분자 전해질의 구동을 위해서는 온도가 높아야 한다는 단점이 있기에, 이 기술로 상용화가된다면 전고체전지처럼 작동온도가 상향평준화 될수도 있습니다.

 

이런 여러가지 단점들이 해결만 된다면

 

현재의 리튬이온배터리의 10배 이상에 해당하는 용량과 엄청나게 가벼운 전지를 사용할 수 있게되어

 

비단 자동차뿐만아니라 전기비행기(UAM)까지도 가능하게 해줄 것이기에 연구가치가 아주 높은 분야라고 할 수 있습니다.

 

+ 현대자동차와 도요타가 적극 추진중인 UAM(Urban Air Mobility)는 이런 무게가 낮은 배터리를 쓰는게 필수적입니다.

 

출처 : Hyundai motors, CES2020 UAM