리튬-황 배터리(LSB) : 리튬-황 배터리란? - 장단점 feat. 비행기(UAM)

가벼운 리튬-황 배터리(LSB)

배터리 업체로선 반가운 시장, UAM (Urban Air Mobility)

배터리는 과거에도 휴대폰, 전동공구 등에 쓰였지만,
수요도 작고 사용용량도 적어서 크게 주목받지는 못 했습니다.
하지만 최근에 전기차 시장이 대두되면서 많은 양의 배터리가 필요하게 되었죠.
그래서 이 수요에 맞춰 너도나도 배터리 산업에 뛰어들고 있습니다.

그런데?! 요새 기사들 보면 이 단어를 보셨을 겁니다. 바로 '성장 둔화'
물론 제 생각엔 이게 길게 가지 않을 거라 보지만,
배터리 업계에서는 고민이 생기게 되는 것이죠.
하지만, 배터리를 꼭 전기차에만 탑재 하지 않아도 됩니다.

바로 UAM라는 시장이 곧 시작될 것이기 때문이죠.
그렇게 되면, 자동차 OEM들의 눈치도 덜 볼 수 있고,
훨씬 더 큰 수요가 존재하는 시장이 생기게 된다는 얘기입니다.
오늘은 서론이 좀 길었습니다만,

이러한 UAM에 탑재될 가능성이 높은 차세대배터리가 바로 리튬-황 배터리입니다.

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리튬-황 배터리란?

기존 리튬이온배터리와 다른 점은 아래 그림과 같이
리튬-황 배터리 양극에선 황을 사용한다는 점과

LIB vs LSB 비교

충전 기준, LIB는 리튬이 흑연음극 층 사이에 삽입(insertion or intercalation) 되었다면,
LSB에서는 리튬이 황과 반응하여 conversion 반응이 일어난다는 게 다릅니다.
(S8이 방전 시 리튬이온과 반응하여 Li2S가 됨)

LIB vs LSB 리튬이온 반응 차이

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리튬-황 배터리(LSB)의 장점은?

먼저 리튬-황 배터리는 황의 특성 덕분에 LIB 대비 무게 당 에너지 밀도가 높습니다.
즉, 음극에서 되돌아오는 리튬이온을 더 많이 받아들일 수 있습니다.
(S은 16개의 Li과 conversion 반응을 할 수 있습니다.)
이 경우, 리튬이온이 같은 공간에 덜 밀집하기 때문에 여러 이점들이 생기게 됩니다.
(병목현상이 줄어든다 라고 이해하시면 되겠습니다.)

여러 배터리의 에너지 밀도 비교 표 (가운데, 주황색 = Li-S 배터리)

LMB vs LSB 리튬이온 이동 거동 비교

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두 번째 장점은 양극재인 황의 저렴한 가격입니다.
황은 NCM에 들어가는 망간의 1/20, 니켈의 1/200, 코발트의 1/500 수준의 가격이며,
정유 업계에서는 골치아픈 물질입니다. 그래서 기존엔 화장품 업계에 아주 싼 가격에 버리는 수준이었죠.

골칫덩이서 황금알 된 '황(黃)'... 정유-배터리社 '황 리사이클링' 주목 - 시장경제

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리튬-황 배터리(LSB)의 단점은?

세상 이치가 좋은게 있으면 나쁜 게 있듯이 LSB에도 명확한 단점이 있습니다.
우선 메커니즘을 자세히 살펴봐야 합니다.
여기서 Li2S8 ~ Li2S2를 리튬폴리설파이드 (LiPS)라 명명합니다.
메커니즘을 보면, Li2S가 충전 시 종국엔 S8 형태로 남는데,
문제는 4가지 입니다.

1. LiPS dissolution 문제 : 전해액으로 LiPS가 용해됨, 전해액 부족 현상
2. LiPS → Li2S 과정, 즉 방전 과정에서 Energy Barrier가 충전보다 높다 = 방전이 어렵다.
3. 부도체인 Li2S로 인해 야기되는 전극 표면의 Passivation : 전자 이동 방해 야기
4. 리튬메탈음극 사용 시 덴드라이트 성장으로 인한 문제

이렇게 되면, 생기는 문제점들은 아래와 같습니다.
▶ 설계 상 많은 전해질을 넣어줘야 하기 때문에 무게가 늘어나고, 단가도 상승할 겁니다.
▶ 황 자체가 전도성이 없는 부도체이기 때문에 에너지 전달 효율도 좋지 않고,
     도전재가 더 많이 필요하여 셀 자체의 단가가 상승될 것
▶ 그리고 방전이 어렵고 위와 같은 이슈들 때문에 사이클에 따른 용량 감소,
     즉 사이클 성능이 좋지 않다는 것입니다.

리튬-황 배터리 반응 메커니즘

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다음 시간에는..

오늘은 기본적인 리튬-황 배터리에 대해서 알아봤습니다.
이런 개념적인 글들은 길게 쓰면 안 좋아하시더라고요..^^
그래서 오늘은 이 정도만 알아보고,
다음 글에서는 양극, 음극, 전해질 각 소재별 단점을 보완하기 위한 방법이 어떤 게 있는지 알아보겠습니다. 

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