리튬-황 전고체 배터리의 획기적인 기술 혁신

프라운호퍼의 리튬-황 배터리 기술 진전

이번 주 드레스덴의 Fraunhofer Institute 연구팀은 운송 수단 적용을 위한 에너지 밀도의 새로운 지평을 열 차세대 전고체 리튬-황(Li-S) 배터리의 실험실 연구 결과를 발표했다. 초기 테스트에서 연구진은 대부분의 상용 리튬 이온 셀보다 상당히 높은 킬로그램당 600와트시(Wh/kg) 이상의 비에너지를 기록했다고 보고했으며, 상용화된 셀에서 킬로와트시당 약 86달러 미만의 비용으로 약 550Wh/kg에 도달하는 것이 목표라고 밝혔다. 이번 발표는 국가 및 유럽 수준에서 자금이 지원되는 두 개의 통합 R&D 노력의 일환으로 이루어졌으며, 연구 그룹은 소재의 조합과 무용제(solvent-free) 코팅 공정을 통해 이 기술이 기존 배터리 제조 라인과 호환될 수 있을 것이라고 설명했다.

지속적인 화학적 난제

리튬-황 설계는 황이 풍부하고 저렴하며, 전형적인 리튬 이온 양극 화학 조성의 중량당 에너지보다 약 두 배 높은 이론 용량을 제공하기 때문에 이론적으로 오랫동안 매력적인 대안으로 꼽혀왔다. 하지만 실제로 Li-S 배터리는 많은 충전 사이클을 견디는 데 어려움을 겪어왔다. 주요 원인은 이른바 '폴리설파이드 셔틀(polysulfide shuttle)' 현상이다. 사이클링 도중 중간 황 화합물이 전해질로 용해되어 음극으로 이동하고, 용량을 급격히 저하시키고 수명을 단축시키는 부반응을 일으키기 때문이다. 기존의 셀은 이러한 용해와 이동을 용이하게 하는 액체 전해질을 사용하므로, 활물질을 안정화하는 것이 수십 년간 Li-S 연구의 걸림돌이 되어 왔다.

프라운호퍼 접근 방식의 작동 원리

이러한 실질적인 세부 사항은 두 가지 이유에서 중요하다. 첫째, 고체 전해질은 용해된 황 화합물의 이동을 제한할 수 있는 물리적 장벽을 제공하여 용량 감소를 줄여준다. 둘째, 무용제 공정은 제조 에너지와 이산화탄소 배출량을 줄이며, 연구팀에 따르면 공장 전체를 재건축할 필요 없이 기존 리튬 이온 생산 라인에 맞게 조정할 수 있다. 이 연구는 독일 국가 이니셔티브인 AnSiLiS와 유럽의 Horizon Europe 프로젝트인 TALISSMAN이라는 두 프로그램을 통해 추진되고 있으며, 두 프로그램 모두 운송 및 산업용 Li-S의 장벽을 극복하는 것을 목표로 한다.

전기차에 미칠 영향

보고된 에너지 밀도가 스케일업 및 실제 테스트에서도 유지된다면 전기 모빌리티에 미치는 영향은 상당할 것이다. 중량당 에너지가 높으면 설계자는 동일한 차량 질량에서 주행 거리를 연장하거나, 주행 거리를 일정하게 유지하면서 배터리 무게를 줄일 수 있다. 가벼운 차량은 더 효율적으로 가속하고 서스펜션과 타이어에 가해지는 장기적인 부하가 적으며, 보충해야 할 질량이 적기 때문에 더 빨리 충전할 수 있다. 실질적으로 팩 수준에서 500~600Wh/kg 범위의 셀은 킬로미터당 원자재 수요를 줄이면서도 현재의 중형 모델을 훨씬 뛰어넘는 주행 거리를 가진 승용차를 탄생시킬 수 있다.

환경 및 공급망 측면의 이점도 있다. 황은 화석 연료 정제의 부산물이며 코발트, 니켈 또는 기타 배터리 금속보다 수만 배 더 풍부하다. 황 함량이 높은 양극으로 전환하면 희소한 핵심 원자재에 대한 의존도를 줄이고 잠재적으로 비용을 낮출 수 있다. Fraunhofer 팀은 또한 DRYtraec 공정이 기존의 습식 코팅 경로에 비해 생산 에너지와 이산화탄소 배출량을 최대 약 30%까지 절감할 수 있다는 점을 언급했다. 이는 Li-S의 미래가 대규모 생산 시 더욱 친환경적일 수 있음을 보여주는 초기 징후다.

제조, 배출 및 비용

드레스덴 연구팀의 매력적인 주장 중 하나는 현재의 리튬 이온 제조 인프라와의 호환성이다. 기존 시설에 적용 가능한 프로세스는 산업 친화적이다. 완전히 새로운 라인을 구축하는 것보다 낮은 자본 지출로 공장을 더 빠르게 재가동할 수 있기 때문이다. 연구진은 명확한 상용화 목표로 kWh당 86달러 미만의 비용으로 약 550Wh/kg을 설정했다. 이것이 달성된다면 킬로와트시당 비용이 구매자의 중심 지표로 남아 있는 전기차 시장에서 경쟁력을 갖게 될 것이다.

낮은 셀 비용과 가벼운 시스템은 전기차 구매자의 총 소유 비용(TCO)을 줄이고 충전 인프라에 대한 압박을 완화할 것이다. 가벼운 차는 더 효율적으로 가속 및 감속하므로 주행 사이클 동안 피크 전력을 덜 소모하기 때문이다. 하지만 실험실에서 조립 라인으로 가는 길은 이상적인 성능에서 수율, 품질 관리 및 장기 내구성이라는 까다로운 현실로 나아가는 과정이기도 하다.

해결 과제: 사이클, 확장성 및 안전성

실험실의 비에너지 수치는 중요한 이정표이지만 전부는 아니다. 초기 결과에는 팩 레벨의 엔지니어링 손실, 고율 충전 동작 또는 자동차 운행 온도의 변화에 따른 보존 수명이 거의 반영되지 않는다. Li-S 셀은 기계적 응력 문제도 해결해야 한다. 황은 반응하면서 부피가 변하며, 고체 전해질 자체는 팽창과 수축에도 불구하고 이온 접촉을 유지해야 한다. 고체 전해질과 전극 사이의 계면 저항 또한 전력 공급을 제한할 수 있다.

안전성은 철저한 테스트가 필요한 또 다른 영역이다. 고체 전해질은 가연성 액체 전해질보다 본질적으로 안전하다고 선전되지만, 새로운 소재와 스택 구조는 매번 새로운 고장 모드를 유발한다. 자동차 인증을 위해서는 배터리 화학 기술이 수백만 대의 도로 차량에 신뢰를 얻기까지 수천 시간의 가속 사이클 테스트, 천공, 열 폭주 및 충돌 테스트를 거쳐야 한다.

자금 지원, 일정 및 향후 단계

Fraunhofer 그룹은 독일 국가 프로그램(AnSiLiS)과 유럽 Horizon Europe 프로젝트(TALISSMAN)라는 연구 컨소시엄 내에서 이 작업을 진행하고 있다. 이러한 프레임워크는 실험실의 화학 기술을 실증 장치 및 파일럿 생산으로 전환하는 것을 명시적인 목표로 한다. 연구팀은 향후 몇 년 내에 완전한 시제품이 나올 것으로 예상하고 있으며, 상용화 확대 여부는 셀이 제시된 비용 범위 내에서 요구되는 사이클 수명, 안전 지표 및 제조 수율을 달성할 수 있는지에 달려 있다.

이것은 단일 연구실만의 노력이 아니다. 산업계의 채택을 위해서는 배터리 제조업체, 자동차 제조업체 및 장비 공급업체가 대규모로 소재를 검증하고, 필요한 경우 전극 코팅 라인을 조정하며, 차량 테스트를 위한 파일럿 팩을 제작해야 한다. 규제 기관 또한 장기적인 안전 프로파일을 평가해야 할 것이다. 이러한 과제들이 향후 몇 년 동안 해결된다면, Li-S 전고체 셀은 리튬 이온의 점진적인 개선과 다른 화학 조성에 대한 증가하는 관심을 보완하며 전기차 도구 상자의 완전히 새로운 옵션이 될 수 있다.

현재 드레스덴에서 들려온 소식은 완성된 제품이라기보다는 기술적인 진전이다. 이는 황의 높은 중량당 에너지라는 오랜 약속을 현대적인 공정 기술로 되살린 것이다. 진짜 시험대는 수명과 제조 가능성이 될 것이다. 수천 킬로미터를 주행하고, 반복적인 급속 충전을 거치고, 고온과 저온이라는 실제 환경의 스트레스를 받은 후에도 셀이 여전히 성능을 발휘하는지가 관건이다. 만약 그렇다면 자동차 제조업체와 구매자 모두 실질적인 영향을 체감하게 될 것이며, 그때까지 이 발표는 자동차 상용화라는 길고 비용이 많이 드는 여정에서 고무적이고 신중하게 자격을 갖춘 경유지가 될 것이다.

출처

• Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (Fraunhofer IWS), Dresden (전고체 리튬-황 셀 및 DRYtraec 공정 연구)
• AnSiLiS 프로젝트 (독일 연방 연구 이니셔티브)
• TALISSMAN (Horizon Europe 연구 프로젝트)
• DRYtraec 무용제 코팅 제조 공법 (Fraunhofer IWS)