1. 리튬 황 배터리 구조와 작동원리
‘전고체 전지’와 더불어 현재 널리 상용화된 ‘리튬 이온 전지’의 후속 차세대 전지로 고려 되고 있는 ‘리튬 황 전지’에 대하여 알아보겠습니다. ‘리튬 황 전지’는 일반적으로 현재 사용중인 리튬이온 배터리와 다른 구조로, 양극에는 황(S₈), 음극에는 리튬메탈이 적용되어 있습니다. 역시 산화환원 반응을 이용한 전자의 이동으로 전기를 이용하게 되는데 ‘리튬 황 배터리’는 조금 다른 방식으로 진행되게 됩니다.
[방전 시]
양극의 S8(황)이 전해액에 용해된 상태로 양극에서 음극으로 이동하게 됩니다. 그리고 음극의 리튬 메탈에서 전자(-)를 내어주고 빠져나온 Li+(리튬이온)과 결합하여 연속적인 환원 반응으로 점점 더 낮은 단량체의 황화리튬(폴리설파이드)이 생성됩니다’ (Li₂S₈ → Li₂Sₙ → Li₂S₂’)
[충전 시]
방전과 정확히 반대의 매커니즘으로 ‘Li₂S₂ → Li₂Sₙ → Li₂S₈ → S₈’ 의 과정으로 다시 고리 구조의 황(S₈)으로 돌아오게 되고 음극에는 전자(-)가 돌아와 다시 리튬금속의 형태로 쌓이게 됩니다.
위와 같이 충,방전이 반복되면서 ‘황’과 ‘폴리설파이드’로의 변형이 둥글게 반복되어 이러한 ‘셔틀 메커니즘’ 형태를 띄고 있습니다.
2. 리튬 황 배터리의 장점
1) 높은 에너지 밀도(이론적 밀도)
이론적으로 양극에 황을 적용하게 되면 약2600Wh/kg의 에너지 밀도로 일반적인 리튬전지(570Wh/kg)보다 약 5배의 에너지 밀도를 가지는 이점을 가지고 있습니다.
2) 가격 경쟁력
전세계적으로 풍부한 매장량을 가지고 있고 ‘리튬 황 전지’에는 니켈이나 코발트 등의 비싸고 희긔한 금속이 사용되지 않아 추가로 친환경적이라는 장점도 가지고 있습니다.
3) 가벼운 무게
가벼운 황의 무게로 현재의 리튬이온 배터리와는 다른 어플리케이션에 응용될 것으로 기대 할 수 있습니다. 대표적으로 항공이나 선박등 무게에 민감한 운반 또는 이동수단의 것에 적용 될 기대를 가지고 있습니다.
3. 리튬 황 배터리의 단점
1) 황화리튬(폴리설파이드)의 용해
앞서 설명 드린 리튬 황 배터리의 충,방전 매커니즘이 반복 되면서 생기는 폴리설파이드(Li₂Sₙ)가 배터리 내부 전해액에 용해도가 높아 실제 용량이 점차 줄어들게 되어있습니다. 전해액의 변경과 같은 방법으로 이를 최소화 하고자 하는 연구가 계속되고 있습니다.
2) 리튬메탈의 위험성
‘전고체 전지와’ 마찬가지로 에너지 밀도면에서는 상당한 이득을 가져오지만 음극에 존재하는 ‘리튬메탈’의 불안정성은 또다른 상용화의 걸림돌이 됩니다.
3) 전기 전도도
황은 실질적으로 낮은 전기전도도 성질을 가지고 있습니다. 이를 위해 다공성 탄소 소재에 황을 분산 시켜 전극을 제조하는 방식이 적용됩니다.
4) 낮은 구동전압
구동 전압이 1.5V~3V로 리튬 이온 전지보다 낮아 이론적으로는 실현 희망 전압을 위한 전지의 갯수가 늘어날 수 밖에 없습니다. 하지만 리튬 이온 전지보다 높은 에너지 밀도로 단점이 보상 되게 됩니다.