지난 7월 8일, 정부와 K배터리 기업들은 전고체 배터리, 리튬황 배터리 등 차세대 배터리를 중점적으로 개발해 나갈 것이라고 선언했다. 특히 2025년까지 리튬황전지, 2027년 전고체전지를 개발할 것이라고 밝혔다.

전고체 배터리와 리튬황 배터리는 현재 주로 사용하는 리튬이온 배터리의 한계를 극복한 차세대 배터리이다. 하지만 전고체 배터리에 비해 리튬황 배터리에 대한 관심도가 낮은 것은 사실이다. 현 배터리 시장에서는 전기차 수요가 많은데, 전고체 배터리가 안정성, 용량, 성능 등 다방면에서 차량용 배터리에 좀 더 적합하기 때문이다. 따라서  리튬황 배터리는 전고체 배터리만큼 활발하게 연구가 진행되고 있지는 않고 있다. 언론에서도 전고체 배터리만큼 자주 언급이 되지 않고 있으며, 관련 자료도 비교적 적다.

우선 리튬황 배터리는 양극 소재로 황, 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는 전지를 말한다. 모든 배터리의 원리는 동일하다. 양극, 음극, 그리고 그 중간에 전류가 오갈 수 있는 통로, 즉 전해질(고체의 경우에는 전고체)이 들어있는 것이 기본적인 배터리의 구조다.

기존에 주로 사용되는 리튬이온 배터리의 경우에는 양극재에 니켈, 코발트, 망간 등이 들어가 있었다. 용량을 늘리기 위해서는 니켈의 용량을 늘려야 하는데, 니켈의 용량만 무작정 늘리면 구조의 안정성이 낮아지기 때문에, 코발트를 통해 안정화를 시키는 것이 필요하다. 하지만 코발트는 가격이 비싼 소재이기 때문에 가격 경쟁력을 낮춘다는 한계를 가지고 있었다. 따라서 가격 경쟁력을 갖추면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 방안이 필요하다.

그런 의미에서 황은 주목받을 만한 소재다. 우선 황은 저렴하기 때문에 탑재 시 가격경쟁력을 가질 수 있다. 또한, 황이라는 물질 자체가 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 황을 사용하면 더 많은 에너지 용량을 확보할 수 있다. 낮은 가격의 고용량 배터리를 구현하기 위해서는 리튬황 배터리가 제격이다. 따라서 리튬황 배터리는 차세대 배터리로 거론되고 있다.

국내 배터리 3사 중에서 특별히 리튬황 배터리에 관심을 많이 가지고 있는 기업은 LG에너지솔루션이다. 지난 4월 진행한 배터리데이 2021에서 LG에너지솔루션은 2025년까지 리튬황 배터리를 상용화할 계획이라고 밝힌 바 있다. 지난 2020년 9월에는 리튬황 배터리를 탑재한 태양광 무인항공기를 높이 22km 성층권까지 비행시키는 데 성공한 바 있다.

하지만 다른 배터리 기업들은 리튬황 배터리에 큰 관심을 가지고 있지는 않다. 그 이유는 성능 저하 때문이다. 리튬황 배터리는 충전과 방전을 반복하면 황산화물이 생성돼 성능이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 따라서 평소에 사용하는 자동차에 탑재해 상시로, 오래 사용하기에는 한계가 있었다. 한 배터리 시장 전문가는 “리튬황 배터리를 전기차에 아예 탑재하지 못하는 것은 아니지만, 성능 면에서는 전고체 배터리가 워낙 뛰어나기 때문에 차량용 배터리라고 하면 일반적으로 전고체 배터리를 개발하고 있다”고 설명했다.

사실 전기차 시장을 목표로 삼는 배터리가 아니라면, 기업 입장에서는 큰 이득은 아니다. 전기차 수요는 지속해서 증가하고 있으며, 이에 탑재되는 배터리 비중도 높아지는 추세다. 결국 배터리 시장을 적극적으로 확장하기 위해서는 전기차용 배터리를 적극적으로 개발해야 하는데, 리튬황 배터리는 여기에서 조금 벗어나 있다는 것이다.

그럼에도 LG에너지솔루션이 적극적으로 리튬황 배터리를 개발하는 이유는 전기차 시장이 아닌 니치 시장에서의 경쟁력을 확보하기 위함이다. 배터리 시장 전문가는 “리튬황 배터리 같은 경우에는 배터리 1위 업체인 CATL도 주력하고 있지는 않기 때문에, 더더욱 경쟁력을 가질 수 있을 것”이라며 “비행기나 드론 등 항공 우주와 관련된 분야도 배터리 수요가 있기 때문에 이 시장을 노리는 것으로 보인다”고 전했다.

더불어 리튬황 배터리는 전고체 배터리에 비해 상용화하기 좀 더 쉽다. 기존에 사용하던 배터리의 구조를 그대로 가져와 양극재의 구조만 바꾸면 되기 때문이다. 따라서 리튬황 배터리는 차세대 배터리로 선보이기 가장 적합한 배터리라는 평가도 받고 있다.


LG에너지솔루션 관계자는 “현재 기준으로는 리튬황 배터리를 개발한 후, 항공 모빌리티(URM, Urban Air Mobility) 분야에 적용할 것으로 예상된다”고 전했다.

글. 바이라인네트워크
<배유미 기자> youme@byline.network


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