리튬황 배터리 기술은 무엇이며 한국의 리튬황 배터리 기술 개발 현황은? - 지르코늄서 답찾다.

 

리튬황 배터리 기술이란?

1. 리튬황 배터리의 정의와 원리

리튬황(Li-S) 배터리는 기존의 리튬이온 배터리와 달리 양극에 황(Sulfur), 음극에 리튬(Lithium) 금속을 사용하는 차세대 2차전지입니다. 황은 지구상에 풍부하고 저렴하며, 독성이 낮아 친환경적입니다. 이론적으로 에너지 밀도는 5~8배까지 높을 수 있어, 같은 무게로 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.

• 작동 원리: 충전 시 리튬이 음극에서 양극(황)으로 이동하며, 방전 시 다시 음극으로 돌아옵니다. 이 과정에서 황이 리튬과 반응해 리튬폴리설파이드(Li2Sx)라는 중간체를 거치며 에너지를 저장·방출합니다.

2. 왜 리튬황 배터리인가?

• 고에너지 밀도: 전기차, 드론, 도심항공모빌리티(UAM) 등 경량·고용량 배터리가 필요한 분야에 적합합니다.
• 자원 친화성: 희귀금속(코발트, 니켈 등) 대신 황을 사용해 자원 확보 부담이 적고, 가격 경쟁력도 뛰어납니다.
• 친환경성: 황은 독성이 낮고, 폐기 시 환경 부담이 적습니다.

한국의 리튬황 배터리 기술 개발 현황

3. 글로벌 시장과 한국의 위치

• 시장 성장성: 2023년 기준 국내 리튬황 배터리 시장은 약 160만 달러, 2028년에는 1,096만 달러까지 연평균 46.9% 성장할 것으로 전망됩니다.
• 글로벌 경쟁: 중국이 전체 리튬황 배터리 연구의 85%를 차지하지만, 한국은 약 6%의 연구 비중을 보이며 선진국들과 상용화 경쟁을 벌이고 있습니다.

4. 한국의 주요 연구 및 개발 성과

4.1. 연구기관 중심의 혁신

• 한국전기연구원(KERI): 2025년 1,000mAh급 고용량, 대면적 파우치형 리튬황전지 시제품 제작. 에너지 밀도는 400Wh/kg으로 세계 최고 수준. 단일벽 탄소나노튜브와 산소 작용기를 결합한 신기술로, 리튬폴리설파이드 문제를 해결.
• 경상국립대학교: 두꺼운 황 전극(8.1mg/cm²)에서도 1,020mAh/g의 용량을 달성, 1,000회 이상의 충·방전에서도 안정적인 성능 확보. 전해질 사용량도 대폭 줄임.
• 포스텍: 음극 촉매 개선을 통해 안정성과 수명 문제를 해결.
• 대구경북과학기술원(DGIST): 충전 속도를 크게 개선할 수 있는 양극 소재 개발.

4.2. 기업 주도형 R&D

• LG에너지솔루션: 2020년 한국항공우주연구원과 무인기 실험 성공, 2027년 상용화 목표. 항공 분야에 우선 적용 예정.
• 삼성SDI, SK온: 내부적으로 리튬황 배터리 연구개발을 진행 중이며, 상용화 가능성 타진 중.

5. 리튬황 배터리 상용화의 난제와 해결책

• 리튬폴리설파이드 문제: 충·방전 과정에서 생성되는 리튬폴리설파이드가 전지 수명과 성능 저하의 주범입니다. 이를 억제하는 소재 및 구조 혁신이 상용화의 핵심입니다.
• 에너지 밀도와 내구성: 이론적 에너지 밀도는 높으나, 실제 셀 단위에서의 구현과 장기 내구성 확보가 과제입니다.
• 전해질 및 바인더 혁신: 전해질 사용량 최소화, 이온 전도성 바인더 등 신소재 개발이 병행되고 있습니다.

6. 국내 대표 연구기관 및 기업 동향

한국전기연구원(KERI)	1,000mAh급 파우치형 시제품, 400Wh/kg 에너지 밀도, 난제 극복 신기술 개발
LG에너지솔루션	무인기 실험 성공, 2027년 상용화 목표, 항공 분야 우선 적용
경상국립대학교	고용량·고내구성 전극, 전해질 최소화, 1,000회 이상 충·방전 안정성 확보
포스텍, DGIST 등	음극 촉매 및 양극 소재 혁신, 충전 속도 및 수명 개선

 

7. 지르코늄과 리튬황 배터리: 새로운 해법의 가능성

지르코늄 원자제어 도핑에 따른 리튬 폴리설파이드의 촉매 흡착에너지 조절 모식도.(사진=포스텍)

최근 연구에서 지르코늄(Zr) 기반 소재가 리튬황 배터리의 내구성과 수명 개선에 기여할 수 있다는 결과가 보고되고 있습니다.

• 지르코늄계 복합체는 리튬폴리설파이드의 이동을 억제하고, 전극 표면의 안정성을 높여 배터리의 수명 연장에 도움을 줍니다.
• 일부 국내 연구진은 지르코늄 산화물(ZrO2) 나노입자를 황 전극에 적용해, 용량 저하를 억제하고 충·방전 효율을 크게 높였습니다.

8. 향후 전망 및 과제

• 상용화 시기: LG에너지솔루션 등은 2027년 상용화를 목표로 하고 있으나, 대량생산, 가격경쟁력, 내구성 등에서 추가 혁신이 필요합니다.
• 응용 분야 확대: 드론, UAM, 전기차, 에너지저장장치(ESS) 등 경량·고에너지 배터리가 필요한 분야에 우선 적용될 전망입니다.
• 기술 경쟁력 강화: 중국 등 글로벌 선도국과의 격차를 줄이기 위해 정부·산학연 협력 및 R&D 투자 확대가 중요합니다.