o 리튬황배터리

- (정의) 음극재로 리튬 금속을, 양극재로 황을 사용한 이차전지

* 리튬이온배터리는 음극재로 흑연·실리콘을, 양극재로 금속 산화물을 사용

- (작동원리) 황의 단계적 산화·환원 반응에 의해 충전·방전된다

▶ (충전) 황화리튬(Li2S)가 산화되어 황(S8)이 되는 과정에서 전기에너지가 충전된다

▶ (방전) 황(S8)이 환원되어 황화리튬(Li2S)이 되는 과정에서 전기에너지가 방전된다

- (장·단점) 리튬이온배터리 대비 높은 에너지밀도·경제성 등이 장점이나 상용화를 위해 낮은 수명 등의 문제가

해결되어야 한다

① 장점

▶ (경제성) 리튬이온배터리가 양극재로 가격이 비싼 코발트 등을 사용하는 반면, 리튬황배터리는 저렴한 황을

사용한다

* 황은 지구에서 풍부하게 발견되는 원소이며, 석유 정제 과정에서 부산물로 생산된다

▶ (무게) 니켈, 코발트 등 금속 물질보다 가벼운 황을 이용하여 배터리의 경량화가 가능하다

▶ (에너지밀도) 소재의 물성 차이에 의해 리튬황배터리는 리튬이온배터리에 비해 에너지밀도가 1.5배 이상

높은 고용량 배터리다

* 소재별 용량(mAh/g) : 황 1675, NCM 200

② 단점

▶ (수명) 충·방전 과정에서 생성되는 황화리튬(Li2S8)이 유기 전해액에 용해되어 배터리 수명·용량이 저하된다

▶ (안전성) 충·방전이 반복됨에 따라 음극 표면에 나뭇가지 모양의 덴드라이트가 형성되면서 화재 위험성이

커질 수 있다

▶ (전기전도도) 황은 비전도성 물질로 전기전도도가 낮아 배터리 충·방전 속도에 영향을 줄 수 있다

(적용분야) 가벼운 무게와 높은 에너지 밀도가 장점이나 대규모 상업화의 어려움으로 드론·무인기·도심 항공

모빌리티 등 항공 분야에 우선 적용될 것으로 전망된다

▶ (사례) LG에너지솔루션은 2020년 한국항공우주연구원에서 개발한 무인기에 리튬황배터리를 탑재하여 성층권

최고 고도에서 총 13시간의 시험비행에 성공하였다

    o 리튬공기배터리

- (정의) 리튬금속을 음극재로, 공기 중 산소를 양극재로 사용하는 이차전지

- (작동원리) 리튬의 산화·환원 반응에 의해 충전·방전된다

▶ (충전) 산화리튬이 환원되어 리튬과 산소가 생성되면서 전기에너지가 충전된다

▶ (방전) 리튬금속이 공기 중의 산소와 반응하여 산화리튬이 되면서 전기에너지가 방전된다

- (구조) 리튬공기배터리는 전해질의 종류에 따라 구분된다

① 유기계 전해질

▶ (장점) 유기계 전해질은 리튬금속과의 반응성이 낮아 안전성과 에너지밀도가 높다

▶ (단점) 충전시 과전압이 높고 방전시 부산물로 생성되는 산화리튬(Li2O2), 탄산리튬(Li2CO3)이 양극의 기공을

막아 충·방전 효율과 배터리 수명이 낮다

② 수계 전해질

▶ (장점) 방전시 부산물로 수산화리튬(LiOH)가 형성되어 충·방전 효율이 유기계에 비해 높다

▶ (단점) 수용성 전해질과 음극의 접촉을 막기 위한 보호막이 필요하며 에너지밀도가 유기계에 비해 낮다

➂ 고체형 전해질

▶ (장점) 수계 전해질에 비해 안전성이 높고 유기계 전해질에 비해 충전시 과전압이 낮다

▶ (단점) 액체 전해질보다 이온전도도가 낮아 충전속도가 느리며 전해질과 양극·음극활물질간 접촉계면의

면적이 작고 계면저항이 커서 배터리 성능이 저하될 수 있다

➃ 하이브리드형 전해질

▶ (정의) 음극 측에는 유기계 전해질을, 양극 측에는 수계 전해질을 사용한다

▶ (장점) 유기계 전해질의 안전성과 수계 전해질의 충·방전 효율을 동시에 구현할 수 있다

▶ (단점) 유기계 전해질에 비해 에너지밀도가 낮고 분리막이 필요하여 배터리 구조가 복잡하다

- (장·단점) 에너지밀도와 출력이 높으나 수명이 짧고 충·방전 저장용량이 낮다

① 장점

▶ (에너지밀도) 리튬이온배터리에 비해 이론적인 에너지밀도가 약 4배 높아 배터리의 경량화에 유리하다

▶ (친환경성) 정·제련 과정에서 환경오염을 유발하는 금속이 아닌 다공성 탄소를 양극으로 사용하고, 충전시

산소가 배출되는 친환경적 배터리다

② 단점

▶ (안전성) 리튬 금속을 음극으로 사용하면 충·방전이 반복됨에 따라 음극 표면에 나뭇가지 모양의 덴드라이트가

형성되면서 화재 위험성이 커질 수 있다

▶ (수명) 음극의 덴드라이트 형성, 양극의 산소·리튬간 접촉면적 저하 등으로 인하여 충·방전 저장용량이

낮고 수명이 짧다

- (적용분야) 공기 중 산소를 양극재로 사용해 리튬이온배터리에 비해 가볍고 에너지밀도가 높아 전기차에

  적용되면 주행거리가 개선될 것으로 기대된다