리튬황(Li-S) 전지는 기존 리튬이온 배터리의 한계를 뛰어넘을 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있습니다. 황(Sulfur)은 지구상에 풍부하고 저렴한 물질이며, 리튬과의 조합으로 이론상 매우 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 특히 전기차, 드론, 항공우주 등 고에너지 밀도와 경량화가 중요한 분야에서 리튬황 전지는 강력한 후보 기술로 떠오르고 있습니다. 하지만 상용화까지는 아직 여러 기술적 과제가 남아 있습니다. 이 글에서는 리튬황 전지의 핵심 요소인 고체전해질, 리튬음극, 안정성 문제를 중심으로 최신 기술 동향과 과제를 살펴봅니다.
고체전해질 기술 진전
리튬황 전지에서 가장 큰 기술적 도전 중 하나는 충방전 과정에서 발생하는 폴리설파이드(polysulfide) 셔틀 효과입니다. 이는 황이 방전 과정에서 리튬과 반응해 중간생성물인 리튬 폴리설파이드를 생성하고, 이 물질이 액체 전해질을 통해 음극 쪽으로 이동하며 부반응을 일으키는 현상입니다. 그 결과 셀의 수명 저하, 에너지 효율 감소, 셀 용량 감소가 발생하게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 고체전해질 기술입니다. 고체전해질은 액체 전해질 대신 고체 상태의 전해질을 활용해 폴리설파이드의 확산을 물리적으로 억제하고, 셀 내부 반응을 보다 안정적으로 유지할 수 있게 합니다. 특히 황화물계 고체전해질은 높은 이온전도도(10^-3 ~ 10^-2 S/cm)를 가지며, 유연성과 가공성 또한 우수하다는 장점이 있습니다. 산화물계 고체전해질은 열적 안정성이 뛰어나고 공기 중에서도 안정하지만, 계면 저항이 크다는 한계를 가지고 있어 아직 연구개발이 더 필요한 상태입니다. 고분자계 고체전해질은 유연성과 가공성이 뛰어나지만 이온 전도도가 낮아 복합 전해질 형태로 활용되는 추세입니다. 최근에는 고체전해질에 나노 입자, 탄소 복합체 등을 혼합하여 이온전도도와 계면 안정성을 동시에 확보하려는 시도가 늘고 있습니다. 이러한 기술은 전고체 배터리와도 기술적으로 연계되며, 향후 리튬황 배터리의 상용화에 핵심적 역할을 할 것으로 기대됩니다.
리튬음극과 황계 양극의 조화
리튬황 전지는 이론상 약 2600Wh/kg의 에너지 밀도를 가질 수 있어 기존 리튬이온 배터리(약 300~400Wh/kg)보다 월등히 뛰어난 성능을 가집니다. 이처럼 높은 성능의 기반은 양극의 황과 음극의 금속 리튬 조합에서 비롯되지만, 두 전극 소재 모두 기술적으로 취약한 점이 많아 연구개발이 활발히 이루어지고 있습니다. 우선 금속 리튬은 고용량을 제공하지만, 충방전 과정에서 덴드라이트(dendrite)가 형성될 수 있다는 문제가 큽니다. 덴드라이트는 리튬이 불균일하게 증착되며 바늘처럼 자라는 구조로, 셀 내부를 관통하여 단락 및 화재를 유발할 수 있습니다. 이를 막기 위해 최근에는 인공 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층 형성 기술, 리튬합금 음극, 다공성 리튬 구조 등 다양한 기술이 연구되고 있습니다. 한편 양극의 황은 자연 상태에서 전도성이 매우 낮고, 충방전 시 부피 변화가 최대 80%에 달합니다. 이로 인해 양극 구조가 붕괴되기 쉬우며, 셀 수명이 크게 줄어들 수 있습니다. 이를 보완하기 위해 황을 다공성 탄소 매트릭스에 삽입하거나, 나노복합체로 코팅하여 안정성을 높이는 방법이 적용되고 있습니다. 또 한 가지 방법으로는 황 대신 리튬 폴리설파이드를 직접 주입하여 반응성을 높이고, 셀 내부에서 반응이 고르게 일어나도록 유도하는 기술도 연구 중입니다. 이처럼 리튬황 전지의 성능을 좌우하는 것은 단순히 소재 선택이 아니라 전극 구조 설계와 소재 간의 정밀한 상호작용 제어입니다. 현재는 셀 구조 최적화, 전극 소재 나노화, 계면 제어 기술 등을 융합한 다층 설계 방식이 주류를 이루고 있습니다.
열화와 안정성 문제 극복 방안
리튬황 전지는 높은 이론 에너지 밀도에도 불구하고 상용화까지 시간이 걸리는 가장 큰 이유는 안정성과 긴 수명 확보입니다. 특히 셔틀 효과로 인해 반복 충방전 시 셀 용량이 빠르게 감소하고, 전해질과 전극 간의 계면 반응이 불균일하게 일어나며 셀 내부의 물리적 구조가 붕괴되는 현상이 심각한 문제로 떠오르고 있습니다. 리튬황 셀은 100회 이하의 충방전만으로 초기 용량의 절반 이상이 손실되기도 하며, 실온 조건에서도 열화가 급격히 진행될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 가장 먼저 연구되는 기술이 계면 안정화입니다. 계면 코팅, 전극 바인더 개선, 전해질 첨가제 등으로 계면 반응성을 제어하고, 전기화학적 사이클 동안 반응이 균일하게 일어나도록 유도합니다. 또한 열화의 근본 원인 중 하나인 셔틀 효과를 막기 위해 폴리설파이드 포집 기술이 적용됩니다. 이는 양극 내에 금속 산화물, 질화물, 탄소계 촉매 등을 삽입하여 폴리설파이드를 고정하거나 흡착시키는 방식입니다. 최근에는 이와 함께 전해질 조성 자체를 셔틀 반응이 일어나지 않도록 설계하는 고기능성 전해질 개발도 병행되고 있습니다. 이 외에도 셀 전체의 기계적 안정성을 높이기 위해 다공성 구조 설계, 압축형 셀 구조, 저온 작동 환경 최적화 등 다양한 요소 기술이 종합적으로 연구되고 있습니다. 일부 스타트업에서는 항공기용으로 500회 이상 충방전 가능한 셀을 개발 중이며, 향후 전기차용 리튬황 배터리 상용화도 머지않은 미래로 다가오고 있습니다.
리튬황 전지는 고에너지 밀도, 자원 친화성, 경량화라는 장점을 바탕으로 차세대 배터리 시장에서 강력한 후보로 평가받고 있습니다. 그러나 폴리설파이드 셔틀 효과, 전극 구조 불안정, 덴드라이트 형성 등 해결해야 할 기술적 문제도 여전히 많습니다. 고체전해질, 계면 안정화, 전극 구조 설계 등 다양한 기술이 발전하고 있는 만큼, 향후 5~10년 내 상용화 가능성은 점차 높아질 것으로 보입니다. 미래 배터리 시장을 선점하기 위해서는 지금부터 이 기술의 흐름과 진화에 주목할 필요가 있습니다.