황화리튬

황화리튬(硫化锂, Lithium sulfide, 화학식 : Li₂S)

황화리튬(硫化锂, Lithium sulfide, 화학식 : Li₂S)은 차세대 전기차용 전고체 배터리에 사용되는 고체 전해질의 원료다. 이것은 (Li⁺)₂S²⁻의 염 형태이다. 이것은 딱딱한 황백색의 조해성 분말을 이루며, 아마 썩은 달걀 냄새가 날 수도 있다.

• 화학식 : Li₂S
• 화학식량 : 45.95
• 상태 : 흰색 고체 (White solid)
• 밀도 : 1.66 g/cm3
• 녹는점 : 938 °C (1,720 °F; 1,211 K)
• 끓는점 : 1,372 °C (2,502 °F; 1,645 K)

제법

금속 리튬과 황을 녹는점 이상에서 직접 반응시키든가, 황산리튬을 탄소와 가열, 환원하여 얻어진다. 또 황화수소리튬에탄올화물 2LiHSㆍC₂H₅OH를 수소 기류 중에서 가열한다.

성질

백색 또는 황색, 등축 결정계 결정. 격자 상수 a 5.708kX. 형석형 구조. d₄²⁰ 1.66. 조해성. 물에 쉽게 녹음. 산에서 분해. 폴리황화리튬(英 lithium polysulfide)의 생성이 알려져 있다. 예를 들면 액체 암모니아 중에서 리튬은 황과 반응하여 Li₂S₂, Li₂S₄ 등을 생성한다. 또 알코올화물을 만들기 쉬우며 Li₂S₂ㆍC₂H₅OH, Li₂S₄ㆍ2C₂H₅OH가 얻어지고 있다.

사용

원래 기능성 수지의 원료로 사용하려 하였지만, 보급은 되지 않았었다. 그 후에 2001년 일본 오사카 부립 대학 대학원 다츠미사고 교수가 축전지 전용 연구를 개시, 2004년 전해질 용액과 동등한 이온 전도도를 가진 고체로 사용 가능해졌다. 그 후, 황화리튬은 황화 나트륨 배터리와 연관이 있는 시스템인 황화 리튬 배터리에 이용되고 있다.

최근에는 차세대 전기차용 전고체 배터리에 사용되는 고체 전해질의 원료로 주목받고 있다.

황화물계 고체 전해질

배경

시장조사업체 SNE리서치는 전고체 배터리 상용화를 위해 넘어야 할 장애물로 '가격경쟁력'을 지적했다. 전고체 배터리의 고체전해질로 쓰이는 원료가 비싼데다 기존 리튬이온배터리 가격이 낮아지고 있기 때문이다.

전고체 배터리의 고체전해질로 황화물, 산화물, 고분자가 주로 쓰인다. 이중 도요타, 삼성SI, LG에너지솔루션은 상대적으로 이온전도도가 높고 생산성이 좋은 황화물 고체전해질을 연구한다.

하지만 황화물 고체전해질의 주원료인 황화리튬 가격이 비싸다. 개별 원료인 황과 리튬은 비싸지 않지만, 둘을 합성하는 과정에서 가격이 높아진다. 2021년 초 기준 가격이 킬로그램(kg)당 약 1만2000달러(약 1400만 원)이다.

업계에서는 황화리튬이 이 가격을 유지할 경우 전고체 배터리 가격을 킬로와트시(KWh)당 587달러(약 70만 원)로 예상한다. 현재 시중에 판매되는 리튬이온배터리 가격이 킬로와트시당 12만 원을 웃도는 수준인 걸 고려하면 가격 경쟁력에서 한참 뒤떨어진다. 그런데 공급망 안정으로 향후 황화리튬 가격이 킬로그램당 50달러(약 5만 원)까지 줄면 전고체 배터리 가격 역시 97달러(약 12만 원)가 될 것으로 업계는 보고 있다.

전고체 배터리는 향상된 안전성과 성능을 제공할 수 있지만, 전고체 전지는 현재 킬로와트시당 100달러를 목표로 하는 리튬이온배터리의 비용 절감을 따라잡을 수 있어야 한다. 전고체 배터리 선두 주자 중 하나인 영국 일리카(Ilika)도 2025년까지 전고체 배터리와 리튬이온배터리 가격이 대등할 것으로 예상했지만, 이 추정치는 리튬이온배터리의 지속적인 비용 절감을 고려하지 않았다. 일리카는 리튬이온배터리 가격이 2025년 킬로와트시당 60~65달러(약 7~8만 원), 2030년까지 50달러(약 6만 원)로 낮아질 것으로 예상했다.

이수화학 저가화 황화리튬 개발

이수화학이 '2021 대한민국 산업기술 R&D 대전'에서 전시한 황화리튬(Li₂S)과 황화물 고체 전해질. 이수화학 제공.

이수화학은 KETI와 국책과제를 통해 황화리튬과 황화물계 고체 전해질을 개발하고 있다. '2021 대한민국 산업기술 R&D 대전'에서 공개된 황화리튬은 이수화학의 황화수소(H₂S) 핸들링 기술이 적용됐다. 이수화학은 황화수소 핸들링 기반 기술을 적용하면 시중 가격 대비 저가의 황화리튬 생산이 가능할 것으로 보고 있다.

이수화학은 황화수소 핸들링 기술을 기반으로 특수화학제품 TDM(Tertiary Dodecyl Mercaptan), NOM(Normal Octyl Mercaptan), NDM(Normal Dodecyl Mercaptan) 등을 독자 개발해 이미 생산 중인만큼, 해당 기술에 대한 숙련도가 높다.

이수화학은 210억 원을 투자해 황화리튬 시제품 생산을 위한 데모 설비(Demo Plant)를 구축한다. 공장은 이수화학 온산공장 유휴부지에 내년 9월 완공 예정이며 2022년 4분기부터 가동될 계획이다. 해당 설비는 국내 황화물계 고체 전해질 개발 수요량을 전부 충족할 수 있는 연산 20톤 규모다. 향후 개발 수요 확대까지 감안해 소규모 Revamping(시설개선) 및 운영 최적화를 통해 생산규모를 확장할 수 있도록 설계됐다. 특히 본격적인 생산에 돌입하면, 이수화학은 세계 최대 황화리튬 공급사로 자리매김하게 된다. 현재 전세계에서 황화리튬을 생산 중인 3개 공급사는 모두 연간 1톤 미만의 소규모 물량만을 생산하고 있는 것으로 추정된다. 가격 측면에서도 이수화학 제품 대비 높은 상황이다.

참고자료

• 〈황화리튬〉, 《위키백과》
• 〈황화리튬〉, 《화학대사전》
• 김우현 기자, 〈개발도 힘든데…전고체 배터리 `상용화` 어려운 또 다른 이유〉, 《매일경제》, 2021-12-29
• 권오은 기자, 〈이수화학, 전고체 배터리 원료 ‘황화리튬’ 첫선〉, 《조선비즈》, 2021-11-19
• 설경진 기자, 〈이수화학, 세계 최대 전고체 배터리 원료 황화리튬 생산 설비 구축〉, 《이투데이》, 2021-11-23

같이 보기

• 황
• 리튬
• 전고체 배터리
• 전해질

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