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

이 황화리튬 문서는 배터리에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.

자동차 : 자동차 분류, 자동차 회사, 한국 자동차, 독일 자동차, 유럽 자동차, 미국 자동차, 중국 자동차, 일본 자동차, 전기자동차, 자동차 제조, 자동차 부품, 자동차 색상, 자동차 외장, 자동차 내장, 자동차 전장, 자동차 부품 회사, 배터리 □■⊕, 배터리 회사, 충전, 자동차 판매, 자동차 판매 회사, 자동차 관리, 자동차 역사, 자동차 인물 배터리 종류 1차전지 • 2차전지 • 3차전지 • AA 전지 • AAA 전지 • HFC • LCO • LFP • LMO • LTO • NCA • NCM • NCMA • 각형 배터리 • 건전지 • 고전압 배터리 • 고체전지 • 공기전지 • 과산화은전지 • 구반반 배터리 • 그래핀 배터리 • 금속 공기 배터리 • 나노셀룰로스 종이 배터리 • 나트륨이온 배터리 • 나트륨 황 배터리 • 납축전지 • 니켈 수소 배터리 • 니켈 카드뮴 배터리 • 다이아몬드 배터리 • 단추형 전지 • 대용량 배터리 • 대형배터리 • 동위원소 배터리 • 리튬공기전지 • 리튬 망간 배터리 • 리튬메탈 배터리 • 리튬 이산화탄소 배터리 • 리튬이온 배터리 • 리튬 인산철 배터리 • 리튬전지 • 리튬 코발트 배터리 • 리튬 티타네이트 배터리 • 리튬 폴리머 배터리 • 리튬 하이니켈 배터리 • 리튬 황 배터리 • 마그네슘 배터리 • 망가니즈전지 • 모래 배터리 • 무음극배터리 • 물리전지 • 미생물 연료전지 • 바나듐 배터리 • 바나듐 레독스 흐름 배터리 • 바나듐이온 배터리 • 바빌로니아 전지 • 박막배터리 • 박테리아 배터리 • 박테리아 종이 배터리 • 반고체 배터리 • 배터리 • 베타 배터리 • 보조배터리 • 볼타전지 • 불소이온 배터리 • 블레이드 배터리 • 비축전지 • 사원계 배터리 • 산화물 전고체 배터리 • 산화은전지 • 삼원계 배터리 • 설탕 배터리 • 세라믹 축전기 • 소금 배터리 • 소형배터리 • 수소연료전지 • 수은전지 • 슈퍼커패시터 • 습전지 • 아연공기전지 • 아연 탄소 전지(르클랑셰 전지) • 아폴로 • 알루미늄 공기전지 • 알루미늄 공기 흐름 전지 • 알칼리전지 • 얼티엄 배터리 • 에너지저장장치(ESS) • 에이터너스 • 연료전지 • 열전지 • 용융염 배터리 • 원자력전지 • 원통형 배터리 • 육둘둘 배터리 • 인섀시 배터리 • 전고체 배터리 • 전지 • 종이 배터리 • 중형배터리 • 차세대 배터리 • 초소형배터리 • 축전기(콘덴서) • 축전지 • 칼륨 배터리 • 칼슘 배터리 • 커패시터 • 코인셀 배터리 • 태양전지 • 파우치형 배터리 • 파워월 • 팔일일 배터리 • 폐배터리 • 폴리머 배터리 • 폴리머 전고체 배터리 • 프리폼 배터리 • 플렉서블 배터리 • 하이니켈 배터리 • 하이브리드 리튬메탈 배터리 • 해수전지 • 핵 배터리 • 화학전지 • 황화물 전고체 배터리 • 흐름전지(레독스 플로우 배터리) 배터리 기술 ALD • CCS • CSG • CTB • CTV • K-배터리 • MPI • MTB • NCMX • PCM • SRS • 건식분리막 • 계면 • 계면저항 • 계면활성제 • 고용량 • 고체전해질 • 고출력 • 공랭식 • 굴곡도 • 기공 • 기억효과(메모리 효과) • 냉각시스템 • 다공성 • 대용량 • 덴드라이트 • 드라이룸 • 모듈투바디(MTB) • 무기 고체 전해질 • 바인더 • 박막 • 박막화 • 방열판 • 방열핀 • 배터리관리시스템(BMS) • 배터리데이 • 배터리모듈 • 배터리 보호회로모듈 • 배터리셀 • 배터리 케이스 • 배터리 패키징 • 배터리팩 • 배터리하우징 • 배터리 히팅 시스템 • 복합전해질 • 분리막 • 블랙파우더 • 비전해질 • 사물배터리 • 산화물 • 산화물계 전해질 • 세라믹 코팅 • 세라믹 코팅 분리막 • 셀밸런싱 • 셀투바디(CTB) • 셀투비클(CTV) • 셀투섀시(CTC) • 셀투카(CTC) • 셀투팩(CTP) • 소용량 • 수랭식 • 스태킹 • 습식분리막 • 실리콘 음극재 • 실버코팅 • 안전성 강화 분리막(SRS) • 액체전해질 • 양극박 • 양극소재 • 양극재 • 양극판 • 양극활물질 • 여과 • 열폭주 • 열화현상 • 와인딩 • 용량 • 유기 고체 전해질 • 유랭식 • 음극소재 • 음극재 • 음극판 • 음극활물질 • 이온전달막 • 이온전도도 • 이온화 • 저용량 • 저출력 • 전고체 • 전구체 • 전지박 • 전해액 • 전해질 • 전해질막 • 점프 • 점프케이블 • 정격용량 • 정격전압 • 제로모듈 • 젤리롤 • 집전체 • 출력 • 침출 • 콤퍼레이터 • 티본 레이아웃 • 파우치 • 패스웨이 • 폐양극재 • 활물질 • 황화물 • 황화물계 전해질 • 히트싱크 • 히트파이프 • 히트펌프 배터리 제품 1865 배터리 • 2170 배터리 • 4680 배터리 • 기린 배터리 위키 : 자동차, 교통, 지역, 지도, 산업, 기업, 단체, 업무, 생활, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반