리튬메탈

순도 99.9%의 리튬메탈 잉곳

리튬메탈(Li-Metal)은 차세대 2차전지 소재로 주목받고 있는 금속이다. 리튬이온 배터리보다 이론상 에너지 용량이 10배 이상 큰 리튬메탈은 배터리의 음극재로 사용되며 리튬메탈을 국내최초 생산한 국내 스타트업은 니바(대표 백창근)이다. 리튬메탈은 순수 실리콘보다 용량이 조금 높은 3840wh 정도이다.

리튬(Li)은 가장 가벼운 알칼리 금속으로 원소 중 전자에너지가 가장 높다. 전자기기 핵심소재로도 다양하게 쓰이며, 폭발을 일으키는 특유의 활발한 반응성만 잘 다스리면 용량이 크고 안정한 충전 배터리 전극소재로 유망하다.

국내서 쓰는 리튬메탈은 해외수입에 의존하며, 특히 메탈을 얇게 썬 포박형 리튬호일은 일본의 '화이트리스트' 전략 수출품목이기도 하다. 리튬메탈이 국내생산이 안된 이유는 대기업이 하기에는 소요시장이 작고, 중소기업이 만들기에는 기술이 까다롭다. 리튬메탈 배터리가 주목받기 시작한 건 불과 4년 전, 4년 전이면 드론이 인기 반열에 오른 때다.

드론을 멀리 보내려면 그만큼 배터리 용량은 크고 가벼워야 좋다. 기존 흑연음극 리튬 배터리로는 20분 비행이 고작이다. 미국은 고용량인 리튬메탈 배터리로 드론을 날린다. 한편 유럽은 전기버스에 리튬메탈을 쓴다. 전기버스의 대용량 배터리 부위 높은 온도가 리튬메탈 배터리 성능을 좋게 만드는 효과와 맞아 떨어졌다.

개요

1991년 리튬이온전지가 상용화된 이후, 휴대폰, 노트북 컴퓨터를 비롯한 휴대용 전자기기의 급속한 발전과 최근 전기자동차의 등장에 리튬이온전지가 아주 중요한 역할을 하였다. 2019년 이러한 리튬이온전지의 중요성을 인정하여, 리튬이온전지의 개발에 큰 공로를 세운 세 명(John B. Goodenough, M.Stanley Whittingham, Akira Yoshino)에게 노벨화학상이 주어졌다. 리튬이온전지는 상용화되기 전, 1970년대에 Stanley Whittingham이 이황화 타이타늄(TiS2)을 양극으로 하고, 리튬금속을 음극으로 하는 리튬금속 전지를 개발하였다. 이 후 1980년대에 들어서는 Moli Energy 회사에 의해서 MoS2를 양극으로 하고 과량의 리튬금속을 음극으로하는 리튬금속전지로 상용화되었으나, 리튬금속음극이 날카로운 수지상 모양으로 자라나 결국 전지의 폭발을 일으키는 바람에 모든 전지가 리콜되었다.

그 후, 리튬이온전지가 1991년에 상용화되어 많은 관심이 리튬이온전지에 집중되었으며, 현재까지 가장 성능이 뛰어난 이차전지로 여겨졌다. 따라서 그 동안 리튬금속음극을 사용한 전지는 사용되지 않았다. 하지만, 리튬이온전지는 intercalation 기반의 전극물질을 사용하기 때문에 안정하지만, 전극의 용량에 제약이 크다. 최근 들어서는 더욱 요구되는 전지의 에너지 밀도가 급격히 커지면서, 현재 사용하는 리튬이온전지를 넘어서는 더 높은 에너지 밀도를 갖는 새로운 전지의 개발이 절실해 졌다.

이에 따라 리튬메탈 음극이 자연스럽게 재조명 받게 되었다. 현재 상용화된 리튬이온전지 음극은 흑연 물질로 이론용량이 372 mAh/g이지만, 리튬금속은 이론 용량이 3,860 mAh/g으로 흑연보다 10배 이상 높은 이론용량을 가지며, 표준수소전극(SHE) 대비 –3.040 V로 가장 낮은 전기화학전위와 0.534 g/cm³의 낮은 밀도를 가지기 때문에, 리튬금속은 음극으로서 아주 큰 가능성을 가진 물질이다. 하지만, 문제가 되었던 수지상 모양의 덴드라이트 형성으로 인한 전지의 내부단락으로 인한 안정성 확보가 여전히 큰 과제로 남아있으며, 그리고 낮은 쿨롱효율 또한 리튬금속음극이 사용되기 위해서 극복되어야 할 문제이다.

리튬금속 덴트라이트 문제 해결

• 차세대 배터리인 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체한다. 또 배터리 음극 소재로 '리튬금속'을 사용함으로써 흑연을 사용하는 리튬이온 배터리보다 부피를 줄일 수 있다. 이런 기술 차이로 전고체전지가 리튬이온전지보다 대용량 배터리 구현이 가능하고, 안전성도 높다.

그러나 리튬금속은 전고체전지 수명과 안전성을 낮추는 덴드라이트 문제가 기술 난제로 꼽혀왔다. 덴드라이트는 배터리를 충전할 때 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이 음극 표면에 적체되며 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체다. 이 결정체가 배터리 분리막을 훼손, 수명과 안전성이 낮아진다.

삼성전자는 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체전지 음극에 은-탄소 나노입자 복합 층을 적용한 석출형 리튬음극 기술을 세계 최초로 적용했다. 특히 이 복합 층의 두께가 5마이크로미터(㎛, 1㎛=100만분의 1m)에 불과해 기존에 개발된 전고체전지 기술보다도 부피를 한층 더 줄일 수 있게 됐다.

• 리튬메탈 배터리는 충전할 때 덴드라이트(Dendrite·수지상결정)이 형성된다. 마치 이끼 같은 이 바늘 구조물이 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 배터리 폭발이 일어날 수 있다. 미국 배터리 업체 SES는 1단계 전고체에서 음극에 보호 코팅제를 입히고 그리고 양극에는 새로운 액체 전해질인 고농도 염중용매를 사용하여 새로운 액체 전해질이 이전 전해질보다 훨씬 안전하게 했다. 이 전해질은 실제로 자소성(自消性)을 띈다. 또 마지막으로, 배터리 전체는 일어날 수 있는 사고를 사전에 예측하는 AI 기반의 안전 소프트웨어를 통해 모니터링된다. 이 세 가지 단계를 함께 적용하면 덴드라이트가 성장하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있다는 주장이다. 덴드라이트는 더 이상 이끼 같은 바늘 모양이 아닌 훨씬 매끄러우며 밀도도 높아져 배터리 수명이 더 길어지고 안전해진다는 뜻이다. SES는 세계에서 가장 큰 세계 최초의 107Ah 리튬메탈 배터리인 Apollo를 개발했다. 무게는 1kg 미만(0.982kg)으로, 아주 가볍다. 에너지 밀도는 417Wh/kg, 935 Wh/L이다. SES가 선보이는 리튬메탈 배터리의 에너지 밀도 중 가장 높다. 또한, C/10, C/3, 1C 측정 결과 에너지 밀도는 놀라울 정도로 일정하다.

리튬메탈 잉곳 생산

니바는 세라믹 필터 기술과 불순물을 선택적으로 침전분리하는 기술을 동원해 저가의 리튬원료로도 순도 높은 리튬 덩어리 '잉곳'을 만들 수 있는 기술이 있다. 게다가 기존 공정에서 쓰던 유해한 염소가스를 쓰지 않아 환경규제에서 자유롭다.

리튬메탈 잉곳 제조는 니바가 국내최초다. 공기에 닿으면 안 되고 전기화학적인 반응도 민감해 누구도 쉽게 손대지 않았던 분야다. 니바가 만든 잉곳은 내부에 기포와 오일 등 불순물이 없는 99.9% 순도를 자랑한다. 잉곳은 배터리 원재료로도 충분히 가치가 있고, 호일과 칩 등 배터리 소재로 가공하면 더 큰 부가가치를 낳는다.

호일은 초박형과 롤, 슬라이드 형태가 있다. 특히 초박형 호일은 두께 20마이크로미터 이하의 얇은 판으로 리튬 이차전지 핵심소재다. 얇을수록 많이 겹칠 수 있어 에너지 밀도와 수명이 좋아진다. 이 호일이 일본의 수출규제 소재다. 한국은 전량 일본산 수입에 의존했다.

칩은 연구용 배터리에 들어가는 부품으로 다양한 두께와 규격에 맞춰 제조된다. 그동안 리튬메탈 칩은 전량 수입에 의존했는데, 반응성 때문에 보관이나 통관에 애를 먹어왔다. 국내서 제공한다면 이런 애로가 사라진다.

참고재료

• 안정한 리튬금속음극 개발 - https://www.cheric.org/PDF/NICE/NI38/NI38-2-0201.pdf
• 윤병철 기자, 〈노벨상 '리튬배터리' 다음은 '리튬메탈'···대덕벤처 '주목' 〉, 《헬로디디》, 2019-10-10
• 윤범진 기자, 〈SES, 107Ah 리튬메탈 배터리 Apollo〉, AEM, 2021-11
• 윤병철 기자, 〈노벨상 '리튬배터리' 다음은 '리튬메탈'···대덕벤처 '주목' 〉, 《헬로디디》, 2019-10-10

같이 보기

• 리튬
• 리튬이온
• 리튬메탈 배터리
• 아폴로
• 덴드라이트
• 음극재
• 흑연
• 실리콘
• 전고체 배터리

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