음극재의 끝판왕 리튬 메탈 음극재에 대해 알아봅니다.

리튬메탈은 리튬이라는 화합물을 주요 구성 요소로 하는 이차전지의 음극재 중 하나인데요, 

이차전지는 충전이 가능하고 반복적으로 사용할 수 있는 전지로, 리튬메탈은 매우

경량이면서도 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 전기차와 같은 대용량 전력 저장 시스템에

많이 사용되고 있습니다.

아래에서 음극재의 끝판왕이라고 불리는 리튬 메탈 음극재의 장, 단점과 리튬 메탈 상용화에

가장 앞서 있는 포스코홀딩스의 준비사항에 대해 알아보도록 하겠습니다.

이차전지의 사용용도

앞으로 우리 주변의 더 많은 사물에 배터리 즉, 이차전지가 사용된다는 것입니다.

대표적인 사례가 내연기관에서 전기차로 변화하고 있는 모빌리티 분야가 되겠습니다.

전기차 외에도 ESS, 드론, 로봇, UAM 등 배터리가 필요한 많은 애플리케이션들이 있습니다.

그리고 각각의 애플리케이션마다 다른 특성의 배터리가 필요합니다.

ESS

이차전지 배터리의 변천사

싼 가격, 높은 에너지 밀도, 뛰어난 안정성, 충전 속도, 높은 출력 그리고 수명이 긴 배터리 이 모든

특성을 만족시켜 줄 수 있다면 좋겠지만 세상에 아직까지 그런 배터리는 존재하지 않습니다.

배터리의 특성에 가장 큰 영향을 주는 것은 소재이기 때문에 여러 가지 타입의 소재가

등장하고 있는 것입니다.

 

대표적으로 양극재는 LCO를 거쳐 NCA, NCM, LFP 등으로 다양화되어 있고, 음극재도 흑연을 거쳐

금속계인 실리콘과 리튬으로 향하고 있습니다.

1991년 소니에 의해 리튬이온전지가 사용화되기 3년 전, 1988년에 이미 이차전지를 상용화한

캐나다의 몰리 에너지(Moli Energy)라는 기업이 있었는데요, 이 회사의 이차전지인 몰리셀

(Molicel)은 양극으로는 황화몰리브덴, 음극으로는 리튬메탈을 사용했는데요,

리튬을 음극재로 상용화한 첫 제품이었습니다.

 

일본의 통신사인 NTT에서 1988년에 사실상 일본의 첫 번째 휴대폰을 출시하는데 여기에 몰리셀이

사용됩니다. 초기의 리튬메탈음극은 지금 같은 박막 제조 기술이 없었기 때문에 두께가 너무

두꺼워서 에너지 밀도가 좋지 않았고 무엇보다 안정성에 문제가 있었습니다.

몰리셀도 상용화 1년 뒤에 화재사고가 발생해 출시된 1만 개의 셀이 전량 리콜되었고 결국

몰리 에너지도 파산하게 됩니다. 그래서 일본의 요시노 박사가 이를 개선하기 위해 음극재로 흑연을

사용했고 소니의 리튬이온전지가 상용화된 1991년 이후 지금까지 흑연이 음극재로 사용되고

있으며, 현재 1 차전지용 코인셀 중 일부가 리튬메탈을 음극으로 사용하기도 하지만 이차전지에

사용하기에는 적합하지 않습니다.

리튬 메탈 음극재의 장점

◑ 높은 에너지 밀도: 높은 에너지 밀도를 가지고 있어서 동일한 부피나 무게에서 더 많은 에너지를

     저장할 수 있어 리튬 메탈 음극재를 사용하면 전지의 용량을 증가시키고 더 멀리 이동하거나

     더 오랜 시간 사용할 수 있습니다.

◑ 경량성: 상대적으로 경량이며, 이는 전지의 무게를 줄여 주어 이동성이나 운송에 유리합니다.

◑ 고전압: 고전압을 유지할 수 있는 능력이 뛰어나기 때문에, 더 높은 전압을 제공하여

     전지의 성능을 향상할 수 있습니다.

◑ 고속 충전: 리튬 메탈은 빠른 충전이 가능한데, 이는 전지를 더 빠르게 충전할 수 있어

     충전시간의 단축과 인프라 구축에도 유리합니다.

 

음극으로 사용 가능한 후보 물질 가운데 리튬의 에너지 밀도가 가장 높습니다.

동일한 양극재를 사용한다고 가정할 때 이론적으로 흑연 음극재는 에너지 밀도가 150~200wh/kg

이지만, 리튬 메탈을 음극으로 사용한 배터리는 에너지 밀도를 400~600wh/kg까지 늘릴 수가

있으며, 전기차에 적용하면 한번 충전으로 500마일 이상, 약 800km 이상 주행이 가능한 셈입니다.

그리고 리튬메탈을 적용해 음극의 에너지 밀도를 높이면 배터리셀에서 기존에 음극재가 차지하던

공간을 줄이고 양극재가 사용하는 공간을 늘릴 수 있기 때문에 동일한 양극재를 사용하더라도

배터리셀의 부피당 에너지 밀도 개선 효과도 발생하게 됩니다.

리튬 메탈 배터리

리튬 메탈 음극재의 단점

◐ 안정성 문제: 리튬 메탈은 높은 화학적 활동성을 가지고 있어서 공기와 반응할 때 불안정할 수  

     있는데 특히, 충전 상태의 리튬 메탈은 공기와 반응하여 열이 발생하고 화재나 폭발의 위험을

     초래할 수 있습니다.

◐ 리튬 성장 (Lithium Dendrite): 충전과 방전 과정에서 리튬이 음극재 표면에 붙어 발생하는

     리튬 성장(덴드라이트)은 전지 안전 문제를 야기할 수 있습니다. 리튬 성장은 전지 내부에서

     단락을 유발하고 전기적인 문제를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 전지의 수명과 안전성이

     저하될 수 있습니다.

◐ 비싼 가격: 음극재로 리튬 메탈을 사용할 경우 기존 음극재인 흑연(천연/인조)계 대비 10배의

     높은 가격으로 시장성이 떨어짐

◐ 메모리 효과: 일부 리튬 메탈 음극재는 메모리 효과를 보일 수 있는데, 이는 전지의 충전과

     방전 과정에서 발생하는 리튬 이온의 배치나 분포의 불균형으로 인해 발생할 수 있으며,

     전지의 용량과 성능을 감소시킬 수 있습니다.

 

리튬메탈을 음극재로 사용하기 위해서는 아직 극복해야 할 과제들이 많습니다.

우선 충, 방전, 사이클, 즉 수명이 짧다는 것이며, 두께가 너무 두껍고 아직은 비싸다는 것도

개선해야 하며, 무엇보다 가장 큰 문제는 안정성에 있습니다.

 

리튬메탈은 음극에서 고드름 모양의 덴드라이트가 형성되면서 리튬의 손실이 발생하게 되고

덴트라이트가 계속 커져서 양극과 만나게 되면 쇼트가 일어나 화재가 발생하게 됩니다.

리튬메탈 음극재가 적용된 최초의 상용 이차전지인 몰리셀도 바로 덴드라이트 때문에 화재가

발생한 것으로 밝혀진 바 있습니다. 따라서 덴드라이트를 억제하가 위한 여러 가지 형태의

기술 개발들이 활발히 진행되고 있습니다. 대표적인 예가 전해액을 고체로 바꿔주는 것과

음극 표면에 보호막을 만들어 주는 것, 즉 코팅을 해주는 것입니다.

음극재의 끝판왕 리튬 메탈

리튬이온배터리를 개선한 차세대 배터리로 주목받는 것이 리튬 메탈, 리튬황, 리튬에어 등

여러 가지가 있는데 여기에는 모두 리튬이 음극으로 사용됩니다.

결국 음극재 진화의 끝판왕은 리튬 메탈이라고 할 수 있겠습니다.

리튬 메탈 음극재의 생산 방식

리튬 메탈 음극재의 핵심 원료는 염화리튬(LiCl) 또는 탄산리튬(Li2 CO3)이며 전기분해 또는

열환원 공정을 거쳐 잉곳(Ingot)을 생산하게 됩니다. 그리고 잉곳을 압연공정을 통해 아주 얇은

박막 형태의 최종 제품인 리튬메탈로 만들어주게 됩니다.

리튬을 음극재로 쓰기 위해서는 당연히 리튬의 순도를 높이고 불순물을 최소화해줘야 합니다.

리튬메탈의 핵심원료인 염화리튬(LiCl)은 탄산리튬을 변환해 생산할 수 있지만

염수에서 증발/농축-정제-결정화 등의 과정을 거쳐 바로 생산할 수도 있습니다.

리튬 메탈 음극재의 향후 전망

리튬메탈 음극재는 아직 극복해야 할 과제들이 많기 때문에 전기차에 적용되기까지는 시간이

다소 오래 걸리겠지만 드론 등 다른 애플리케이션에서는 2025년 이후 사용량이 증가할 것으로

보입니다. 일부 전망기관에서는 리튬메탈 음극재의 수요가 2030년 9만 톤에서 급격히 증가해

 2035년에는 약 90만 톤 수준으로 확대될 것으로 예상하고 있습니다.

그리고 리튬메탈이 2035년 전체 음극재 시장에서 차지하는 비중이 약 20%로 커질 것으로

전망하는 기관도 있습니다.

포스코홀딩스 개발 진행 사항

포스코 그룹은 순도가 높고 불순물이 적은 염호를 보유하고 있으며 세계 최고 수준의 리튬 정제

기술을 가지고 있기 때문에 리튬메탈 음극재를 양산하게 되면 높은 경쟁력을 가질 것으로

예상됩니다. 그리고 포스코그룹이 리튬메탈에서 갖고 있는 경쟁력이 또 한 가지 있습니다.

리튬메탈을 음극재로 쓰는 가장 큰 이유는 에너지 밀도 때문입니다.

따라서 아주 얇은 박막으로 만드는 초극박화 공정이 가장 중요한데 현재의 리튬메탈 제조 기술은

주로 압출 방식을 사용하고 있기 때문에 전기차 등의 이차전지용 스펙을 만족시키기에는

적합하지 않습니다. 전기차 등에 사용되는 이차전지용으로 사용되기 위해서는 리튬 메탈의

두께가 20um 이하여야 하며, 또한 수율을 높여 경제성을 확보하기 위해서는 폭도 600mm 이상으로

만들 수 있어야 합니다.

 

현재 생산되는 리튬메탈이 너무 두껍고 폭이 좁다는 그런 단점을 개선하기 위해 여러 업체들이

다양한 시도를 하고 있는데요, 포스코그룹도 그런 기업 중 하나입니다.

그리고 리튬메탈을 제조하고 양산할 때 포스코그룹이 가진 장점이 발휘됩니다.

포스코는 강판 제조에서부터 쌓아온 압연, 도금 기술들을 보유하고 있습니다.

이를 Roll-to-Roll 공법이라고 하는데요, 포스코는 Roll-to-Roll 공법을 적용해 극박광폭, 즉 두께는

매우 얇고 폭은 넓어 차세대 배터리에 적합하면서도 경제성 있는 리튬메탈 음극재를 양산할

계획입니다. 이처럼 포스코홀딩스는 리튬메탈의 핵심원료도 쉽게 확보할 수 있고 리튬메탈을

경쟁력 있게 양산할 수 있는 핵심 공정 기술도 가지고 있습니다.

 

이처럼 포스코그룹은 전기차용뿐만 아니라 앞으로 어떠한 형태의 배터리가 사용되더라도 대응할 수

있도록 음극에서도 천연흑연, 인조흑연, 실리콘을 거쳐 리튬메탈까지 철저히 준비하고 있습니다.

 

여하튼 성장 산업인 이차전지 소재 사업에서 포스코그룹과 에코프로그룹을 중심으로 우리나라

소재 기업들이 글로벌 No.1이 세계 시장을 석권하길 바라봅니다.