AKC, AZC로 황 양극 개발 … 아데카, SPAN을 양극재로 제안

LiS(리튬황2차전지)가 포스트 LiB(리튬이온전지)로 떠오르고 있다.
LiS는 이론상 양극용량이 LiB의 약 10배 수준인 g당 1672mAh에 달하고 중량은 LiB의 절반이며 희귀금속 대신 매장량이 풍부한 자원을 사용함으로써 모빌리티 분야에 특화된 초경량 차세대 배터리로 주목받고 있다.
배터리 생산기업들은 LiS를 포스트 LiB로 기대하고 연구개발(R&D)을 가속화하고 있다.
양극활물질에 황을 사용하면 다황화물이 전해액에 용해되는 문제가 있으나 관련기업들이 독자적인 기술 개발로 해결하면서 양극재에 황, 음극재에 금속리튬을 사용한 LiS가 2025년경 상업화될 것으로 기대되고 있다.
아사히카세이(AKC: Asahi Kasei)는 경쟁기업보다 먼저 LiS를 상용화함으로써 기존 분리막 등 배터리 소재 사업과의 시너지 확대를 기대하고 있다.
최근 간사이(Kansai)대학과 공동으로 실시한 연구개발(R&D) 프로젝트에서는 충‧방전 시 반응 중간체 용출을 줄일 수 있는 미크로 다공성 카본(AZC)을 활용했다. 황 담지량 70중량%를 개발했으며 AZC 소재를 사용한 양극재와 설포란 전해액을 조합해 시험 제작한 LiS로는 이론용량의 약 80% 수준인 뛰어난 발현용량을 확인한 것으로 알려졌다.
LiS 양극활물질에 사용하는 황은 충‧방전할 때 다황화리튬이 전해액에 용해되는 점이 과제이나 아사히카세이는 AZC와 고농도 전해액을 이용하고 표면피막 형성을 통해 해결했다.
간사이대학과는 미크로공을 가지고 있는 활성탄 세공 안에 황을 충진하는 기술을 개발하고 함질소 유기물인 아줄름산(Azulmic Acid)을 원료로 활성탄을 제작함으로써 황 담지량이 70중량%를 넘는 AZC를 개발했다.
이후 LiS 전해액으로 주목받고 있는 고농도 설포란 전해액과 조합함으로써 LiS를 제작했고 성능 평가 시험도 진행했다.
실험에서는 개발한 AZC와 도전조제, 바인더 등을 혼합한 슬러리를 알루미늄 집전박 위에 도포해 황 양극을 만들었고 리튬금속 음극과 폴리올레핀(Polyolefin)계 미다공막 분리막 등으로 구성된 LiS를 사용했다.
정전류 충‧방전 시험에서 2사이클째에 1300mAh를 넘어서며 이론용량의 약 80%에 해당하는 발현용량을 가지고 있음을 확인했고 전압 제어범위를 1.4-3.4V로 설정함으로써 초기 10사이클까지는 용량이 줄어드는 현상을 막을 수 있었다.
아사히카세이는 앞으로 어떠한 배터리가 주류를 이루더라도 분리막 시장에서 No.1 지위를 유지하겠다는 목표 아래 배터리 관련 연구개발에 박차를 가하고 있다.
일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트에서 아연음극2차전지 실용화에 도전하고 있고 LiC(리튬이온캐퍼시터) 개발도 진행하는 등 선제적으로 차세대제품 개발에 나섬으로써 배터리 관련 사업을 계속 확대할 방침이다.
아데카(ADEKA)는 LiS 적용을 목표로 차세대 활물질 SPAN(Sulfurized Polyacrylonitorile) 사업화에 나서고 있다.
SPAN은 황과 섬유 원료인 PAN(Polyacrylonitorile)을 혼합 가열해 제조하며 장기간 안정적인 배터리 성능을 유지할 수 있음이 확인됨에 따라 LiS 상용화를 지지하는 소재가 될 것으로 예상된다.
아데카는 2018년 후쿠시마현(Fukushima) 소마(Soma) 사업장에 SPAN 공장을 건설하고 샘플을 무상 공급하고 있다. 최근에는 황 함유량을 48%로 10% 늘린 신제품 개발에 성공함으로써 LiS 채용에 도전하고 있다.
LiS는 상용화 직후 특수 용도를 중심으로 투입이 예상되나 무게가 LiB의 절반 수준이라는 점에서 차세대 전기자동차(EV)나 비행체에도 사용될 것으로 기대하고 있다.
아데카는 2030년 예상되는 LiS 수요에 맞추어 SPAN 생산량을 현재 100kg에서 2030년까지 1000톤으로 대폭 확대하는 방안을 검토하고 있고 LiS 양극재 용도로 SPAN이 보급된 이후에는 LiB 음극재와 고체전지용 소재로도 투입할 계획이다.
단순히 배터리 소재 개발에만 머무르지 않고 배터리가 사용되는 최종제품 생산기업 등 다운스트림과의 관계를 강화하고 SPAN과 마찬가지로 차세대 배터리용을 개발하고 있는 도전조제도 함께 제안함으로써 배터리 소재 사업을 확대할 방침이다. (강윤화 선임기자)