급속한 사회 발전과 경제 성장은 화석연료를 기반으로 하는 에너지원을 사용하여 이루어져 왔다. 그러나 화석연료는 지속적이 아니고 환경적으로 많은 문제를 일으키고 있다. 많은 연구자들은 바람, 물 또는 태양과 같은 재생 가능한 에너지 자원을 가장 효율적인 방법으로 더 이상의 생태적 재앙의 초래 없이 개발할 방법에 대한 새로운 아이디어를 실현하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 대부분의 재생 가능한 에너지원은 간헐적이므로 변동하는 출력을 가진 재생 에너지원을 저장하기 위한 에너지저장 시스템(Energy Storage System)은 반드시 필요하다.

지난 25년 동안 리튬이온 이차전지(LIB; Li-ion rechargeable battery)는 에너지저장용 이차전지로 가장 널리 사용되고 있으며 기술적 성장 또한 매우 급격하게 이루어져 왔다. 리튬이온 이차전지는 다른 이차전지에 비하여 높은 전압, 높은 에너지밀도, 메모리 효과가 없고, 사이클 수명이 길며, 보존성이 좋고, 고출력이 가능하여 핸드폰, 노트북, 캠코더 및 전동공구 같은 모바일 전자기기의 전원으로 사용이 되고 있으며, 최근에는 기후 변화에 따른 범세계적 온실가스 규제 도입에 의하여 전기자동차(xEV)와 ESS(energy storage system) 같은 에너지저장용으로 그 사용 범위가 확대되고 있다. 현재 전기자동차용 이차전지로서 적용되고 있는 리튬이온 이차전지는 물리적 한계(최대 에너지밀도: ~250 Wh/kg)로 인하여 주행 거리의 한계를 나타내고 있으며(그림 1.1), 가솔린 자동차 수준의 주행 거리를 가진 전기자동차를 구현하기 위해서 리튬이온 이차전지 이상의 에너지밀도를 가지는 차세대 이차전지 개발이 필요하다. 또한 이차전지 시스템의 에너지밀도 증가로 인한 이차전지의 안전성 향상 및 전기자동차 전체 가격의 50% 이상을 차지하는 이차전지 시스템의 가격 저하에 대한 요구를 만족하는 차세대 이차전지 개발이 필요한 시점이다. 

리튬-황(Li-S) 이차전지는 양극소재로 유황을 음극소재로 리튬 금속을 사용하여 구성하는 전지로써 방전 시 음극인 리튬 금속에서 리튬의 산화 반응이 양극에서는 유황의 환원 반응이 발생되는 저가격 및 고에너지밀도의 특징을 갖는 이차전지이다. 리튬-황 이차전지는 이론 에너지밀도가 리튬이온 이차전지의 약 2배에 해당하는 높은 값(500 Wh/kg 이상)을 나타내고 있으며, 고출력이 가능하며, 우수한 저온특성(-70℃에서도 ~50%의 용량을 유지)으로 전기자동차에 적용 시 주행 거리를 기존 리튬이온 이차전지 대비 2배 이상 증가시킬 수 있다(그림 1.2). 리튬이온 이차전지와 달리 양극소재의 국내 수급이 가능하고, 저가이기에 전지 제조 단가를 낮출 수 있다. 2012년 매킨지 및 로렌스버클리국립연구소(LBNL)의 보고에 따르면 전기자동차 십만 대 기준 원재료비 $65/kWh 수준이 달성 가능한 에너지저장 매체로 리튬-황 이차전지가 가장 유망함을 발표하였다(그림 1.3). 또한 리튬-황 이차전지의 주원료인 유황은 생산량이 풍부하고, 석유정제 과정의 부산물 혹은 폐기물로도 얻을 수 있어 소재 확보가 용이하며, 독성이 없고, 친환경적이므로, 차세대 이차전지로 매우 각광받고 있다. 그러므로 리튬-황 이차전지가 개발되어 에너지저장 시스템 및 전기자동차용 중대형 이차전지에 적용되면, 차세대 시장경쟁의 구도를 주도하고 그 기술을 바탕으로 차세대 에너지기술 선점에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 

본 리포트에서는 주요 역사적 진보, 관련 기술적 장애물 및 부품/재료개발을 포함하여 Li-S 이차전지의 개발에 대한 포괄적인 설명을 제공했다. 또한 Li-S 이차전지 연구의 도약을 약속하는 셀 구성의 최신 출현에 중점을 두었다. 또한 Li-S 이차전지의 화학(chemistry)에 관련된 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있는 고급 특성화 기술이 도입되었다. 

본 보고서의 Strong Point는 

① 리튬-황 전지에 대한 개념 정리 및 역사적 개발 동향 

② 리튬-황 전지 기술적 장애물 및 부품/재료개발 현황 파악

③ 리튬-황 전지 셀 개발 소재 구성의 최신 출현 동향 

④ 주요 업체별 리튬-황 전지 적용 사례 제시 

⑤ 리튬-황 전지 관련 기술 및 특허 소개

Contents

1. 리튬-황 이차전지 개요

1-1. 리튬-황 이차전지 필요성

1-2. 리튬-황 이차전지 역사

1-3. 리튬-황 이차전지 원리

1-4. 리튬-황 이차전지 기술적 이슈

2. 리튬-황 이차전지용 유황 양극 기술개발 현황

2-1. 전통적인 유황 복합체 전극

2-2. 유황-다공성 탄소 복합체 재료

2-3. 유황-그래핀 복합체 재료

2-4. 바인더-Free 유황-탄소 복합체 전극

2-5. 유황-고분자 복합체 재료

2-6. 유황-금속 산화물/칼코겐화물 복합체 재료

3. 리튬-황 이차전지용 리튬 설파이드(Li2S) 양극 기술개발 현황

3-1. 미세화된 Li2S 입자의 활성화

3-2. Li2S-탄소 복합체

3-3. Li2S 양극 재료의 화학적 합성

3-4. Li2S 양극을 적용한 전고체 이차전지

4. 리튬-황 이차전지용 전해질 및 분리막 기술개발 현황

4-1. 액체 전해질

4-2. Carbonate 기반 전해질

4-3. 고분자/고체 전해질

4-4. 분리막

5. 리튬-황 이차전지용 음극 기술개발 현황

5-1. 리튬 금속 음극

5-2. 실리콘 음극

5-3. 탄소 음극

6. 리튬-황 이차전지용 바인더 기술개발 현황

7. 리튬-황 이차전지 셀의 구성

7-1. 중간층

7-2. 다공성 집전체

7-3. 샌드위치 전극

7-4. 용해된 폴리설파이드 양극액

8. 리튬-황 이차전지 전압 창

8-1. 상부 전압 평탄부

8-2. 하부 전압 평탄부

9. 리튬-황 이차전지 분석 기술 및 기계론적인 이해

9-1. In-Situ 분석

9-2. 폴리설파이드 용해

9-3. 보호층의 형성

9-4. 속도론

10. 리튬-황 이차전지 개발 업체 현황

10-1. 주요 개발 업체 현황

10-2. 주요 특허 출원 현황

11. 리튬-황 이차전지 기술개발 결론 및 향후 방향

12. 참고 문헌