리튬메탈배터리

리튬메탈배터리는 전고체 배터리, 리튬황 배터리와 함께 가장 강력한 차세대 2차전지라고 할 수 있습니다. 

개인적으로 전고체의 상용화보다는 리튬메탈배터리의 상용화가 더 빠를 것이며, 전고체 배터리 시장 파이를 상당부분 잠식할 수 있다고 보고 있습니다. 
전고체 배터리는 산화물계 배터리가 소형 IT제품용으로 많이 활용되어질 것으로 보이며, 차세대 전기차용 배터리는 황화물계 전고체배터리 보다는 리튬메탈배터리가 좀 더 빠르고 폭 넓게 사용될 수 있다고 생각합니다. 

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※ 리튬메탈 배터리 (음극에 리튬 금속을 사용하는 배터리를 통칭)

리튬배터리에 사용되는 흑연의 이론 용량은 372mAh/g인데 비해 리튬 금속의 이론 용량은 3860mAh/g로 10배 이상임. 
리튬은 표준수소전극(SHE) 대비 -3.040v로 낮은 전위와 0.534g/㎤의 낮은 밀도를 갖고 있어 차세대 음극물질로 주목을 받고 있음. 

리튬메탈 음극재는 동박에 수십나노미터 두께의 리튬금속 호일을 입히는 방식으로 만들어 짐. 
리튬 금속 자체의 무게가 가볍고 두께도 흑연보다 훨씬 얇아 기존 흑연이나 실리콘 음극재보다 배터리의 크기나 부피를 크게 줄일 수 있음. 

리튬메탈은 리튬이온배터리 뿐 아니라 전고체, 리튬황 배터리 등 차세대 배터리의 음극물질로도 활발히 연구되고 있음. 


● 리튬메탈 배터리의 난관 : 덴드라이트 현상

리튬메탈 배터리가 극복해야 할 가장 문제는 덴드라이트(Dendrite) 현상임. 
덴드라이트는 충전시 음극으로 이동한 리튬이온이 수지상(나뭇가지 모양의 결정)을 형성하는 현상. 
흑연의 경우 리튬이온이 안정적인 흑연의 층상구조로 삽입되기 때문에 덴드라이트가 잘 발생하지 않는 반면, 리튬메탈은 음극으로 이동한 리튬이온이 곧바로 리튬금속과 환원반응을 일으켜 음극 표면이 쉽게 전착됨. 전착된 리튬이 계속 자라 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 단락이 발생하여 배터리 폭발이 발생. 

덴드라이트는 배터리의 수명에도 양향을 미침. 
음극과 전해질 사이에 형성되는 SEI(Solid Electrolyte interface)층은 전해액과 리튬의 접촉을 막아 전해액에 의한 리튬의 부식을 방지함. 
그러나 덴드라이트로 리튬이 균일하게 전착되지 않고 한곳에 집중되면 SEI층이 손상돼 충방전 효율이 떨어지게 되어 배터리 용량도 크게 감소함. 


● 리튬메탈 배터리 개발 현황

○ LG에너지솔루션

지난 12월 7일, LG에너지솔루션과 KAIST 김희탁 교수 공동연구팀은 1회 충전에 900km, 400회 이상 충방전이 가능한 리튬메탈 배터리 연구 결과를 공개. 

붕산염-피란(borate-pyran) 기반 전해액을 세계 최초로 적용하여 기술적 난제를 해결했다고 설명. 
붕산염-피란 전해액은 리튬금속 음극 표면에 형성된 SEI를 치밀한 구조로 재설계해 전해액과 리튬간의 부식 반응을 차단하여, 덴드라이트와 부식 문제를 동시에 해결할 수 있음. 

○ SES AI (미국)

SES AI는 전고체 배터리 개발로 출발하였으나, 리튬메탈배터리로 방향을 전환하였으며, CEO인Qicaho Hu 박사는 “전고체는 갈 길이 너무 멀고, 하이브리드 리튬메탈이 최종단계(End Game)”이라고 의견을 피력.

지난 12월 13일 주요 완성차 업체 한 곳과 리튬메탈 배터리 B샘플 양산을 위한 공동개발협약(JDA)을 체결. 
2021년 SES AI는 GM, 혼다, 현대차 등과 A샘플에 대한 JDA를 맺은 바 있으며, 이번에 이들 중 한 곳과 B샘플 계약을 맺음. 
B샘플의 완료는 모듈과 팩 기술의 위험이 완전히 제거된 것이며 공급망과 제조공정에서 어떤 리스크도 없다는 것을 의미
향후 C, D샘플 과정을 거치면 전기차에 탑재할 수 있음. 
B 샘플 테스트는 통상 1-2년, C,D 샘플 테스트는 1-2년이 소요됨. 
UAM에도 적용할 계획
2025년경 리튬메탈 배터리 상용화 목표

SES AI는 2016년 리튬메탈배터리 시제품을 제작. 
SK는 2018년, 2021년 두차례에 걸쳐 SES AI에 투자 현재 지분 12.7%를 확보 중이며, 현대차도 1억달러를 투자. 

○ 롯데케미칼 

2022년 11월 28일, 리튬메탈음극재의 불안정성을 해결하기 위한 고분자계 고체전해질 기반 “분리막 코팅소재 제조 기술”을 국내 최초로 개발하고 국내 특허 출원을 완료. 
이 기술은 리튬이온의 흐름성을 개선하는 소재를 리튬메탈배터리의 분리막에 코팅해 덴드라이트 현상을 억제하는 것이 핵심. 
해당 기술을 통해 500회 충방전, 90%이상의 용량 보존이 가능. 

롯데케미칼은 2021년 리튬메탈 음극재 개발을 하는 미국 스타트업 소일렉트(SOELECT)에 지분을 투자하고 JDA를 체결. 
양샤는 2025년까지 미국 현지에 약 2억달러 규모로 Gwh급 리튬메탈 음극재 생산시설 구축을 검토 중. 

○ 포스코그룹 + SKC

포스코그룹과 SKC는 리튬메탈음극재 등 차세대 음극 소재 공동개발과 소재생산을 위한 공정기술 개발 등을 협업하기로 업무협약을 체결

포스코그룹은 2017년부터 리튬메탈음극재에 대한 연구개발을 시작하였으며 2026년 상용화 예정. 

리튬메탈 음극재 제조에 있어 동박 기술이 중요해 포스코는 SKC와 협력을 통해 리튬메탈음극재 상용화를 가속화할 계획. 

https://view.asiae.co.kr/article/2023121423004264138
https://www.tfmedia.co.kr/news/article.html?no=144895
https://n.news.naver.com/mnews/article/092/0002314046?sid=105
https://n.news.naver.com/mnews/article/015/0004925045?sid=101