라이텐의 리튬유황 배터리들은 리튬이온 배터리를 생산하는 같은 기구들에서 제조할 수 있어 빠른 시일 내 채택될 가능성이 있다
리튬유황 전지가 과연 고체전지를 밀어내고 차세대 전지가 될 수 있을까? 실리콘밸리의 전지 기술회사인 라이텐(Lyten)은 지난 9월 디트로이트에서 열린 모터 벨라 모터쇼/모빌리티 콘퍼런스를 통해 조용히 등장했다. 그들은 수년간 진행한 연구 결과를 발표하며 아주 의미 있는 내용을 내놓았다. 무게당 에너지를 세 배나 더 끌어올릴 수 있다니!
오늘날의 전지에서는 충전한 리튬메탈 이온이 주요 역할을 한다. 테슬라가 슈퍼차저에 연결되어 있을 때 이 이온들이 전해액을 통해 분리대를 지나 양극에서 퍼진다. 액셀을 밟을 때는 이온들이 반대로 이동해 음극물질에서 화학결합을 한다.
요즘 전기차 배터리의 음극물질(주로 니켈/망간/산화 코발트 분자)들은 각각 0.5에서 0.7 리튬 이온밖에 수용하지 못하지만, 유황 원자 하나는 두 개의 리튬 이온까지 수용할 수 있다. 유레카! 중량측정 밀도가 150과 260Wh/kg에서 500 이상으로 늘어나게 된다.
리튬유황이 쓰이지 못하는 주요 원인으로는 우선 유황의 아주 낮은 전기전도성을 꼽을 수 있다. 이어서 유황 원자가 황화리튬 분자가 되면서 일어나는 음극의 물리적 확장, 그리고 마지막으로 사람들이 두려워하는 ‘폴리설파이드 셔틀’ 효과 때문이다.
첫 번째 문제는 엔지니어링한 물질에 유황 원자를 붙여 전도성이 더 큰 나노튜브 같은 카본 구조를 만들어 해결했다. 두 번째 확장 문제는 오늘날의 고체전지 기술이 지닌 문제점과 같은데, 이는 극복할 수 있을 것 같다. 마지막 문제가 좀 까다롭다. 리튬 이온들이 양극으로 갈 때 유황 원자들을 데리고 가는데, 이때 음극이 줄어들게 한다.
이렇게 100번 정도의 충전 사이클을 마치면 리튬유황 전지들은 결국 고갈된다. 태양열/전지로 11일 동안 나는 비행기 실험 같은 데 쓸 거면 상관없겠지만, 전기차 충전에는 1000~2000사이클이 필요하다.
라이텐은 3D 카본 그라펜의 음극 구조 과정을 특허화했다. 전형적인 그라펜 시트는 가장자리에서만 전기 반응을 보이지만, 라이텐이 등록한 3D 그라펜은 무수히 많은 작은 그라펜 면들이 기하학 모양의 작은 상자를 수백만 개 만들어낸다. 이것들이 전도성 문제를 해결할 수 있고, 유황이 더 커지게 함으로써 리튬이 데리고 가는 걸 방지한다. 라이텐은 전해질을 제한 인자로 해 1400사이클의 수명을 입증했다.
라이텐이 만든 3D 그라펜은 반도체 산업의 실리콘 웨이퍼와 비슷하게 형성된다. 바로 가스에서 원하는 물질을 풀어주는 방식이다. 칩을 만들기 위해서는 페블베드 원자로에서 실란 가스를 반응시켜 아주 순수한 기본 실리콘을 얻을 수 있다.
라이텐은 메탄가스 안으로 전기에너지(플라스마)를 계획적으로 쏜다. 이렇게 하면 수소를 분리해 탄소원자 성분을 콤플렉스 3D 그라펜으로 결합시킨다. 분리한 수소는 따로 판매하거나 친환경적으로 사용해 이 과정에서 필요한 에너지를 3분의 1로 절감시킨다.
라이텐은 양극, 음극 같은 것 외엔 아직 본인들의 전해질에 대한 자세한 내용을 공개하지 않았지만, 산화물질은 전혀 포함하지 않는다. 산소 원자가 아예 없는 배터리에서 화재 위험은 실질적으로 존재하지 않게 된다. 라이텐은 셀들을 과충전해 보기도 하고 못을 통과시키기도 했지만, 영하 6℃ 이상 온도가 올라가지 않았다.
유황 전지는 영하 29℃와 60℃ 사이에서 작동하고, 급충전이 가능하며, 훨씬 적은 쿨링/히팅이 필요하다. 만드는 데 필요한 물질들은 풍부하고 가격이 싸며, 내연기관차보다 EV차 비용을 낮춰준다. 또한 독성이 없고 재활용 가능하며, 북미에는 풍부해 2023년 적용할 미국-멕시코-캐나다 무역협정의 ‘역내 가치비율’ 조항의 관세를 피할 수 있게 된다.
제3자가 행한 라이프사이클 측정에 따르면 라이텐 셀(LytCell)의 탄소발자국은 리튬이온 셀의 40%밖에 되지 않는다. 현존하는 기계들로 실린더형, 파우치 또는 프리즈마틱 Li-S 배터리 셀의 제작 소요시간을 반으로 줄여주는데, 이는 리튬이 음극이 아닌 코팅한 메탈 양극으로 들어가기 때문에 가능하다.
이는 마지막 제조과정에서 첫 충전과 방전 사이클이 일어날 때 시간을 절약해준다. 마지막으로, 라이텐은 2022년에 공장 부지를 선정할 계획이고, 2025년 또는 2026년형 자동차 제작에 참여할 예정이다.
내가 자문을 구한 모든 자동차와 배터리 전문가들은 라이텐의 타이밍이 아주 적절했다고 말한다. 라이텐 셀은 저전압으로 작동하므로 오늘날 배터리들의 직접적인 대체재가 될 수는 없다. 이건 간단한 엔지니어링 문제지만 모든 새로운 셀 화학들이 안정성과 품질보증 규정 준수를 위한 테스트를 통과하려면 보통 수년이 걸린다.
리튬유황 배터리 기술은 모바일 기기, 전동공구 또는 국방부 장비에 쓰일 가능성이 더 높다. 들어가는 비용이 다르기 때문이다. 그렇지만, 점점 다가오는 관세 위협이 어쩌면 빠른 발전을 위한 자극제가 될지도 모르겠다.
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