리튬황(Li-S) 배터리는 황 1kg당 이론 용량이 흑연계 리튬이온보다 훨씬 높고, 황 자체가 저렴하고 풍부한 원소라 오랫동안 “꿈의 배터리” 후보로 꼽혀왔다. 그런데 20년 넘게 관련 특허가 꾸준히 쌓이는데도 여전히 대중적 상용화는 이뤄지지 않고 있다. 그 이유가 바로 특허 문헌들이 공통으로 씨름하는 “폴리설파이드 셔틀” 문제다.
기본 원리
리튬황 전지는 방전 과정에서 황이 리튬과 반응해 리튬 폴리설파이드라는 중간 화합물을 만드는데, 이 폴리설파이드가 전해질에 잘 녹는다는 게 문제다. 녹아 나온 폴리설파이드는 분리막을 넘어 음극 쪽으로 확산됐다가 다시 산화되는 반응을 반복하는데, 이를 “셔틀(shuttle) 현상”이라 부른다. 셔틀 현상이 반복되면 양극의 활물질이 계속 유실되고 음극 표면도 불안정해져, 용량이 빠르게 줄어든다.
특허 관점
KR101725650B1(리튬 황 전지)의 청구항 핵심은 양쪽에서 동시에 문제를 막는 이중 방어 구조다. 양극과 분리막 사이에는 술폰산기(-SO3H)를 가진 리튬이온 전도성 고분자막을 둬서 폴리설파이드가 음극 쪽으로 확산되는 것을 물리적으로 차단하고, 음극과 분리막 사이에는 별도로 금속산화물막을 둬서 리튬 덴드라이트 성장까지 함께 억제한다. 명세서는 이 조합으로 “전극 활물질의 손실이 감소되고… 개선된 수명 특성을 나타내며… 향상된 안전성을 갖는” 전지를 제공한다고 밝힌다. 폴리설파이드 억제와 덴드라이트 억제라는, 리튬황 전지의 두 가지 고질적 문제를 하나의 셀 구조 안에서 동시에 다뤘다는 점이 특징이다.
앞서 등록된 KR20090080996A는 접근이 다르다. 양극을 편광된(polarized) 전극군과 편광되지 않은 전극군으로 나눠, 폴리설파이드가 확산돼도 편광된 전극 표면에서 다시 환원되도록 유도하는 회로 설계 방식이다. 전해질에 고농도 폴리설파이드 용액이 쌓이는 것 자체를 막아 비에너지를 높이는 것이 목표로, 소재보다는 전극 배치·회로 설계 쪽에서 셔틀 문제에 접근한 사례다.
한계와 전망
특허 문헌들이 “억제”나 “차단”이라는 표현을 쓰는 데서 알 수 있듯, 셔틀 현상을 완전히 없애는 기술은 아직 등장하지 않았다. 리튬황 전지는 무게당 에너지밀도에서는 강점이 뚜렷하지만 부피당 에너지밀도와 사이클 수명에서는 여전히 상용 리튬이온에 못 미친다. 드론이나 UAM처럼 무게가 절대적으로 중요한 틈새 응용처에서 먼저 자리 잡을 가능성이 전기차보다 높다는 게 업계의 대체적 시각이다.