2020. 09. 25
차세대 2차 전지가 지속적으로 발전하고 있습니다. 먼 미래가 아닌 가까운 미래에 LG화학은 새로운 차세대 2차 전지를 활용한 사업을 추진하고 있습니다. 오늘은 국내 최초로 차세대 배터리를 활용한 무인기가 최고 고도 비행 테스트에 성공한 이야기를 소개해드리겠습니다. LG화학은 이미 스마트폰, 노트북, PC, 전기 자동차 등에 탑재된 리튬이온 배터리의 경쟁력은 확보했습니다. LG화학은 리튬이온배터리에서 나아가 ‘리튬-황(Li-S)배터리’를 집중 연구 개발했습니다. 그럼 리튬황배터리는 무엇이고 어떤 장점을 가지고 있는지 자세히 살펴볼까요?
LG화학이 국내 최초로 차세대 배터리를 활용한 무인기 최고 고도 비행 테스트에 성공했습니다. 한국항공우주연구원에서 개발한 고고도 장기 체공 태양광 무인기(EAV-3)에 리튬황배터리를 탑재해 성층권 환경에서 비행하는 테스트에서 성공한 것입니다.
*성층권: 대류권(지상~12km)과 중간권(50~80km) 사이에 위치한 대기층으로 고도 12~50km 사이를 말함.
EAV-3는 고도 12km 이상 성층권에서 태양 에너지와 배터리로 오랜 시간 날 수 있는 소형 비행기인데요. 날개 위 태양전지판으로 충전을 하며 낮에는 태양전지와 배터리 전력으로 비행하고 밤에는 낮에 충전된 전력으로 비행합니다. EAV-3의 날개 길이는 20m, 동체 길이는 9m입니다.
LG화학은 8월 30일 한국항공우주연구원 고흥 항공센터에서 EAV-3에 리튬황배터리를 탑재한 후 오전 8시 36분부터 오후 9시 47분까지 약 13시간 동안 비행 테스트를 진행했습니다. 국내에서 리튬황배터리로 테스트를 진행한 것은 LG화학이 처음입니다. 특히, 이번 비행 테스트에서 EAV-3는 국내 무인 비행기로는 전례가 없는 고도 22km를 비행해, 무인기 기준 국내 성층권 최고 고도 비행 기록을 달성했습니다. 또한, 총 13시간의 비행 중 7시간을 일반 항공기가 운항할 수 없는 고도 12~22km의 성층권에서 안정적인 출력으로 비행했습니다.
이번 비행 테스트는 영하 70도의 낮은 온도와 대기압이 지상 대비 25분의 1수준인 진공에 가까운 성층권의 극한 환경에서도 차세대 배터리인 리튬황배터리의 안정적인 충방전 성능을 확인했다는 데 큰 의미가 있습니다.
리튬황배터리는 리튬이온배터리를 대체할 차세대 배터리 중 하나로 양극재에 황탄소 복합체, 음극재에 리튬 메탈 등 경량 재료를 사용해 무게 당 에너지 밀도가 기존 리튬이온배터리 대비 1.5배 이상 높은 배터리입니다. 리튬황배터리는 리튬과 황이 만나 황화리튬이 되는 과정에서 발생하는 에너지를 사용하고, 반대 과정으로는 에너지를 저장하는 장치입니다. 구체적으로는 리튬이 전자를 내어놓아 양이온이 되고 황은 그 전자를 가져오는 산화환원반응이 일어나면서 리튬 양이온과 황 음이온이 전기적으로 결합해 황화리튬이 됩니다. 그 과정에서 이동하는 전자로 인해 전력이 발생합니다. 리튬황배터리는 기존 리튬이온배터리 보다 가볍고 희귀 금속을 사용하지 않아 가격경쟁력이 뛰어난 것이 장점입니다.
또한, 전기차뿐만 아니라 장기 체공 드론 및 개인용 항공기 등 미래 운송수단의 성능을 좌우하는 핵심부품으로 손꼽히며 세계 각국에서 개발을 위한 경쟁이 치열합니다.
LG화학 미래기술연구센터 혁신전지1팀은 1년 6개월 동안 성층권의 환경과 유사한 극한의 환경을 재현해 낮은 온도와 기압에서 리튬황배터리 연구를 진행했습니다. 이를 바탕으로 이번 비행 테스트를 성공적으로 완료할 수 있었습니다.
사실 리튬이온배터리보다 리튬황배터리가 먼저 탄생했지만 상용화는 느린 편이었습니다. 리튬이온배터리는 1970년대 학계에 작동 원리가 제안돼 20여 년만인 1991년 일본 소니가 상용화했는데요. 반면 리튬황배터리는 1962년 미국 과학자 헐버트 대뉴타(Herbert Danuta)와 울람 줄리어스(Ulam Juliusz)가 관련 특허를 취득했지만 아직까지 상용화되지 못했습니다.
따라서 이번 리튬황배터리를 탑재한 비행 테스트의 성공은 큰 성과가 아닐 수 없습니다. LG화학은 향후 추가적인 리튬황배터리 시제품을 생산해 수일 이상의 장기 체공 비행을 시연할 예정입니다. 이와 함께, 에너지 밀도가 현재 리튬이온배터리의 2배 이상인 리튬황배터리를 2025년 이후 양산할 계획입니다.
그럼 국내 최초 리튬황배터리를 탑재한 무인기 비행 성공을 위해 노력했던 LG화학 미래기술연구센터에서 해당 연구를 진행한 연구원과 한국한공우주연구원 박사님에게 더 자세한 이야기를 물어볼까요?
안녕하세요. 자기소개와 하고 계신 업무에 대해 소개해주세요.
•이승호 책임: 안녕하세요 LG화학 미래기술연구센터 혁신전지1팀에서 리튬황배터리를 연구하고 있는 이승호 책임입니다. 고고도 장기 체공 태양광 무인기 EAV-3에 저희가 연구 진행한 리튬황배터리를 탑재해 고도 22km 국내 성층권 최고 기록을 달성하는 비행 테스트에 성공했습니다. 처음 기획부터 설계, 공급까지 진행했습니다.
•이융교 박사: 안녕하세요 저는 한국항공우주연구원 항공기술 연구부에서 근무하는 이융교라고 합니다. 성층권 태양광 무인기 과제를 담당하고 있습니다. 한국항공우주현구원은 항공분야, 인공위성분야, 나로호와 같은 발사체 분야로 나뉘어 국민에게 필요한 우주, 항공과 관련된 연구를 하는 곳입니다.
해당 비행 테스트에 성공하기까지 어떤 노력이 있었나요?
•이승호 책임: 혁신전지1팀은 2012년부터 리튬황배터리를 연구했습니다. 현재 에너지 밀도 기준으로 410wh/kg 에너지 밀도를 갖도록 개발을 해서 이번 성층권 무인기 테스트를 진행했습니다. 약 1년 6개월 정도 걸린 이번 비행 테스트는 배터리의 효율성도 중요하지만, 테스트 조건에 필요한 여러 가지 상황들이 부합해야 나올 수 있는 결과입니다. 지상의 날씨 뿐만 아니라 고고도 기상도 좋아야 하는 환경 조건이 필요했는데요. 다행히 테스트를 진행하는 당일에는 기상 조건들이 충족해서 좋은 결과를 얻을 수 있었던 것 같습니다. 성층권에서 비행을 할 수 있는지 확인하기 위해 진공 상황을 모사한 진공 챔버 안에서 배터리의 충방전 테스트를 진행했습니다.
•이융교 박사: 저희도 국내 배터리를 찾던 중에 LG화학 쪽에서 리튬황배터리를 만들었는데 무인기에 탑재할 수 있겠냐는 문의가 있었습니다. 그때부터 LG화학의 배터리 셀을 저희가 보유 중인 비행기에 맞게 패킹하고 제작했습니다. 영하 70도 환경에서는 배터리에서 나오는 에너지로 배터리 자체의 열을 높여야 합니다. 그렇지 않으면 배터리 성능이 떨어지게 되는데요. 압력이 매우 낮아서 실리콘 밴드로 부풀지 않게 잡아주는 기술이 패킹 기술입니다. 저희와 LG화학이 함께 패킹 기술을 개발하고 지상 실험을 진행하며 함께 협업을 진행했습니다.
앞으로 해결해야 할 과제가 있다면 무엇이고 향후 목표가 있다면?
•이승호 책임: 리튬황배터리는 높은 에너지를 저장할 수 있고 가볍다는 장점이 있지만 반면에 리튬이온배터리보다 수명이 부족한 게 대표적인 단점입니다. 이걸 해결한다면 미래 운송수단 등에 적용할 수 있습니다. 이런 여러 가지 문제들을 팀 내외부적으로 협업해 개선할 예정입니다. 목표가 있다면 약 9~10년 개발하고 있는 리튬-황 배터리가 더 나아가서 상용화되고 실제 공장에서도 리튬황배터리가 생산되는 걸 보는 게 제 꿈입니다.
•이융교 박사: 한국항공우주연구원에서 지난 8월 15일 오전 5시부터 8월 17일 오전 10시까지 53시간 연속 비행에 성공했던 기록이 있습니다. 향후에는 LG화학의 리튬황배터리를 최대 수량으로 탑재해 비행 기록을 갱신하고 싶습니다. 향후에는 국내 배터리를 탑재해서 6개월 동안 착륙하지 않고 비행을 할 수 있게 만드는 것이 최종목표입니다.
이번 비행 테스트를 통해 높은 에너지 밀도의 차세대 배터리 분야에서 LG화학은 세계 최고 수준의 기술력을 입증했습니다. 앞으로도 차세대 배터리 분야에 집중적으로 연구·개발해 세계 시장에서의 주도권을 더욱 단단히 지켜 나가겠습니다.
빨리 상용화되어 자동차에 적용된다면 좋겠네요.