리튬-공기 배터리(Li-Air) – 이론상 최고 에너지 밀도를 가진 차세대 배터리

리튬-공기(Li-Air)?

2025년 현재 전 세계 배터리 산업은 전기차(EV), 드론, eVTOL, 항공·우주 모빌리티의 급격한 확장에 맞춰 더 가볍고 오래가는 배터리에 대한 요구가 폭발적으로 늘어나고 있습니다. 전고체 배터리, 리튬황 배터리(Li-S)가 차세대 유망 후보로 각광받고 있지만, 이론적 에너지 밀도에서 독보적인 기술로 꼽히는 것이 바로 리튬-공기 배터리(Lithium-Air Battery, Li-O₂)입니다.

 

리튬-공기 배터리는 음극에서 리튬이 산화되고, 양극에서 공기 중 산소가 환원되어 반응이 일어나는 구조로, 가장 단순하면서도 이론상 가장 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다. 이론적으로는 약 3,500 Wh/kg에 달해, 현재 상용 리튬이온 배터리(230~300 Wh/kg)의 10배 이상까지 가능하다는 계산도 있습니다.

 

하지만 현실은 아직 멀었습니다. 충·방전 과정에서 반응 부산물이 쌓이고, 전해질 분해, 산소 반응성 관리, 사이클 수명 저하 등 수많은 난제가 존재합니다. 이번 글에서는 리튬-공기 배터리의 원리, 장단점, 연구 현황, 과제와 해법, 미래 전망까지 다루어 보겠습니다.

---

리튬-공기 배터리의 기본 원리

(1) 구조

• 음극(Anode) : 리튬 금속(Li)
• 양극(Cathode) : 기공 구조(탄소 등) 위에서 산소(O₂)가 반응
• 전해질 : 유기 전해질, 수계 전해질, 고체 전해질 등 다양한 후보

(2) 방전 반응(전기 발생)

리튬이 산화되며 전자를 방출 → 산소가 환원되며 전해질과 결합 → Li₂O₂, Li₂O 등이 형성됩니다.

대표 반응식 (비수계 기준)

• 방전 : 2Li + O₂ → Li₂O₂
• 충전 : Li₂O₂ → 2Li + O₂

(3) 특징

• 반응 물질 중 하나가 공기(산소)이므로, 배터리 내부에 양극 활물질을 저장할 필요가 없습니다.
• 이로 인해 에너지 밀도 극대화가 가능합니다.

---

리튬-공기 배터리의 장점

1. 최고 수준의 이론적 에너지 밀도
   • 3,500 Wh/kg (리튬 금속 + 산소 반응 기준)
   • 가솔린(휘발유)의 에너지 밀도(약 12,000 Wh/kg)에 근접
2. 가벼운 무게
   • 양극 물질이 공기 중에서 공급되므로, 셀 내부에 많은 무게가 필요하지 않습니다.
3. 전기차·항공기 응용 잠재력
   • EV 주행거리 1,000km 이상, eVTOL 장시간 비행 가능
4. 자원 이점
   • 황·산소 등 풍부한 자원 활용 가능

---

리튬-공기 배터리의 핵심 난제

(1) 산소 반응 부산물 축적

• 방전 시 생성된 Li₂O₂, Li₂O 등이 전극 표면에 쌓여 반응을 방해합니다.
• 전극 기공 막힘 → 전도도 저하 → 사이클 수명 단축

(2) 전해질 안정성 문제

• 산소 라디칼(·O₂⁻)은 전해질 분해를 유발합니다.
• 고에너지 반응성으로 인해 전해질 수명이 짧습니다.

(3) 산소 공급·순도 문제

• 실제 공기에는 수분(H₂O), CO₂가 포함되어 반응을 방해하고 부산물을 만듭니다.
• 순수 산소 환경이 필요할 경우 시스템 복잡성이 증가합니다.

(4) 리튬 금속 음극의 안정성

• 덴드라이트 성장 → 단락 위험
• 산소와의 반응으로 부식 발생

(5) 낮은 충·방전 효율

• 과전압이 커서 에너지 효율이 낮습니다.
• 충전 과정에서 반응이 불완전하여 가역성이 떨어집니다.

 

---

난제 해결을 위한 연구 전략

(1) 양극 설계

• 다공성 탄소 전극 : 산소 반응 면적 확보
• 촉매 도입 : MnO₂, Co₃O₄, Pt, Ru, 단원자 촉매 등으로 산소 환원/발생 반응(ORR/OER) 촉진
• 기공 구조 최적화 : 부산물 축적 최소화

(2) 전해질 혁신

• 고안정성 전해질 : 불소화 용매, 이온성 액체
• 고체 전해질 : 산소 라디칼 공격에 강하고, 누액·인화 위험이 적음

(3) 산소 관리

• 순수 산소 공급 시스템 개발
• 공기 중 수분·CO₂ 필터링 기술

(4) 음극 보호

• 리튬 금속 표면 코팅 : LiF, Li₃N, 고분자 SEI 형성
• 3D 집전체 활용으로 균일한 리튬 석출

(5) 시스템 설계

• 폐쇄형 Li-O₂ 셀 : 산소 저장·순환 시스템 내장
• 개방형 Li-Air 셀 : 외부 공기를 직접 사용하되, 필터링·정화 기술 필요

---

리튬-공기 배터리의 유형

1. 비수계 Li-O₂ 배터리 (Non-aqueous)
   • 전해질: 유기 용매 기반
   • 가장 많이 연구되지만, 전해질 안정성 문제 심각
2. 수계 Li-O₂ 배터리 (Aqueous)
   • 물 기반 전해질 사용
   • 전도도가 높고 친환경적이나, 리튬 금속 보호 필요
3. 하이브리드 Li-O₂ 배터리
   • 비수계와 수계 전해질을 결합
   • 장점 조합을 노리지만 구조 복잡
4. 전고체 Li-O₂ 배터리
   • 고체 전해질 활용
   • 안전성·안정성 장점, 계면 저항 과제 존재

---

글로벌 연구 및 산업 동향

(1) 미국

• Argonne National Laboratory : 촉매와 전해질 연구 주도
• MIT : 저전압·고효율 촉매 개발

(2) 일본

• 도요타 : 전고체 Li-O₂와 Li-S를 병행 연구
• AIST : 고체 전해질 기반 리튬-공기 연구

(3) 한국

• KAIST, POSTECH, 서울대 등에서 산소 반응 촉매, 고체 전해질 연구 활발
• 삼성SDI, LG에너지솔루션 : 중장기 R&D 로드맵에 포함

(4) 유럽

• 옥스퍼드대, 캠브리지대 : 기공 구조 전극·촉매 연구
• 프라운호퍼 연구소 : 산업 적용 타당성 검토

---

상용화의 과제

1. 사이클 수명 : 현재 수십~수백 회 수준 → 1,000회 이상 필요
2. 에너지 효율 : 과전압 문제 해결 필요
3. 안전성 : 산소 반응성·리튬 금속 위험성 관리
4. 산업화 비용 : 고순도 산소 관리 시스템, 복잡한 패키징 비용
5. 표준화 부재 : 셀 설계·평가 방법론 통일 필요

 

---

응용 가능성

1. 전기차(EV)
   • 1회 충전 주행거리 1,000km 이상 목표
   • 경량화로 차량 효율 극대화
2. 드론·항공기
   • 중량 민감성이 큰 드론·eVTOL에 최적
   • 장시간 비행·페이로드 확대 가능
3. 우주 탐사
   • 고에너지 밀도가 필요하고 충전 인프라가 제한적인 우주 임무에 적합

---

미래 전망

• 단기(5년 이내) : 연구실 단계, 소형 셀 수준에서 성능 개선
• 중기(5~10년) : 파일럿 규모, 드론·특수 군사 장비 적용
• 장기(10년 이상) : 전기차, 항공기 응용 가능성

리튬-공기 배터리는 아직 초기 단계이지만, “꿈의 배터리”로 불릴 만큼 큰 잠재력을 지니고 있습니다. 전고체, 리튬황과 함께 차세대 배터리의 핵심 후보군 중 하나로서, 향후 10년간 연구 성과가 상용화의 성패를 좌우할 것입니다.

 

---

꿈의 배터리, 현실이 될까?

리튬-공기 배터리는 현존 배터리 중 이론적으로 가장 높은 에너지 밀도를 자랑합니다. 그러나 전해질 안정성, 사이클 수명, 안전성 같은 근본적 한계를 극복해야 상용화의 문턱을 넘을 수 있습니다.

 

만약 이 문제들이 해결된다면, 전기차는 내연기관차와 동등한 주행거리와 충전 효율을 갖게 되고, 드론과 항공 모빌리티는 비약적 발전을 이룰 것입니다. 결국 리튬-공기 배터리는 단순히 또 다른 배터리 기술이 아니라, 에너지 산업 전체의 패러다임 전환을 이끌 수 있는 열쇠라 할 수 있습니다.