리튬이온을 위한 베스트 드라이버 ‘전해액’

2020.11.04

빠르고 안전하게 모실게요! ‘전해액’

현재 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질인 전해액을 사용하고 있습니다. 전해액은 양극과 음극 사이 리튬이온(Li+)의 이동을 가능하게 하는 물질로 양극과 음극의 표면을 안정화 시키며 배터리의 수명과 셀 특성을 향상시키는 등 배터리 4대 소재의 핵심적인 한 축을 담당하고 있습니다.

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한마디로 전해액은 ‘리튬이온을 빠르고 안정적으로 이동시키는 매개체’로 양극과 음극 사이를 오가는 리튬이온을 위한 베스트 드라이버인 것입니다.

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전해액은 크게 리튬염과 유기 용매, 첨가제로 구성되어 있는데, 각각의 역할과 특성들에 대해 한번 살펴보겠습니다.

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리튬 이온의 이동 통로, 리튬염(Lithium Salt)

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리튬염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 수행합니다. 그렇기 때문에 기본적으로 용매에 쉽게 용해되거나 해리가 잘 돼야 하며 이렇게 해리된 이온들이 잘 이동할 수 있어야 합니다.

* 해리 : 화합물이 이온으로 분리되는 현상

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현재 보편적으로 적용되는 리튬염은 LiPF6(리튬·인산·불소로 구성)로, LiPF6는 이온 이동도, 용해도, 화학적 안정성이 다른 염에 비해 우수합니다.

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염을 용해시키는 액체, 유기 용매(Organic Solvent)

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유기 용매는 리튬염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 돕습니다. 유기 용매는 몇가지 요구되는 특성이 있는데요, 이온 화합물을 잘 분리시킬 수 있도록 리튬염에 대한 용해도가 커야 하며, 리튬의 이동이 원활하도록 점도가 낮아야 합니다.

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[ 다양한 형태의 용매(예시) ]

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보통 용매의 종류에 따라 다르지만 높은 이온전도도 확보를 위해서 염에 대한 용해도가 큰 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 선형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요합니다.

* 이온전도도 : 이온을 전달하는 효율

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또한 용매로서 활용되기 위해서는 낮은 화학 반응성을 갖추어야 합니다. 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용합니다. 

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전해액의 성격을 결정하는 물질, 첨가제(Additive)

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첨가제는 특정한 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질로써 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 합니다. 리튬이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 도와주고 배터리의 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심적인 역할을 수행합니다.

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첨가제는 양극용과 음극용으로 나눌 수 있는데, 양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선시키거나 과충전을 방지하는 역할을 합니다.

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음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해되어 음극에 튼튼한 막을 형성하고 수명을 향상시키며 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 하고 있죠. 

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이러한 양극용과 음극용 첨가제 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적으로 안정성이 있어야 한다는 공통점을 가지고 있는데, 고객이 요구하는 스펙이나 목적에 따라 각기 다른 첨가제를 사용합니다.

첨가제는 전해액에서 차지하는 절대적인 함량은 적지만 수명 개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 핵심적인 역할을 수행한다고 볼 수 있습니다.

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지금까지 전해질에 대해서 알아 봤습니다. 이론상으로는 어려울 수 있지만 우리가 흔히 즐기는 커피를 떠올리면 이해가 쉬울 것 같습니다. 리튬염은 커피 원두, 유기용매는 물, 첨가제는 시럽이라고 말이죠.

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좋은 전해질 있으면 소개시켜줘!

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전해액은 ‘리튬이온을 빠르고 안전하게 이동시키는 매개체’인 만큼, 리튬을 잘 이동시킬 수 있는 능력이 가장 중요합니다. 뿐만 아니라, 배터리가 작동되는 동안에 전해액이 부반응을 일으켜 배터리의 성능을 저하시키는 일이 없도록 화학적∙전기적으로 안정적이어야 하며, 언제나 배터리가 작동될 수 있도록 어는 점은 낮고 끓는 점은 높아야 합니다.

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최근 배터리 업계의 가장 핫한 이슈 중의 하나가 바로, 차세대 배터리로 주목받는 ‘전고체 배터리’ 입니다.

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[리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 구조]

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전고체배터리는 액체의 전해액이 아닌 고체의 전해질을 사용하여, 발열 및 인화 위험이 없어 상대적으로 안전하다는 장점이 있습니다.

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아직 상용화되진 않았지만, 삼성SDI가 앞장 서 연구하고 있으니 곧 우리 생활 속에서 만나볼 수 있겠죠?

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