[소프트E] 배터리의 혈액, 전해액

[자료제공=삼성SDI] 오늘은 배터리 전문가인 배프로가 리튬이온배터리의 4대 핵심소재인 ‘전해액’에 대해 설명해 드리겠습니다.

우리가 건강하게 잘 움직이고 생활 할 수 있는 것은 우리 몸 구석구석에 분포된 혈관을 통해 혈액이 잘 공급되고 있기 때문인데요. 이와 마찬가지로 배터리가 원활히 작동되기 위해서는 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 잘 이동할 수 있어야 합니다.

이때 리튬이온을 운반하는 것이 전해액 입니다. 충전 시에는 양극에서 음극으로, 방전 시에는 음극에서 양극으로 리튬이온을 운반하는 역할을 합니다. 전해액은 이 외에도 셀 특성을 향상 시키는 역할도 합니다.

리튬이온 배터리의 4대 구성요소

전해액을 소개하기에 앞서 여러분들의 이해를 돕기 위해 리튬이온 배터리의 4대 구성요소에 대해 한번 더 설명 드리겠습니다.

리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-)간 리튬이온의 이동을 통해 전기에너지를 만들어내는 장치입니다. 리튬이온 배터리를 이루는 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해액입니다.

양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성되어 있습니다. 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 쏙 빠져 나와서 음극으로 옮겨 갑니다. 방전 시에는 리튬이온이 원래 살고 있었던 집인 양극으로 돌아가고, 이 때 전기가 발생하게 되는 거죠. 그래서 우리는 양극을 리튬이온의 본가(本家)이라고 부른답니다.

음극은 주로 흑연으로 만들어 집니다. 연필심에 사용되는 그 흑연 맞습니다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는데, 이를 층상구조라고 하며 아파트를 상상하시면 쉬울 것 같습니다. 양극에서 빠져 나온 리튬이온들이 이러한 층상구조 사이에 들어가게 되는 거죠.

배터리의 양극과 음극 사이에는 분리막이 있습니다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 합니다. 하지만 양극과 음극의 물리적 접촉은 절대로 허락하지 않는 격리막 역할도 하게 됩니다. "양극이랑 음극 너네 둘은 만나면 너무 뜨거워지니(?) 좀 떨어져 있어!"라고 하는 것이죠.

마지막으로 전해액은 양극과 음극간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 합니다.

전해액의 역할과 구성

전해액은 ‘배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 물질’ 이라고 정의할 수 있는데요. 양극과 음극의 표면을 안정화시키고, 배터리의 수명이나 셀 특성을 향상시키는 기능을 하고 있습니다. 이러한 전해액은 크게 염과 용매, 첨가제로 구성되어 있는데요. 각각의 특성들을 살펴보겠습니다

① 리튬 소스를 제공하는 통로, 염(salt)

염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 합니다. 현재 리튬이온배터리 업계에서 공통적으로 적용되는 염은 LiPF6(리튬·인산·불소로 구성)입니다. 기본적으로 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 되어야 하고 해리된 이온들은 잘 이동할 수 있어야 합니다. LiPF6는 이온이동도, 용해도, 화학적 안정성이 비교적 우수한 염 중 한가지 입니다.

염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 합니다. 현재 리튬이온배터리 업계에서 공통적으로 적용되는 염은 LiPF6(리튬·인산·불소로 구성)입니다. 기본적으로 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 되어야 하고 해리된 이온들은 잘 이동할 수 있어야 합니다. LiPF6는 이온이동도, 용해도, 화학적 안정성이 비교적 우수한 염 중 한가지 입니다.

② 염을 용해시키는 액체, 용매(Solvent)

용매는 염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 보통 리튬이온 배터리 속 염을 용해시키는 물질로는 EC(Ethylene Carbonate)라는 용매를 사용하고 있습니다. 염을 용해시키는 용매는 몇가지 요구되는 특성이 있는데 우선 염을 잘 용해시키기 위해 유전상수(이온 화합물을 분리시켜주는 값)가 높아야 하고 리튬의 원활한 이동을 위해 낮은 점도를 가져야 합니다.

하지만 유전상수가 높은 용매(EC&PC)는 점도가 높아서 문제이고, 점도가 낮은 용매(DMC, EMC, DEC)의 경우 유전율이 낮기 때문에 이를 균형있게 조합해야만 최고의 이온전도도를 확보할 수 있습니다. 보통 용매의 종류에 따라 다르지만 높은 이온전도도를 확보하기 위해 유전상수가 높은 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 사슬형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요합니다.

또한 용매로서 활용되기 위해서는 낮은 화학 반응성을 갖추어야 하는데요. 배터리가 작동하는 동안 용매가 양극, 음극과 반응하면 안전성에도 문제가 생길 수 있기 때문입니다. 특히, 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용합니다.

③ 전해액의 성격을 결정하는 물질, 첨가제(Additive)

전해액의 3가지 구성요소 중 염과 용매에 대해 이야기해 봤는데요. 첨가제는 특정한 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질로서 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 합니다. 이를 통해 리튬이 양?음극 사이를 원활하게 이동할 수 있게 도와주고 배터리 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심적인 역할을 수행합니다.

첨가제는 양극용과 음극용으로 나눌 수 있습니다. 양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선시키는 역할을 합니다. 양극 첨가제 중에는 과충전 방지용도 있는데요. 과충전이 발생하면 용매보다 먼저 분해돼 막을 형성함으로서 리튬 이동을 차단하고, 저항을 증가시켜 배터리 보호회로가 작동하게 하는 역할을 수행하고 있습니다.

음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해되어 음극에 튼튼한 막을 형성하고 수명 향상 효과를 줍니다. 또한 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 하고 있습니다.

이러한 양극과 음극용 첨가제는 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적 안정성이 있어야 한다는 공통점을 가지고 있는데요. 목적에 따라 각기 다른 첨가제가 사용됩니다.

첨가제는 전해액에서 차지하는 절대적인 함량이 적지만 수명개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 가장 핵심적인 역할을 수행한다고 볼 수 있는데요. 우리 회사에서는 신규 첨가제 개발을 위해 다양한 재료들의 합성 연구를 진행하고 있으며, 외부 업체들의 우수 첨가제를 선별해 당사 셀에 맞는 최적의 첨가제를 도출하는 연구를 지속하고 있습니다.

좋은 전해액의 특징은?

염과 용매, 첨가제의 결합으로 이루어진 전해액은 몇가지 요구되는 특성이 있습니다. 우선 리튬을 잘 이동시킬 수 있는 능력이 가장 중요한데요. 이를 위해서는 염과 용매의 종류와 함량 비율이 중요하답니다.

또한 배터리가 작동되는 동안 전해액이 부반응(기존에 예상되지 않았던 반응)을 일으켜 배터리의 성능을 저하시키는 일이 없도록 화학적?전기적으로 안정되어야 하고, 언제나 배터리가 작동될 수 있도록 어는 점도 낮아야 하고 끓는 점은 높아야 합니다. 그리고 가격이 저렴해 공급도 원활하게 이뤄지고, 환경친화성 물질이라면 전해액으로서 제대로 역할을 할 수 있습니다.

최근에는 전해액을 액체가 아닌 고체로 바꾼 전고체전지가 관심을 받고 있습니다. 이 전고체전지는 액체에서의 발열 및 인화성과 같은 위험이 없어 상대적으로 안전하고 충전 속도를 단축시킬 수 있다는 장점이 있습니다. 아직까지는 기존 리튬이온전지와 비슷한 수준의 성능이 확보되지 않았습니다. 기본 성능인 수명, 출력 등을 늘리는 기술 개발이 당면한 과제로 평가받고 있습니다.

지금까지 전해액에 대해서 살펴 보았는데요. 간단히 정리해보면, 전해액은 리튬 이온 배터리에서 리튬이 원활하게 이동할 수 있는 매개체로서의 역할을 하고 있습니다. 전해액은 염과 용매, 첨가제로 구성되어 있으며, 염은 리튬의 이동통로, 용매는 염을 용해, 첨가제는 보호막 형성 및 셀의 특성을 향상시키는 역할을 하고 있습니다.

박소연 기자 muse@asiae.co.kr