리튬 이온 배터리 전해액이란? 역할과 종류, 성분

안녕하세요. 훈스로그입니다.

 리튬이온배터리는 스마트폰, 노트북 등 작은 전자기기부터 전기차까지 다양한 장치에 쓰이고 있습니다. 이 리튬이온배터리는 크게 양극, 음극, 전해액으로 나누어지는데, 이 포스팅에서는 전해액에 대해 작성하겠습니다. 본 포스팅에서는 전해질과 전해액을 혼용하여 사용하겠습니다.

목차

1. 전해액의 역할

2. 전해액의 특성

3. 전해질 종류

4. 전해질 성분

 1. 전해액의 역할

 리튬 이온 배터리 전해액의 역할을 설명하기에 앞서 구조와 원리에 대해서 간단히 이해가 필요합니다. 충전과 방전은 배터리 내부에 있는 Li+ 이온이 이동을 하고, 전자(e-)가 도선을 타고 이동을 하면서 전류가 흐르는 과정입니다. 보다 자세한 내용은 아래 포스팅을 참고 바랍니다.

리튬이온 배터리 구조 및 원리 - 양극재, 음극재, 전해질, 분리막

 이러한 과정에서 전해액은 중요한 역할을 합니다. 전해액은 리튬 이온의 이동을 원활하게 가능하도록 해주는 역할을 하게 됩니다. 전해질이라고도 부르는데, 아직까지는 모두 액체를 사용하기 때문에, 흔히 전해액이라고 부르고 있습니다. 

 2. 전해액의 특성

 전해액으로 사용하기 위해서는 아래와 같은 특성을 가지고 있어야 합니다.

1) 이온 전도성

 역할을 설명했듯이, 리튬 이온의 이동을 원활하게 해주는 역할을 하기 때문에 높은 이온 전도도를 가져야 합니다. 이온 전도성이 높다는 말은 그만큼 리튬 이온이 빠르고 쉽게 움직일 수 있다는 것을 의미합니다.

2) 안전성

 아직까지 전해액은 모두 인화성 액체로 이루어져 있습니다. 따라서 작은 불꽃으로도 큰 화재로 이어질 수 있습니다. 그렇기 때문에 전해액은 고온이나 고압 조건에서도 안정적이어야 하고 발화점이 높아야 하는 특성을 가지고 있습니다.

3) 내부 저항 감소

 사실 1번에서 설명한 이온 전도도가 높으면 내부 저항이 감소하게 됩니다. 저항이 낮은 전해액은 배터리의 성능을 향상하며, 급속 충전 및 방전을 가능하게 합니다.

 3. 전해질 종류

 

1) 액체 전해액 (Liquid Electrolyte)

가장 흔히 사용되는 리튬 이온 배터리 전해액은 액체 전해액입니다. 액체 전해액은 리튬 염과 용매의 조합으로 이루어져 있으며, 리튬 염은 일반적으로 육불화인산리튬 (LiPF6)와 같은 화학물질을 사용합니다. 액체 전해액은 전기 화학 반응을 촉진하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하며, 대부분의 배터리는 액체 전해질을 사용하고 있습니다.

2) 고체 전해질 (Solid Electrolyte)

고체 전해질은 액체 전해액의 대안으로 개발되고 있으며, 흔히 전고체 배터리라고 불리는 것이 바로 이것입니다. 이러한 전해질은 고체 상태이기 때문에 누출이나 안전 문제에 대한 우려가 줄어듭니다. 또한 고체 전해질은 극한 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있어 극한 환경에서 사용되는 전기차나 항공기 등에 사용할 수 있다고 합니다. 아직까지 낮은 이온 전도도와 어려운 제조 공정을 해결해야 하기에 2030년은 되어야 양산이 가능할 것으로 예상하고 있습니다.

3) 유리 전해질 (Glass Electrolyte)

유리 전해질은 고체 전해액의 한 형태로, 안정성과 전도성이 뛰어나며, 전해액 내부에서 리튬 이온의 자유 이동을 용이하게 합니다. 이러한 특성으로 인해 유리 전해질은 빠른 충전, 긴 수명, 높은 에너지 밀도를 제공하는데 기여하고 있습니다. 유리 전해질은 미래 전기차 기술의 방향성이라고 보시면 되겠습니다.

4) 고분자 전해질 (Polymer Electrolyte)

고분자 전해질이 들어가는 배터리를 리튬 이온 폴리머 배터리라고 부릅니다. 사실 이것도 크게 보면 액체 전해질의 한 종류이며, 액체 전해액에 고분자 폴리머 성분을 첨가했다고 보시면 됩니다. 너무 많이 넣게 되면 이온 전도도가 낮아지니, 적절히 5~10%가량을 첨가하여 이온 전도도도 높게 유지하면서 안전성을 확보한 전해질입니다. 최근 전기차에는 대부분 고분자 전해액을 사용한 리튬 이온 폴리머 배터리가 탑재되고 있습니다.

 4. 전해질 성분

 

1) 전해질 염, 리튬 염 (Lithium Salts)

가장 중요한 성분 중 하나는 리튬 염입니다. 리튬 염은 리튬 이온의 공급원으로서, 배터리에서 리튬 이온은 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기 에너지를 생성하거나 저장하는 역할을 합니다. 일반적으로 사용되는 리튬 염 중에는 리튬 이온 배터리의 안전성과 성능을 향상하는데 도움을 주는 육불화인산리튬 (LiPF6)가 있습니다. 전기차용 배터리에는 LiPF6에 더해 LiFSI(F전해질), LiPO2F2(P전해질), LiDFOP(D전해질), LiBOB(B전해질) 등을 더해 사용하기도 합니다.


2) 유기 용매 (Solvent)

유기용매는 리튬이온들이 염에 잘 녹아들 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 일반적으로 사용되는 용매에는 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 프로필렌카보네이트(PC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 디메틸카보네이트(DMC)등이 있습니다. 이러한 용매는 배터리의 작동 온도, 안전성 및 전해질의 특성에 영향을 미칩니다.

3) 첨가제 (Additives)

리튬 이온 배터리 전해액에는 종종 안정성을 향상하고 배터리 수명을 연장하는 첨가제가 포함됩니다. 이러한 첨가제는 전해액의 특성을 조절하며 배터리의 성능을 최적화하는 데 사용됩니다. 주로 발열 개선, 음극에 막을 형성하여 수명을 향상하는 역할을 합니다.