2차전지는 4가지 요소로 구성되어있다. 양극재, 전해액, 분리막, 음극재 이다. 그중 오늘은 전해액에 대해서 알아보자.
배터리는 양극과 음극이 있다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하면서 배터리가 충전되며, 그 반대로 리튬 이온이 양극으로 이동하면 배터리가 방전이 되는 원리를 가지고 있다. 전해액은 이 양극과 음극 사이를 이동하는 리튬이온이 원활이 이동할 수 있도록 해주는 역할이다.
전해액 역할
- 리튬이온배터리는 양극과 음극 사이를 이동하는 리튬이온(Li+)에 의해 작동하게 되는데, 위 이온이 원활히 이동할 수 있도록 해주는 역할이 전해액이 하게 된다. 따라서 위 전해액은 이온전도도가 높아야하며, 전기가 잘통하기 떄문에 화재가 급속도로 번질수가 있다. 따라서 안정성이 우수해야 하고, 발화점이 높은 특성을 갖고있다.
- 좋은 전해액은 높은 이온전도도를 가져하며(고속 충전을 위해), 화학적으로 안정성이 중요하며(배터리가 작동되는 동안 예상치 못한 반응을 최소화해야 함), 낮은 어는점과 높은 발화점을 가져야 효율적(외부환경 영향 최소화)이기 때문에 위 3가지를 모두 갖춘 전해액이 좋은 전해액이다.
전해액 성분
- 보통 전해액은 염(12%), 용매(85%), 첨가제(3%)로 구성
전해질 염(Lithium Salts)
- 전해질 염은 리튬 이온의 공급원이다. 위 리튬 이온은 배터리의 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기 에너지를 생성하거나 저장하는 역할을 한다.
- 일반적으로 사용되는 리튬염은 배터리의 안전성과 성능 향상에 도움을 주는 LiPF6(육불화인산리튬) 가 있다. 이 염은 범용리튬염이라고 불리며, 이온전도도, 용해도, 화학적 안전성이 우수해 소형 IT기기(스마트폰, 노트북등) 배터리에 주로 쓰인다.
- 전기차용 배터리에는 위 소재에 + LiFSI(F전해질),LiPO2F2(P전해질), LiDFOP(D전해질), LiBOB(B전해질) 첨가하여 사용한다. 이는 배터리 수명을 늘리고, 충 방전 효율을 높이고 낮은 온도에서 배터리가 방전되는 것을 방지하는데 도움을 준다.
유기 용매(Solvent)
- 솔벤트는 리튬이온들이 염에 잘 녹아들 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 유전율(permittivity, 이온 화합물을 잘 분리시켜주는 척도)이 높아야하고, 이온들의 원할한 이동을 위해 점도가 낮아야 한다. 하지만, 유전율이 높으면 솔벤트의 점도가 높고, 점도가 낮은 솔벤트는 유전율이 낮기에, 고리형 카보네이트나 사슬형 카보네이트를 혼합해서 최적의 이온전도도를 확보해야한다.
- 이와같이 솔벤트는 배터리의 작동 온도, 안전성 및 전해질로서의 특성에 영향을 미친다.
첨가제(Additives)
- 전해액에는 안정성 및 배터리 수명을 증가시키기 위해 첨가제가 포함되는데, 이는 전해액의 특성을 조절하여 배터리 성능을 최적화 하는데 사용된다. 첨가제는 소량으로 첨가된다. 전해액은 양극부터 음극까지 포함하기 때문에 양극용 첨가제, 음극용 첨가제 모두 첨가할 수 있다
- 양극용 첨가제: 발열 개선 , 음극용 첨가제: 음극에 막을 첨가해 배터리 수명향상
전해액 종류
액체 전해액(Liquid Electrolyte)
- 가장 흔히 사용되는 리튬 배터리의 전해액으로 쓰인다. 액체 전해액은 리튬 염과 용매의 조합으로 이루어져 있고, 육불화인산리튬(LiPF6)와 같은 물질을 사용한다. 액체 전해액은 높은 이온 전도성 및 우수한 저온 특성이 있으나, 가연석 액체이며, 과열 및 과충전이 발생되면 배터리가 패창하여 폭발 위험이 있다. 하지만 아직까지는 대부분의 배터리가 이 액체 전해액을 사용하고 있다.
고체 전해액(Solid Electrolyte)
- 이 고체전해액은 액체 전해액의 대안으로, 전고체 배터리라고 불리운다. 이는 배터리의 전해액과 분리막이 고체로 대체되는 형태이다.
그렇기에 가스누출이나 안전 문제에 대한 우려가 줄어든다. 또한, 극한 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있어 추운나라(러시아, 알래스카 ,캐나나등) 극한 환경에서도 전기차를 사용할 수 있게해준다. 즉, 안전성, 에너지밀도, 충전속도 단축 등 기존 액채형 배터리보다 이점이 많지만, 상업화를 위해선 해결해야 할 과정이 많아 아직은 개발과정중에 있다.
- 고체 전해액은 구성 물질에 따라 무기물 기반 전고체와 유기물(폴리머) 기반 전고체로 나뉜다. 그중 무기물이 유리하고, 무기물 중 황화물계 전해액이 성능이 우수한 것으로 평가 된다
□ 무기고체 전해질
황화물계 - 리튬이온 전도도가 10^-2 S/cm ~ 10^-3 S/cm 수준, 접촉 계면을 형성하기 용이, 기계적 강도와 기계적 유연성이 좋다
- 다만 습도에 취약하여 황화수소를 발생, 대기가 불안하면 대량 양산이 힘들다. 양 극에 높은 저항층이 발생하기 때문에 기존
양극과 잘 맞지 않아 별도의 처리가 필요
산화물계 - 공기 중 안전성이 우수, 리튬이온 전도도가 10^-3 S/cm ~ 10^-4 S/cm 수준으로 황화물계보단 느리지만 높은편이며, 전
기 화학적 안전성과 기계적 강도가 우수하고, 산화 전압이 높다.
- 고체 전해액의 입게 저항이 크고, 전극과 전해질간 접촉계면 형성이 어렵다. 1,000℃ 이상의 고온 열처리 공정이 필요하고,
셀의 대형화가 어렵다.
□ 유기고체 전해질
드라이폴리머 - 전극 계면 형성이 용이하고 밀착성이 우수, 기존 리튬 폴리머 기술과 유사하여 Roll-to-Roll 공정이 적용 될 수 있으며,
제조원가가 싸다.
- 리튬이온 전도도가 낮으며, 고온에서만 사용할 수 있다는 단점이 있다.
겔폴리머 - 전극 계면 형성이 용이하고 밀착성우수, 이온 전도도가 10^-3 S/cm 이상으로 양호하며 저온 특성과 고온 안전성도 우수
- 기계적 강도가 낮아 단락 우려가 있음
유리전해액(Glass Electorlyte)
- 이건 고체 전해액의 한 종류이다. 결정성이 없으며 무작위 원자 구조를 가지고 있어 고체 상태 전지에 사용하기에 적합하다. 특히 높은 이온 전도도가 장점인데, 이온의 이동을 쉽게 할 수 있는 고유한 원자구조 때문에 다른 세라믹과 같은 다른 고체 전해질에 비해 ㅇ온전도도가 빨라 더 높은 에너지 밀도와 더 빠른 충전이 가능하다.
- 다른 이점으로는 전해질과 전극 사이에 안정적인 인터페이스를 생성 할 수 있다. 이 인터페이스는 효율적인 이온 전달을 보장하며, 시간이 지나도 성능 유지를 할 수 있기 때문에, 전반적인 성능과 수명에 영향을 미친다.
- 유리 전해액은 우수한 기계적 특성이 있다. 유연하기 때문에 얇은 필름 또는 원하는 형태로 쉽게 가공이 가능하다. 그렇기에 다양한 배터리 디자인에 사용하기 적합하다.
- 하지만, 제조 공정이 기존 전해액 생산 라인에 비해 복잡하고 비용도 많이 들기 때문에 제조 공정의 개발 및 개선이 필요하다. 또한, 이 유리물질은 시간이 지날수록 구조변화가 발생하여 성능저하가 일어날 수 있다.
고분자 전해액(Polymer Electrolyte)
- 고분자 전해액이 들어가는 배터리를 리튬 이온 폴리머 배터리라고 부른다. 어떻게 보면 액체 전해액의 한 종류이며, 기존의 액체 전해액에 고분자 폴리머 성분을 첨가한 것으로 보면된다. 고분자 폴리머(PEO, PTF등 성형성과 안정성이 우수한 물질)를 5~10%가량을 첨가하여 이온 전도도를 높이며 안전성을 확보했다. 너무 많이 넣게 되면 이온 전도도가 낮아지기 때문에 적정량의 고분자 폴리머를 첨가하여야한다. 최근 전기차에는 이 고분자 전해액을 사용한 리튬 이온 폴리머 배터리를 사용하고 있다.
- 이 전해액은 분리막, 집전체, 바인더, 용매의 사용량이 감소하기 때문에 상대적으로 활물질(리튬등)의 양을 증가시켜 에너지 밀도를 높일 수 있다.
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