요즘 길거리에 나가보면 과거에 비해 전기차가 많이 눈에 띈다. 전기차의 운행 대수가 증가함에 따라 전기차 화재에 대한 뉴스도 가끔씩 볼 수 있다 일반 자동차에 비해 전기차는 한번 화재가 나면 화재 진압이 매우 어렵다고 한다.
차량 내부에 실려 있는 2차 전지가 발화되면 수천 도의 고열과 2차 전지의 전해액이 다 사라질 때까지는 불길을 잡기가 어렵다고 말한다. 앞으로도 전기자동차의 은행은 점점 증가할 것이고 그에 비례하여 화재사건 또한 증가할 것이 분명하다.
따라서 안전을 위하여 전기차가 화재에 노출되지 않도록 2차 전지의 성능을 향상시키는 연구가 한창 진행 중이다. 이 글에서는 이차전지의 전해액에 관하여 탐구해 보고자 한다.
2차 전지와 전해액(질)
2차 전지는 충전과 방전이 반복될 수 있는 전지로, 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하여 저장했다가 필요할 때 다시 전기 에너지로 변환해 내는 장치이다. 이 과정에서 전해액(전해질)은 핵심적인 역할을 한다.
전해액은 전지 내부에서 양극과 음극 사이의 이온 전달 매체로 작용하여 전기적인 신호를 화학적인 반응으로, 그리고 그 반대로 전환하는 데 중요하다. 이러한 이유로 전해액은 2차 전지의 생명수라고 할 수 있다.
전해액은 배터리 성능에 크게 영향을 미친다.
첫째, 이온 전도성이 높아야 전해액을 통한 이온의 원활한 이동이 보장되어, 배터리의 충전과 방전 속도가 향상된다.
둘째, 화학적 안정성이 중요하다. 전해액이 배터리 내부의 다른 구성 요소와 화학적으로 안정적이어야 장기간 사용에도 배터리 성능이 유지된다.
셋째, 전기화학적 안정성이 필요하다. 전해액이 전기화학적으로 안정해야 고전압에서도 분해되지 않고 안전하게 사용할 수 있다.
따라서 전해액의 종류와 특성은 배터리의 용량, 수명, 안정성, 충전 속도 등 다양한 성능 지표를 결정짓는다. 예를 들어, 고체 전해액을 사용하는 고체 전지는 액체 전해액을 사용하는 전지보다 더 안전할 수 있으나, 이온 전도성이 낮아 성능이 저하될 수 있다.
반대로, 일부 액체 전해액은 뛰어난 이온 전도성을 가지고 있지만 화학적으로 불안정하여 사용 중에 배터리를 손상시킬 위험이 있다.
전해액의 중요성은 바로 여기에 있다. 전해액은 배터리의 핵심 성능 지표들을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 따라서 전해액의 연구와 개발은 2차 전지 기술의 진보에 있어 중추적인 역할을 한다.
즉, 더 나은 전해액을 개발함으로써 더 높은 용량, 더 긴 수명, 더 빠른 충전 속도, 그리고 더 높은 안정성을 가진 2차 전지를 만들 수 있다. 이렇게 전해액은 단순히 전지 내에서 이온을 전달하는 매개체를 넘어서, 2차 전지의 성능과 안전성을 근본적으로 좌우하는 중요한 요소이다.
전해액의 종류와 장단점
전해액은 2차 전지의 핵심 구성 요소 중 하나로, 전지 내에서 이온의 이동을 가능하게 하여 전기적 에너지의 저장과 방출을 돕는다. 전해액은 크게 유기 전해액, 무기 전해액, 그리고 고체 전해액으로 분류할 수 있다.
각각의 전해액은 독특한 특성과 장단점을 가지고 있으며, 특정한 응용 분야에 적합하다.
유기 전해액
유기 전해액은 주로 유기 용매에 리튬염(LiX)이 용해된 형태로 존재하며, 이 구성은 리튬 이온 배터리(LIB)의 성능에 결정적인 영향을 미친다.
유기 전해액은 대개 두 가지 주요 구성 요소로 이루어지는데 유기 용매와 리튬염이다. 유기 용매는 전해액의 주요 부분을 차지하며, 주로 리튬 이온의 운반 및 이동을 용이하게 하는 역할을 한다.
유기 용매로는 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 프로필렌 카보네이트(PC) 등이 일반적으로 사용된다. 이들 용매는 높은 유전 상수를 가지고 있어 리튬염의 용해도를 증가시키며, 전해액의 전기화학적 안정성을 개선한다.
리튬염은 전해액 내에서 리튬 이온(Li⁺) 공급원으로 작용한다. 리튬 이온은 배터리의 충전 및 방전 과정에서 양극과 음극 사이를 이동하며 전기적 에너지를 화학적 에너지로, 그리고 그 반대로 전환하는 데 필수적이다.
흔히 사용되는 리튬염으로는 리튬 헥사플루오로인산염(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로아르세네이트(LiAsF6) 등이 있다.
유기 전해액은 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 해, 전기적 에너지의 저장 및 방출 과정을 가능하게 한다. 이온 전도성은 배터리의 충전 속도와 방전 용량에 직접적인 영향을 미친다.
유기 전해액은 전지의 작동 전압 범위 내에서 화학적으로 안정해야 한다. 전기화학적 안정성은 배터리의 안전성과 수명에 중요하다.
과열 시, 유기 전해액은 열적 분해가 일어나지 않도록 충분한 안정성을 가져야 한다. 이는 배터리의 안전 사용 범위를 결정한다.
유기 전해액의 구성과 특성은 리튬 이온 배터리의 성능 지표들, 즉 에너지 밀도, 출력 밀도, 충전 시간, 안전성, 그리고 수명 등에 직접적인 영향을 미친다.
특히, 전해액의 이온 전도성과 전기화학적 안정성은 배터리의 효율과 안전성을 최적화하는 데 중요하다. 따라서, 고성능의 유기 전해액을 개발하는 것은 고성능 리튬 이온 배터리 기술의 핵심이다.
무기 전해액
2차 전지의 무기 전해액은 주로 무기 화합물을 기반으로 한 전해질을 사용하여, 전극 간 이온 전송을 가능하게 하는 매체이다. 이들은 유기 전해액과 달리 불연성이거나 저연성이라는 특징을 가지고 있어, 전지의 안전성을 개선할 수 있다는 장점이 있다.
무기 전해액은 물을 포함한 다양한 무기 소재를 기반으로 하며, 각각의 구성 요소는 전지의 성능과 안전성, 수명 등에 중요한 역할을 한다.
무기 전해액은 대체로 물, 염화리튬(LiCl), 염화나트륨(NaCl), 황산 아연(ZnSO4)과 같은 무기 염들, 그리고 때때로 추가적인 이온 전도성을 개선하기 위한 무기 첨가물로 구성된다. 이러한 무기 전해액은 주로 아연-공기 배터리, 리튬-공기 배터리, 그리고 다양한 유형의 플로우 배터리에서 사용된다.
무기 전해액 내에서의 이온 전달은 전해질 내 용해된 이온의 이동에 의해 이루어진다. 충전 시, 전극에서의 전기화학적 반응으로 인해 이온이 생성되며, 이들 이온이 전해액을 통해 이동함으로써 전기적 에너지가 화학적 에너지로 변환되어 저장된다. 방전 시에는 이 과정이 역전되어, 저장된 화학적 에너지가 다시 전기적 에너지로 변환되어 사용된다.
무기 전해액은 유기 전해액에 비해 불연성이거나 저연성이므로, 배터리의 안전성을 크게 향상시키고, 비교적 저렴하며, 쉽게 구할 수 있으며, 생분해성이 높고, 환경에 덜 해롭다.
반면에 무기 전해액은 유기 전해액에 비해 전기화학적 안정성이 낮을 수 있으며, 이는 사용 가능한 전압 범위를 제한한다. 또한,특정 무기 전해액은 유기 전해액에 비해 낮은 이온 전도성을 가질 수 있으며, 이는 배터리의 성능을 제한할 수 있다. 일부 무기 전해액은 수분에 민감하여, 배터리의 성능과 안정성에 영향을 줄 수 있다.
최신 연구는 무기 전해액의 전기화학적 안정성과 이온 전도성을 개선하기 위한 방법에 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 혼합 전해질 시스템, 고온에서의 운용, 또는 특정 이온 전도성을 높이는 무기 첨가물의 사용이 연구되고 있다. 또한, 전해액의 pH 값을 조절하거나, 특정 이온의 농도를 최적화하여 전지의 성능을 향상시키는 방법도 탐구되고 있다.
고체 전해질
고체 전해질은 크게 세 가지 주요 유형으로 분류할 수 이쓴데 폴리머 기반, 세라믹 기반, 그리고 복합 재료 기반 고체 전해질이다.
폴리머 기반 고체 전해질은 주로 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)와 같은 고분자 물질을 사용한다. 이 유형은 유연성이 뛰어나고 가공하기 쉬운 장점이 있지만, 상대적으로 낮은 이온 전도성과 작동 온도 범위의 한계를 가진다.
세라믹 기반 고체 전해질은 리튬 라니탄 지르코늄 옥시드(LLZO)와 같은 무기 재료로 만들어진다. 이들은 높은 이온 전도성과 화학적 안정성을 제공하지만, 제조 과정이 복잡하고 비용이 높으며, 높은 기계적 강도로 인해 가공이 어렵다는 단점이 있다.
복합 재료 기반 고체 전해질은 폴리머와 세라믹을 결합하여, 각각의 장점을 융합한 새로운 형태의 전해질이다. 이는 높은 이온 전도성과 가공 용이성을 동시에 제공할 수 있으며, 폴리머의 유연성과 세라믹의 높은 이온 전도성을 결합한 형태로, 안정성과 성능을 동시에 향상시킨다.
고체 전해질 내에서 이온은 고체 매트릭스 내의 미세한 구조적 결함이나 이온 경로를 통해 이동한다. 이러한 이동은 주로 리튬 이온 같은 이동성이 높은 이온을 중심으로 일어나며, 배터리의 충전과 방전 과정에서 이온이 전극 간을 이동함으로써 전기 에너지를 저장하거나 방출한다. 고체 전해질의 이온 전도성은 온도, 구조적 결함, 그리고 전해질의 화학적 조성에 의해 크게 영향을 받는다.
고체 전해질은 액체 전해질과 달리 누출이나 화재의 위험이 없어 안전성이 크게 향상되고, 화학적으로 안정하여 전극과의 부반응이 적고, 따라서 배터리 수명이 연장되며, 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다.
그러나 일부 고체 전해질은 액체 전해질에 비해 낮은 이온 전도성을 가지고 있어 성능이 제한될 수 있고 제조 과정이 복잡하고 비용이 높을 수 있어, 대량 생산에 있어서의 경제성이 문제가 될 수 있다.
고체 전해질에 대한 연구는 이온 전도성을 개선하고, 제조 과정을 단순화하여 비용을 줄이는 방향으로 진행되고 있다. 나노 기술과 복합 재료 공학의 발전은 고체 전해질의 성능을 향상시키는 새로운 방법을 제공하고 있다.
이러한 발전은 고체 전해질 기반의 2차 전지가 전기차, 휴대용 전자 기기, 그리고 대규모 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용될 가능성을 열고 있다. 고체 전해질 기술의 발전은 배터리의 성능, 안전성, 그리고 수명을 극적으로 개선할 잠재력을 가지고 있어, 에너지 저장 기술의 미래를 밝히고 있다.
전해액의 작동 원리
전해액은 2차 전지 내에서 이온을 전극 사이에서 운반하는 역할을 하며, 이 과정은 전지의 충전과 방전 메커니즘의 핵심이다. 전해액의 작동 원리를 이해하려면, 먼저 배터리의 기본 구성 요소와 전해질 내의 이온 운동성, 그리고 전자와 이온 사이의 상호 작용에 대한 이해가 필요하다.
배터리는 크게 양극(양전극), 음극(음전극), 분리막, 그리고 전해액으로 구성된다. 전해액은 주로 이온을 전달하는 매체로, 전지 내부에서의 화학 반응을 가능하게 한다. 충전 또는 방전이 일어날 때, 전해액 내의 이온은 양극과 음극 사이를 이동하며, 이 과정에서 전기 에너지가 저장되거나 방출된다.
전해액 내의 이온은 전기장의 영향을 받아 움직인다. 충전 시, 외부에서 전기가 공급되면 음극에서는 리튬 이온(Li+)이 생성되고, 이 이온들이 전해액을 통해 양극으로 이동한다. 이동한 리튬 이온은 양극 재료 내에 삽입되어 저장된다.
반대로 방전 시에는 양극에 저장된 리튬 이온이 전해액을 통해 음극으로 이동하며, 이 과정에서 전자가 외부 회로를 통해 이동하여 전기 에너지를 방출한다.
전해액 내에서 이온은 자유롭게 이동할 수 있지만, 전자는 전해액을 직접 통과할 수 없다. 대신, 전자는 외부 회로를 통해 이동한다. 이온과 전자의 이동은 분리되어 있지만, 서로 상호 작용하며 전지의 전기적 성능을 결정짓는다.
전해액은 이온의 운반자 역할을 하여 양극과 음극 사이의 전기화학적 반응을 가능하게 하고, 이 반응을 통해 전자가 외부 회로로 이동할 수 있는 경로를 마련한다.
전해액의 이온 전도성은 전지 성능의 핵심 요소 중 하나이다. 높은 이온 전도성을 가진 전해액은 이온이 더 빠르게 이동할 수 있게 함으로써, 전지의 충전 속도와 방전 용량을 향상시킨다.
반면, 전해액의 전기화학적 안정성도 중요하다. 전해액이 전기화학적으로 안정하지 않으면, 사용 중에 분해되어 전지 수명을 단축시키고 성능을 저하시킬 수 있다.
최근 전해액 연구는 2차 전지 기술의 혁신적인 발전을 주도하고 있으며, 이는 전해액의 성능 향상, 새로운 종류의 전해액 개발, 환경 친화적인 솔루션 탐구 등 다양한 분야에서 나타나고 있다.
연구자들은 더 높은 이온 전도성, 더 큰 전기화학적 안정성, 그리고 더 낮은 환경 영향을 가진 전해액을 개발하기 위해 노력하고 있다. 이러한 혁신은 배터리의 에너지 밀도를 증가시키고, 충전 속도를 향상시키며, 배터리 수명을 연장시킬 뿐만 아니라, 배터리의 안전성을 대폭 개선할 수 있다.
최근의 연구 성과
휴대용 전자기기 및 전기차 등에 적용해 1회 충전에 많은 에너지를 저장하고 오래 사용할 수 있는 고 에너지밀도 2차 전지 전해액을 한국 연구진이 개발하였다.
공동연구팀이 4.4V의 높은 충전 전압에서 리튬 금속전지의 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다.
공동연구팀은 기존에 보고되지 않은 용매를 새롭게 디자인하고 합성해 전해액 주 용매로 사용했으며 전극-전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술과의 조합을 통해 리튬 금속전지의 고전압 수명 성능 및 고속 충전 특성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.
리튬 금속전지를 오랜 시간 사용하기 위해서는 전해액의 이온 전달 성능뿐만 아니라 전극 표면을 보호하는 것이 필수적이다. 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 빼앗으려는 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다.
연구팀은 구동할 수 있는 상한 전압의 한계가 있는 용매들과는 달리 높은 충전 전압에서 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 용매를 합성하는 데 성공했으며 이를 첨가제 기술과 접목해 현저하게 향상된 가역 효율(상온 200회 99.9%)을 달성했다.
또한, 완전 충전-완전 방전 조건에서 첫 사이클 방전용량 대비 200사이클의 방전용량으로 용량 유지율을 측정하는데 개발된 전해액 기술은 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75.0%의 높은 방전용량 유지율을 보였다.
또한, 연구팀은 두 가지 이온성 첨가제를 도입하여 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다. 이에 더해, 연구팀은 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성해 양극의 구조 안정성을 향상시켰다.
개발된 새로운 구조의 고전압 용매는 전극을 보호하는 첨가제와 함께 시너지 효과를 이끌어 고전압 리튬 금속전지 성능을 극대화했다는 점에서 그 의미가 크다.
마무리
전해액 연구의 혁신적인 발전은 2차 전지 기술의 미래를 밝히고 있다. 더 높은 안전성, 더 긴 수명, 그리고 더 높은 성능을 가진 배터리의 개발은 전기차, 재생 가능 에너지 저장 장치, 휴대용 전자 기기 등 다양한 분야에서의 에너지 변환 및 저장 방식을 혁신할 것이다.
전해액 연구는 계속해서 2차 전지 기술의 한계를 넓혀가고 있다. 연구자들의 끊임없는 노력과 혁신을 통해, 우리는 더 안전하고, 더 효율적이며, 환경에 미치는 영향이 적은 배터리 기술을 기대할 수 있다.
이러한 발전은 우리의 삶을 변화시킬 뿐만 아니라, 지구 환경을 보호하는 데에도 기여할 것이다. 전해액 기술의 미래는 매우 밝으며, 이는 우리 모두에게 더 나은 미래로 가는 길을 제시한다.