리튬이온배터리는 리튬이온의 이동과 화학 반응을 통해 전기를 만드는 구조이기 때문에, 리튬이온이 원활하게 이동하지 못하면 발전된 배터리 성능도 제대로 발휘될 수 없습니다. 이때 중요한 역할을 하는 것이 바로 전해질(Electrolyte)입니다. 전해질이란 배터리 내부에서 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 돕는 매개체입니다. 오늘은 배터리 내부에서 리튬이온의 이동을 돕는 핵심 소재, 전해질의 구조와 역할에 대해 알아보겠습니다.
전해질의 3대 구성 요소
리튬이온배터리의 충·방전 과정에서, 리튬이온은 전해질을 통해 양극과 음극 사이를 이동합니다. 쉽게 말해 리튬이온은 전해질이라는 ‘전용 이동 통로’를 이용해 출퇴근하는 것과 같은 구조라고 볼 수 있습니다. 현재 리튬이온배터리에 사용되는 전해질은 대부분 리튬염을 녹인 액체 형태입니다. 일반적으로 전해액(Electrolyte Solution)이라고도 부릅니다. 리튬이온배터리의 전해액은 리튬염(Lithium Salt), 유기용매(Organic Solvent), 첨가제(Additives)로 구성됩니다.
① 리튬염(Lithium Salts)
리튬염은 리튬이온이 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 리튬염이 용매에 녹으면서 리튬이온이 분리되고, 이 이온이 전해질 내부에서 이동하게 되는데요.
현재 리튬이온배터리에서 가장 널리 사용되는 리튬염은 LiPF6(리튬 헥사플루오로포스페이트)입니다. LiPF6는 높은 이온전도도와 우수한 용해도, 화학적 안정성을 갖춘 리튬염으로 스마트폰과 같은 소형 IT 기기의 배터리에 널리 사용됩니다.
전기차용 배터리에서는 LiPF6를 기본 리튬염으로 사용하면서, 성능 개선을 위해 LiFSI, LiPO2F2, LiDFOP, LiBOB 등을 함께 사용하기도 합니다. 이러한 리튬염은 배터리의 수명 향상, 충·방전 효율 개선, 저온 성능 향상 등에 도움을 줍니다. 특히 LiFSI는 저온 환경에서 리튬이온 이동 특성이 좋아 저온 성능 개선을 위해 일부 사용되기도 합니다.
② 유기용매(Organic Solvent)
유기용매는 리튬염이 전해액 내에서 잘 용해되고, 리튬이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 좋은 유기용매는 다음 두 가지 특성을 동시에 만족해야 합니다.
높은 유전율 (Permittivity) : 유전율이 높으면 리튬염이 잘 분리되어 이온이 쉽게 이동할 수 있습니다.
낮은 점도 (Viscosity): 점도가 낮으면 이온 이동 속도가 빨라집니다.
하지만 일반적으로 유전율이 높은 용매는 점도가 높고, 점도가 낮은 용매는 유전율이 낮은 특성이 있기 때문에 여러 용매를 혼합해 성능 균형을 맞추는 방식이 사용됩니다. 대표적으로 고리형 카보네이트 (Cyclic Carbonate) 사슬형 카보네이트 (Linear Carbonate) 를 혼합해 최적의 이온전도도를 확보합니다.
③ 첨가제(Additives)
첨가제는 전해액에 약 5% 이하의 소량으로 첨가되는 물질입니다. 첨가제는 배터리의 수명과 안정성을 향상시키고 성능을 보완하는 역할을 합니다.
전해액은 양극부터 음극까지 모두 접촉하는 구조이기 때문에, 양극에 작용하는 첨가제와 음극에 작용하는 첨가제를 함께 사용할 수 있습니다.
양극용 첨가제는 주로 발열을 억제하고 전극 안정성을 개선하는 역할을 합니다. 음극용 첨가제는 음극 표면에 보호막을 형성해 전극을 보호하고, 배터리 수명을 향상시키는 역할을 합니다.
첨가제는 소량만 사용되지만 전해액의 성능에 영향을 미치는 중요한 요소로, 요구되는 배터리 성능에 맞춰 유기물질과 무기물질을 적정 비율로 조합해 사용합니다. 특히 무기 첨가제는 주로 양극에 작용해 전지 내부의 가스 발생을 억제하고 내부 저항을 낮추는 역할을 합니다.
이처럼 리튬염, 유기용매, 첨가제가 결합해 완성된 전해액은 배터리 제조 공정의 마지막 단계에서 주입됩니다. 전해액이 분리막과 양극, 음극에 충분히 스며들면 리튬이온이 이동할 수 있는 환경이 형성됩니다.
* 전지전능한 전지 이야기 – 전해액이 리튬이온의 통로가 될 수 있는 이유, 리튬염과 유기용매 그리고 첨가제 보러가기
좋은 전해액의 조건은 무엇일까?
전해액이 리튬이온을 안정적으로 운반하려면 몇 가지 중요한 조건을 갖춰야 합니다.
① 높은 이온전도도: 전해액은 짧은 시간에 많은 리튬이온을 이동시킬 수 있어야 합니다. 고속 충전 성능을 위해서는 이온 전달 효율, 즉 이온전도도(Ionic Conductivity)가 높아야 합니다.
② 높은 화학적 안정성: 배터리가 작동하는 동안 전해액은 양극과 음극 표면에서 일어나는 전기화학 반응에 지속적으로 노출됩니다. 이 과정에서 불필요한 부반응이 발생하지 않도록 화학적으로 안정적이어야 합니다. 이를 위해 최근에는 다양한 첨가제를 활용해 전해액 안정성을 높이는 연구가 진행되고 있습니다.
③ 온도 안정성: 전해액은 액체이기 때문에 온도 변화에 영향을 받을 수 있습니다. 온도가 낮아지면 분자의 운동성이 줄어들어 이온 이동 속도도 떨어질 수 있습니다. 따라서 좋은 전해액은 다양한 환경에서 안정적으로 작동하기 위해, 어는점은 낮고 발화점은 높은 특성을 가져야 합니다.
전해액 시장 전망
이차전지 시장이 성장하면서 전해액 수요도 빠르게 증가하고 있습니다. 시장조사업체에 따르면 배터리 생산에 사용되는 전해액 수요는 2024년 약 142만 톤에서 2035년 약 446만 톤까지 확대될 것으로 예상됩니다. 이는 약 300만 톤 이상의 추가 수요가 발생하는 규모입니다.1
떠오르는 차세대 전해질, 전고체 배터리
최근 배터리 업계에서는 고체 전해질을 사용하는 ‘전고체 배터리(All-solid-state battery)’ 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리의 액체 전해액 대신 고체 전해질을 사용하기 때문에 구조적으로 여러 장점을 가질 수 있습니다.
먼저 안전성 측면에서 강점이 있습니다. 고체 전해질은 액체 전해액보다 외부 충격이나 누액 위험에 상대적으로 강하기 때문입니다. 또한 이론적으로는 더 높은 에너지 밀도를 구현할 가능성도 있습니다. 일부 연구에서는 전고체 배터리를 적용할 경우 같은 크기의 배터리에서 기존 배터리보다 더 긴 주행거리를 확보할 수 있을 것이라는 전망도 나오고 있습니다.
핵심 Q&A
Q. 전해질이란 무엇인가요?
전해질(Electrolyte)은 배터리 내부에서 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 돕는 매개체입니다.
Q. 전해액은 어떤 성분으로 구성되나요?
리튬이온배터리의 전해액은 리튬염(Lithium Salt), 유기용매(Organic Solvent), 첨가제(Additives) 세 가지 요소로 구성됩니다.
Q. 좋은 전해액이 갖춰야 할 조건은 무엇인가요?
좋은 전해액은 높은 이온전도도, 화학적 안정성, 넓은 온도 안정성을 갖춰야 배터리가 다양한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있습니다.
리튬이온배터리에서 전해질은 리튬이온의 이동을 가능하게 하는 핵심 요소입니다. 전해질 기술은 지금도 성능과 안전성을 높이기 위해 지속적으로 발전하고 있으며, 동시에 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 연구도 빠르게 진행되고 있습니다.
앞으로 배터리 기술이 발전함에 따라 전해질 역시 다양한 형태로 진화하며 배터리 성능을 결정짓는 중요한 역할을 이어갈 것으로 기대됩니다.
- SNE리서치. (2024). 이차전지용 전해액 수요, 2035년 446만톤까지 증가할 전망 ↩︎
