리튬이온이 이동하는 통로이자, 전극 반응이 일어나는 환경을 형성하는 전해질. 그 안에서 일어나는 변화까지 생각해 보신 적 있으신가요? 충·방전이 반복되는 배터리 내부에서는 다양한 전기화학 반응이 일어나는데요. 이 과정에서 전해질도 함께 변화를 겪으며, 일부 반응을 통해 가스가 생성되기도 합니다. 이러한 현상을 줄이기 위해, LG에너지솔루션에선 용매 구조 자체를 새롭게 설계한 ‘Gas Free 용매’ 기술을 연구하고 있는데요.
이번 용어사전에서는 ‘Gas Free 용매’의 개념과 특징, 그리고 LG에너지솔루션의 개발 현황까지 함께 살펴보겠습니다.
Gas Free 용매란?
Gas Free 용매는 전해질 분해 과정에서 가스 발생을 억제하고 부반응을 최소화하도록 설계된 용매입니다. 기존 전해질의 부반응 문제를 극복하기 위해 구조 자체를 최적화한 새로운 개념의 용매라고 할 수 있습니다.
현재 상용화된 리튬이온배터리의 전해질은 유기용매와 리튬염, 소량의 첨가제로 구성됩니다. 배터리가 고전압, 고온 환경에서 구동되거나 반응성이 높은 전극 소재가 적용되면, 양극과 음극 계면에서 산화-환원 반응이 활발해집니다. 이 과정에서 유기용매가 영향을 받아 일부 분해되며, 그 결과 가스가 생성되기도 하죠.
이에 양극에서는 이산화탄소(CO₂), 일산화탄소(CO) 등과 같은 가스가, 음극에서는 탄화수소류 가스가 주로 발생합니다. 이 가스가 쌓이면 셀 내부 저항이 증가하고 팽창이 유발되어 배터리의 장기 내구성을 저해하는 요인이 됩니다.
기존 방식과 Gas Free 용매의 차이점
배터리 업계에서는 전해질 내 가스를 억제하기 위해 카보네이트(Carbonate) 계열 유기용매에 첨가제를 조합하는 방식을 널리 활용하고 있습니다. 이 방식은 용매 분해를 억제하는 데 효과적이지만, 장기적인 관점에서는 한계도 존재합니다.
카보네이트 계열 용매는 탄산기(Carbonate Group)와 알킬기(Alkyl Group)로 구성된 분자 구조를 가지고 있습니다. 이러한 구조가 전기화학적으로 분해되면 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소류 가스 등이 생성될 수 있습니다.
이를 보완하기 위해 첨가제를 적용하지만, 이는 전체 전해질의 0.5~5% 수준에 그칩니다. 반면에 유기용매는 약 80%를 차지하기 때문에 장기 구동이나 고전압·고온 환경에서 첨가제가 점차 소모되면, 다량을 차지하는 용매 분해가 다시 활발해질 가능성이 있습니다.
이를 해결하기 위해 LG에너지솔루션은 첨가제로 용매를 보완하는 수준에서 나아가, 용매 구조 자체를 새롭게 설계하는 방향을 선택했습니다. 이 용매는 기존 카보네이트 계열 구조에서 탈피하여, 쉽게 분해되지 않는 구조로 안정성을 높인 것이 특징입니다. 또 전극 표면에 내구성이 우수한 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 피막이 형성되도록 설계한 것이 기존 용매와의 차별점입니다.
LG에너지솔루션의 Gas Free 용매의 효과는?
Gas Free 용매를 적용했을 때 얻을 수 있는 효과는 크게 세 가지로 정리할 수 있습니다.
먼저 장기 내구성 측면입니다. 1세대 Gas Free 용매를 적용했을 때 배터리 내부 저항 증가율을 약 53% 개선하는 효과가 확인되었습니다. 더불어 가스 발생량도 감소했습니다.
다음으로 고온 내구성 측면입니다. 일반적으로 급속 충전에 허용 가능한 배터리 구동 온도 범위가 있는데요. 1세대 Gas Free 용매의 경우 기존 약 58℃에서 68℃까지 확대되었으며, 이를 기반으로 8분 내 충전이 가능한 고성능 전해질 구현 가능성도 확인했습니다.
마지막으로 비용 측면입니다. 기존 8종의 첨가제를 5종으로 간소화할 수 있었고, 전해질 잔존율 향상에 따라 주액량도 약 4.2% 저감할 수 있었습니다. 때문에 비용 절감과 공정 효율성을 동시에 높일 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
LG에너지솔루션 Gas Free 용매 개발 현황
현재 LG에너지솔루션은 1세대 Gas Free 용매 개발을 완료하고, 양산 적용을 위한 검증과 최적화 단계를 진행하고 있습니다. 동시에 점도 등 물성을 한층 개선한 2세대 Gas Free 용매 연구 개발도 함께 이루어지고 있는데요. 장기적으로는 기존 카보네이트 용매 대부분을 대체하는 고내구성 Gas Free 용매 기반 전해질을 개발할 예정입니다.
핵심 Q&A
Q. Gas Free 용매란?
전해질 분해 과정에서 발생하는 가스를 줄이기 위해, 용매 구조 자체를 안정적으로 설계한 전해질 용매입니다.
Q. Gas Free 용매와 기존 용매와의 차이점은 무엇인가요?
기존에는 전해질의 분해를 첨가제로 억제했다면, Gas Free 용매는 용매 자체를 쉽게 분해되지 않도록 설계해 장기 안정성을 확보합니다.
Q. Gas Free 용매 적용 시 어떤 효과가 있나요?
가스 발생 감소를 통해 셀 팽창 억제, 내부저항 증가 완화, 고온·급속충전 성능 개선 효과를 기대할 수 있습니다.
Q. 현재 LG에너지솔루션의 Gas Free 용매의 개발 현황은 어떻게 되나요?
LG에너지솔루션은 1세대 용매 검증 단계에 있으며, 물성을 개선한 2세대 용매도 함께 개발 중입니다.
지금까지 Gas Free 용매의 개념과 기존 방식과의 차이점, 그리고 LG에너지솔루션의 기술적 성과까지 살펴보았습니다. 용매 구조를 새롭게 설계해 가스 발생 자체를 줄이고자 하는 이 기술이 더욱 오래가고 안전한 배터리를 만드는 데 어떤 역할을 하게 될지, 앞으로의 행보를 지켜봐 주세요
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*전해질 용매 구조를 바꿔 가스 발생을 줄이다, LG에너지솔루션 ‘Gas Free 용매’ 연구 스토리 보러가기
