[한스경제=권선형 기자] 전해질은 리튬이온이 양극과 음극으로 자유롭게 이동할 수 있도록 하는 물질이다. 양극과 음극의 표면을 안정화하며 배터리의 수명과 특성을 향상하는 역할도 한다. 리튬이온을 빠르고 안정적으로 이동시키고 전자는 걸러내고 리튬이온만 통과시키면서 배터리를 보호하는 것도 전해질이다.

현재 대부분의 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질(전해액)을 사용하고 있다. 리튬염이 유기용매에 녹아 있는 형태다. 충전 시 이온화된 리튬이온은 전해질을 통해 음극으로 이동한다. 이동한 리튬이온은 음극재(흑연)에 자리를 잡게 된다.

◆ 전해질의 3요소, 리튬염, 유기용매, 첨가제

전해질은 리튬염(Lithium Salt), 유기용매(organic solvent), 첨가제(additive)로 구성돼 있다. 커피(리튬염)를 녹인물(유기용매)에 설탕(첨가제)을 넣은 상태를 상상하면 이해가 쉽다. 커피, 물, 설탕의 역할이 다르듯 리튬염, 유기용매, 첨가제도 고유의 역할과 기능이 있다.

리튬염에서 나온 리튬이온은 양극에서 나온 리튬이온이 음극으로 이동할 수 있는 ‘통로 역할’을 한다. 리튬이온 배터리의 원리를 설명하는 그림들은 같은 오류를 하나씩 담고 있다. 리튬이온이 전해질 속을 헤엄쳐 이동하는 것처럼 묘사한 부분이다. 하지만 이는 정확한 표현이 아니다. 양극활물질에서 빠져나온 리튬이온이 음극 흑연으로 이동하는 방법은 수영이라기보다 전달에 가깝다.

리튬금속 산화물에서 빠져나온 리튬이온은 전해질로 들어간다. 전해질에는 리튬염에 서 녹아나온 리튬이온이 무수히 많다. 리튬금속 산화물에서 빠져나온 리튬이온은 전해질에 녹아 있는 리튬이온을 옆으로 슬쩍 민다. 밀린 리튬이온은 다시 옆의 리튬이온을 민다. 이렇게 한자리씩 밀리고 밀린 끝에 음극활물질 바로 앞에 있던 리튬이온이 흑연층 안으로 들어가게 된다. 방전 시에는 반대가 된다. 흑연층에 있던 리튬이온이 전해질로 나오면 전해질에 녹아있는 리튬이온이 한자리씩 밀리고 밀려 리튬금속 산화물 안으로 복귀한다.

리튬이온의 이동이 이러하니 전해질은 많은 리튬이온을 갖고 있을수록 유리하다. 전해질을 달리 표현하면 리튬이온이 녹아있는 바다라고 할 수 있다. 리튬염을 선별할 때도 리튬이온으로 해리(dissociation)가 잘 되는 소재를 선별해야 하는 매우 중요한 이유다. 현재 보편적으로 사용되는 리튬염은 LiPF6(리튬, 인산, 불소로구성)이다. 이온의 이동, 용해도, 화학적 안정성 등에서 다른 염보다 우수하다는 평가를 받는 재료다.

유기용매는 리튬염을 녹이는 액체다. 리튬은 물과 만나면 반응이 크게 나타나는 금속이기 때문에 유기용매를 사용한다. 유기용매는 물에 잘 녹지 않고 휘발이 잘 되며 세정력이 높고 특이한 냄새가 나는 특징이 있다. 일상생활에서 쓰이는 드라이클리닝용액, 매니큐어를 지우는 아세톤, 향수용재인 에탄올 등이 모두 유기용매다.

배터리 전해질의 유기용매는 리튬염을 잘 녹여 리튬이온이 잘 이동하도록 도와준다. 이를 위해서는 몇 가지 특성이 맞춰져야 한다. 첫째는 이온화합물을 잘 분리할 수 있도록 용해도가 커야 한다. 둘째는 리튬이 원활히 이동할 수 있도록 점도가 낮아야한다. 보통 용매의 종류에 따라 다르지만 높은 이온전도도(이온전달효율)를 확보하기 위해 용매들을 혼합해 사용한다. 셋째는 용매로 활용되기 위해 낮은 화학반응성을 보여야한다. 용매가 양극과 음극에 반응하면 안전성에 문제가 생길 수 있기 때문에 중요하다.

첨가제는 특정한 목적으로 소량을 사용하는 물질인데 여러 가지 기능을 한다. 우선 양극이나 음극표면에 보호막을 형성하는 역할을 한다. 다음으로는 리튬이 양극과 음극사이를 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 마지막으로 배터리의 성능이 나빠지는 것을 방지하는 역할을 한다.

이는 모두 배터리의 성능과 안정성과 관련된 것이다. 리튬이온 배터리는 충방전 과정에서 안정성이 떨어지기 때문에 첨가제를 통해 해결하고자 한다. 구체적으로 첨가제는 양극용과 음극용으로 나눌 수 있다. 양극용 첨가제는 양극의 구조를 안정화하거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선하고 과충전을 방지하는 역할을 한다. 음극용 첨가제는 첫 충전 시 용매보다 먼저 분해돼 음극에 튼튼한 막을 형성하고 수명을 향상한다. 또한 발열을 줄이거나 용량을 유지하며 내부에서의 가스발생을 감소시키는 역할도 한다.

양극용과 음극용 첨가제는 모두 용매에 잘 녹고 화학적으로 안정성이 있어야 한다. 배터리의 스펙이나 사용기기에서 요구되는 스펙에 따라 달라진다. 요즘은 배터리가 고전압화 되는 추세여서 고전압 사용 시에 양극과 음극을 모두 보호하는 첨가제를 개발하고 있는가 하면, 배터리 생산 중에 들어간 이물을 제어하면서 불량을 잡아주는 첨가제도 있다. 정리하자면 첨가제는 전해질에서 절대적인 함량을 차지하지는 않지만 수명 개선, 고온 특성 개선, 저항 감소 등 전해질 전체 시스템에서 핵심적인 역할을 한다고 볼 수 있다.

권선형 기자 peter@sporbiz.co.kr