[이코노믹리뷰=김동규 기자] 전해액은 리튬이온배터리의 4대 요소(양극, 음극, 분리막, 전해액) 중 하나다. 전해액은 리튬이온 배터리에서 리튬이온이 양극과 음윽 사이를 잘 이동할 수 있게 해 주는 물질이다. 리튬이온을 운반하는 역할이 주된 기능이고, 셀 특성을 향상시키는 역할도 한다.

전해액의 구성은?

전해액은 3가지의 핵심 구성 요소로 이뤄져 있다. 염(Salt), 용매(Solvent), 첨가제(Additive)가 그 주인공이다.

염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 하는데, 인산, 불소로 구성된 LiPF6이 대표적인 염이다다. 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 돼야 한다. 해리된 이온은 잘 이동할 수 있어야 하는데 LiPF6는 이온의 이동, 용해도, 화학적 안정성에서 우수한 염 중 하나로 꼽힌다.

용매는 염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 보통 리튬이온 배터리 속 염을 용해시키는 물질로는 EC(Ethylene Carbonate)라는 용매를 사용하고 있다. 염을 용해시키는 용매의 주요 특성은 이온 화합물을 분리시켜주는 값인 유전상수가 높아야 하고, 리튬의 원활한 이동을 위해 낮은 점도를 갖고 있어야 한다는 점이다.

유전상수가 높은 용매는 점도가 높아서 문제고, 점도가 낮은 용매는 유전율이 낮기 때문에 이를 균형있게 조합해야 최고의 이온 전도도 확보가 가능하다. 높은 이온 전도도를 확보하기 위해서는 유전상수가 높은 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 사슬형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요하다.

여기에 더해 낮은 화학 반응성도 중요하다. 배터리가 작동하는 동안 용매가 양극, 음극과 반응하면 안전성에도 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용한다.

첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질이다. 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 한다. 이를 통해 리튬이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있게 도와주고, 배터리 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심 역할을 한다.

첨가제는 양극용과 음극용으로 나줘진다. 양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선시키는 역할을 한다. 양극 첨가제 중에는 과충전 방지용도 있다. 과충전이 발생하면 용매보다 먼저 분해돼 막을 형성해 리튬 이온을 차단하고, 저항을 증가시켜 배터리 보호회로가 작동하게 하는 역할을 한다.

음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해돼 음극에 튼튼한 막을 형성하고, 수명 향상 효과를 가져온다. 여기에 더해 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 음극용 첨가제의 주된 기능이다.

양극용과 음극용 첨가제는 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적 안정성이 있어야 하는데, 목적에 따라 다른 첨가제가 사용된다. 첨가제는 전해액에서 차지하는 절대 함량은 적지만 수명개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 빼놓을 수 없는 역할을 한다.

삼성SDI 관계자는 “신규 첨가제 개발을 위해 다양한 재료들의 합성 연구를 진행 중”이라면서 “외부 업체들의 우수한 첨가제를 선별해 셀에 맞는 최적의 첨가제를 만드는 연구를 지속해 나가고 있다”고 말했다.

전해액 이래야 좋다

좋은 전해액에는 몇 가지 요구되는 특성이 있다. 리튬을 잘 이동시키는 능력이 가장 중요한데, 이는 염과 용매의 종류와 함량 비율이 중요하다. 여기에 더해 배터리가 작동되는 동안 기존에 예상되지 않았던 반응인 ‘부반응’을 일으키지 않아야 한다. 또 어는 점는 낮아야 하고, 끓는점은 높아야 한다. 가격이 저렴하고, 환경친화적 물질이면 금상첨화다.

최근 전해액을 액체가 아닌 고체로 대체하는 전고체전지에 이목이 집중되고 있다. 전고체전지는 액체보다 발열과 인화성과 같은 위험이 없어 상대적으로 안전하고 충전 속도도 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 현재 전고체전지의 상용화까지는 기술적으로 보완돼야 할 부분이 많다는 것이 업계의 이야기다.

한편, 현재 대표적인 국내 전해액 제조사는 솔브레인, 엔켐, 파낙스이텍이다. 후성은 전해액에 들어가는 전해질(리튬염)을 제조하는 업체다.