2차전지 / 리튬이온배터리 유기계 전해질 : 어떤 전해액이 사용되어야 하는가

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전해질

배터리에 꼭 필요한 요소 중 하나이다.

이차전지 뿐만 아니라 일차전지 내에도 전해액은 항상 필요한 요소 였으며

그 중 리튬이온배터리에서는 유기계 전해액이 주로 사용되고 있다.

전해액 / 전해질 보통 두 단어를 혼용하여 사용하지만 큰 범위에서 보자면 전해질이 맞는 표현이고, 전해질 중 액체로 된 전해질을 전해액이라고 부른다.

원래는 '전해질 = 전해액' 이었으나, 고체 전해질의 개발로 구분되어 부르기 시작했다.

전해질은 이온을 전달해주는 매개체로 이온전도도가 높아야한다. 즉, 이온을 잘 전달해 줄 수 있는 물질이어야한다.

그러기 위해선 점도가 높으면 안되며(점도가 높으면 이온의 움직임이 느려진다.), 극성을 가져야 한다고 볼 수 있다.

현재 2차전지 중 리튬이온배터리의 전해질은 유기계가 쓰이고 있는데 왜 유기계인지 궁금해 하실 분도 계실 것 같다.

그도 그럴 것이 물을 기반으로 한 수계를 사용하면 비용 절감도 되고 안전문제도 확보 될 것 같은데 왜 다루기 힘들고 비싸며 몸에도 그닥 좋지 않은 유기계를 사용해야 할까?

리튬이온2차전지 시스템을 생각해보자.

리튬이온2차전지는 현재 상용되고 있는 양극재와 음극재 기준 3.7 V의 전압구간에서 거동이 된다.

하지만 물은 1.2 V만 넘어가도 분해된다. 소재에 따라 과전압이 걸리면 2 V까지 거동이 가능하지만 그럼에도 불구하고 LIB에 거동되기엔 전압구간이 작다고 볼 수 있다.

또한 안전성의 문제로 H+가 존재하면 안되기 때문에 유기용매로 갈 수 밖에 없는 것이다.

하여, 4 V이상에도 구동이 가능하고, 극성을 가져야하는 전해질 중에 carbonate가 유일하여 이를 사용하고 있다.

리튬이온배터리의 전해질은 리튬염 + 용매로 이루어져 있다.

이 중 carbonate 계열은 용매로 사용하는 물질로 몇 가지 추리자면

EC (ethylene carbonate); 점도가 높음, 리튬염 해리에 유리

EMC (ethyl methyl carbonate); 점도가 낮음

DMC (dimethyl carbonate); 점도가 제일 낮음

이 대표적이다. EC는 점도가 높지만 리튬염을 잘 해리를 시켜주므로 꼭 필요한 용매이지만, 점도가 높아 EMC나 DMC를 섞어서 사용한다.

리튬염은 LiPF6가 가장 많이 사용된다.

고전압에서 Al의 부식을 막아주고 (AlF생성) 값이 저렴한 축에 속한다.

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