리튬이온배터리에서 수분(H2O)이 미치는 영향

반도체 공정이나 기타 정밀화학 소재에서 수분을 조절하는 것은 매우 중요하다. 정밀화학소재같은 경우는 순도가 매우 중요한데, 물이 존재할 경우 부반응을 일으켜 품질을 저하하기 때문이다. 이는 배터리에서도 똑같이 적용된다. 이번 포스팅에서는 리튬이온배터리에 미치는 영향에 대해 알아보자.

 

 

 

1. 물=수분 (H2O)의 이해

물은 수소원자 2개와 산소원자 1개로 구성되어 있고, 공유결합 형태를 이루는 화합물이다. 자연계에 풍부하게 존재하고 냄새가 나지 않는 화합물이다. 전기적으로 한쪽 극으로 편중된 극성을 띄는 성질을 갖고 있으며, 물분자끼리 수소결합을 이루어 강한 인력을 지닌다. 이러한 강한인력에 의해 100도의 높은 끓는점을 갖는다. 또한 지구 자연계를 대부분 이루고 우리 인간은 대부분 수분으로 이루어져 있기 때문에 인간에게 없어서는 안될 필수 화합물이다. 

 

 

 

2. 물과 반응하는 배터리 전해액 소재 LiPF6

그렇다면 이러한 물이 리튬이온배터리에는 어떤 영향을 끼치게 되는걸까? 리튬이온배터리는 4대 소재인 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 이루어져 있다. 이중 액체로 존재하는 전해액은 리튬염, 용매, 첨가제로 이루어져 있는데, 현재 상용 전해액으로 쓰는 물질은 LiPF6(Lithium hexafluorophosphate)이다.

LiPF6의 구조

LiPF6는 리튬양이온과 PF6음이온이 결합되어 있는 화합물이다. 무기물로 백색의 결정형태를 띄는 화합물이다. 리튬이온전도도가 높기 때문에 주로 사용되고 있다. LiPF6는 배터리 전해액 내 수분이 존재할경우 이 수분(H2O)와 반응을 하게 된다. 

 

 

 

3. LiPF6, H2O 반응메커니즘

LiPF6는 Li 리튬양이온과 PF6음이온으로 이온화 반응을 거쳐 존재하거나 LiF, PF5로 존재하게된다. 하지만 이때 생겨난 PF5가 수분이랑 반응하여 HF를 생성하는데, HF가 여러 문제의 원인이 된다.

LiPF6와 H2O의 반응메커니즘 (출처 : Liquid Chromatography-Quadruple Time of Flight Mass Spectrometry Analysis of Products in Degraded Lithium-Ion Batteries)

PF5와 H2O는 반응하여 생성물로 POF3과 HF를 발생시킨다. 이때 HF는 리튬양이온과 반응하여 LiF로 생성되면서 H2(수소 가스)를 발생시킨다. 문제는 이 수소 가스가 발생하면 배터리 셀의 부피가 증가하고, 추가적으로 배터리 내 열폭주가 일어나면 화재 및 폭발의 원인이 되는 문제가 있다. 또한 HF는 매우 강한 루이스산(Lewis acid) 물질이기 때문에 반응성이 매우 커서 배터리 내 여러 물질들을 공격하게 된다.  

 

HF가 배터리 내부에 미치는 영향 (출처 : Advanced Energy Materials on March 3, 2020)

HF는 배터리 양극, 음극에 형성된 SEI Layer를 공격하여 분해시킨다. SEI Layer는 쇼트발생을 막고, 리튬이온의 안정한 충방전에 기여하는 역할을 하지만, HF 공격으로 인해 표면이 불균일해지고 결과적으로 배터리 안정성이 저하되게 된다. 또한 전극 표면을 공격하여 전이금속이온(Ni, Co, Mn) 이온을 용출시켜 구조를 파괴시키는 문제점이 있다.  

 

 

 

이번 포스팅에서는 리튬이온배터리에서 수분이 미치는 영향을 알아보았다. 전해액을 이루는 리튬염 중 LiPF6가 수분과 반응하여 HF를 생성하고, 생겨난 HF는 배터리 내부 소재와 반응하여 구조를 붕괴시키고 수소가스를 발생시켜 안전성을 저하시키는 문제점이 있다. 이에 배터리 소재업체들의 수분 순도 Control은 매우 중요한 품질 스펙 중 하나이다. 이러한 문제들이 개선되어 안정성이 높은 배터리 소재들이 개발되길 바란다.