이번 포스트에서는 리튬이온배터리에 사용되는 전해액에 대해서 알아보도록 하자.
전해액 (Electrolyte) 의 정의는 다음과 같다.
"요약" : 전기분해할 때 전해조에 넣어서 이온 전도의 매체역할을 하는 용액
그렇다면 배터리 시스템에서는 어떻게 적용될 수 있을까?
앞서 설명한 리튬이온배터리의 원리는 리튬이온이 이동하여 충전과 방전이 일어나는시스템이다. 고로 전해액은 리튬이온
배터리에서 리튬이온을 이동시키는 역할을 하고 있다.
그렇다면 리튬이온배터리에서 전해액은 어떻게 구성되어 있고, 어떠한 원리를 통해 이동되는지 알아보자.
"전해액"은 다음과 같이 구성되어 있다.
전해액 : 리튬염 + 용매 + 첨가제
1. 리튬염 : 리튬염은 리튬이 이동할 수 있는 통로 역할을 한다.
특정염에 따라 리튬이온의 이동속도가 달라지는 특징이 있으며 현재 LiPF6가 가장 널리 사용되고 있다.
2. 용매 : 용매는 위 설명한 리튬염을 용해시켜 리튬이온이 잘 이동할 수 있게 해주는 역할을 한다.
상용적으로 카보네이트 계열의 용매를 많이 사용하고 있으나,
해당 용매들이 인화성 물질이기 때문에 화재위험이 단점이 있다.
3. 첨가제 : 전해액 전체에 매우 소량으로 들어가며, 특정 SEI Layer를 형성하는데 중추적인 역할을 한다.
첨가제가 용매보다 먼저 분해되어 SEI Layer를 형성하게 되는데, 첨가제의 종류에 따라 생성되는 SEI Layer가 달라진다.
소량의 첨가제를 사용함에도 불구하고 생성되는 SEI Layer에 따라 성능이 달라지기에 매우 중요한 요소 중 하나라고 생각된다.
위 구성요소대로 제작된 전해액은 리튬이온의 이동통로의 역할을 하게 되는데, 위 그림을 보면서 이야기해보자.
그림은 리튬이온배터리에서 Anode(음극) 에서 Cathode(양극)으로 리튬이온이 이동하는 자발적인 방전 과정이다.
리튬이온이 음극의 SEI Layer를 거쳐 나오게 되면 리튬이온과 용매사이에 Solvation이 일어나면서 용매가
리튬이온을 둘러싸게 된다. 위 과정으로 Solvation된 리튬이온은 양극으로 이동하게 되고 양극 표면의 SEI Layer 에서
리튬이온만 양극의 층상구조 안으로 삽입되게 된다.
위 포스팅에서는 전해액의 이해 및 구성성분에 대해서 알아보았다. 전해액에서 리튬염, 용매, 첨가제 각각
여러종류들의 물질이 있고, 어떻게 조합하느냐에 따라 전지의 성능이 달라지기 때문에 전해액 설계는 앞으로도
전지메이커의 영원한 숙제라고 생각된다.
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