전해액과 분리막

1.전해액이란?

 염(salt), 용매(solvent), 첨가제(Additive)로 구성되어 충방전시 리튬이온이 원활하게 양극과 음극을 이동하게 해주는 액체.

-전해액의 구성 비율

 

2. 염(Salt)

 리튬이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 하며 대표적으로 LiPF6와 LiBF4를 사용.

 양극에 존재하는 리튬 산화물이 리튬 염 음이온과 결합하면서 리튬 염을 형성하고 전해액의 용매에 용해되어 음극으로 이동하게 된다. 리튬 염은 리튬 이온을 원활하게 이동시켜주는 통로 역할을 해야 하기 때문에 몇 가지 필요 조건이 있다.

 1)   유기용매에 쉽게 용해 및 해리가 되어야 한다.

 2)   해리된 이온은 잘 이동할 수 있어야 한다.

 3)   화학적 안정성이 뛰어나야 한다.

 여기서 말하는 화학적 안정성이란 화학 시스템의 열역학적 안정성을 의미하는데 원자가 최저 에너지 상태(바닥 상태) 이거나 화학적 평형 상태(화학 반응의 정반응 속도와 역반응 속도가 같아 거시적으로 화학 반응이 일어나지 않는 상태)를 화학적으로 안정하다고 이야기한다.

 

-여러 가지 리튬 염과 이온 전도도

 표에서 볼 수 있듯이 PF6 와 BF4의 이온 전도도가 상당히 높은 것을 알 수 있는데 AsF6 와 ClO4 음이온도 이에 못지않은 이온 전도도를 가지고 있다. 하지만 AsF6 와 ClO4는 독성물질로 취급되어 현재 사용하고 있지 않다. (용매에 a는 부피를 비율로 배합 b는 중량을 비율로 배합)

 

3. 용매(Solvent)

 염을 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 물질. 현재는EC(Ethylene Carbonate) 라는 유기 용매가 가장 많이 사용되고 있다. 염과 마찬가지로 용매에도 몇가지의 조건이 있다.

 1)   이온 화합물을 분리시켜 주는 값인 유전 상수가 커야 한다.

 2)   리튬의 원활한 이동을 위해 점도가 낮아야 한다.

 3)   충전 동안 배터리 양극 또는 음극과 반응하면 안정성에 문제가 생기므로 화학 반응성이 낮아야 한다.

 4)   리튬은 수분과 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하면 안 된다. (리튬 배터리만 유         기 용매 사용)

 그러나 유전 상수가 큰 물질은 점도가 높고 유전 상수가 낮은 물질은 점도가 낮은 문제점을 가지고 있다. 그래서 유전 상수가 높은 환형구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 사슬형 구조(Chain Carbonate)를 잘 조합하여 최적의 유전 값과 점도를 갖는 물질을 만드는 것이 중요하다.

4. 첨가제(Additive)

 배터리를 안정화시키기 위해 전해액 내에 소량 첨가되는 물질. 첨가제에는 양극용과 음극용으로 나뉜다.

양극- 양극의 구조를 안정화시키고 표면을 보호하기 위해 얇은 막을 형성하여 배터리의 발열을 억제한다. 과 충전 방지용으로도 만들어지며 용매보다 먼저 분해되어 양극 전반에 막을 형성함으로써 리튬 이온을 차단하고 전해액의 저항을 증가시킨다.

음극- 용매보다 먼저 분해되어 음극 전반에 막을 형성함으로써 배터리 리튬 이온의 이동량을 조절. 이를 통해 배터리의 수명을 연장시킴.

 

5. 전해액의 조건과 종류

전해액은 염과 용매의 종류와 함량 비율이 굉장히 중요한데 그 이유는 배터리 작동 기간 동안 예상 못 한 부반응을 일으키지 않아야 하기 때문. 이는 화학적 반응성이랑 연결됨.

 또한, 배터리의 작동기간 중에 응고되거나 기화되면 안되므로 어는점이 낮고 끓는점이 높아야 한다.

-전해질의 종류

-고체 전해질 리튬 폴리머 배터리

6. 분리막

 분리막은 양극과 음극의 집적 접촉을 막아 급격한 발열 현상을 없애 배터리의 안정성에 기여하는 절연체.

 분리막에는 4가지의 역할이 있다.

 1)   양극과 음극의 직접 접촉을 막아 리튬 이온의 대량 이동으로 인한 과부하를 막음.

 2)   분리막에는 미세한 기공이 존재해 이 구멍을 통해 리튬 이온 이동.

 3)   배터리 내부 온도가 일정 수준 이상으로 올라가면 분리막 표면의 기공이 닫히면서 리튬 이온의 이동을 차단함.

 4)   높은 강도로 충격을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질을 막아 안정성 확보.

 이러한 역할을 수행하기 위해 4가지 조건이 존재.

 1)   높은 절연성으로 양극 또는 음극이랑 부딪히더라도 리튬 이온의 이동을 막아야 한다.

 2)   기공이 많아야 하며 그 크기가 균일해야 한다.

 3)   전기화학적으로 안정해야 한다.

 4)   두께를 얇게 하여 더 많은 양의 활물질을 넣으면서 높은 강도를 가져야 한다.

 주로 사용되는 소재로는 PE(PolyEthlyene), PP(PolyPropylene) 이 있고 제조 방식에 따라 건식과 습식으로 나뉜다.

 건식- PP와 PE를 2~3층 필름으로 접합하는 다층 구조로 왁스를 사용하지 않고 물리적인 연신(늘리는 공정)과 열처리 공정만으로 기공을 만든다. 습식과 비교하면 초기투자비용이 덜 들고 유해물질이 나오지 않아 친환경적이지만, 균일한 기공을 만드는 기술장벽이 높아 사실 제대로 성능을 낼 만큼 만들기 쉽지 않다. 주로 전기자동차용 배터리를 만들 때 쓰는 제작 방식.

 습식- PE를 기본 원재료로 압출과 화학처리를 거쳐 필름의 양면에 기공을 형성시키는 단층필름 형태로 만들고 고분자 소재와 저분자량의 왁스를 혼합해 고온에서 필름을 압출한 뒤, 용매를 사용해서 왁스를 추출해 미세다공 구조를 형상하는 방식. 초기 투자비용이 많이 들고 유해물질이 발생한다는 단점이 있지만, 제작이 간편하고 기공이 균일하다는 장점이 있다. 주로 핸드폰이나 노트북 등 소형 모바일용 배터리를 만들 때 쓰는 제작 방식.

 

-분리막의 문제점

 계속 전기를 주고받는 배터리의 특성상 발생하는 운동에너지로 인해 쉽게 열이 발생하는데 분리막이 열에 취약하다는 단점을 가지고 있다. PE 분리막의 경우 130°C에서 녹기 시작하여 기공이 폐쇄되며 150°C 이상에서는 완전히 녹아 내부 단락을 막지 못해 붕괴하기 시작. 따라서 고 내열성을 가진 분리막을 필요성이 있다.