배터리 4대 소재 – 액체 전해질

1. 들어가며

오늘날 우리는 배터리 없이는 하루도 생활하기 어려울 만큼 배터리와 가까이 지내고 있습니다. 휴대폰, 노트북, 전기차, 그리고 재생에너지 저장 장치에 이르기까지, 배터리는 그야말로 우리 삶의 필수 요소죠. 그런데 이런 배터리가 어떻게 에너지를 저장하고, 우리가 필요할 때 전기를 공급할 수 있는지 궁금하신 적 있나요? 그 중심에는 바로 배터리 내부에서 이온을 이리저리 움직이게 해주는 전해질이 있습니다. 특히 오늘날 가장 많이 쓰이는 배터리 중 하나인 리튬 이온 배터리에서는 주로 액체 전해질이 사용됩니다.

액체 전해질은 배터리의 심장과 같은 역할을 해요. 배터리 내부의 양극과 음극을 사이에 두고 리튬 이온이 이동할 수 있게 매개체 역할을 하며, 이 과정에서 전류가 발생하게 됩니다. 이처럼 전해질은 배터리에서 전기 에너지를 만들어내는 핵심적인 역할을 하죠. 그렇다면 액체 전해질은 정확히 어떤 역할을 하고, 왜 리튬 이온 배터리에 꼭 필요한 걸까요? 액체 전해질이 어떤 물질로 구성되고, 또 배터리의 성능에 어떤 영향을 미치는지 하나씩 들여다보겠습니다.

전해질은 단순히 리튬 이온이 잘 이동할 수 있도록 돕는 역할뿐만 아니라, 안전성과 성능까지도 좌우하는 중요한 부분이에요. 그런데 전해질은 단순히 아무 액체나 넣어서는 안 됩니다. 리튬 이온 배터리에서 사용되는 유기용매, 리튬염, 첨가제 등 각 구성 요소는 매우 신중하게 선택되고 배합되어야 하죠. 각 물질이 배터리의 성능을 어떻게 바꾸는지 살펴보면, 배터리의 설계와 기술이 얼마나 치밀하게 이루어지는지 느끼실 수 있을 거예요.

이 글에서는 액체 전해질의 각 구성 요소가 어떤 역할을 하는지, 그리고 어떻게 배터리 성능에 영향을 미치는지를 차근차근 알아보려고 합니다. 이를 통해 전해질이 배터리 성능에 얼마나 중요한지, 나아가 배터리 기술이 발전할수록 전해질 설계의 중요성도 함께 커지고 있다는 점을 이해하는 기회가 되길 바랍니다.

2. 액체 전해질이란

우선 리튬 이온 배터리를 아주 큰 관점에서 먼저 살펴보겠습니다. 가장 큰 관점에서 시작해서 리튬 이온 배터리는 어떻게 구성되어 있는지 살펴보고, 액체 전해질이란 무엇이고 왜 필요한지, 어떤 역할을 해야만 하는지 이해해보겠습니다.

먼저 현재의 리튬 이온 배터리는 아주 크게 보면 네개의 덩어리로 구성되어 있습니다. 양극과 음극, 전해질 그리고 분리막이 그것이죠. 결국 배터리는 전기 에너지를 저장하는 매체라는 관점에서 생각해봤을때 양극과 음극은 전기 에너지의 근원이라고 볼 수 있습니다. 조금 더 구체적으로 생각해보면 양극은 리튬 이온을 포함하고 있는 산화물이고, 음극은 충전 과정에서 이 리튬 이온을 받아서 저장해주는 역할을 수행합니다. 분리막은 큰 에너지 차이가 있는 양극과 음극이 물리적으로 접촉하면 쇼트가 발생하기에 (폭발할 수도 있기에) 이 둘을 물리적으로 분리해주는 역할을 하죠.

그럼 전해질이 왜 필요할까요? 충방전 과정에서는 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동해야 하는데요. 이때 이 리튬 이온을 이동하게 해줄 매개체가 필요합니다. 단순하게 리튬 이온을 아주 작은 고체 입자라고 생각해보면, 액체를 부어주는 아주 쉬운 방법이 떠오릅니다. 그럼 마치 시리얼에 우유를 부은 느낌이 되는거죠. 이제 시리얼 입자들이 쉽게 여기저기 이동할 수 있게 됩니다.

이렇게 리튬 이온 배터리에서 리튬 이온을 안전하게 이동하게 해주는 역할을 하는 녀석을 전해질이라고 하는데요. 물론 전해질이 꼭 액체 상태여야 하는건 아닙니다. 실제로 젤 형태, 고체 형태의 전해질도 연구되고 있어요. 하지만 여러 현실적인 어려움 때문에 아직은 액체 상태의 전해질이 가장 많이 사용되고 있습니다. 액체 전해질 설계의 어려움은 시리얼에 우유를 부어주는것처럼, 그냥 아무 액체나 부어준다고 해결되는게 아니라는겁니다. 리튬 이온 배터리의 구성 물질들, 특히 양극은 기본적으로 반응성이 매우 큰 화합물이기 때문에 (쉽게 폭발하기 때문에) 이 녀석들을 자극하지 않는 물질을 잘 선정하는게 매우 중요합니다. 이렇게 안전성을 고려하면서 또 동시에 리튬 이온 배터리 성능을 끌어올릴 수 있는 물질을 선정해야 하는것이죠.

이제 액체 전해질은 어떻게 구성되는지부터 시작해서 설계자들은 어떤 고민을 하며 액체 전해질을 설계하고 있는지 생각해보겠습니다.

3. 액체 전해질 구성

먼저 액체 전해질은 무엇으로 구성되어 있는지 살펴보겠습니다. 액체 전해질이 어떤 역할을 해야 하는지를 계속 생각하면서 따라오시면 이해하기 쉽습니다.

3-1. 유기용매

액체 전해질은 기본적으로 액체잖아요. 따라서 액체 상태를 만들어줄 무언가, 즉 용매가 필요합니다. 가장 먼저 떠오르는건 ‘물’인데요. 손쉽게 구할 수 있고 누액 되었을때도 안전하다는 장점이 있죠. 하지만 리튬 이온 배터리의 전해질로 사용하기에 물은 너무 치명적인 두 가지 단점이 있습니다.

첫 번째 단점은 물은 리튬과의 반응성이 아주 크다는거에요. 양극 활물질은 기본적으로 리튬을 포함하고 있는 화합물인데요. 리튬은 물과의 반응성이 아주 큽니다. 반응성이 너무 커서 폭발 수준으로 반응하죠. 따라서 리튬을 사용하지 않으면 모를까, 물은 애초에 고려 대상이 될 수 없습니다

두 번째로 물은 낮은 전압에서 전기분해 된다는 점이에요. 배터리는 기본적으로 전기를 충방전하는 물체잖아요. 충전 과정에서는 양극과 음극의 전위가, 즉 전압이 생길거구요. 리튬 이온 배터리는 보통 충전시 3V~4.2V 정도의 전압을 형성하게 되는데요. 문제는 물은 1.23V 정도에서 전기분해가 된다는겁니다. 배터리가 충전되는 과정에서 점차 올라가는 전압을 버텨줘야 하는데, 물은 4V는 커녕 1V가 조금 넘으면 분해되어 버립니다.

따라서 리튬과 반응하지 않으면서 4.2V 이상의 전압에서도 분해되지 않는 액체 물질이 필요합니다. 여기서 낙점된게 바로 유기 용매에요. 유기 용매라는건 탄화수소, 즉 다량의 탄소와 수소를 포함하고 있는 액체 물질이라고 생각하면 됩니다. 그 말은 에너지가 많다는 뜻이고, 현재의 리튬 이온 배터리가 열 안정성에 취약한 가장 결정적인 이유이기도 합니다.

어쨌든 유기용매는 열적 안정성만 잘 컨트롤 할 수 있다면 리튬 이온 배터리의 전해질로서 사용될 자격을 갖추었습니다. 이제 문제는 사용 가능 하긴 한데, 이왕이면 배터리로서의 성능을 더 좋게 만들어주는게 좋겠죠? 이를 위해 고려해야 할 첫 번째 기능은 리튬염 용해능력입니다. 아래에서 살펴보겠지만 액체 전해질은 유기 용매에 ‘리튬염’ 을 녹여서 만듭니다. 리튬염은 쉽게 말해서 리튬 이온과 다른 이온들이 결합되어 있는 덩어리예요. 전해액이 제대로 동작하려면 이 리튬염을 녹여서 리튬 이온을 이온화시켜야 하는데요. 따라서 유기용매는 기본적으로 용해도가 높아야 합니다.

이렇게 녹였다고 끝이 아니에요. 리튬 이온이 이온화된 상태로 움직이지 못하면 의미가 없겠죠. 따라서 이온을 얼마나 잘 이동시켜줄 수 있는지, 즉 점도가 얼마나 낮은지가 중요합니다. 점도가 낮을수록 좋은 액체 전해질이라고 할 수 있죠. 문제는 점도와 용해도가 Trade Off 관계라는 거에요. 리튬염을 잘 녹일수록 일반적으로 점도가 큽니다. 그래서 실제 배터리에서는 용해도가 높은 용매와 (정확히는 유전율이 높은 용매) 점도가 낮은 용매를 혼합하여 사용합니다.

3-2. 리튬염

두 번째 필요 구성 요소는 리튬염이에요. 액체 전해질은 리튬 이온을 이동시켜주는 역할이라고 했잖아요? 이제 액체 용매는 마련해놨으니, 이동할 리튬 이온이 필요한데요. 리튬염은 쉽게 생각해서 리튬이온 덩어리라고 보면 됩니다. 양이온인 리튬과 음이온들의 정전기적 결합 덩어리이죠. 리튬 이온은 필수 준비물이니, 음이온을 무엇으로 구성하냐에 따라 리튬염 종류가 달라진다고 보면 되겠습니다.

물론 아무 물질이나 선택하면 안됩니다. 용매를 선정할때와 마찬가지로 여러 요소를 고려해야 하는데요. 먼저 고전압 (대략 4V 이상)에서 전기분해되지 않고 버티는 물질인지를 봐야합니다. 이를 전기화학적 안정성이라고 하구요. 또 화학적 안정성도 고려해야 합니다. 예를 들어 PF6 같은 물질은 고온에서 물과 가수분해됩니다. 이러면 리튬염의 음이온으로 사용하기에 곤란하죠.

또 용해도가 높아야해요. 용매가 아무리 녹이는 능력이 뛰어난 물질을 골랐다고 해도, 리튬염 자체가 너무 안녹는 물질이면 곤란합니다. 녹는 현상이란, 붙어있는 양이온과 음이온을 떼어내는 작업이라고 단순하게 생각했을때, 떼어내려는 용매의 힘이 큰것도 중요하지만, 애초에 양이온과 음이온이 너무 강하게 붙어있으면 누가 와도 떼어내기 어렵겠죠.

또 음이온의 크기도 고려해야 합니다. 결국 우리가 원하는건 떼어낸 리튬 이온이 잘 이동하게 만들어주는것인데요. 선택한 음이온 입자가 너무 크다면 잘 녹았고, 용매의 점도가 낮다고 해도 길을 다 막고 있으니 리튬 이온이 이동하기 힘들겠죠?

3-3. 첨가제

사실 유기용매와 리튬염만 있으면 액체 전해질은 전해질로서 잘 동작할 수 있습니다. 그런데 왜 요리할때도 MSG를 치잖아요? MSG가 없어도 요리는 되지만, MSG가 아주 조금 들어가주면 감칠맛이 가미되죠. 배터리도 마찬가지인데요. 유기용매와 리튬염만 있어도 동작은 하지만, 그때 그때의 상황에 따라 (원하는 요리의 맛에 따라) 적절한 MSG를 (첨가제를) 쳐주면 금상첨화가 됩니다.

요리와 마찬가지로 액체 전해질에 넣어주는 첨가제도 다양한 종류가 있습니다. 그 목적에 따라 넣어주는 첨가제가 달라지는거죠. 예를들어 SEI Layer 형성에 초점을 맞추고 있는 첨가제가 있구요. 과충전을 방지해주는 목적으로 들어가는 첨가제, 전도도에 초점을 맞춰 전도성을 높여주는 첨가제, 안정성에 초점을 맞추는 난연제 등이 있습니다.

4. 액체 전해질 설계

지금까지 액체 전해질의 구성 요소들을 모두 살펴봤습니다. 물론 세부적으로는 더 많은 요소들이 존재할텐데요. 일반적으로 액체 전해질을 설계할때 고려하는 대표적인 요소들은 다 살펴봤다고 할 수 있습니다. 그럼 액체 전해질 연구원의 입장에서, 액체 전해질을 설계한다면 무엇을, 어떻게 고려할지 생각해보겠습니다.

결국 무언가를 설계한다는건, 목표 성능을 만들어내기 위한 구성 요소 조합을 찾는것인데요. 지금까지 살펴본 내용대로라면 우선 유기 용매 종류가 중요할겁니다. 리튬염의 경우는 종류와 농도에 따라 성능이 달라질거구요. 첨가제도 마찬가지로 어떤 종류의 첨가제를, 얼마나 넣는지에 따라 액체 전해질의 성능이 달라질겁니다.

다시한번, 액체 전해질은 결국 리튬 이온을 잘 이동시키기 위한 물질이잖아요. 따라서 우리가 고려해야 하는 대표적인 성능 인자는 이온 전도도일겁니다. 리튬 이온이 얼마나 잘 이동하는지에 대한 척도이니까요. 또 분해전압도 살펴봐야 합니다. 어떤 물질들로 구성되냐에 따라 버틸 수 있는 전압 범위가 달라질거니까요. SEI를 형성하는 전극 계면 특성 또한 고려되어야 합니다. 그리고 설계 방법에 따라 사용 가능한 온도 범위도 달라질테니, 이 또한 고려되어야 합니다.

5. 마치며

이번 글에서는 리튬 이온 배터리에서 액체 전해질이 어떤 역할을 하는지, 또 왜 중요한지에 대해 알아봤습니다. 액체 전해질은 배터리에서 리튬 이온이 양극과 음극을 오가며 충전과 방전을 가능하게 하는 핵심 매개체 역할을 하죠. 단순히 이온이 이동하는 길을 만들어주는 것을 넘어 배터리의 안정성, 성능, 수명에도 깊은 영향을 미칩니다.

리튬 이온 배터리의 액체 전해질을 구성하는 요소들에는 유기 용매, 리튬염, 그리고 다양한 첨가제가 있습니다. 유기 용매는 전해질이 액체 상태로 유지되도록 하면서도 리튬 이온을 잘 녹여 이동시켜야 하고, 리튬염은 리튬 이온을 공급하는 원천 역할을 하며 전해질의 전도성을 결정짓는 핵심이 됩니다. 여기에 첨가제를 더해 배터리 성능과 안정성을 높일 수 있죠.

전해질 설계는 그 자체로 배터리 성능을 최적화하는 과정을 포함합니다. 용해도와 점도가 조화를 이룬 용매 선택, 리튬염의 화학적 안정성, 그리고 목적에 맞는 첨가제를 적절히 조합하는 일련의 과정이 배터리의 성능을 결정하는 요소가 됩니다. 전해질의 작은 변화가 배터리 전체에 영향을 미치기 때문에 이 과정은 매우 중요합니다.

앞으로 액체 전해질의 연구가 더 발전하면서, 더 안전하고 성능이 뛰어난 배터리가 만들어질 것입니다. 리튬 이온 배터리의 한계를 극복하고 미래 에너지 저장 기술을 발전시키기 위해 전해질 설계는 계속해서 중요한 연구 분야로 자리 잡을 것입니다.

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