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배터리 전해액
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[ER 궁금증] 리튬이온 배터리의 ‘혈액’ 전해액 < 일반 < 종합 < 기사본문 - 이코노믹리뷰
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![[ER 궁금증] 리튬이온 배터리의 ‘혈액’ 전해액 < 일반 < 종합 < 기사본문 - 이코노믹리뷰](https://cdn.econovill.com/news/thumbnail/201903/359331_249867_4437_v150.jpg)
리튬이온 배터리 기초 4. 전해액이란?
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전해액 – 해시넷
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목차
전해액 원가구조[편집]
전해액 구성[편집]
좋은 전해액 조건[편집]
전해액 산업[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
동화 일렉트로라이트
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리튬이온을 위한 베스트 드라이버 ‘전해액’
빠르고 안전하게 모실게요! ‘전해액’
현재 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질인 전해액을 사용하고 있습니다. 전해액은 양극과 음극 사이 리튬이온(Li+)의 이동을 가능하게 하는 물질로 양극과 음극의 표면을 안정화 시키며 배터리의 수명과 셀 특성을 향상시키는 등 배터리 4대 소재의 핵심적인 한 축을 담당하고 있습니다.
한마디로 전해액은 ‘리튬이온을 빠르고 안정적으로 이동시키는 매개체’로 양극과 음극 사이를 오가는 리튬이온을 위한 베스트 드라이버인 것입니다.
전해액은 크게 리튬염과 유기 용매, 첨가제로 구성되어 있는데, 각각의 역할과 특성들에 대해 한번 살펴보겠습니다.
리튬 이온의 이동 통로, 리튬염(Lithium Salt)
리튬염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 수행합니다. 그렇기 때문에 기본적으로 용매에 쉽게 용해되거나 해리가 잘 돼야 하며 이렇게 해리된 이온들이 잘 이동할 수 있어야 합니다.
* 해리 : 화합물이 이온으로 분리되는 현상
현재 보편적으로 적용되는 리튬염은 LiPF6(리튬·인산·불소로 구성)로, LiPF6는 이온 이동도, 용해도, 화학적 안정성이 다른 염에 비해 우수합니다.
염을 용해시키는 액체, 유기 용매(Organic Solvent)
유기 용매는 리튬염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 돕습니다. 유기 용매는 몇가지 요구되는 특성이 있는데요, 이온 화합물을 잘 분리시킬 수 있도록 리튬염에 대한 용해도가 커야 하며, 리튬의 이동이 원활하도록 점도가 낮아야 합니다.
[ 다양한 형태의 용매(예시) ]
보통 용매의 종류에 따라 다르지만 높은 이온전도도 확보를 위해서 염에 대한 용해도가 큰 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 선형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요합니다.
* 이온전도도 : 이온을 전달하는 효율
또한 용매로서 활용되기 위해서는 낮은 화학 반응성을 갖추어야 합니다. 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용합니다.
전해액의 성격을 결정하는 물질, 첨가제(Additive)
첨가제는 특정한 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질로써 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 합니다. 리튬이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 도와주고 배터리의 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심적인 역할을 수행합니다.
첨가제는 양극용과 음극용으로 나눌 수 있는데, 양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선시키거나 과충전을 방지하는 역할을 합니다.
음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해되어 음극에 튼튼한 막을 형성하고 수명을 향상시키며 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 하고 있죠.
이러한 양극용과 음극용 첨가제 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적으로 안정성이 있어야 한다는 공통점을 가지고 있는데, 고객이 요구하는 스펙이나 목적에 따라 각기 다른 첨가제를 사용합니다.
첨가제는 전해액에서 차지하는 절대적인 함량은 적지만 수명 개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 핵심적인 역할을 수행한다고 볼 수 있습니다.
지금까지 전해질에 대해서 알아 봤습니다. 이론상으로는 어려울 수 있지만 우리가 흔히 즐기는 커피를 떠올리면 이해가 쉬울 것 같습니다. 리튬염은 커피 원두, 유기용매는 물, 첨가제는 시럽이라고 말이죠.
좋은 전해질 있으면 소개시켜줘!
전해액은 ‘리튬이온을 빠르고 안전하게 이동시키는 매개체’인 만큼, 리튬을 잘 이동시킬 수 있는 능력이 가장 중요합니다. 뿐만 아니라, 배터리가 작동되는 동안에 전해액이 부반응을 일으켜 배터리의 성능을 저하시키는 일이 없도록 화학적∙전기적으로 안정적이어야 하며, 언제나 배터리가 작동될 수 있도록 어는 점은 낮고 끓는 점은 높아야 합니다.
최근 배터리 업계의 가장 핫한 이슈 중의 하나가 바로, 차세대 배터리로 주목받는 ‘전고체 배터리’ 입니다.
[리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 구조]
전고체배터리는 액체의 전해액이 아닌 고체의 전해질을 사용하여, 발열 및 인화 위험이 없어 상대적으로 안전하다는 장점이 있습니다.
아직 상용화되진 않았지만, 삼성SDI가 앞장 서 연구하고 있으니 곧 우리 생활 속에서 만나볼 수 있겠죠?
[ER 궁금증] 리튬이온 배터리의 ‘혈액’ 전해액
[이코노믹리뷰=김동규 기자] 전해액은 리튬이온배터리의 4대 요소(양극, 음극, 분리막, 전해액) 중 하나다. 전해액은 리튬이온 배터리에서 리튬이온이 양극과 음윽 사이를 잘 이동할 수 있게 해 주는 물질이다. 리튬이온을 운반하는 역할이 주된 기능이고, 셀 특성을 향상시키는 역할도 한다.▲ 리튬이온배터리 개념도. 출처=삼성SDI
전해액의 구성은?
전해액은 3가지의 핵심 구성 요소로 이뤄져 있다. 염(Salt), 용매(Solvent), 첨가제(Additive)가 그 주인공이다.
염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 하는데, 인산, 불소로 구성된 LiPF6이 대표적인 염이다다. 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 돼야 한다. 해리된 이온은 잘 이동할 수 있어야 하는데 LiPF6는 이온의 이동, 용해도, 화학적 안정성에서 우수한 염 중 하나로 꼽힌다.
용매는 염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 보통 리튬이온 배터리 속 염을 용해시키는 물질로는 EC(Ethylene Carbonate)라는 용매를 사용하고 있다. 염을 용해시키는 용매의 주요 특성은 이온 화합물을 분리시켜주는 값인 유전상수가 높아야 하고, 리튬의 원활한 이동을 위해 낮은 점도를 갖고 있어야 한다는 점이다.
유전상수가 높은 용매는 점도가 높아서 문제고, 점도가 낮은 용매는 유전율이 낮기 때문에 이를 균형있게 조합해야 최고의 이온 전도도 확보가 가능하다. 높은 이온 전도도를 확보하기 위해서는 유전상수가 높은 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 사슬형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요하다.
여기에 더해 낮은 화학 반응성도 중요하다. 배터리가 작동하는 동안 용매가 양극, 음극과 반응하면 안전성에도 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용한다.
첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질이다. 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 한다. 이를 통해 리튬이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있게 도와주고, 배터리 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심 역할을 한다.
첨가제는 양극용과 음극용으로 나줘진다. 양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선시키는 역할을 한다. 양극 첨가제 중에는 과충전 방지용도 있다. 과충전이 발생하면 용매보다 먼저 분해돼 막을 형성해 리튬 이온을 차단하고, 저항을 증가시켜 배터리 보호회로가 작동하게 하는 역할을 한다.
음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해돼 음극에 튼튼한 막을 형성하고, 수명 향상 효과를 가져온다. 여기에 더해 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 음극용 첨가제의 주된 기능이다.
양극용과 음극용 첨가제는 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적 안정성이 있어야 하는데, 목적에 따라 다른 첨가제가 사용된다. 첨가제는 전해액에서 차지하는 절대 함량은 적지만 수명개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 빼놓을 수 없는 역할을 한다.
삼성SDI 관계자는 “신규 첨가제 개발을 위해 다양한 재료들의 합성 연구를 진행 중”이라면서 “외부 업체들의 우수한 첨가제를 선별해 셀에 맞는 최적의 첨가제를 만드는 연구를 지속해 나가고 있다”고 말했다.
▲ 삼성SDI 배터리. 출처=삼성SDI
전해액 이래야 좋다
좋은 전해액에는 몇 가지 요구되는 특성이 있다. 리튬을 잘 이동시키는 능력이 가장 중요한데, 이는 염과 용매의 종류와 함량 비율이 중요하다. 여기에 더해 배터리가 작동되는 동안 기존에 예상되지 않았던 반응인 ‘부반응’을 일으키지 않아야 한다. 또 어는 점는 낮아야 하고, 끓는점은 높아야 한다. 가격이 저렴하고, 환경친화적 물질이면 금상첨화다.
최근 전해액을 액체가 아닌 고체로 대체하는 전고체전지에 이목이 집중되고 있다. 전고체전지는 액체보다 발열과 인화성과 같은 위험이 없어 상대적으로 안전하고 충전 속도도 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 현재 전고체전지의 상용화까지는 기술적으로 보완돼야 할 부분이 많다는 것이 업계의 이야기다.
한편, 현재 대표적인 국내 전해액 제조사는 솔브레인, 엔켐, 파낙스이텍이다. 후성은 전해액에 들어가는 전해질(리튬염)을 제조하는 업체다.
리튬이온 배터리 기초 4. 전해액이란?
전해액은 리튬이온 배터리 4대 요소 중 하나입니다. 전해액은 리튬이온 배터리에서 리튬이온이 양극과 음극 사이를 잘 이동할 수 있도록 운반하는 역할을 합니다. 또한 충전 시 셀 특성을 향상시키는 역할을 합니다.
전해액 원가구조
한국에너지
2차전지 전체의 원가구조는 양극활물질 36%, 음극재 13%, 분리막 14%, 전해액은 13%를 차지합니다. 업체마다 제품 특성에 따라 오차를 가지고 있어 일반적인 구조입니다.
전해액은 용매, 리튬 염, 첨가제로 구성돼 있습니다. 첨가제는 원가구조의 약 40%, 리튬 염 약 30%, 나머지는 용매로 이루어져 있습니다. 첨가제는 원가에 가장 큰 부분을 차지하고 있습니다. 하지만 실제 첨가 비율은 1~5%입니다. 이것은 상당한 기술적인 요인이 집중되었다고 볼 수 있습니다. 따라서, 첨가제는 성능 차별화에 가장 중요하여 고부가가치 산업입니다.
전해액은 이 세 요소를 믹싱하여 완성됩니다.
전해액 구성
삼성SDI 블로그
전해액은 염(Salt), 용매(Solvent), 첨가제(Additive)로 구성되어 있습니다.
염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 합니다. 리튬 염은 음이온의 크기가 크고, 이온전도도가 우수한 LiPf6(육불화인산리튬)를 상업용 전해액의 표준으로 사용하고, LiBF4도 많이 쓰입니다. 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 돼야 합니다. 해리된 이온은 잘 이동할 수 있어야 하는데 LiPF6는 이온의 이동, 용해도, 화학적 안정성에서 우수한 염 중 하나로 꼽힙니다.
유기용매는 유전율과 점도가 높은 고리형 카보네이트(EC, PC 등)를 기본 용매로 합니다. 유전율과 점도가 낮은 사슬형 카보네이트(DMC, DEC, EMC 등)를 보조 용매로 혼합해 제조합니다. 기본 용매는 유전율이 높아 리튬 염을 녹여 양이온과 음이온을 쉽게 분리시킬 수 있지만, 점도가 높아 전해액 내에서 리튬 양이온의 빠른 이동에 불리하여 점도가 낮은 보조용매를 첨가합니다.
용매는 염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 보통 리튬이온 배터리 속 염을 용해시키는 물질로는 유전율과 점도가 높은 고리형 카보네이트(EC, PC 등)를 기본 용매로 합니다. 유전율과 점도가 낮은 사슬형 카보네이트(DMC, DEC, EMC 등)를 보조 용매로 혼합해 제조합니다. 기본 용매는 유전율이 높아 리튬 염을 녹여 양이온과 음이온을 쉽게 분리시킬 수 있지만, 점도가 높아 전해액 내에서 리튬 양이온의 빠른 이동에 불리하여 점도가 낮은 보조용매를 첨가합니다.
염을 용해시키는 용매의 주요 특성은 이온 화합물을 분리시켜주는 값인 유전상수가 높아야 하고, 리튬의 원활한 이동을 위해 낮은 점도를 갖고 있어야 합니다. 유전상수가 높은 용매는 점도가 높아서 문제고, 점도가 낮은 용매는 유전율이 낮기 때문에 이를 균형있기 조합해야 최고의 이온 전도도 확보가 가능합니다. 높은 이온 전도도를 확보하기 위해서는 유전상수가 높은 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 사슬형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요합니다.
여기에 더해 낮은 화학 반응성도 중요합니다. 배터리가 작동하는 동안 용매가 양극, 음극과 반응하면 안전성에도 문제가 발생할 수 있기 때문입니다. 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용합니다.
첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질입니다. 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 합니다. 이를 통해 리튬이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 도와주고, 배터리 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심 역할을 합니다.
첨가제는 전지의 성능을 보완하고 안전성을 향상시키는 역할을 합니다. 양극용과 음극용으로 구분됩니다. 전지의 가장 중요한 요소는 성능과 안전성 입니다. 리튬이온 배터리는 폭발에 대한 의구심을 가지고 있습니다. 그래서 업계는 더 좋은 첨가제를 투입하기 위해 노력하고 있습니다.
양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선하는 역할을 합니다. 양극 첨가제 중에는 과충전 방지용도 있습니다. 과충전이 발생하면 용매보다 먼저 분해돼 막을 형성해 리튬 이온을 차단하고, 저항을 증가시켜 배터리 보호회로가 작동하게 하는 역할을 합니다.
음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해돼 음극에 튼튼한 막을 형성하고, 수명 향상 효과를 가져옵니다. 여기에 더해 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 음극용 첨가제의 주된 기능입니다.
양극용과 음극용 첨가제는 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적 안정성이 있어야 하는데, 목적에 따라 다른 첨가제가 사용됩니다. 첨가제는 전해액에서 차지하는 절대 함량은 적지만 수명개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 빼놓을 수 없는 역할을 합니다.
전해액 산업
앞서 말씀드렸듯이, 첨가제는 전해액 성능 차별에 가장 중요하여 고부가가치 산업입니다. 따라서, 첨가제 기술력을 발전시키는 것이 중요합니다. 현재 각 기업들 현황을 알아보겠습니다.
국내 기업 중 천보는 리튬 염에 가장 기술적으로 높은 수준을 갖추고 있습니다. 천보는 기존 LiPF6를 많이 사용했습니다. 하지만 전기차용 이차전지는 빠른 충전, 긴 수명, 고출력을 위해 LiFSI, LiPO2F2, LiDFOP 등이 주로 사용됩니다. 천보는 고출력 소재들을 세계 최초로 상용화했습니다.
LiFSI, F전해질은 천보와 중국 1개사만이 생산 중입니다. F전해질은 LG화학에 공급해 GM, 폭스바겐, 현대차 EV용 이차전지에 사용 중입니다. 향후 수요 대응하기 위해 지속적으로 케파를 증설 중입니다. 2019년 매출 300억에 기여했습니다.
LiPO2F2는 천보의 가장 핵심적인 제품입니다. 중국 CATL에 공급 중입니다. 2018년 95억, 2019년 200억, 2020년 500억 매출 예정입니다.
LiDFOP는 일본 A사가 특허를 보유하고 있습니다. 천보에 생산을 맡긴 제품으로, 꾸준히 매출에 기여하고 있습니다.
이처럼 LiPF6가 기존 표준 제품입니다. 하지만 고객의 요구에 따라 LiPF6를 베이스로 새로운 첨가제를 투여한 제품을 생산하고 있습니다. 최근에는 LiBF4, LiFSi가 메인입니다.
첨가제에 가장 뛰어난 기술력을 가진 기업은 일본의 미쯔비시입니다. 첨가제는 SN, AN, VC, Phosphazene 화합물, 히시콜린 등이 있습니다. 현재 자동차 쪽으로 전해액이 확장되면서 수명에 큰 역할을 하는 VC 첨가제가 가장 큰 수요를 가지고 있습니다. 현재 많은 기업들이 첨가제에 진출하고 있습니다. 하지만 미쯔비시 VC가 가장 기술적 가치가 높습니다.
대표적으로 삼성SDI 중대형 배터리에 납품하며, 자동차 배터리의 약 80~90%의 첨가제를 미쯔비시에서 공급합니다. 전해액 업체로서 염이나 첨가제를 생산하지 않는다면 기술적 가치가 크지 않습니다.
국내 기업에서 천보가 첨가제 기술력을 많이 따라가고 있습니다. 장점은 좋은 염, 첨가제 라인업을 구축하고 있습니다. 하지만, 글로벌 고객사를 대상으로 하기에는 부족한게 많습니다. 다음으로 동화 일렉트로라이트(파낙스이텍)이 동화기업의 투자를 받으면서 본격적으로 시장에 진출했습니다. 동화기업 화학총괄 사장은 “파낙스이텍은 전해액 제조에서 국내 최고 연구개발(R&D) 역량을 보유해 일본에 대한 기술 종속 우려가 없는 것이 강점”이라고 말했으며, 헝가리 부다페스트 인근에 제조 공장을 설립할 예정입니다. 이곳은 삼성SDI와 SK이노베이션 배터리 공장과 인접해 원활한 소재 공급이 가능할 것입니다. 헝가리 공장이 완공되면 파낙스이텍은 한국(1만톤), 말레이시아(1만톤), 중국(1만3,000톤) 공장을 합쳐 연간 5만3,000톤의 생산 규모를 갖추게 됩니다.
향후 전망은 전기차 배터리 시장이 커질수록 관련 시장도 커지는 것은 다들 아실겁니다. 전해액 또한 그렇게 될 전망입니다.
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