최근 전기자동차뿐 아니라 플러그인하이브리드(PHEV), 수소전기차 등이 친환경 미래차로 주목받고 있습니다. 이들 차량의 공통점은 배터리에 저장된 전기로 차량을 구동한다는 것입니다. 이 때문에 구동효율과 주행성능, 안전성 등의 배터리 기술이 날로 고도화되고 있습니다. 친환경차에 주로 쓰이는 리튬이온 이차전지(배터리)의 '4대 핵심소재'와 '전해액'에 대해서 알아보겠습니다.
Q:리튬이온 배터리의 4대 구성요소와 역할은 무엇인가요?
A:리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 간 리튬이온 이동을 통해 전기에너지를 만들어내는 장치입니다. 리튬이온 배터리를 이루는 4대 구성요소는 양극·음극·분리막·전해액입니다. 양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬산화물(Li+O)로 구성됩니다. 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 쏙 빠져 나와서 음극으로 옮겨 갑니다. 또 저장된 전기를 빼내는 방전 시에는 리튬이온이 원래 살고 있었던 집인 양극으로 돌아가고, 이 때 전기가 발생합니다. 양극이 리튬이온의 본가(本家)인 셈입니다. 음극은 주로 흑연으로 만들어 집니다. 샤프나 연필심에 사용되는 그 흑연 맞습니다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있는데, 이를 층상구조라 하고 아파트를 상상하시면 쉬울 것 같습니다. 양극에서 빠져 나온 리튬이온이 이러한 층상구조 사이에 들어가게 됩니다.
또 배터리의 양극과 음극 사이에는 분리막이 있습니다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 합니다. 하지만 양극과 음극의 물리적 접촉은 절대로 허락하지 않는 격리시키는 역할도 하게 됩니다. 양극과 음극이 만나면 높은 열을 발생하기 때문입니다. 마지막으로 전해액은 양극과 음극 간 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 합니다.
Q:전해액의 역할과 구성은 어떻게 되나요?
A:전해액은 '배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동하도록 매개체 역할을 하는 물질' 이라고 정의할 수 있는데요. 양극과 음극의 표면을 안정화시키고, 배터리 수명이나 셀 특성을 향상시키는 기능을 합니다. 이러한 전해액은 크게 '염'과 '용매' '첨가제'로 구성됩니다. 우선 염(salt)은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 합니다. 현재 업계에서 흔히 적용되는 염은 LiPF6(리튬·인산·불소로 구성)입니다. 기본적으로 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 돼야 하고 해리된 이온은 잘 이동할 수 있어야 합니다. LiPF6는 이온이동도, 용해도, 화학적 안정성이 다른 염에 비해서 우수합니다.
용매는 염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 보통 리튬이온 배터리 속 염을 용해시키는 물질로는 EC(Ethylene Carbonate)라는 용매를 사용합니다. 염을 용해시키는 용매는 몇 가지 요구되는 특성이 있는데 우선 염을 잘 용해시키기 위해 유전상수(이온 화합물을 분리시켜주는 값)가 높아야 하고 리튬의 원활한 이동을 위해 낮은 점도를 가져야 합니다.
하지만 유전상수가 높은 용매(EC&PC)는 점도도 함께 높고, 점도가 낮은 용매(DMC, EMC, DEC)의 경우 유전율이 낮기 때문에 이를 균형 있게 조합해야 최고의 이온전도도를 확보할 수 있습니다. 보통 용매의 종류에 따라 다르지만 높은 이온전도도를 확보하기 위해 유전상수가 높은 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 사슬형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요합니다.
또한 용매로서 활용되기 위해서는 낮은 화학 반응성을 가지고 있어야 합니다. 배터리가 작동하는 동안 용매가 양극, 음극과 반응하면 안전성에도 문제가 생길 수 있기 때문입니다. 특히 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용합니다. 마지막으로 첨가제(Additive)는 특정한 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질로서 용매가 분해되지 않도록 먼저 분해되어 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 합니다. 이를 통해 리튬만 양〃음극 사이를 원활하게 이동할 수 있게 도와주고 배터리 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심적인 역할을 수행합니다.
Q:좋은 전해액의 특징은 무엇인가요?
A:염과 용매, 첨가제의 결합으로 이루어진 전해액은 몇 가지 요구되는 특성이 있습니다. 우선 리튬을 잘 이동시킬 수 있는 능력이 가장 중요한데요. 이를 위해서는 염과 용매의 종류와 함량 비율이 중요하답니다.
또한 배터리가 작동하는 동안 전해액이 부반응(기존에 예상되지 않았던 반응)을 일으켜 배터리의 성능을 저하시키는 일이 없도록 화학적〃전기적으로 안정되어야 하고, 언제나 배터리가 작동될 수 있도록 어는점도 낮아야 하고 끓는점은 높아야 합니다. 그리고 가격이 저렴해 공급도 원활하게 이뤄지고, 환경친화성 물질이라면 전해액으로서 제대로 역할을 할 수 있습니다.
최근에는 전해액을 액체가 아닌 고체로 바꾼 전고체전지가 관심을 받고 있습니다. 이 전고체전지는 액체에서의 발열 및 인화성과 같은 위험이 없어 상대적으로 안전하고 충전 속도를 단축시킬 수 있다는 장점이 있습니다. 아직까지는 기존 리튬이온전지와 비슷한 수준의 성능이 확보되지 않았습니다. 기본 성능인 수명·출력 등을 늘리는 기술 개발이 당면한 과제로 평가받고 있습니다.
결국 전해액은 리튬 이온 배터리에서 리튬이 원활하게 이동할 수 있는 매개체로서의 역할을 하고 있습니다. 전해액은 염과 용매, 첨가제로 구성되어 있으며, 염은 리튬의 이동통로, 용매는 염을 용해, 첨가제는 보호막 형성 및 셀의 특성을 향상시키는 역할을 하고 있습니다.
◇'전기차사용자가 전해주는 전기차 이야기' 김성태·김재진·심언 지음, 다독임북스 펴냄
전기차를 사용해본 일반인 고수가 전기차에 대한 모든 것을 담은 신간을 내놨다. 김성태·김재진·심언이 공동 저작한 '전기차사용자가 전해주는 전기차 이야기'에서 본인의 전기차 경험담과 이들이 직접 만난 전기차 사용자 이야기 그리고 전기차 산업 종사자 인터뷰를 책에 담았다. 책은 대기오염물질 감소 등 환경 보호뿐만 자동차의 기존 생각을 완전히 바꿔가고 있는 전기차를 초보자도 이해하기 쉽게 설명했다. 전국 곳곳에서 전기차를 직접 타보지 않고서는 알 수 없는 전기차의 모든 것을 종합해 소개했다.
◇'지식의 샘(전지 이야기)' 선우 준 지음, e퍼플 펴냄
이차전지는 미국, 유럽이 실패한 유일한 산업이다. 유럽미국 기술 강호가 부진한 관계로 한국, 일본, 중국 3국이 주도하고 있다. 한국은 일본에서 기술을 흡수해 기술을 전파하는 일을 통해 역사적으로 가장 중심적인 역할을 했다. 그래서 2차 전지 입문서 같은 종합적인 서적이 한국에서 나올 수 있었던 것이다. 전지는 세상의 여러 지식 중 하나다. 전지를 통해 세상을 좀 더 넓고 깊게 바라보려고 했다.
주최:전자신문
후원:교육부, 한국교육학술정보원
박태준 자동차 전문기자 gaius@etnews.com
