포스트 No.26 전해액 첨가제(Additive) 종류와 특성

 

전기차, 에너지 저장 장치, 스마트폰 등 현대 생활에 필수적인 리튬 이온 배터리의 성능과 수명은 전해액의 품질에 크게 의존한다. 전해액은 배터리 내에서 이온의 이동을 돕는 액체로, 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 하는 중요한 역할을 담당한다. 
이러한 전해액의 성능을 더욱 향상하고자 다양한 첨가제가 사용된다. 첨가제는 배터리의 수명을 연장하고, 충·방전 성능을 개선하며, 안전성을 높이는 등의 효과를 발휘하는데, 각기 다른 특성을 가지고 있어 목적에 맞는 첨가제 선택이 중요하다. 
이번 포스팅에서는 대표적인 전해액 첨가제의 종류와 그 특성에 대해 자세히 살펴보겠다.

1. SEI(Solid Electrolyte Interphase) 형성 첨가제

SEI 형성 첨가제는 배터리 음극 표면에 안정적인 고체 전해질 계면(SEI)을 형성하여 전해질의 분해를 방지하고 음극의 부식과 노화를 줄인다. SEI층은 마치 방패처럼 작용하여 음극을 보호하며, 배터리의 수명을 연장하는 데 큰 역할을 한다. 주요 SEI 형성 첨가제로는 다음과 같은 것들이 있다.

▶ VC (Vinylene Carbonate)
  
VC는 리튬 이온 배터리의 초기 사이클 동안 얇고 균일한 SEI층을 형성해 준다. 이 SEI층은 충·방전 시 전해질의 분해를 방지하여 배터리의 안정성을 크게 향상한다. VC는 SEI층을 안정화하여 배터리 수명을 늘리고, 과충전 시 전해질의 산화 반응을 억제해 열폭주를 방지하는 데 기여한다.

▶ FEC (Fluoroethylene Carbonate)  
  
FEC는 고온에서도 안정적인 SEI층을 형성하여 특히 고온 환경에서의 성능을 높이는 역할을 한다. 또한, FEC는 전극의 부식 방지 효과가 있어 높은 출력을 요구하는 전기차와 같은 애플리케이션에 유용하다. FEC는 낮은 농도에서도 효과적으로 작용해 리튬 금속 음극을 사용하는 차세대 배터리에서도 큰 관심을 받고 있다.

2. 음극 보호 첨가제

음극 보호 첨가제는 전해액 내에서 음극 표면을 보호함으로써 배터리의 수명을 연장하고 충·방전 효율을 개선한다. 음극 보호 첨가제는 특히 실리콘 음극과 같이 팽창/수축이 큰 물질을 사용하는 배터리에서 매우 중요한 역할을 한다.

▶ LiBOB (Lithium bis(oxalate)borate)  
 
LiBOB는 전해질의 열 안정성을 높이고, SEI층을 강화해 실리콘 음극에서도 우수한 안정성을 발휘한다. 또한, LiBOB는 금속 리튬과도 잘 결합하여 리튬 금속 배터리에서도 유망한 첨가제로 평가받고 있다.

▶ PMP (Prop-1-enyl Methyl Phosphonate)  

PMP는 특히 실리콘 음극에 유리한 첨가제로, 전해질의 산화를 방지하고 음극 표면에 보호막을 형성하여 팽창 문제를 완화해 준다. 또한, PMP는 실리콘 음극에서 발생하는 가스의 양을 줄여 전지의 안정성을 개선하는 데 효과적이다.

3. 산화 방지 첨가제

산화 방지 첨가제는 배터리가 과충전되거나 높은 전압에서 충전될 때 발생하는 산화 반응을 억제하여 전해질과 전극의 산화를 방지한다. 이를 통해 배터리의 성능 저하를 방지하고 안정성을 강화할 수 있다.

▶ TFP (Trifluoropropene)  

TFP는 높은 전압에서도 전해질의 산화 반응을 억제하며, 주로 고전압 배터리에서 안정성을 높이는 용도로 사용된다. TFP는 특히 에너지 밀도를 높이기 위해 전압을 높여야 하는 전기차 배터리에서 산화 방지 효과가 크다.

▶ Pyridine Derivatives  
 
피리딘 유도체는 높은 산화 전압을 견디며, 전해질의 산화를 방지하여 고전압 배터리의 수명을 연장하는 데 효과적이다. 이들은 비교적 저농도로도 큰 효과를 발휘할 수 있어, 첨가제 양을 최소화하면서 배터리의 성능을 향상하는 데 도움을 준다.

4. 열 안정화 첨가제

열 안정화 첨가제는 높은 온도에서 배터리의 열 폭주를 방지하고 안전성을 강화하는 역할을 한다. 이러한 첨가제는 특히 고온 환경에서 안정적인 성능을 요구하는 산업용 배터리나 전기차 배터리에서 중요하다.

▶ Fluorinated Compounds  
 
플루오린화 화합물은 높은 온도에서 전해질의 산화를 억제하고, 가연성을 줄여 배터리의 안정성을 강화한다. 이들 화합물은 열에 민감한 배터리 시스템의 안전성을 높이는 데 기여하며, 특히 전기차 배터리와 같은 고온 환경에서 효과적이다.

▶ Organophosphates  

유기 인산염(Organophosphates) 첨가제는 전해질의 불안정성을 낮추고, 고온에서도 열적 안전성을 높이는 역할을 한다. 이들은 배터리의 내부 온도가 상승할 때 안정적으로 유지되도록 도와준다.

5. 전해액 첨가제의 선택 기준

전해액 첨가제는 배터리의 용도, 목표 성능, 환경 조건에 따라 달리 선택된다. 첨가제를 선택할 때는 각 첨가제의 특성을 면밀히 검토하여 배터리의 안전성, 수명, 출력 성능을 균형 있게 고려해야 한다. 
예를 들어, 고온 환경에서는 열 안정화 첨가제가 중요하며, 실리콘 음극을 사용하는 배터리에서는 팽창을 억제하는 음극 보호 첨가제가 필요하다. 또한, 고전압을 필요로 하는 경우에는 산화 방지 첨가제를 사용하는 것이 바람직하다.


리튬 이온 배터리의 성능과 수명을 최적화하기 위해 다양한 전해액 첨가제가 개발되고 있으며, 각 첨가제는 고유한 특성과 장점을 가지고 있다. 이러한 첨가제의 선택과 조합은 배터리의 요구 조건에 따라 달라지며, 이를 통해 배터리의 효율과 안정성을 극대화할 수 있다. 앞으로 배터리 기술이 발전함에 따라 더욱 다양한 첨가제가 개발되고, 그에 따라 리튬 이온 배터리의 성능은 한층 더 개선될 것이다.

따라서 전해액 첨가제에 대한 이해는 배터리 개발자와 엔지니어에게 중요한 지식이 될 뿐만 아니라, 배터리 기술의 혁신과 발전을 이끄는 핵심 요소가 될 것이다.