2.4. 전해액
2차전지에서 전해액의 용도는 양극과 음극 사이에서 리튬이온 이동이 가능하게 하는 매개 역할을 한다. 젤이나 고체 타입이 있으나 일반적으로 액체로 되어 있다.
그림에는 Anode와 Cathode 사이가 상당히 멀어 보이는 데 실제는 공간 없이 붙어 있는 상태다.
[그림] 배터리 내부 실측 구조
출처 : 한국전기연구원
리튬이온(Li+)을 꽃같이 생긴 전해질(Solvent molecule)과 결합을 통해서 이동을 하게 된다.
[그림] 최초 리튬이온과 음극 흑연 결합 메카니즘[우2]
그림은 순차적은 리튬이온이 흑연 사이로 들어가서 결합하면서 충전이 되는 순서를 보여준다. 최초 흑연과 리튬이온이 결합할 때 특수한 분해층(decomposed solvent)이 생기는 데 이것이 SEI(Solid Electrolyte Interface)라 부르고 리튬이온 배터리 구조에서 가장 핵심적인 부분이다.
출처 : Argonne National Laboratory SEI 실험
그림을 보면 리튬이 이온화된 후 전해액과 결합하여 이동을 한다. 전해액 주성분은 리튬염(LiPF6)이다. 리튬이 이렇게 부착이 되어 있고 리튬이온을 음극에 떨쳐 두고 가는 모습이다. 리튬염 LiPF6가 LCO 양극재와 반응하는 화학식이다.
리튬이온의 이동을 위한 반응이다. 리튬 이온이 전해액을 통해 이동하고 음극 흑연과 결합을 한다. 배터리를 만든 후 최초 충전을 하면 리튬이온과 음극이 최초 결합한 후 특수한 층이 생기게 된다. 이 SEI는 복잡한 메카니즘이 있다.
출처 : liverpool.ac.uk/chemistry/research
SEI 층이 완성되면 음극쪽으로 리튬이온이 들어올 수는 있으나 전자는 나갈 수 없게 하는 기능을 담당한다. SEI의 이런 기능은 최근까지 완전히 규명되지는 않았고 연구중인 과제이다. SEI의 이런 기능은 전고체 배터리 개발과도 연관이 있다.
전해액의 구성 요소는 배터리 모델별 여러가지 조합이 있을 수 있으나 기본적인 조성은 리튬염(Salts), 용매(Solvents)로 구성되어 있으며 기능성 첨가제(Assitives)를 믹싱한 액체 상태로 되어 있다.
[그림] 전해액 구성 요소 : 리튬염, 용매, 첨가제
유기용매 솔벤트는 대표적으로 EC, PC, DMC, DEC 가 사용된다. 이것은 크게 기술적인 접근이 어려운 것도 아니고 범용적으로 사용되는 물질들이다.
리튬염, 배터리 내부에서 전해액에 리튬 이온을 제공하는 중요한 역할을 한다.
[표] 리튬염 종류 및 특징
출처 : 전자부품연구원
[우1]Chem. Rev. 2004, 104, 4303−4417 fig 1
https://is.muni.cz/el/1431/podzim2006/C7780/um/Read/2659326/LiON_ellytes_ChRev04_4303.pdf
[우2]Chem. Rev. 2004, 104, 4303−4417 fig 12
https://is.muni.cz/el/1431/podzim2006/C7780/um/Read/2659326/LiON_ellytes_ChRev04_4303.pdf
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