이차전지 K배터리 산업 : 전해액 첨가제 역할

2.4.1. 첨가제

첨가제는 리튬이온 이동이라는 주된 역할 외에 전지의 부족한 성능을 보완하고 안전성을 향상시킨다.

 

[그림] 전해액 첨가제 핵심 기능[우1] 

출처 : UNIST 화학공학부 최남순-곽상규 교수팀

 

전지의 가장 중요한 요소는 안전하게 오래 사용하는 것이다. 그래서 다양한 기능의 첨가제들이 사용된다. 유기 전해질의 중요 첨가제 중 하나인 Sn(Succinonitrile)은 구리 용출 방지, 저휘발성, 열적 안정성, 리튬염과의 공융 혼합성이 우수, An(Adiponitrile)은 고에너지밀도, 낮은 가연성 및 인화성, 리튬염과의 공융 혼합이 우수한 첨가제다. 미쓰비시화학은 음극 표면에 양질의 SEI(Solid Electrolyte Interphase)를 형성하여 전극 표면에서 리튬 이온은 통과시키지만 전자는 통과시키지 않는 VC(Vinylidene Carbonate) 첨가제의 특허를 보유하고, 국내 기업들이 라이선스를 받아 연구 개발을 진행하고 있다. Phosphazene 화합물은 전지 특성을 손상시키지 않으면서 난연 및 불연 효과를 가지는데 니혼화학공업은 히시콜린이라는 난연제를 시장에 출시하고 있다. 전해액에 첨가하면 전해액이 새어나오더라도 히시콜린이 주위 의 산소를 감싸 발화되지 않도록 하는 역할을 한다. FEC(Fluoro Ethylene Carbonate)와 PRS(Propensulton)는 합하여 VC의 특성을 나타내는데 미쓰이화학이 관련 특허를 보유하고 있다. FEC의 첨가는 사이클 특성 향상, 내산화성 향상, 전극 및 전해액 계면에 있어 리튬 이온의 계면 이동 속도의 향상이 나타 나는 것으로 알려져 있다. 특히 Adiponitrile과 Succinonitrile은 VC, FEC, DEC(DiEthyl Carbonate) 등에 비해 에너지 밀도와 장수명, 저휘발성, 안전 성이 우수하고, 특히 이차전지의 용량 증대에도 용이하게 대응할 수 있다는 이점이 있다. 리튬이온배터리는 폭발에 대한 어떤 대중적인 의구심을 받고 있기 때문에 안전에 대해서 돈을 지불하는 것에 대해서는 아까워하지 않는다. 그래서 많은 돈을 들여서 안전을 지키기 위한 첨가제를 투입하는 것이다. 

 

[그림] 전해액 원가 구조

 

전해액은 배터리 셀 원가에서 10% 정도 차지하고 있다. 전해액의 원가 구조는 용매, 리튬염, 첨가제로 구성되어 있고 그중 첨가제 비중이 상당히 높다. 그림에는 40%로 표시되어 있고 배터리 모델별로 많은 차이가 있을 수 있다. 실제 첨가제가 전해액에서 들어가는 비율로 보면 1~5% 밖에 안된다. 첨가재에 각종 기술적인 특허 요인들이 다 집중이 되어 있다.

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 [우1]https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=011&aid=0003710811

 

2.4.3. 고체 전해질

 

향후 전해액은 어떻게 될 것인가? 저저항 첨가제, 고전도성 용매, 고체 전해질로 변화할 것이다. 전해액 첨가제가 중요하고 미쯔비시 VC를 대체할 수 있는 첨가제를 개발하는 회사가 유망할 것이다. 그리고 현재 양극재와 음극재도 바뀌고 있다. 양극재는 니켈이 많이 함유되고, 음극재는 실리콘계를 첨가하는 것이다. 양/음극 활물질과 직접적으로 접촉되어 있는 전해액이 두 물질과 잘 융화가 돼야 한다. 두가지 물질과 가장 안정적으로 동작할 수 있는 전해액을 만드는 것이다. 그 다음 저항이 높지 않게 하는 기술, 리튬이온이 저항없이 이동할 수 있는 성능을 나타내기 위한 참가제 개발, 고전도성 용매가 요구된다. 더욱 전도가 잘 되는 용매를 개발하는 것이 기존 리튬이온 배터리에서 필요로 하는 것이다. 최근 고전압 양극재도 수요가 높아 고전압에서도 안전성이 우수한 전해질 개발도 필요하다. 그 때문에 LiBOB 나 PF6 대체용 난연제를 합성해서 이런 특성을 나타내기 위한 실험들이 진행되고 있다. 마지막으로 차기 배터리 모형으로 나올 고체전해질도 많이 연구되고 있는 부분이다. 전통 리튬이온전지는 전해액이 극판에 함습되어 있어 전해액을 통해 리튬이온이 이동한다. 그런데 전고체 리튬이온전지는 분리막이 없는 구조이도 고체 전해질이 분리막의 기능을 대체하면서 전해액 기능까지 하는 구조이다.