리튬이온 배터리 충 방전 효율 - lityum-ion baeteoli chung bangjeon hyoyul

[기계신문] 한국표준과학연구원(KRISS) 소재융합측정연구소 EM나노메트롤로지팀과 건국대학교 김연호 교수 연구팀이 리튬이온 배터리의 초기 쿨롱 효율과 용량을 획기적으로 향상한 산화철 나노구조체를 개발했다. 이때 쿨롱 효율은 최근에 충전을 완료한 용량이 바로 그 전에 충전을 완료한 용량과 대비해 차지하는 비율을 의미한다.

이번에 개발된 소재는 내부의 기공이 일렬로 정렬돼 나노 터널 모양인 것이 특징이다. 초기 쿨롱 효율은 약 85.4%에 이르며, 이는 지금까지 발표된 산화철 중에서 가장 높다. 향후 차세대 음극 소재로 활용돼 이차전지 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

리튬이온 배터리는 이미 소형 가전, IT 기기부터 전기차까지 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 현재는 더 빨리 충전되고 더 오래가며, 무게가 가볍고 높은 출력 밀도를 갖는 차세대 배터리의 수요가 급증하고 있다. 미래 에너지 소재는 향상된 특성뿐만 아니라 친환경적인 요인도 함께 고려되어야 해, 이를 만족하는 이차전지 소재의 연구 및 개발이 요구되고 있다.

산화철은 지구에 풍부하게 존재하며, 독성이 적고 화학적으로도 매우 안정된 물질이기 때문에 리튬이온 배터리 소재로 다양한 연구가 진행돼왔다. 산화철을 비롯한 전이금속산화물은 충·방전에서 많은 개수의 리튬이온을 이용할 수 있어서 기존 흑연 소재보다 3배에서 4배 정도 큰 용량을 갖는 장점이 있다.

이러한 장점에도 불구하고 낮은 리튬 이동도, 큰 부피 변화, 낮은 초기 쿨롱 효율 등의 단점 때문에 실제 개발은 매우 제한적이다. KRISS와 건국대 공동 연구팀은 기존 산화철 리튬이온 배터리의 단점인 낮은 쿨롱 효율을 극복할 방법을 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 산화철에서 리튬이온의 이동을 향상할 수 있도록 메조다공성(mesoporous)의 형상으로 소재를 만들었으며, 산화철 내부에서도 리튬이 잘 이동할 수 있도록 기공을 일렬로 정렬시켜 나노 터널을 만들었다. 이 터널과 표면의 많은 기공을 통해 리튬이온이 쉽게 이동할 수 있어 기존 리튬이온 소재보다 월등히 향상된 전기화학적 특성을 갖는다.

연구팀은 투과전자현미경과 포항가속기(1C PAL-KRISS beam line)를 활용해 리튬이온 배터리의 충·방전에 따른 소재의 미세구조를 면밀하게 분석했으며, 초기 충·방전 과정에서 형성된 특정 구조가 전기화학반응에서 중요한 역할을 한다는 것을 규명했다.

KRISS 소재융합측정연구소 권지환 선임연구원은 “이번 연구의 핵심은 기존 소재의 단점을 개선하고 배터리 용량을 향상한 것뿐만 아니라, 연구팀이 개발한 소재 구조가 좋은 특성을 나타내는 이유와 근거를 규명한 것”이라며 “이번 성과를 응용해 다양한 종류의 리튬이온 배터리 소재가 개발돼 차세대 배터리 시장이 더욱 활성화될 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

한편, KRISS 주요사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)’의 12월 서플리멘터리 커버 논문으로 선정됐다.

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한음표 기자

리튬이온을 활용한 이차전지 기술의 발전으로 점차 에너지 밀도가 높은 배터리가 등장하고 있습니다. 전기차의 경우 배터리의 에너지 밀도가 높으면 한번 충전으로 갈 수 있는 주행거리가 늘어나는 셈인데요. 하지만 아무리 에너지 밀도가 높아지더라도, 리튬이온배터리는 리튬이온의 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 만들기 때문에 리튬이온을 효과적으로 이동시키지 못한다면 제대로 된 효과를 보기 어렵겠죠. 오늘은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체, ‘전해질’에 대해 알아보겠습니다.

전해질의 3대 구성 요소

리튬이온배터리는 충·방전시에 리튬이온이 전해질을 통해 양극과 음극을 오가게 됩니다. 즉, 리튬이온은 전해질이라는 전용차를 타고 출퇴근하는 것과 마찬가지인데요. 현재 리튬이온배터리에 쓰이는 전해질은 대부분 전해질염을 녹인 액체이기 때문에 일반적으로 ‘전해액’이라고도 부릅니다. 그리고 전해액은 염, 유기용매, 첨가제로 이루어져 있습니다.

① 전해질염(Lithium Salts)

전해질염은 리튬이온을 이동시키기 위한 통로 역할을 합니다. 염에 리튬이온이 녹아 들어 이동하게 되는 것이죠. 리튬이온배터리에 보편적으로 사용되는 염은 LiPF6(리튬, 인산, 불소로 구성)로 범용전해질, 범용리튬염이라고도 불립니다. 이온전도도, 용해도, 화학적 안정성이 모두 우수해 스마트폰 같은 소형 IT 기기의 배터리에 주로 쓰입니다. 전기차용 배터리에는 LiPF6에 더해 LiFSI(F전해질), LiPO2F2(P전해질), LiDFOP(D전해질), LiBOB(B전해질) 등을 더해 사용하기도 하는데요. 이는 배터리 수명을 늘리고, 충·방전 효율을 높이며, 낮은 온도에서 배터리가 방전되는 것을 완화하는데 도움이 되기 때문입니다.

② 유기용매(Solvent)

유기용매는 리튬이온들이 염에 잘 녹아들 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 따라서 이온 화합물을 분리시켜주는 정도라고 할 수 있는 유전율(permittivity)이 높아야 하고, 리튬이온의 원활한 이동을 위해 낮은 점도를 가지고 있어야 합니다. 하지만 보통 유전율이 높은 용매는 점도가 높고, 점도가 낮은 용매는 유전율 또한 낮기 때문에 유전율과 점도가 높은 고리형 카보네이트를 기본 용매로 하여 여기에 유전율과 점도가 낮은 사슬형 카보네이트를 보조 용매로 혼합해서 균형을 맞춰 최적의 이온전도도를 확보하게 됩니다.

③ 첨가제(Additives)

첨가제는 소량으로 첨가되는 물질로, 배터리의 수명과 안정성을 향상시키고 성능을 보완하는 역할을 합니다. 전해액은 양극부터 음극까지 닿아 있기 때문에 양극에 작용하는 첨가제와 음극에 작용하는 첨가제 모두를 첨가할 수 있는데요. 양극용 첨가제의 경우 주로 발열을 개선하는 역할을 하고, 음극용 첨가제는 주로 음극에 막을 형성해 보호하는 등 수명을 향상시키는 역할을 합니다. 들어가는 양은 소량이지만 전해액에서 아주 중요한 역할을 맡고 있는 것이죠.

이렇게 세 가지 요소를 더해 완성된 전해액은 배터리 제조공정의 가장 마지막 단계에 주입됩니다. 분리막과 양극, 음극에 전해액이 스며들면 리튬이온이 이동할 수 있는 환경이 조성된 것이죠.

좋은 전해액의 조건

전해액이 리튬이온을 안전하게 효율적으로 운반하려면 몇 가지 조건을 갖춰야 하는데요.

첫째, 짧은 시간에 많은 이온을 이동시킬 수 있어야 합니다. 고속 충전을 하려면 리튬이온을 전달하는 효율, ‘이온전도도’가 높아야 하는 것이죠.

둘째, 화학적으로 안정되어 있어야 합니다. 배터리가 작동되는 동안 예상치 못한 반응(부반응)을 일으키지 않아야 하는 것인데요. 최근에는 유해한 부반응을 최소화하기 위해 여러 첨가제를 넣기도 합니다.

셋째, 추위와 더위에 강해야 합니다. 전해액은 액체인 만큼 기온이 떨어지면 분자의 운동성이 떨어지면서 성능도 떨어질 수 있습니다. 따라서 어는점은 낮고 발화점은 높을수록 어느 환경에서나 잘 작동할 수 있는 것이죠.

전해액 vs. 전고체 시장

이차전지 시장의 성장에 따라 전해액 수요도 늘고 있습니다. SNE리서치에 따르면 2020년 약 24만 톤이었던 글로벌 전해액 수요가 2030년이면 약 286만 톤 규모로 늘어날 것으로 전망하고 있습니다.

최근에는 고체 전해질인 ‘전고체’에 관한 연구도 활발히 진행되고 있는데요. 이론적으로 전고체가전해액의 단점을 보완할 수 있기 때문입니다. 고체 상태라면 외부 충격에는 더 강하고, 액체보다 밀도가 높기 때문에 에너지 효율도 좋을 테니 말이죠. 전고체 배터리를 사용하면 같은 크기의 전해액 배터리보다 주행거리를 2배나 늘릴 수 있다는 연구 결과도 있습니다. 하지만 상용화되기 위해서는 아직 많은 연구와 개발이 필요한 상태입니다.

전고체 배터리 기술이 개발되면 전해액 시장은 어떻게 될까요? 전고체가 상용화되더라도 초반에는 가격 부담이 클 것이라는 게 전문가들의 의견입니다. 그 사이 전해액 배터리가 발전해 가격 대비 만족스러운 주행거리와 안전성을 확보한다면 굳이 비싼 전고체 배터리를 선택하지 않을 수도 있겠죠. 배터리의 발전에 따라 전해질은 또 어떤 모습으로 발전될지, 배터리 시장의 판도는 어떻게 바뀔지 귀추가 주목됩니다.