전해액

전해액은 리튬이온 배터리에서 액체 상태의 전해질이다. 전해액은 양극과 음극 사이 리튬이온(Li+)의 이동을 가능하게 하는 물질로 양극과 음극의 표면을 안정화 시키며 배터리의 수명과 셀 특성을 향상시키는 등 배터리 4대 소재의 핵심적인 한 축을 담당하고 있다.

㈜천보(Chunbo)가 전해액 원가 비중의 40%인 전해질염과 원가 비중의 30%인 첨가제 사업에 주력하고 있다. 전해질염과 첨가제는 전해액 제조사를 통해 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션, CATL(중국) 등에 납품된다. ㈜엔켐은 제조한 전해액 '이라이트(E-Lyte)'를 LG화학, SK이노베이션을 비롯해 중국의 리센, ATL 등 배터리 업체에 공급하고 있다. 또 미국 조지아주에 연간 생산능력 2만 t 규모 생산설비를 구축하고 2021년 말부터 가동에 들어갈 예정이다. 또 다른 전해액 제조사로는 솔브레인, 파낙스이텍이 있으며 ㈜후성은 전해질 리튬염을 제조한다.

전해액 원가구조

2차전지 전체의 원가구조는 양극활물질 36%, 음극재 13%, 분리막 14%, 전해액은 13%를 차지한다. 업체마다 제품 특성에 따라 오차를 가지고 있어 일반적인 구조이다. 전해액은 용매, 리튬 염, 첨가제로 구성돼 있다. 첨가제는 원가구조의 약 40%, 리튬 염 약 30%, 나머지는 용매로 이루어져 있다. 첨가제는 원가에 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 하지만 실제 첨가 비율은 1~5%이다. 이것은 상당한 기술적인 요인이 집중되었다고 볼 수 있다. 따라서, 첨가제는 성능 차별화에 가장 중요하여 고부가가치 산업이다.

전해액 구성

전해액은 염(Salt), 용매(Solvent), 첨가제(Additive)로 구성되어 있다. 염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 한다. 리튬 염은 음이온의 크기가 크고, 이온전도도가 우수한 LiPf6(육불화인산리튬)를 상업용 전해액의 표준으로 사용하고, LiBF4도 많이 쓰인다. 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 돼야 한다. 해리된 이온은 잘 이동할 수 있어야 하는데 LiPF6는 이온의 이동, 용해도, 화학적 안정성에서 우수한 염 중 하나로 꼽힌다.

유기용매는 유전율과 점도가 높은 고리형 카보네이트(EC, PC 등)를 기본 용매로 한다. 유전율과 점도가 낮은 사슬형 카보네이트(DMC, DEC, EMC 등)를 보조 용매로 혼합해 제조한다. 기본 용매는 유전율이 높아 리튬 염을 녹여 양이온과 음이온을 쉽게 분리시킬 수 있지만, 점도가 높아 전해액 내에서 리튬 양이온의 빠른 이동에 불리하여 점도가 낮은 보조용매를 첨가한다.

용매는 염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 보통 리튬이온 배터리 속 염을 용해시키는 물질로는 유전율과 점도가 높은 고리형 카보네이트(EC, PC 등)를 기본 용매로 한다. 유전율과 점도가 낮은 사슬형 카보네이트(DMC, DEC, EMC 등)를 보조 용매로 혼합해 제조한다. 기본 용매는 유전율이 높아 리튬 염을 녹여 양이온과 음이온을 쉽게 분리시킬 수 있지만, 점도가 높아 전해액 내에서 리튬 양이온의 빠른 이동에 불리하여 점도가 낮은 보조용매를 첨가한다.

염을 용해시키는 용매의 주요 특성은 이온 화합물을 분리시켜주는 값인 유전상수가 높아야 하고, 리튬의 원활한 이동을 위해 낮은 점도를 갖고 있어야 한다. 유전상수가 높은 용매는 점도가 높아서 문제고, 점도가 낮은 용매는 유전율이 낮기 때문에 이를 균형있기 조합해야 최고의 이온 전도도 확보가 가능하다. 높은 이온 전도도를 확보하기 위해서는 유전상수가 높은 환형 구조(Cyclic Carbonate)와 점도가 낮은 사슬형 구조(Chain Carbonate)의 조합이 중요하다.

여기에 더해 낮은 화학 반응성도 중요하다. 배터리가 작동하는 동안 용매가 양극, 음극과 반응하면 안전성에도 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 용매를 사용한다.

첨가제는 특정 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질이다. 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 한다. 이를 통해 리튬이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 도와주고, 배터리 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심 역할을 한다. 첨가제는 전지의 성능을 보완하고 안전성을 향상시키는 역할을 한다. 양극용과 음극용으로 구분된다.

전지의 가장 중요한 요소는 성능과 안전성이다. 리튬이온 배터리는 폭발에 대한 의구심을 가지고 있다. 그래서 업계는 더 좋은 첨가제를 투입하기 위해 노력하고 있다. 양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선하는 역할을 한다. 양극 첨가제 중에는 과충전 방지용도 있다. 과충전이 발생하면 용매보다 먼저 분해돼 막을 형성해 리튬 이온을 차단하고, 저항을 증가시켜 배터리 보호회로가 작동하게 하는 역할을 한다.

음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해돼 음극에 튼튼한 막을 형성하고, 수명 향상 효과를 가져온다. 여기에 더해 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 음극용 첨가제의 주된 기능이다.

양극용과 음극용 첨가제는 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적 안정성이 있어야 하는데, 목적에 따라 다른 첨가제가 사용된다. 첨가제는 전해액에서 차지하는 절대 함량은 적지만 수명개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 빼놓을 수 없는 역할을 한다.

좋은 전해액 조건

좋은 전해액에는 몇 가지 요구되는 특성이 있다. 리튬을 잘 이동시키는 능력이 가장 중요한데, 이는 염과 용매의 종류와 함량 비율이 중요하다. 여기에 더해 배터리가 작동되는 동안 기존에 예상되지 않았던 반응인 '부반응'을 일으키지 않아야 한다. 또 어는 점는 낮아야 하고, 끓는점은 높아야 한다. 가격이 저렴하고, 환경친화적 물질이면 금상첨화다.

최근 전해액을 액체가 아닌 고체로 대체하는 전고체 배터리에 이목이 집중되고 있다. 전고체 배터리는 액체보다 발열과 인화성과 같은 위험이 없어 상대적으로 안전하고 충전 속도도 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 현재 전고체 전지의 상용화까지는 기술적으로 보완돼야 할 부분이 많다는 것이 업계의 이야기다.

전해액 산업

국내 기업 중 ㈜천보는 리튬 염에 가장 기술적으로 높은 수준을 갖추고 있다. ㈜천보는 기존 LiPF6를 많이 사용했다. 하지만 전기차용 2차전지는 빠른 충전, 긴 수명, 고출력을 위해 LiFSI, LiPO2F2, LiDFOP 등이 주로 사용된다. ㈜천보는 고출력 소재들을 세계 최초로 상용화했다.

LiFSI F전해질은 ㈜천보와 중국 1개사만이 생산 중이다. F전해질은 LG화학에 공급해 GM 폭스바겐 현대차 EV용 2차전지에 사용 중이다. 향후 수요 대응하기 위해 지속적으로 케파를 증설 중이다. 2019년 매출 300억에 기여했다. LiPO2F2는 ㈜천보의 가장 핵심적인 제품이며 중국 CATL에 공급 중이다. 2018년 95억, 2019년 200억, 2020년 500억 매출 예정이다. LiDFOP는 일본 A사가 특허를 보유하고 있다. 천보에 생산을 맡긴 제품으로 꾸준히 매출에 기여하고 있다.

이처럼 LiPF6가 기존 표준 제품이지만 고객의 요구에 따라 LiPF6를 베이스로 새로운 첨가제를 투여한 제품을 생산하고 있다. 최근에는 LiBF4 LiFSi가 메인이다. 첨가제에 가장 뛰어난 기술력을 가진 기업은 일본의 미쯔비시이다. 첨가제는 SN, AN, VC, Phosphazene 화합물, 히시콜린 등이 있다. 현재 자동차 쪽으로 전해액이 확장되면서 수명에 큰 역할을 하는 VC 첨가제가 가장 큰 수요를 가지고 있다. 현재 많은 기업들이 첨가제에 진출하고 있다.

대표적으로 삼성SDI 중대형 배터리에 납품하며 자동차 배터리의 약 80~90%의 첨가제를 미쯔비시에서 공급한다. 전해액 업체로서 염이나 첨가제를 생산하지 않는다면 기술적 가치가 크지 않다. 국내 기업에서 ㈜천보가 첨가제 기술력을 많이 따라가고 있다. 장점은 좋은 염 첨가제 라인업을 구축하고 있는 것이다. 하지만 글로벌 고객사를 대상으로 하기에는 부족한게 많다. 다음으로 동화 일렉트로라이트(파낙스이텍)이 동화기업의 투자를 받으면서 본격적으로 시장에 진출했다. 동화기업 화학총괄 사장은 "파낙스이텍은 전해액 제조에서 국내 최고 연구개발(R&D) 역량을 보유해 일본에 대한 기술 종속 우려가 없는 것이 강점"이라고 말했으며 헝가리 부다페스트 인근에 제조 공장을 설립할 예정이다. 이곳은 삼성SDI와 SK이노베이션 배터리 공장과 인접해 원활한 소재 공급이 가능할 것이다. 헝가리 공장이 완공되면 파낙스이텍은 한국(1만톤), 말레이시아(1만톤), 중국(1만3,000톤)공장을 합쳐 연간 5만3,000톤의 생산 규모를 갖추게 된다.

참고자료

• 럭킴, 〈리튬이온 배터리 기초 4. 전해액이란?〉, 《티스토리》, 2020-06-12
• 삼성SDI, 〈리튬이온을 위한 베스트 드라이버 ‘전해액’〉, 《삼성SDI》
• 이혁진 삼성증권 수석연구원 · 김종민 삼성증권 선임연구원, 〈전기차 시대 열 2개의 열쇠, 전해액과 실리콘〉, 《주간동아》, 2021-07-26
• 곽도영 기자, 〈(단독)“배터리소재도 코리아” 글로벌 배터리업체 앞다퉈 손짓〉, 《동아일보》, 2021-07-19
• 김동규 기자, 〈(ER 궁금증) 리튬이온 배터리의 ‘혈액’ 전해액〉, 《이코노믹리뷰》, 2019-03-24

같이 보기

• 전해질

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