용매

용매(溶媒, solvent)는 용액의 매체가 되어 용질을 녹이는 물질로, 주로 액체나 기체상을 띤다. 예를 들어 액체에 물질을 녹여 용액을 만들 때나 액체에 액체가 녹아 들어가는 경우에 그 양이 많은 쪽의 액체를 용매라고 하며, 용액 중에서 용매는 용질에 비해 용액을 구성하는 비율이 높다. 액체상의 용매의 경우 공통적으로 끓는 점이 낮아 휘발성을 가지고 있는 경우가 있다. 용매는 액체상이 아닌 혼합물에서 특정 물질을 추출할 때에 사용되기도 한다.

용매가 액체 상태에 있는 경우, 용매가 어느 종류의 물질이냐에 따라 무기 용매와 유기 용매로 구분하기도 한다. 대표적인 무기 용매는 물이며, 유기 용매로는 에테르나 아세톤, 알코올 등을 들 수 있다.

대표적인 극성 용매로는 물, 에탄올, 아세톤 등이 있고, 대표적인 무극성 용매로는 사이클로헥세인 사염화탄소, 벤젠 등이 있다.

국내에서는 롯데케미칼이 전기차 배터리 '액상 전해질'(전해액)에 들어가는 유기 용매 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)를 생산할 예정이다.

전기차 배터리 전해질 유기 용매

리튬이온 배터리 전해질에 일반적으로 사용되는 유기 용매는 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다.

리튬 이온 배터리 전해질에 일반적으로 사용되는 유기 용제 및 그 특성

유기 용매	속성들
에틸렌 카보네이트(EC)	강한 흡습성
디에틸 카보네이트(DEC)	흡습성, 물에 불용이며, 알코올, 에테르 및 기타 유기 용제에 가용 인 것, 인화성 및 폭발성
디메틸카보네이트(DMC)	강한 흡습성, 에탄올, 에테르 및 기타 유기 용제에 용해되며 물에 불용이다.
에틸 메틸 카보네이트(EMC)	강한 흡습성, 물에 불용, 알코올에 용해, 에테르, 화학적 불안정, 쉽게 알코올과 이산화탄소로 분해
프로필렌 카보네이트(PC)	강한 흡습성
메틸 프로필 카보네이트(MPC)	강한 흡습성

전해액 유기 용매는 염을 용해시키는 액체이다. 유기 용매는 리튬염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는다. 유기 용매는 몇가지 요구되는 특성이 있는데 이온 화합물을 잘 분리시킬 수 있도록 리튬염에 대한 용해도가 커야 하며, 리튬의 이동이 원활하도록 점도가 낮아야 한다.

다양한 형태의 용매(예시)

 

유기 용매는 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.

참고자료

• 〈용매〉, 《위키백과》
• 최유진 기자, 〈"배터리 유기용매 제조, 획기적 사건"... 롯데케미칼-현대차 협업할까〉, 《시장경제》, 2021-06-02
• 소주 yacoo 과학, 〈리튬 이온 배터리 전해질에 일반적으로 사용되는 물질〉, 《야쿠사이언스》, 2017-09-13
• 삼성SDI, 〈리튬이온을 위한 베스트 드라이버 ‘전해액’〉, 《삼성SDI》
• 럭킴, 〈리튬이온 배터리 기초 4. 전해액이란?〉, 《티스토리》, 2020-06-12

같이 보기

• 에틸렌 카보네이트
• 디메틸카보네이트
• 에틸 메틸 카보네이트
• 프로필렌 카보네이트
• 메틸 프로필 카보네이트

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